Sakaru Pasaule - Žurnāls par
modernām komunikācijām

  
  


Atpakaļ Jaunais numurs Arhīvs Par mums Meklēšana

GSM?... Tas ir ļoti vienkārši

   

Eiropā bez pirmās paaudzes analogā mobilā telefona (MT) sistēmām (piemēram, C tīkls Vācijā, TACS — Lielbritānijā, NMT — Skandināvijā un arī Latvijā) plašu izplatību guvis otrās paaudzes MT, ko pazīst ar saīsinājumu GSM. Kopš 1997. gada GSM — digitālā šūnu radiotelefona sistēma — bagātinās ar ātrumu 2 miljoni abonentu mēnesī, iespiežoties arī Amerikā, Āfrikā un Āzijā. Tuvā nākotnē jau redzama MT trešā paaudze (1. zīm.).

GSM attīstības posmi

1982. — CEPT (Conference Europeene des Administrations des Postes et des Telecommunications) paspārnē nodibināta GSM grupa (Groupe Special Mobile) ar mērķi standartizēt Eiropā digitālo šūnu radiotelefonu. 1989. — GSM grupa tiek iekļauta ETSI (European Telecommunication Standards Institute) organizācijā kā patstāvīga tehniskā komiteja. Šī MT sistēma gūst strauju izplatību, tādēļ akronīmu GSM pārdēvē un papildina par Global System for MobileCommunications, sarunvalodā lietojot veco saīsinājumu GSM. 1990. — GSM-900 MHz tehnisko rekomendāciju pirmā fāze tiek iesaldēta un sākta sistēmas pielāgošana 1800 MHzdiapazonam [1]. 1994. — GSM tīklos tiek piedāvāti arī datu pārraides pakalpojumi. GSM lieto 43 pasaules valstīs. 1995. — Pieņemta GSM standartizācijas otrā fāze. Tā centrēta uz papildpakalpojumiem. Tajā iekļauta arī PCS—1900 MHz (Personal CommunicationSystem). Tā GSM dēvē Amerikas Savienotajās Valstīs. Sākti faksa un SMS (Short Message Service) pakalpojumi. GSM tīklā demonstrē attēla pārraidi. 1996. — Pieņemta GSM standartizācijas nākošā fāze Phase 2+, nosakot, ka GSM sistēma ir atvērta un gatava uzlabojumiem. Piemēram, izstrādāts paaugstinātas kvalitātes runas koders, palielināts bitu plūsmas ātrums no 9,8 līdz pat 100 kbit/s HSCD (High Speed Circuit Data) režīmā, paredzēta iespēja pieslēgties integrēto paketdatu X.25 tīkliem utt. 1999. — GSM-900, GSM-1800 un GSM-1900 turpina strauji attīstīties. Šīs sistēmas lieto vairāk nekā 120 valstīs ar apmēram 100 miljoniem abonentu.

Sistēmas arhitektūra - Šūna

Katrā šūnā (jeb cellē — no angļu cellular mobile phone), parasti tās centrā, izvietots bāzes stacijas raidītājs — uztvērējs (BTS — Base Transceiving Station), kas apkalpo šūnas apgabala MT (2. zīm.). Arī MT faktiski ir transceiver (no angļu transmitter — receiver) aparāts. Vairāku šūnu bāzes stacijas stūrē BSC (Base Station Controller) — bāzes staciju vadītājs — kontrolieris.

MSC (Mobile Switching Center)

Tā ir ar datoriem piestūķēta telefoncentrāle, un angļu vārds mobile attiecas uz visu MT sistēmu, nevis uz pašu centrāli, kas var būt stacionārs mezgls. MSC uzdevumi: maršruta meklēšana nosūtāmai informācijai; šī maršruta komutēšana; pakalpojumu pazīmju apstrāde. MSC atšķirībā, piemēram, no ISDN mezgla, piešķir un maina frekvenču kanālus, kā arī seko MT kustībai. Tāpat MSC reģistrē abonentu dzīves vietu un realizē handover (sk. tālāk). GSM sistēmā var būt vairākas šādas centrāles, kas katra darbojas savā apgabalā, pakļaujot sev bāzes staciju subsistēmu.

Komutēšanas — galvenās vadības subsistēma

Šo apakšsistēmu veido MSC, ISC (International Switching Center) — starptautiskā centrāle, GMSC (Gateway MSC) — vārteja jeb slūžas, kas datus pārraida uz tīkliem ar atšķirīgu arhitektūru un protokoliem, kā arī datu bāzes. ISC savieno ar citu valstu GSM tīkliem. Šajā apakšsistēmā ieslēgtas vēl divas datu bāzes: HLR (Home Location Register) un VLR (Visited Location Register). Pirmajā glabājas MT izsaukšanas numuri un ar abonentiem veiktās administratīvās procedūras, otrajā tiek reģistrēti šūnas viesabonenti. VLR ielādē datus MT, lai atbilstošā MSC to varētu pieslēgt tīklam, taču to var veikt, ja starp GSM sistēmām ir bijis noslēgts roaming līgums.

Operāciju — apkopes subsistēma

Tajā ieiet OMC (Operation and Maintenance Center) — operāciju un apkopes centrs ar savām datu bāzēm EIR (Equipment Identity Register) un AUC (Authentication Center). Šīs subsistēmas pārvaldnieka OMC datori veic: sistēmas pārvaldes un komerciālās procedūras (abonenti, galaiekārtas, aprēķini, statistika); drošības menedžmentu; GSM tīkla konfigurācijas veidošanu, ekspluatāciju un virsuzraudzību, kā arī ar tīkla apkopi saistītās darbības. Pēdējās divas funkcijas ir standartizētas (CCITT M.30). Datu bāze EIR patur atmiņā MT sērijas numuru (IMEI — International Mobile Equipment Identity), katram MT pārbauda novecojušo programmatūru, kā arī izslēdz no piekļuves sistēmai nozagtu un apziņotu MT. AUC datu bāzē atrodas konfidenciālie dati un atslēgas. Pēdējās identificē abonentuun pilnvaro to ikreizējai piekļuvei pakalpojumiem.

Darbības pamatprincipi FDMA/TDMA kombinācija + SDMA

GSM izmanto FDMA/TDMA (Frequency/Time Division Multiple Access) — frekvences un laiksadales daudzkārtējās piekļuves metožu kombināciju. Divas 25 MHz platās frekvenču joslas ņ900 MHz diapazonā (sk. precīzāk 3. zīm.) sakārtotas tā, ka katra no tām savukārt sadalīta 200 kHz platos 124 frekvenču kanālos. Katrā joslā kanāli secīgi numurēti. Viena kanāla numura pāris abās joslās veido t.s. duplekskanālu (šurp-turp sarunas nodrošināšanai). Tā ir t.s. frekvences sadale. Katrs frekvences duplekskanāls vēl pakļauts laiksadalei. Proti, saskaldītai abonentu sarunas pārraidei tiek izdalītas TDMA 4,615 ms freimā (sk. 3. zīm.) tikai ļoti īsas laikspraugas (katra ilgst 576,9 µs). Freimā tādas ir astoņas. Šurp un turprunātājs izmanto laikspraugas ar to pašu numuru, kuru laikā tiek pārraidīts impulsu zibsnis (burst). Frekvences un laiksadales rezultātā patiesi izmantojamais kanālu daudzums pieaug līdz 124x8 = 992.

Glābiņš — šūnu izmantošana

Ne velti GSM ir šūnu radiotelefons. Tos pašus laikfrekvences sakaru kanālus var izmantot vienlaikus citās šūnās, kurās ir savukārt sadalīta visa lielā apraides teritorija. Svarīgi, lai vieni un tie paši sakaru kanāli netiktu iedalīti kaimiņšūnās vai pat nākošo — tuvāko kaimiņu šūnās. Tad abonentiem citu MT vai bāzes staciju raidītie signāli traucējumus nerada un ar brīviem kanāliem var nodrošināt ļoti daudz abonentu. Tas ir t.s. SDMA (Space Division Multiple Access) — telpsadalesvairākkārtējās piekļuves princips. Laika kavējums triju laikspraugu garumā, kā arī 45 MHz atstarpe duplekskanāliem (3. zīm.) izslēdz vienlaikus raidīšanas — uztveršanas iespējas, abonentiem to nemanot, un pilnīgi izolē turpkanālu no šurpkanāla. Tā izdodas vienkāršot un palētināt MT augstfrekvences analogo daļu (visi bloki, kas atrodas starp MT antenu un analogi digitālo pārveidotāju).

Sinhronizācija un vēlreiz sinhronizācija

Sistēmas perfektai darbībai nepieciešams ļoti precīzi sinhronizēt visus elektroniskos signālu apstrādes procesus. Piemēram, nesējfrekvence jānostabilizē līdz procenta miljonai daļai. Tas nozīmē, ka MT iekšējais oscilators ik pēc brīža jānodrošina ar precīzu frekvences etalonu. Vēl jo vairāk tādēļ, ka FDMA/ TDMA izmantošana GSM sistēmā neparedz nemainīgu nesējfrekvences izmantošanu! Šis frequency hopping — frekvences lēkāšanas vai kanāla mainīšanas process (4. zīm.) — var sākties automātiski, tiklīdz attiecība signāls/troksnis trasē nokrīt zem 9 dB (šīs parādības cēlonis — frekvencesselektīvais feidings). Piešķirtos frekvences kanālus var mainīt arī tad, kad abonents pārvietojoties nonāk citas šūnas bāzes stacijas uzraudzībā (handover), u. c. gadījumos. Laika sinhronizācija ir vēl sarežģītāka, jo jāievēro radioviļņu noskriešanas laiks (RNL). 30 km ceļu radiovilnis veic 100 ms, kas bieži ir garākais RNL. Tāpat jāņem vērā triju laikspraugu kavējums starp šurp un turpkanāliem, 8,25 — aizsardzības bitu izmantošana katra pārraides zibšņa beigās, 3 astes biti zibšņa sākumā un beigās utt.

Dažādie zibšņi

Tādēļ arī nepieciešams pārraidīt piecus dažādus zibšņus (5. zīm.). Pirmais, t.s. normālais, zibsnis pārnes galvenokārt datu bitus, koriģējot arī RNL kļūdu. Otrā — frekvences korekcijas zibšņa — galvenais uzdevums: sinhronizēt (nostabilizēt) MT iekšējo oscilatoru. Trešais — sinhrozibsnis — sinhronizē MT un bāzes stacijas laiku, panākot, ka TDMA freimu precizitāte mērojama vismaz mikrosekundes desmitdaļās (adaptive frame alignment). Tukšais zibsnis ir tukšs tikai no datu bitiem. Tas palīdz veikt otrā zibšņa procedūras (pilda BCCH — Broadcast Control Channel funkcijas), šai laikā tiek pārraidīta nemodulēta nesējfrekvence ar 67700Hz nobīdi pret nesēja nominālu. Svarīgi piezīmēt, ka GSM sistēma izmanto 0,3 GMSK (Gaus Minimum Shift Keying) —nepārtrauktās fāzes modulācijas paveidu. Pēdējais — piektais, t.s. piekļuves zibsnis, kuram ir visgarākais (68,25 bitu) aizsargintervāls, novērš TDMA freimu neprecizitātes jeb sadursmes (collision) dažādu RNL dēļ.

Pakalpojumi

GSM bezvadu lietojumu tehnoloģijā, pielāgojoties ISDN tīklam, ir trīs galvenie pakalpojumu veidi: nesējdienesta (Bearer Services); telematikas (Teleservices) un papildus (Sypplementary Services). Pirmais nodrošina datu transporta iespējas, arī paketēs sinhronā un/vai asinhronā režīmā ar plūsmas ātrumiem 300 ÷ 9600 bit/s (arī 13 kbit/s runas pārraidei). Pārraides var būt visiem pieejamas vai ar speciāliem protokoliem aizsargātas no nesankcionētas noklausīšanās. Otrais veids ietver runas (telefonija), SMS (līdz 160 simboliem), videoteksta (3 profili), teleteksta un faksa pārraides. Trešais — dažādi pakalpojumi telefonijā, ieskaitot trīspersonu sarunas, konferencsakarus utt. Īpašos GSM sistēmas audiosignāla kodēšanas procesus sk. rakstā Audiosignāla ciparu kodēšana un kompresijaIII šī žurnāla 31., 32. lpp.

Arnolds VĪTOLS

Informācijas avoti (GSM standarti — rekomendācijas)
1. GSM — Rec. 01.06 12.21. Piem. 03.02, Network Architecture.
 
Design and programming by Anton Alexandrov - 2001