Система сотовой связи стандарта GSM и особенности построения абонентских устройств (стр. 2 )

Подсистема коммутации (NSS) построена из следующих компонентов:

Центр коммутации (MSC — Mobile Switching Centre) держит под контролем определённую географическую зону с расположенными на ней базовыми станциями и их контроллерами. Осуществляет образование соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и другими сетями радиосвязи, а также сетями передачи данных в сети. Ещё она выполняет функции управления вызовами, маршрутизации вызовов, эстафетной передачи обслуживания при перемещении мобильных станций из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает статистику по нему и передаёт её в центр подсчётов для формирования счета за услуги. MSC также постоянно наблюдает за положением MS, анализируя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и скоростного установления соединения с MS в случае её вызова. Домашний реестр местоположения (HLR — Home Location Registry) содержит в себе базу данных абонентов, приписанных к нему. Также в нём содержится информация о состоянии каждого абонента, информация о предоставляемых данным абонентам услугах, необходимая в случае его вызова, а ещё Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), который необходим для аутентификации абонента. Каждый из абонентов приписан к своему одному HLR. К данным HLR имеют доступ все центры коммутации и VLR в данной GSM-сети, а в случаях межсетевого роуминга — и MSC сетей других операторов. Гостевой реестр местоположения (VLR — Visitor Location Registry) обеспечивает отслеживание передвижения MS из одной зоны в другую и содержит информацию о перемещении абонентов, находящихся в данный момент в пределах этой зоны, в том числе и абонентах систем GSM других опрераторов — так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из реестра в случае, если абонент перешёл в другую зону. Такая схема позволяет резко сократить количество запросов на HLR данного абонента и, конечно же, уменьшить время обслуживания вызова. Реестр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identification Registry) содержит в себе базу данных, необходимую для установления подлинности сотового телефона по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (обнаружены некоторые проблемы с идентификацией) и чёрный (телефоны, запрещённые к применению). Центр аутентификации (AUC — Authentification Centre) производит аутентификация абонента, а точнее — SIM (Subscriber Identity Module) карты. Доступ к сети разрешается только после прохождения процедуры проверки подлинности SIM. В процессе этой проверки с центра аутентификации на MS приходит случайное число, после чего на AUC и MS параллельно происходит кодирование числа ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма кодирования. Затем с AUC и MS на MSC возвращаются «отклики» — SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного кодирования. На MSC эти отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается пройденной. Подсистема OMC (Operations and Maintenance Centre) соединена с остальными составляющими сети и обеспечивает управление всей сетью и контроль качества её работы. Также она обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство технического персонала. Также она обеспечивает проверку состояния сети, возможность или невозможность прохождения вызова и при необходимости производит обновление программного обеспечения на каждом из элементов сети и ещё ряд других функций [1].

1.2 Построение абонентского аппарата и основные режимы его использования

Аппараты абонентов представляют собой портативные беспроводные подвижные станции, называемые сотовыми (мобильными) телефонами.

Структурная схема подвижной станции приведена на рисунке 1.2. В её состав входят: антенный блок, приёмопередающий блок, блок управления. Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну - в простейшем случае четвертьволновый штырёк - и коммутатор приём-передача. Приёмопередающий блок включает в себя: передатчик, приёмник, синтезатор частот и логический блок. Блок управления представляет собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на вход приёмника, либо на выход передатчика, так как подвижная станция цифровой системы никогда не работает и на приём и на передачу одновременно.

Рисунок 1.2 – устройство мобильного телефона

Блок управления подключиет устройства ввода-вывода информации, а именно: микрофон, динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также ввода команд, определяющих режимы работы подвижной станции к которой подключен. Дисплей служит для отображения различного рода информации, предусматриваемой устройством телефона и режимом работы станции.

Приёмопередающий блок значительно сложнее. В состав передатчика входят:

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует из аналоговой в цифровую форму сигнал с выхода микрофона, после чего вся последующая обработка и передача речевого сигнала производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования; кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала – преобразование сигнала в цифровой форме, по определенным законам с целью уменьшения объёма информации, передаваемой по каналу связи; кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, полученный с выхода кодера речи, избыточность, предназначенную для защиты от ошибок передач сигнала по линиям связи. С целью увеличения помехоустойчивости информация подвергается определённой кодированию по определённым алгоритмам; кроме того, кодер канала вводит в состав сигнала сигналы управления, поступающие от логического блока; модулятор – осуществляет транспортировку информации кодированного сигнала на несущую частоту.

Приёмник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный сигнал, несущий сообщение; декодер канала выделяет из потока управляющий сигнал и направляет его на логический блок; принятая последовательность подвергается проверке на наличие ошибочных символов. Выявленные ошибочные символы по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке; декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, трансформируя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но ещё пока в цифровом виде; цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговый и подает его на вход динамика; эквалайзер служит для частичной компенсации различного рода искажений сигнала; по существу, это фильтр, адаптивно настраиваемый по последовательности символов, входящей в состав передаваемого сигнала.

Помимо самих передатчика и приёмника, в приёмопередающем блоке также находятся логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это, по своей сути, микроконтроллер, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, которая применяется для передачи информации по радиоканалу связи. Наличие гетеродина и преобразователя частоты объясняется тем, что для приёма и передачи используются разные участки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).

Подвижная станция может включать также так называемый определитель речевой активности (Voice Activity Detector). Для решения некоторых задач, а именно: экономного расходования энергии источника питания, снижения уровня помех, которые неизбежно создаются для других станций при работающем передатчике; детектор включает работу передатчика на излучение только на нужные интервалы времени, когда абонент говорит по телефону [3].

После рассмотрения структуры сотового телефона перейдем к режимам его работы.

Телефонный аппарат, помимо его стандартного назначения, возможно также использовать и как модем. Благодаря этому можно исследовать работу телефона в разных режимах его работы, а так же отлаживать программы и тестировать их взаимодействие с модемом.

В данном дипломном проекте в качестве исследуемого телефона был выбран телефон Siemens C45. Эта модель проста, надежна и хорошо изучена.

Технические характеристики Siemens C45:

Стандарт: GSM 900/1800 Передача данных: WAP 1.2 Поддержка RS232 Встроенный модем

1.3 Подсистема передачи данных мобильного аппарата и её применение в рабочем и тестовых режимах

Основным устройством передачи данных в мобильном телефоне является модем. Модем — это устройство, применяющееся для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения в пространстве, где он не может существовать без адаптации, и выполняющее функцию модуляции и демодуляции этого сигнала. Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного сигнала, демодулятор — осуществляет обратный модуляции процесс. Модем выполняет функцию оконечного оборудования в системах связи. Само формирование данных для передачи и обработки информации осуществляет терминальное оборудование, то есть сам телефон.

Существует два режима для работы с модемом сотового телефона – рабочий и тестовый. В рабочем режиме выполняются все стандартные функции модема: голосовое соединение, передача данных, отправка текстовых сообщений, ожидание вызова. Тестовый режим подразумевает под собой использование модема в качестве испытуемого объекта, например для проверки его работоспособности, или для отладки какой либо программы, написанной на языке программирования. Что бы работать с модемом в тестовом режиме используется набор специализированных команд, понятных модему.

1.4 Система команд модема мобильного аппарата и организация формирования управляющих воздействий

Для управления функциями модема, такими как набор номера, установление соединения для передачи данных, ответ удаленному модему или разъединение, в 1977 году компанией Hayes были разработаны особые команды, называемые AT-командами. Набор этих команд состоит из серий коротких текстовых строк, которые объединяют вместе, чтобы сформировать полные команды операций, таких как набор номера, начало соединения или изменения параметров подключения.