Єдиною частиною системи GSM, яку бачить звичайний користувач, є його рухома станція-MS (англ. Mobile Station). Вона називається просто стільниковим телефоном. Існує кілька класів рухомих станцій, які відрізняються одна від одної потужністю передавача, розмірами та можливостями взаємодії з пристроями передачі даних.

Рухомі станції відрізняються одна від одної як функціями, основними і додатковими, так і електричними параметрами, тобто, перш за все максимальною потужністю рівня передачі, що впливає на розміри станції, та часом роботи акумуляторів.

В таблиці 7.3 показано класи рухомих станцій, які об'єднані в стандарті GSM, як в діапазоні 900 мГц (GSM-900), так і діапазоні 1800мГц (система DSC-1800). Клас рухомих станцій визначено в залежності від максимальної потужності передавача. Історично найстарішими і найважчими були возимі станції, призначені для монтування в автомобілях з антеною, яка монтується ззовні автомобіля. Наступним етапом в еволюції рухомих станцій були переносні моделі. Відносно висока потужність возимих і носимих станцій, привела до того, що вони використовуються і зараз, а саме там, де місцевість покрита великими стільниками (напр. сільська місцевість). Носимі станції можуть бути також пристосовані до монтажу в автомобілях. Останньою, найбільш популярною зараз генерацією рухомих станцій, є кишенькові станції. Малі, вигідні і легкі термінали із інтегрованою антеною, досить зручні для малостільникових міських територій. Кінцевим обладнанням системи GSM може бути також безпровідний телефонний автомат та безпровідна комутаційна станція (використовується, наприклад, на кораблях, в поїздах і т. і). Рухомі станції можуть також використовуватися для нерозмовних цілей, наприклад для передачі результатів вимірювань.

Більшість рухомих станцій, які зараз продаються, – це кишенькові термінали, що призначені для передачі сигналів мови. Важливим застосуванням терміналів системи GSM є передача даних, тобто сигналів з комп’ютерних модемів і телефаксу. З точки зору пристосування до передачі даних, термінали системи GSM поділяються на три типи, в залежності від місця встановлення модуля, що реалізовує адаптивні функції ТАF (англ. Terminal Adaptation Functions), які необхідні для передачі даних (рис. 7.8)

•         МТ0 (англ. Mobile Terminal type 0) – це найпростіший випадок, в якому як функції зовнішнього пристрою, так і адаптивні функції інтегровані в одному пристрої. Термінали МТ0 існують тільки для передачі мови;

•         МТ1 (англ. Mobile Terminal type 1) – це варіант, в якому термінал, який має ISDN-івський інтерфейс "S". До нього можуть бути під’єднані будь-які зовнішні пристрої ISDN. Зовнішні пристрої, що мають модемний інтерфейс, можуть взаємодіяти з терміналом МТ1 через ISDN-івський адаптер терміналу ТА (англ. Terminal Adapter) – в цьому випадку адаптивні функції розподіляються між МТ1 і ТА;

МТ2 (англ. Mobile Terminal type 2) – це варіант, в якому адаптивні функції ТАF повністю інтегровані з терміналом і взаємодіють із зовнішнім пристроєм через класичний модемний інтерфейс.

Рисунок 7.8 – Типи мобільних терміналів з точки зору можливості

передачі даних

 

На рис. 7.9 подано структурну схему рухомої станції GSM. Вона відповідає окремим етапам перетворення сигналу, що передається від мікрофону аж до моменту генерації сигналу на радіочастоті. З іншого боку показано на ній окремі етапи обробки прийнятого сигналу.

На рис. 7.10 показано, для прикладу, спрощену функціональну схему носимої рухомої станції типу МТ2. В цьому прикладі цифрова частина основної трансмісійної ланки станції містить три цифрові мікросхеми мікросхем, які реалізують відповідно кодування і декодування в каналі та корекцію радіоканалу.

В аналоговій частині основної ланки обробки сигналів знаходиться аналогова мікросхема інтерфейсу між аналоговою частиною і цифровою, а також підсилювачі, фільтри та конвертори частоти, АЦП, мікросхеми спряження і приймально-передавальна антена.

 

Таблиця 7.3 – Класи мобільних станцій в системах GS-M 900 і       DSC-1800

 

 

Допоміжні функції виконуються в аналоговій частині модулем синхронізації, побудованим на основі фазової петлі та кварцового генератора. Подібно в цифровій частині знаходяться дві цифрові мікросхеми, що виконують, відповідно, функції керування та адаптивні (стикові) TAF функції для передачі даних, а також зчитувач з модуля ідентифікації абонента SIM. Інтерфейс з користувачем складається з клавіатури, мікрофону і навушника та дисплея, необхідного, між іншим, для передачі коротких текстових повідомлень.

Основні функції, що виконуються рухомою станцією:

·        обробка прийнятих і переданих сигналів;

·       допоміжні функції, що пов’язані з трансмісією – стрибки частот, регулювання потужності, вимірювання якості прийнятого сигналу (вимірювання ймовірності помилок) від власної "базової" станції вимірювання потужності прийнятих сигналів від "власної" і сусідніх базових станцій;

·     функції інтерфейсу з користувачем – дозволяють користувачу зв'язатися з системою, використовуючи рухому станцію;

функції, що пов’язані з передачею даних, тобто адаптивні функції, та функції, пов’язані із способом передачі з автоматичною ретрансляцією помилкових пакетів ARQ (англ. Automatic Repeat reQuest). В системі GSM рухома станція була стандартизована тільки частково. Не стандартизований, наприклад, інтерфейс людина-машина. Отже, стандарт закінчується "всередині" рухомої станції, між радіоінтерфейсом і користувачем.

Рисунок 7.9 – Структурна схема мобільної станції

Виробникам залишено певну свободу в проектуванні рухомих станцій, але діюча рухома станція не може вносити завад в роботу інших систем та повинна виконувати вимоги щодо зовнішніх параметрів.

Рисунок 7.10 – Приклад функціональної схеми мобільної станції

Рухому станцію побудовано, як інтелектуальний термінал. Вона виконує, звичайно, ряд локальних функцій (англ. Lokal features), виконання яких не потребує співпраці мережі. Тільки частина з них належить до мінімальної групи основних функцій, які повинен виконувати кожний термінал. Крім того, виробники можуть надати йому функції, які не закладені в стандарті GSM. Група основних функцій робить одноманітними і спрощує користування терміналами незалежно від його типу і виробника. Важливою причиною, що виправдовує необхідність об'єднання групи основних функцій, є присутність стандартного модуля SIM. Функції, які необхідні для правильної роботи модуля SIM, повинні знаходитись в кожній руховій станції.

До групи основних локальних функцій належать такі функції: висвітлення набраного номера, висвітлення інформації про перебіг виконуваного з’єднання, висвітлення інформації про систему GSM (країна+оператор), можливість вибору оператора в даній країні, можливість запису в терміналі міжнародного ідентифікаційного номера IMEI. Важливими функціями, які не є основними, є функції, що пов'язані з обслуговуванням коротких текстових повідомлень, тобто сигналізування про отримання повідомлень та сигналізування про переповнення пам’яті короткими повідомленнями. Інші функції, необов'язкові, це, наприклад, виконання рухомою станцією функції ISDN-івського інтерфейсу "S", скорочений вибір, можливість встановлення з'єднань тільки до деяких номерів, повтор останнього номера, блокування вихідних з'єднань чи висвітлення нарахування оплати і т. і.

Основною функцією, яка виконується в трансмісійному аспекті рухомою станцією, є генерація правильного сигналу на радіочастоті та посилання його в канал. В зв'язку з тим, що кількість рухомих станцій та інших електронних пристроїв, які мають доступ до радіоканалу, може бути дуже великою, необхідним є дуже старанний нагляд за електричними параметрами випромінюваного сигналу. Нижче описано кілька найважливіших вимог, об'єднаних в стандарті GSM, які стосуються параметрів випромінюваного сигналу в радіоканал.

Проаналізуємо потужність передавача. В таблиці 7.3, подано       класи рухомих станцій систем GSM-900 та DSC-1800 з точки зору максимальної потужності передавача рухомої станції. З іншого боку, дуже важливо щоб не передавати потужності більшої, ніж необхідно для якісної передачі. Дуже високий рівень сигналу передачі рухомої станції збільшує рівень інтерференції в сусідніх каналах і скорочує термін дії батарей. В системі GSM застосовано механізм управління потужністю (англ. Power control). З наказу базової станції рухома станція повинна мати можливість регулювання рівня сигналу передачі від максимального рівня для свого класу,  через  2  дБ,  до мінімального рівня +13 дБп. Це дозволяє динамічно регулювати потужність сигналу передачі в залежності від відстані між рухомою та базовою станціями. Побічним ефектом регулювання потужності рухомої станції є небажане випромінювання в сусідніх радіоканалах на частоті, вищій від несучої на 400 кГц. З метою максимального обмеження інтерференції між рухомими станціями, які працюють в одній і тій комірці, специфікація GSM окреслює максимальну величину небажаного випромінювання в діапазоні приймання рухомої станції GSM (канал "вниз" – 935–960 МГц): для рухомих станцій першого класу -76 дБп і -84 дБп для інших класів. Крім того, стандарт GSM об'єднує також зразки, що характеризують часові параметри процедур ввімкнення і вимкнення рухомої станції (рівень потужності передавача від функції часу).

Розглянемо небажане випромінювання поза діапазоном. Крім описаних вище обмежень, що стосуються максимальних рівнів небажаних сигналів, генерованих в діапазоні GSM, стандарт GSM об'єднує також обмеження на потужність небажаних сигналів на частотах, що лежать поза діапазоном GSM. Метою обмежень є уникнення інтерференції з електронним обладнанням, діючим в інших діапазонах частот. Обмеження стосуються максимальної величини потужності небажаного сигналу в діапазоні частот від 9 кГц до 12,75 ГГц. Ці величини становлять: –36 дБп для діапазону від 9 кГц до 1 ГГц (за винятком діапазону GSM) і –30 дБп для діапазону від 1 ГГц до 12,75 ГГц.

Базова станція підстроює частоту рухомої станції на свій дуже точний еталон. Висока стабільність частоти в передавачах базових станцій (не менше 5·10^-8) дозволяє застосувати відносно дешеві кварцові генератори в рухомих станціях (їх стабільність приблизно рівна 5·10^-6). Для порівняння, рухомі станції в аналогових стільникових системах повинні мати стабільність частоти приблизно1·10^-6.

В системі GSM застосовано модуляцію GMSK з параметром ВТ=0,3. Постійна обвідної сигналу GMSK дозволяє застосувати в рухомих станціях високопродуктивні нелінійні підсилювачі класу С. З метою забезпечення ефективного використання діапазону частот в стандарті GSM введено досить жорсткі вимоги щодо точності модуляції. Максимальне відхилення несучої частоти становить 90 Гц, а середньоквадратична величина шуму фази не може перевищувати 5%.

Проаналізуємо динамічний діапазон. Мінімальні межі регулювання приймача рухомої станції становлять 94 дБ (92 дБ для кишенькових терміналів), що дозволяє рухомій станції приймати сигнали на відрізку від -10 до -104 дБп (до -102 дБп для кишенькових терміналів).

Живлення рухомих станцій є важливим параметром саме тоді, коли беремо до уваги прагнення створити щораз менші і легші термінали, в яких часто містяться акумулятори все меншої ємності. З іншого боку, конструктори рухомих станцій прагнуть забезпечити своїм виробам хоча б 8-годинний "робочий день". В цій ситуації широко використовуються елементи CMOS, бо мають малу споживану потужність. Шансом створення економічніших терміналів є розвиток напівпровідникових технологій, тобто створення елементів, що потребуватимуть щораз менших напруг живлення. Основним обмеженням в цьому випадку є, однак, аналогова радіочастина, яка потребує певної потужності для передачі сигналу в радіоканалі.

В системі GSM впроваджено розподіл між характеристиками абонента і його обладнанням. Рухома станція була поділена на дві частини. В першій частині містяться всі функції запрограмованого обладнання, що пов'язані з обслуговуванням радіоінтерфейсу, а також стику із зовнішніми пристроями. В другій містяться ідентифікаційні дані користувача. Перша частина - це, практично, термінал системи GSM, який однак для своєї роботи потребує "ключа", пов'язаного з абонентом, який його використовує. Цим ключем є так знаний ідентифікаційний модуль абонента SIM (англ. Subscriber Identity Module). В стандарті GSM рухому станцію, позбавлену модуля SIM, називають рухомим обладнанням (англ. Mobile Equipment-ME). Стик між модулем SIM і рухомим обладнанням стандартизований (так званий Інтерфейс SIM-МЕ).

Переваги відокремлення модуля SIM від решти функцій рухомої станції системи GSM такі. В типових аналогових стільникових системах залишення терміналу без нагляду давало неуповноваженим особам можливість доступу до засобів абонента, включно з веденням розмов за його рахунок, читанням повідомлень, що надходять до цього абонента,     і т. д. Позичити термінал іншій особі було нелегко, а купівля терміналу відбувалась тільки в спеціалізованих пунктах і була рівнозначною з реєстрацією абонента в системі. Обмін терміналу на інший, більш сучасний, був пов'язаний з необхідністю візиту до представника оператора системи.

Всі ці проблеми були розв'язані з впровадженням в системі GSM ідентифікаційного модуля абонента SIM. В цьому випадку рухоме обладнання МЕ без модуля SIM стало майже "обладнанням домашнього господарства", яке можна придбати без обмежень в магазинах, тому що його купівля відокремлена від реєстрації абонента в системі GSM. Єдиним елементом, який потрібно старанно зберігати, є модуль SIM, але цей модуль захищений від несанкціонованого доступу системою символів. Володіння кількома терміналами не викликає проблем для абонента, їх монтують фірми, здають на прокат в автомобілі або в таксі. Наприклад, власники кишенькових терміналів, придатних для міських теренів, переїзжаючи в сільську місцевість можуть брати на прокат термінали більшої потужності. Абонент, який має тільки карту SIM, може телефонувати з різних терміналів за власний рахунок, причому термінал позбавлений модуля SIM, дозволяє вести нетарифіковані розмови (телефонувати в поліцію, пожежну, швидку допомогу і т. д.). Будь-які зміни інформації, записаної на карті SIM (напр. зміна повноважень абонента), вже не потребують посередництва продавців обладнання і навіть втручання в сам пристрій - оператор обмежується контактом з користувачем і його модулем SIM.

Модуль SIM може бути виконаний, як інтелектуальна карта (англ. smart card), розмірами стандартної кредитної картки, яка вкладається до зчитувача терміналу перед встановленням зв'язку і виймається після його закінчення. Незалежно від способу виконання, модуль SIM містить в собі мінікомп'ютер з пам'яттю ROM, EEPROM, RAM і процесор з пристроями введення/виведення. Модулі такого типу, виконані в формі карт, використовуються все частіше в різних пристосуваннях, від інтелектуальних телефонних карт до банківських карт, системи нагляду за доступом до закритих об'єктів і т. д.

Найважливіші функції модулю SIM такі:

•             зберігання інформації, записаної оператором, і використання її в процедурах, що пов'язані із захистом системи та генеруванням ключа Кс, який шифрує передачу в радіоканалі;

•             зберігання оперативної інформації, згрупованої користувачем коротких повідомлень, що надходять до нього;

•             захист доступу до даних за допомогою кодів доступу.

Модуль SIM охороняється від доступу неуповноважених осіб за допомогою коду доступу PIN (англ. Personal Identity Number). Код PIN записується в модулі SIM в момент реєстрації користувача в системі. Він становить від 4 до 8 цифр. Користувач має можливість зміни як самого коду, так і його довжини, може також вивести його з дії, використовуючи спеціальну функцію (англ. PINdisabling function). Триразове вписування помилкового коду PIN приводить до заблоковування карти. В такій ситуації карта SIM може бути розблокована тільки після введення довшого розблоковувального коду PUK (англ. Personal Unblocking Key).

Підсумовуючи сказане, в модулі SIM зберігається така інформація:

•         ідентифікаційний ключ та алгоритми шифрування для криптографічних процедур (Кі, А3, А8);

•         міжнародний номер рухомого абонента (ІМSІ);

•         номер "обладнання" абонента в мережі GSM (ІМЕІ);

•         тимчасовий номер рухомого абонента (ТМSІ);

•         інформація про актуальне положення рухомої станції, тобто номер зони викликів (LАІ);

•           повноваження абонента;

•           список скорочених номерів з індексом;

•           короткі текстові повідомлення, прийняті під час відсутності абонента;

•           права абонента відносно вибору системи GSM;

•        код доступу (PIN) та розблоковувальний код (PUK).

Впровадження модуля SIM – це крок в напрямку систем особистого зв'язку PCN (англ. Personal Communication Network), в яких в   майбутньому користувач, маючи тільки свій ідентифікатор, буде мати можливість використовувати послуги будь-якої телекомунікаційної системи в будь-який момент часу і в будь-якому місці на землі, оплачуючи тільки за фактичне використання засобів системи.

 

Контрольні запитання

 

1.        Навести основні складові стільникової мережі зв’язку.

2.        Як впливають розміри чарунки на якість стільникового зв’язку?

3.        Чим відрізняється стільникова мережа зв’язку від мікростільникової мережі на базі безшнурової телефонії?

4.        Особливості роумінга абонентів стільникової мережі телефонного зв’язку.

5.        Чому в Україні була насамперед впроваджена стільникова мережа стандарту NMT-450i?

6.        Пояснити особливості визначення місцеположення рухомої абонентської станції.

7.        Провести порівняльний аналіз стільникових мереж стандартів NMT-450i та GSM-900.

8.        Від чого залежить розмір кластера стільникової мережі?

9.        Особливості побудови абонентської станції аналогового типу.

10.   Як реалізується дуплексний режим роботи в різних стандартах стільникових систем?

11.   Які методи розділення каналів використовуються в стільникових мережах стандарту GSM-900?

12.   З якою метою використовуються SIM-картки?

13.   Пояснити чому стільникова мережа з кодовим розділенням каналів є перспективною.

14.   Які особливості підтримання неперервного зв’язку в стільниковій мережі?

15.   Навести класифікацію методів багатостанційного доступу.

16.   Пояснити основні принципи тарифікації в мережах радіотелефонного зв’язку.

17.   Як реалізується естафетна передача в системі NMT?

18.   Навести протокол встановлення вхідного виклику в системі NMT.

19. Пояснити які перспективи розвитку стільникових мереж зв’язку в Україні.