Алгоритм обмена между мобильным телефоном и базовой станцией
Для понимания принципа работы всей системы необходимо знать, что существует служебный канал Broadcast Control Channel (BCCH), который постоянно передает информацию, включающую характеристики базовой станции, параметры каналов и пр.
Как же устроен алгоритм связи мобильного телефона? Рассмотрим его на «живом» примере. Агент разведки Штирлиц для передачи на родину секретной информации покупает мобильный телефон GSM и SIM-карту для сети «А-НЕТ», садится в свою машину и уезжает.
1. Он вставляет SIM-карту в мобильный телефон, включает его, но еще не звонит. Мобильный телефон находится в режиме idle mode и начинает процесс выбора соты, т.е. приспосабливается к работе с сетью следующим образом.
После включения мобильный телефон сначала проверяет наличие списка частот ВССН в самом аппарате или в SIM. Поскольку аппарат включается в первый раз, эта информация еще отсутствует. Приемник мобильного телефона последовательно, с интервалом несколько секунд, настраивается на все 124 канала GSM, составляет список доступных каналов и проводит соответствующие замеры уровней принимаемых сигналов. Затем он настраивается на частоту с наибольшим уровнем сигнала и проверяет, осуществляется ли там передача подходящей соты, на которую мобильный телефон может настроиться.
Чтобы сота считалась подходящей, должны быть соблюдены три критерия:
а) сота относится к соответствующей сети, т.е. в данном случае к сети «А-НЕТ»;
б) сота не блокирована;
в) выполнен критерий доступности канала.
Пункт а) выполнен, если мобильный код страны и код мобильной сети, излучаемые базовой станцией, соответствуют заложенной в память SIM-карты информации.
Пункт б) выполнен, если в информации канала ВССН есть необходимое значение.
Пункт в) выполнен, если принимаемый сигнал не ниже определенного уровня. Этот критерий очень важен, поскольку все соты, которые ему не соответствуют, мобильный телефон будет игнорировать.
2. Штирлиц проезжает по местности, где базовая станция сети «Б-НЕТ» принимается лучше, чем базовая станция сети «А-НЕТ».
Мобильный телефон настраивается на канал с наибольшим уровнем приема и подготавливается к приему ВССН. Сначала производится поиск служебного канала коррекции частоты FСН, который служит для точной коррекции частоты синтезатора, чтобы компенсировать различные погрешности частоты, например, возникающие из-за скорости автомобиля. Затем производится поиск служебного канала синхронизации SСН, который предназначен для синхронизации и передачи мобильному телефону информации для декодирования ВССН.
После приема базовой станции сети «Б-НЕТ» мобильный телефон обнаруживает, что это не своя сеть, отказывается от работы с этой сотой и начинает работать с каналом, имеющим следующий по величине уровень сигнала.
Мобильный телефон определяет, что это сота сети «А-НЕТ» и не блокирована. Однако сигнал слабый и критерий уровеня приема не выполняется. Мобильный телефон вновь отказывается от работы с сотой. Но, так как это сота сети «А-НЕТ», мобильный телефон использует информацию ее канала BCCH, а именно список всех частот соседних станций. Среди них он находит ту, на которой уровень сигнала максимальный.
Таким образом, мобильный телефон нашел подходящую соту и начинает первоначальную прописку в сети.
3. Штирлиц с удовлетворением отметил, что его аппарат прописался в сети. Он едет дальше, пока не собираясь звонить. При этом он въезжает в соседнюю зону покрытия.
Мобильный телефон вычисляет, что уровень сигнала соседней соты, частоту которой он взял из информации ВССН, превосходит уровень соты, в которой он был только что зарегистрирован и с которой поддерживал связь, несмотря на отсутствие разговора.
Если сота относится к той же зоне расположения, должен сразу же произойти перевыбор соты, т.е. телефон должен перенастроиться на работу со следующей сотой. При этом о переходе в другую соту нет необходимости передавать какую-либо дополнительную информацию.
Однако мобильный телефон определяет, что соседняя сота передает другой код зоны расположения и, поэтому, переход в другую соту требует сообщения об изменении зоны расположения. Зона расположения это территориальная единица, которая известна HLR или VLR. Вызов мобильного телефона передается всеми базовыми станциями одной зоны расположения.
Поскольку телефон уже однозначно находится в новом районе, условие для перепрописки выполнено, и он передает на новую соту требование о проведении перепрописки.
4. Штирлиц случайно выключает мобильный телефон. Затем он вспоминает, что пора передать информацию на родину и снова включает его. После включения мобильный телефон вновь проводит поиск соты. Однако список частот ВССН, принятый от последней базовой станции, с которой работал мобильный телефон, уже внесен в память. Поэтому телефон опрашивает уже не все 124 канала ВССН, а только те, которые были указаны в списке и быстро находит соту, в которой был перед этим прописан. Так как одновременно выполняются и все условия пригодности соты (см. выше), телефон проверяет, не изменился ли код зоны расположения. Этого не произошло, значит, мобильный телефон прописан правильно.
5. Штирлиц набирает номер и нажимает кнопку SEND.
До сих пор мобильный телефон находился в режиме idle mode. После передачи одного или нескольких сигналов запроса связи происходит переключение в режим connected mode.
Главные различия между этими режимами с точки зрения контроля радиосвязи:
• помимо соединения по каналу базовая станция – мобильный телефон осуществляется и соединение по каналу мобильный телефон – базовая станция;
• контроль радиосвязи осуществляется уже не мобильным телефоном, а базовой станцией.
Мобильный телефон по каналу сигнализации SACCH начинает передавать на базовую станцию данные измерений уровня принимаемых сигналов собственной соты, числа ошибок и частоты ВССН максимум шести сильнейших соседних сот.
Одновременно и базовая станция начинает измерять уровень и качество сигналов принимаемых от мобильного телефона. Эти данные передаются с базовой станции на ее контроллер, где сразу же начинается процесс контроля радиосвязи, который включает регулировку мощности передатчика и оценку качества связи.
6. Связь наладить удалось успешно и связной Штирлица взял трубку через несколько секунд. Качество связи оказалось хорошим, так как Штирлиц находится недалеко от базовой станции.
При первом обращении к сети мобильный телефон использовал максимальную мощность своего передатчика. Эта мощность вблизи от базовой станции излишне высока, что приводит к излишнему расходу энергии аккумулятора и повышению уровня помех излучения (каждый радиосигнал GSM является полезным только для его абонента, для других этот сигнал является помехой). Поэтому сразу же начинается процесс контроля, чтобы отрегулировать мощности мобильного телефона и базовой станции до величин, когда за счет достаточно высокой мощности обеспечивается надежная связь, и в то же время, за счет минимально возможной мощности обеспечивается экономия батареи питания телефона и минимум уровня помех в сети.
Согласно рекомендациям GSM, мобильные телефоны должны иметь диапазон мощности от максимальной до 13 дБмВт (20 мВт) с шагом по 2 дБ. Для базовых станций со стороны GSM не имеется конкретных определений. Рекомендованным является нормальный диапазон до 15 ступеней по 2 дБ.
7. Параллельно с контролем мощности постоянно проходит процесс управления для хэндоверов.
Для этого имеются 4 условия: слишком низкий уровень сигнала, слишком большое число ошибок, превышается максимально допустимое расстояние до базовой станции, есть соседняя сота с большим по величине сигналом.
В то время как первые три причины приводят к хэндоверу, чтобы сохранить связь во время разговора, четвертая дает возможность использовать минимальную мощность.
8. Штирлицу предстоит важное дело, он торопится и быстро едет дальше, постепенно покидая зону покрытия новой соты.
Изначально хороший уровень сигнала понижается, одновременно повышается число ошибок. Однако Штирлиц ничего этого не замечает, поскольку система исправляет пока практически все ошибки.
Уровень сигнала продолжает падать и наступает момент, когда процесс контроля мощности дает команду на использование максимального значения.
После этого начинается процесс внутрисотового хэндовера. Целью его является переход на другой канал той же соты в случае помех в поисках лучшего качества связи.
9. Качество связи стало столь плохим, что Штирлиц уже перестает верить рекламному лозунгу Цифровая связь - связь без помех. Однако как раз в тот самый момент, когда он уже хотел положить трубку, связь опять стала четкой и ясной.
Это алгоритм хэндовера определил потребность в его проведении, и была найдена новая сота. Происходит это следующим образом.
Для всех потенциально подходящих сот проверяется их соответствие по уровню сигнала, принимаемого мобильным телефоном, т.е. проводится соответствующая проверка величины мощности базовой станции. Затем генерируется требование на хэндовер и передается на MSC. Сообщение содержит информацию о причине хэндовера и список доступных соседних сот. Информация упорядочена по величине мощности базовой станции, т.е. кандидатура с наилучшим показателем стоит на первом месте. За запросом на хэндовер следует ответный сигнал, который передается на мобильный телефон и содержит информацию для связи с новой сотой. Как только мобильный телефон передает в новую соту команду "хэндовер завершен", связь со старой сотой в MSC прерывается и процесс хэндовера останавливается.
10. Штирлиц все еще звонит. Он теперь находится почти в центре соты, и качество связи очень хорошее. Процесс контроля мощности уже значительно понизил мощность передатчика. Однако Штирлицу необходимо проехать через туннель длиной в 200 метров, и он не удивляется, что качество связи становится очень плохим. Но еще до того, как он выехал из туннеля, качество связи вновь повысилось до приемлемого уровня.
Естественно, в туннеле радиосигнал значительно ослабел. Число ошибок связи постепенно стало выше определенного порога, и была дана команда на немедленное включение максимальной мощности, как на базовой станции, так и на мобильном телефоне. Таким образом, обходится угроза прерывания связи и так можно объяснить, что качество связи у Штирлица еще в туннеле опять повысилось.
11. Штирлиц покидает зону покрытия данной соты, а новая сота, которая могла бы принять эту связь, пока недоступна. Поэтому связь полностью прерывается.
Однако Штирлиц успел передать необходимую информацию и облегченно вздохнул.