Как работает мобильный телефон?
КОНТРОЛЬ РАДИОСВЯЗИ « Г-н “X” едет по сети D-1 »
Выдержки из книги «Функциональность сети D-1»
издание DЕТЕСОМ GmbH
(Курсив в тесте соответствует латинскому шрифту. Прим. пер-ка)
КОНТРОЛЬ РАДИОСВЯЗИ В СЕТИ D-1
Господин «X» покупает у дилера D-1 мобильную станцию GSM (выходная мощность 8 Вт, класс 2MS) и персонализированную СИМ-карту для сети D-1. После встраивания мобильной станции в автомобиль он уезжает.1. Он включает мобильную станцию и вставляет СИМ-карту в устройство считывания карточек, но еще не звонит.
Мобильная станция находится в режиме «idle mode» и проводит процесс выбора/перевыбора соты (cell selection/reselection process), т.е. аппарат, если это возможно, приспосабливается к работе с радиосотой следующим образом:
После включения мобильная станция сначала проверяет наличие «ВССН information», т.е. списка частот ВССН потенциальных соседних базовых станций, в самом аппарате или в СИМ. Т.к. аппарат включается в первый раз, эта информация еще отсутствует. В данной ситуации приемник мобильной станции последовательно с интервалами в несколько секунд настраивается на все 124 канала GSM и проводит соответствующие замеры мощности приема. Затем приемник настраивается на частоту с наибольшим уровнем сигнала на приеме и проверяет, осуществляется ли там передача подходящей соты («suitable cell»), на которую мобильная станция может настроится («camp on the cell»).
Чтобы сота считалась подходящей, должны быть соблюдены три критерия:
1. Сота относится к соответствующей сети («selected PLMN»), т.е., в данном случае, сеть D-1.
2. Сота не блокирована.
3. Выполнен критерий доступности канала С1 («path loss criterion»).
Пункт 1 выполнен, если мобильный код страны (МСС) и код мобильной сети (MNC), излучаемые в системных информационных элементах («system information type 1...4»), соответствуют заложенной в память СИМ-карты информации.
Пункт 2 выполнен, если также передаваемый в системной информации ВССН флаг CELL_BAR_ACCESS стоит на нуле.
Пункт 3 выполнен, если уровень приема выше задаваемого сотой минимального уровня RXLEV_ACCESS_MIN с учетом фактора коррекции Min{MS_TXPWR_MAX_CCH}, Pmax (MS) который следует понимать следующим образом:
В соте существует типичный уровень приема (DAWNLINK) RXLEV_ACCESS_MIN, который как минимум должен приниматься мобильной станцией с базовой станции, ведущей передачу с максимальной мощностью BS_TXPWR_MAX, чтобы иметь возможность уверенного декодирования сигнала. Учитывая обратимость затухания канала от МС к БС (свойство обратимости радиоканала), следует исходить из того, что и мобильная станция может приниматься базовой станцией, если МС имеет мощность передачи MS_TXPWR_MAX_CHH (эта величина должна соответствующим образом проектироваться при проведении частотно-территориального планирования).
Однако может случиться так, что данная мобильная станция, которая должна была бы передавать с мощностью 20 Вт (43 дБм), чтобы ее могла принимать БС, может вести передачу только с мощностью 2 Вт (33 дБм). Чтобы учесть данную разницу на величину RXLEV_ACC_MIN накладывается разница в 10 дБ. Таким образом МС избегает неправильного восприятия доступности канала.
Этот критерий очень важен, т.к. все соты, которые ему не соответствуют, будут игнорироваться мобильной станцией.
Величина рассчитывается следующим образом:
С1= Уровень приема – (RXLEV_ACC_MIN + фактор коррекции).
Критерий является выполненным, если С1 > 0.
Господин «X» как раз проезжает по местности, где, в порядке исключения, базовая станция D2 принимается лучше, чем базовая станция сети D1.
Мобильная станция настраивается на канал с наибольшим уровнем приема, и проверяет, имеется ли в наличии ВССН. Первоначально производится поиск канала коррекции частоты (FСН), который служит для тонкой коррекции частоты синтезатора, чтобы компенсировать погрешности частоты гетеродина/задающего генератора и возникающие из-за скорости транспортного средства эффекты удвоения. Далее производится поиск канала синхронизации (SСН), который служит для синхронизации с точностью до бита и передает, таким образом, актуальный рамочный номер TDMA, а также BSIC и одновременно TSC BCCH. Со всей этой информацией МС может теперь попытаться декодировать ВССН.
Т.к. в данном случае речь идет о базовой станции D2, МС хотя и находит соответствие коду МСС (262 ФРГ), однако одновременно определяется разница в коде MNC (D1 = 01, D2 = 02). В связи с этим МС отказывается от работы с этой сотой и начинает работать с каналом, имеющим следующий по мощности уровень сигнала.
Здесь МС определяет, что это сота D1 с открытым доступом (CELL_DFR_ACCESS = 0). Уровень приема составляет -93 дБм, RXLEV_ACC_MIN = - 96 дБм и MS_TXPWR_MAX_CCH = 43 дБм. Т.к. она располагает мощностью передачи 39 дБм, ей необходимо прибавить к RXLEV_ACC_MIN 4 дБм, после чего она выясняет, что критерий доступности канала не выполняется. МС вновь отказывается от работы с сотой. Однако, т.к. на этот раз это была сота D1, МС использует ее каталог информации «BCCH information», а именно список всех частот соседних станций D1. Среди этих частот она находит ту, которая имеет наивысший уровень приема.
Уровень приема составляет - 95 дБм, RXLEV_ACC_MIN - 96 дБм, а MS_TXPWR_MAX_CCH 39 дБм. Доступ (CELL_BAR_ACCESS) разрешен, т.е. мобильная станция наконец нашла подходящую соту («suitable cell») и может начинать первоначальную прописку в сети («location registration»).
4. Г-н «X» с удовлетворением отметил, что его аппарат прописался в сети. Он едет дальше, все еще не собираясь звонить. При этом он въезжает в другую зону покрытия.
Мобильная станция вычисляет, что величина С1 соседней соты, частоту передачи которой она взяла из системной информации ВССН, уже несколько секунд превосходит величину С1 соты, в которой она была только что зарегистрирована, и с которой она поддерживала связь - несмотря на отсутствие разговора («serving cell»). Если сота относится к той же «зоне расположения» должен сразу же произойти процесс перевыбора соты («cell reselection»), т.е. МС должна перенастроиться на работу со следующей сотой. Об этом сеть ничего бы не узнала, т.е. в сеть при этом не поступает никакой дополнительной информации о произведенном процессе перехода в другую соту.
Однако МС определяет, что соседняя сота передает другой «код зоны расположения» (LAC), т.е. переход в другую соту потребовал бы «сообщения об изменении зоны расположения» («location update»).
Определение того, к какой «зоне расположения» относится конкретная сота происходит произвольно в процессе планирования сети. «Зона расположения» является минимальной территориальной единицей, которая известна HLR или VLR. Когда производится вызов мобильной станции («paging»), этот вызов должен передаваться всеми БС одной «зоны расположения». Таким образом при планировании «зон расположения» необходимо находить согласование между высокой нагрузкой вызовов (Paging Last) большой зоны расположения и большой нагрузкой за счет Location Update при использовании маленьких «зон расположения».
Чтобы не допускать высокие нагрузки за счет Location update, которые приносят оператору нагрузку на сеть, но не дают поступления тарифов, чаще чем остро необходимо, МС должна дополнительно сокращать величину С1 сот других зон расположения на величину CELL_RES_HYST(CELL_RESELECT_HYSTERESIS). Величина CELL_RES_HYST соответственно сообщается в информации ВССН.
Только если величина
С1' = С1 (новая сота) – CELL_RES_HYST новой соты другой зоны расположения превосходит величину С1 всех остальных доступных сот той же зоны расположения, МС может перенастраиваться на эту соту.
Т.к. мобильная станция г-на «X» уже однозначно находится в новом районе, условие для перепрописки выполнено, и мобильная станция передает на новую соту требование о проведении location update.
5. Г-н «"» попадает в пробку и выключает мотор. Из-за ошибки в подключении проводов в машине одновременно выключается и мобильная станция. Т.к. г-н «X» хочет сообщить своей жене об опоздании, он для начала вновь включает мотор. После повторного включения МС сначала вновь проводит процесс поиска соты «cell selection process». Однако «ВССН allocation», т.е. список частот ВССН, принятый от последней БС, с которой работала МС, уже внесен в блок памяти. Поэтому МС запрашивает уже не все 124 частоты ВССН, а только те, которые были указаны в «ВССН allocation». Таким образом она очень быстро находит соту, в которой была перед этим прописана. Т.к. одновременно выполняются и все «3 условия пригодности соты» (см. выше), МС проверяет, не изменился ли за прошедшее время код зоны расположения (LAC) и не сработал ли таймер 73112 (периодический таймер location update). Ни того ни другого не произошло, и МС исходит из этого, что она прописана правильно.
6. Наконец г-н «X» решил позвонить своей жене. Он снимает трубку, набирает номер и нажимает кнопку «SEND».
До сих пор МС находилась в режиме «idle mode». После передачи одного или нескольких сигналов запроса связи (random access bursts) с МС и последовавшего за этим присвоения канала сигнализации SDCCH этот режим переходит в режим «connected mode».
Важнейшими различиями между режимами «idle» и «connected» с точки зрения контроля радиосвязи (Radio Link Control) являются следующие:
1. Помимо соединения по линии «вниз» осуществляется и соединение по линии «вверх»;
2. Контроль радиосвязи осуществляется уже не мобильной станцией, а базовой станцией.
Одновременно с присвоением канала сигнализации SDCCH (dedicated channel) или канала связи ТСН присваивается и жестко связанный с каналом контрольный канал SACCH (slow associated control channel).
Непосредственно по присвоении канала сигнализации МС начинает передавать через SACCH на БС данные измерений величины ошибок двоичного разряда канала и уровня приема канала собственной станции, а также измерений уровня частот ВССН в форме «measurement results».
В основном это
• уровень приема RXLEV_DL собственной соты,
• величина ошибок двоичного разряда канала RXQUAL_DL собственной соты,
• RXLEV_NCELL, BSIC_NCELL и частота ВССН максимум 6-и сильнейших соседних сот.
Одновременно начинает БС измерять
• уровень приема RXLEV_UL мобильной станции,
• качество приема (величина ошибок двоичного разряда) RQUAL_UL сигнала, передаваемого мобильной станцией.
Измерения проводятся каждый раз по полному мультикадру SACCH, т.е. в течение 480 мс. Точная продолжительность зависит от типа канала. Для простоты в дальнейшем для обозначения продолжительности периода будет использоваться аббревиатура Tsacch.
Данные измерений каналов «вверх» и «вниз» в комплексе передаются с БС на контроллер с промежутками Tscch. После поступления первых данных измерений на контроллер начинаются следующие процессы контроля радиосвязи:
1. Процесс выделения средних значений (Preprocessing),
2. Процесс адаптивной регулировки мощности передатчика (Power Control Process),
3. Процесс сравнения пороговых величин для передачи связи (Handover Comparison Process).
Процесс выделения средних значений (Preprocessing)
Данные измерений, в первую очередь данные измерений уровня, подвержены, помимо прочего, значительным колебаниям силы поля (Fading). Чтобы, несмотря на это, выводить из данных измерений достаточно надежные данные, проводится процедура выделения соответствующих средних значений.
Длина окна выделения средних значений зависит от назначения исходной величины. В сети D1 на каждую соту имеется 6 регулируемых по ширине окон выделения средних значений A_***_*** (см. рис.1).
В целом можно говорить о том, что большие окна выделения средних значений дают достаточно надежные, решения, принятие которых занимает, однако значительное время. Маленькие окна выделения средних значений дают возможность быстрого получения результатов, которые, однако, дают большое рассеивание и часто приводят, по этому, к принятию неправильных решений. Компромисс, который должен быть найден для конкретной соты, должен учитывать назначение исходных данных, типичные качества колебаний силы поля (задача системы измерений покрытия) и зависимость от других процессов.
Рис.1 Длины выделения средних значений и корреспондирующие пороговые величины. (отсутствует)
Налаживание связи прошло успешно, г-жа «X» взяла трубку через несколько секунд. Качество связи очень хорошее, т.к. г-н «X» находится недалеко от базовой станции.
Для первого обращения к сети МС использовала мощность MS_TXPWR_MAX_CCH. Эта мощность в непосредственной близости к БС излишне высока, что приводит к повышенному расходу питания и излучению повышенного сигнала помех, которого следует максимально избегать (каждый излучаемый радиосигнал GSM является полезным сигналом только для его адресата, для прочих элементов сети GSM этот сигнал одновременно является помехой). Поэтому после того как процесс выделения средних значений дает первые данные измерений, начинается процесс контроля мощности в контроллере (Power Control), чтобы понизить мощность мобильной станции и БС.
Процесс адаптивной регулировки мощности передатчика (Power Control Process)
Задачей Power Control Process является приспособление мощности передатчика БС и МС условиям радиополя таким образом, чтобы…