ГЛАВА 1.Принципы передачи данных по GSM каналу

 

Стандарт сотовой связи GSM

 

GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System or Mobile Communications) — глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени и частоте. Разработан Европейским институтом стандартизации электросвязи в конце 80-х годов. [1].

Стандарт прошел несколько этапов развития:

GSM 1982-1990. Запустили первую коммерческую сеть в январе 1992 г.

Скорость цифрового стандарта передачи данных до 9.6 Кбит/с. Сейчас не используется, все оборудование устарело.

GSM Phase 2

1993 г. Включает диапазон 1900 МГц в 1995 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. Второй этап развития GSM «ФАЗА 2» завершился в 1997 г.[1]

GSM Phase 2+

Следующий этап развития сетей стандарта GSM «ФАЗА 2+» не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стандартизируются и внедряются после подготовки и утверждения их технических описаний.

GSM Phase 2+ обеспечивает поддержку следующих услуг:

Пакетная передача данных, речевая информация, определитель номера и его ограничения, передача СМС, конференц-связь, ожидание и удержания вызова, запрет на номера(черный список), голосовая почта и т.п

Для сотовой связи в России выделены частоты для стандартов GSM- 900 и GSM-1800 МГц. Для GSM-900 выделенные частоты 890 до 915 МГц для передачи от клиента к базовой станции и 935 до 960 MГц для передачи от базовой станции клиенту. Разнос частот составляет порядка 40 50 МГц. Для GSM -1800 выделены 1710-1785 для передачи от клиента и 1805- 1880 для передачи от базовой станции.

Основные характеристики GSM приведены в таблицах 1.1-1.2.

Таб.1.1. Диапазон GSM 900/1800

Характеристики	GSM-900	GSM-1800
Частоты передачи ЦК и приема БЗ, МГц	890-915	1710-1785
Частоты приема ЦК и передачи БЗ, МГц	935-960	1805-1880
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц
Количество частотных каналов связи с шириной 1канала связи в 200 кГц
Ширина полосы канала связи, кГц

 

Таб.1.2. Диапазон GSM 850/1900

Характеристики	GSM-900	GSM-1900
Частоты передачи ЦК и приема БЗ, МГц	824-849	1850-1910
Частоты приема ЦК и передачи БЗ, МГц	869-894	1930-1990
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц

 

В GSM используется временное распределение канала TDMA.

Это когда в одном частотном канале находятся несколько пользователей, они разделены каждым своим временем для передачи данных

Структура сети GSM приведена на рис. 1.1.

GSM состоит из трёх подсистем:

· Подсистема базовых станций

· подсистема коммутации

· центр технического обслуживания [1]

Рис.1.1. Структурная схема сети GSM

 

Подсистема базовых станций.

ПБС состоит из базовых станций (BTS — Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC — Base Station Controller).Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется «Handover»).[2]

Подсистема коммутации.

Центр коммутации (MSC — Mobile Switching Centre)

MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передаёт их в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова.

Центр технического обслуживания (Operations and Maintenance Centre)

Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций[2].

Устройство модуля SIM900

 

Для разработки устройства передачи данных по GSM каналу будем использовать беспроводной модуль передачи данных компании SIM900, разработанный компанией SIMсom. Беспроводной модуль используется для передачи и приема на территории действия сотовых операторов таких как МТС, Мегафон и Билайн. В настоящее время список SIM модулей непрерывно расширяется – разработаны SIM- модули со встроенным GPS приемником. Для отладки программ разработаны специальные отладочные модули для конкретного типа SIM-модуля. Модуль SIM 900 относится к типу наиболее простых модулей из своего класса. Прежде чем собирать схему производится его отладка на отладочном модуле, который содержит непосредственно сам модуль и интерфейсы для подключения к компьютеру и другим устройствам.

Технические характеристики SIM900[3]:

Диапазон рабочих частот GSM-GPRS 850/900/1900 МГц.

Соответствие стандарту GSM фазы 2/2+.

Выходная мощность в стандарте GSM 850/900 - 2 Вт.

Выходная мощность в стандарте DCS 1800/PCS 1900 - 1 Вт

Управление посредством АТ-команд.

Напряжение питания - 3,2…4,8В.

Диапазон рабочих температур - -30…+80°С.

Размеры - 24х24х3мм.

Масса - 6,2грамм.

Скорость передачи данных:

При пакетной передаче данных GPRS - до 85,6 Кбит/с (входной трафик); до 42,8 Кбит/с (исходящий трафик).

При передаче данных стандарта GSM: до 14,4 Кбит/с.

Используемые аудиокодеки HR, FR, EFR, AMR.

Функция подавления эха.

Внешние интерфейсы-UART, Sim-карта, GPIO, I2C.

Часы реального времени.

Встроенный стек TCP/IP, UDP/IP.

Прошивка с поддержкой технологии Embedded AT позволяет записывать в память модуля и исполнять пользовательский код, написанный на языке С. В ряде случаев это позволяет отказаться от использования внешнего микроконтроллера

Расположение контактов SIM900 приведено на рис.1.2.[3]

Рис.1.2. Расположение контактов модуля SIM900

 

Нумерация контактов SIM900 на языке оригинала приводится в таблице 1.3.

 

Табл. 1.3.Нумерация контактов на языке оригинала

 

	PWRKEY		GPIO1/KBR3
	NC		GPIO1/KBR2
	DTR		GPIO1/KBR1
	RI		GPIO1/KBR0
	DCD		GND
	NC		GND
	CTS		GPIO1/KBC4
	RTS		GPIO1/KBC3
	TXD		GPIO1/KBC2
	RXD		GPIO1/KBC1
	DISP_CLK		GPIO10
	DISP_DATA		NETLIGHT
	DISP_D/C		GND
	DISP_CS		GND
	VDD_EXT		VBAT
	NRESET		VBAT
	GND		VBAT
	GND		GND
	MIC_P		GND
	MIC_N		RF_ANT
	SPK_P		GND
	SPK_N		GND
	NC		GND
	NC		GND
	ADC		GND
	VRTC		STATUS
	DBG_TXD		GPIO11
	DBG_RXD		GPIO12
	GND
	SIM_VDD
	SIM_DATA
	SIM_CLK
	SIM_RST
	SIM_PRESENCE
	PMW1
	PWM2
	SDA
	SCL
	GND
	GPIO1/KBR4

 

Для дальнейшей работы с SIM модулем необходимо описать используемые в нашей разработке назначения контактов:

VBAT– напряжение питания.

VRTC – питание часов реального времени.

GND – заземление

POWER_ON - POWER_OFF - включение/выключение питания (нужно зажать, как минимум за 64 мс для включения или 500 мс для выключения модуля).

MIC1P/MIC1N –дифференциальные аудио входы.

SPK_P, SPK_N – дифференциальные аудио выходы.

SIM_VDD – напряжение питания для SIM-карты, поддержка 1.8 V или 3В.

SIM_DATA – SIM данные выход/вход.

SIM_CLK – SIM часы.

SIM_RESET – сброс.

SIM_PRESENCE- обнаружение сим- карты.

RXD – получение данных.

TXD – передача данных.

RTS – сигнал запроса на передачу.

CTS – очистка памяти для отправки данных.

RI – индикатор вызова.

DCD – обнаружение перевозчика.

DBG_TXD, DBG_RXD - используется для отладки и обновления прошивки.

NRESET – система сброса.

RF_ANT - главная антенна.

PWM1, PWM2 - модуляция, если не используются в модуле, должны быть открытыми.

NC- выход индикации нет соединения.

ADC - вход аналого-цифрового преобразователя от 0 до 2,8 В.

SDA - для подключения интерфейса I2С – вход данных.

SCL - для подключения синхронизации интерфейса I2С.

DISP-интерфейс подключения дисплея.

GPIO/KBR- выводы входа/выхода, выводы для клавиш.

STATUS- статус питание.

NETLIGHT- статус сети.

PWRKEY- кнопка включение питания.

 

Передача сообщений с помощью АТ - команд

АТ - команды разработаны компанией Hayes в 70-е годы. С помощью АТ-команд обмениваются приложения и модемы SIMCOM,WAVECOM для обработки событий услуг GSM. Для того, чтобы модем распознал эти команды, они должны быть записаны на понятном для модуля языке. Каждая команда всегда начинается словами AT или at, дополненных одной или больше командой и завершаемой в конце нажатием клавиши Enter. Команды воспринимаются модемом только тогда, когда он находится в "командном режиме" или offline.[4]

AT-команды обычно отправляются модему посредством коммуникационного программного обеспечения, в нашем случае ПО отправлять будет микроконтроллер PIC16F628A, но также можно ввести вручную, с компьютера.

Набор команд и архитектура оказались весьма удачными и неоднократно расширялись и дополнялись. ETSI выпустил ряд стандартов описывающих управление мобильными телефонами и модемами стандарта GSM, таких как GSM 07.05 и GSM0 7.07. Некоторые производители коммуникационного оборудования дополняют стандартный набор AT-команд своими собственными расширениями. Рассмотрим пример АТ команды. Все команды отправляются на беспроводной модуль с помощью программы COM port toolkit 4.0. Для этого надо настроить COM порт компьютера. В программе мы изменяем настройки как у нашего беспроводного модуля SIM900

Настройка соединения:

Скорость: 9600 бит/с по умолчания в нашем модуле SIM900.

Бит данных: 8.

Четность: нет.

Стоповые биты: 1.

Управление потоком: Нет.

Скриншот настройки компьютера для записи обмена данными с модулем на рис.1.3.

Рис.1.3. Скриншот настройки соединения на программе COM PORT Toolkit 4.0

 

Модуль общается с компьютером посредством AT команд. Практически все команды работают в 3 режимах — в тестовом, в режиме чтения и записи.

В тестовом режиме возвращается OK, если команда поддерживается или возможные значения данных в параметре команды. Тестовый режим определяется окончанием команды в виде '=?'.

В режиме чтения возвращаются текущие значения параметра, отличается от тестового наличием в конце просто символа '?'.

И в режиме записи после '=' идут новые значения параметров.
Количество параметров при чтении и записи не обязательно должно совпадать.

Рассмотрим АТ команды которые будут использоваться в нашей работе:

Включение и выключение режима ATE0 (режим эха):

· 0, выключен

· 1, включен. По умолчанию всегда 1.

· ATH0 — разорвать все соединения. Может принимать значения 0..5, указывающие какие виды связи нужно разорвать.

Отправка SMS.

AT+CMGF — формат сообщений, 0-1.

· 0, — режим PDU, управление кодом команды. Вывод сообщения в HEX коде. Этот режим стоит по умолчанию.

· 1, — текстовый режим. Команды текстовые. Вывод сообщения в текстовом виде.

Работа в режиме SMS.

AT+CMGS=«ХХХХХХХХХХХ» — отправка SMS. Так же зависит от AT+CMGF. После ввода команды выдает приглашение ">" после чего можно вводить текст сообщений. Завершается символом ESC или Ctrl-Z.

Сделать запрос можно 2 способами:

1. Используя специальную команду:

AT+CUSD=1,"#100#".

1 — режим обработки ответа.

0 — выполнить запрос, полученный ответ проигнорировать.

1 — выполнить запрос, ответ вернуть в терминал.

2 — отменить операцию.

Набирается команда "#100#", затем само сообщение. Отправляется только то, что находится в скобках.

2. Второй способ выглядит как обычный набор номера. Результат всегда возвращается в терминале. Но работает не на всех версиях прошивки.

ATD#100#;

Ответное сообщение приходит в сообщении +CUSD:

Вывод: Рассмотрена техническая характеристика GSM модуля SIM900. С помощью АТ-команд был проведен обмен данными между GSM модулем и компьютером через COM порт (RS-232).