Размещено на http://www.allbest.ru/

Концепция беспроводной связи



1. Частотная концепция

Таблица 1 - частотные данные на различные GSM системы

Система	P-GSM 900	E-GSM 900	GSM 1800	GSM 1900
Частоты, МГц Uplink Downlink	890-915 935-960	880-915 925-960	1710-1785 1805-1885	1850-1910 1930-1990
Длина волны, cм.	~33	~33	~17	~16
Полоса пропускания	25	35	75	60
Дуплексный разнос	45	45	95	80
Канальное разделение	200	200	200	200
Количество радиоканалов	125	175	375	300
Скорость передачи данных, Кбит/сек.	270	270	270	270

1.1 Частота

Мобильная станция связывается с базовыми станциями посредством передачи и приёма радиоволн, которые являются переносчиками электромагнитной энергии. Частота - это количество колебаний в секунду. Частота измеряется в Гц. 1 Гц - одно колебание в секунду. Радиоволны используются повсюду:

· Телевидение

· Медицина

· Военная промышленность

· Космос и т.д.

Каждый оператор мобильной связи имеет разрешение на определённое количество частот в определённом территориальном районе. Разрешение на частоты выдаётся ГКРЧ (Государственным комитетом по радиочастотам). В Америке, например, частоты покупаются на аукционах. На рис. 1 приведено распределение частотных диапазонов, используемых для мобильной связи.



Рис. 1 Распределение частотных диапазонов для мобильных стандартов

1.2 Длина волны

Существует несколько типов электромагнитных волн. Эти электромагнитные волны могут быть описаны синусоидальной функцией, которая характеризуется длинной волны. Длина волны - это длина одного колебания. измеряется в метрах. Частота колебаний и длина волны соотносятся между собой через скорость распространения света в вакууме ( м/сек.).

Длина волны может быть определена по формуле 1.1.

(1)

Таким образом, для диапазона GSM 900 длина волны равна:

Из формулы 1 видно, что чем больше частота, тем меньше длина волны. Более низкие частоты, с большой длинной волны лучше распространяются на большие расстояния, чем волны с большой частотой. Это связанно с тем, что такие волны могут распространяться, огибая поверхность земли за счёт тропосферного распространения. Телевизионное и FM вещание является представителями низких частот.

Высокие частоты, с маленькой длинной волны лучше распространяются на короткие расстояния. Это связанно с большой чувствительностью к различного рода препятствиям, стоящим на пути распространения волны.

Большие частоты применяются либо на дистанциях прямой видимости, либо в областях с малой зоной охвата, где приёмник располагается относительно близко к базовой станции.

1.3 Полоса пропускания

Термин ширина полосы пропускания введён для определения диапазона частот, используемого, например, для передачи сигналов в направлении uplink - от MS к BTS. Ширина полосы пропускания зависит о количества доступных частот в частотном спектре. Ширина полосы пропускания является одним из определяющих параметров, от которого зависит емкость мобильной системы, то есть то количество соединений, которые могут быть установлены одновременно.

1.4 Каналы

Еще одним параметром, определяющим ёмкость системы, является канал. Канал - это частота, или набор частот, которые могут быть использованы для передачи речи/данных.

Каналы связи могут быт различного типа. В таблице 2 приводятся данные по существующим типам каналов.

Таблица 2 -Существующие типы каналов

Тип	Описание	Применение
Симплекс	Передача в одну сторону	Телевидение, FM радио
Полудуплекс	Возможная передача в обе стороны, не одновременно	Милиция
Полный дуплекс	Возможная передача в обе стороны одновременно	Мобильные системы



Симплексный канал, например такой, как музыкальный радиоканал FM, использует одну частоту только в одном направлении. Дуплексный канал, например такой, как в мобильных системах, использует две частоты: одна используется для установления соединения по направлению к мобильной станции, другая - по направлению к базовой станции.

Передача радиосигнала по направлению к базовой станции называется uplink, а передача по направлению к мобильной станции - downlink.

На рис. 2 схематически представлены направления передачи радиосигналов.

Рис. 2 - Направления передачи радиосигналов

1.5 Дуплексный разнос

Для передачи сигналов в двух направлениях (uplink, downlink), необходим дуплексный разнос данных диапазонов. Расстояние между направлениями передачи сигналов называется дуплексным разносом частот.

Без дуплексного разноса частот передаваемые в обоих направлениях сигналы интерферировали бы между собой. На рис. 3, схематически представлен дуплексный разнос частот в системе GSM 900.



Рис. 3 - Дуплексный разнос частот

1.6 Канальное разделение

Вдобавок к дуплексному разносу частот, каждая мобильная система включает ещё и канальное разделение.

Канальное разделение - это расстояние между каналами в частотном диапазоне, используемое для передачи сигналов только в одном направлении.

Канальное разделение требуется для избежания наложения информации предаваемой на соседних каналах.

Межканальное расстояние между двумя каналами зависит от количества передаваемой информации внутри канала. Чем больше количество передаваемой информации, тем шире должно быть межканальное разделение. На рис. 4 приведён пример канального разделения.

Рис. 4 - Канальное разделение

Из рис. 4 видно, что несущие частоты 895.4 и 895.6 МГц модулируются и образуют определённый частотный спектр. Чтобы избежать наложения частотных спектров этих несущих вводится межканальное расстояние в 200 кГц. Более узкий межканальный интервал может привести к перекрёстным искажениям или приведёт к зашумлённости каналов.

1.7 Ёмкость системы и повторное использование частот

Количество используемых в соте частот определяет емкость соты. Каждый оператор имеет лицензию на определённое количество частот, которые могут быть использованы в определённых районах. Данные частоты, согласно частотному плану и разрешениям Госсвязнадзора, используются в сотах сети оператора. В соте может использоваться одна или несколько частот в зависимости от интенсивности трафика и доступных согласно частотному плану частот.

Очень важно, чтобы частотный план исключал возможности возникновения интерференции, которая может быть вызвана несколькими факторами.

Основной фактор, влияющий на уровень интерференции - близкое расположение повторных частот. Возрастание интерференции приводит к снижению качества обслуживания абонентов.

Например, для охвата всей России сетью сотовой связи с достаточной емкостью необходимо многократное использование частот в различных географических местностях. Причем частоты не должны повторяться в близлежащих сотах во избежание возникновения интерференции.

Для повторения частот необходимо использовать существующие модели повторного использования частот. На рис. 5 представлена упрощённая модель применения повторного использования частот. Из рис. 5 видно, что повторное использование частот должно быть применено в сотах, находящихся на достаточно большом расстоянии друг от друга. В связи с эти вводится понятие «расстояние» повторного использования частот, которое идентифицирует модель повторения частот.



Рис. 5 - Повторное использование частот

1.8 Скорость передачи

частота радиосвязь волна канал

Количество информации, передаваемой через радиоканал за определенный период времени, называется скоростью передачи. Скорость передачи выражается в таких единицах, как бит/сек. Скорость передачи речи/данных, через радиоинтерфейс в системе GSM составляет 270 Кбит/сек.

1.9 Модуляция

Как известно, в системе GSM используются частоты диапазона 900 МГц. Данные частоты не являются теми частотами, на которых генерируется информация, поэтому для передачи информации используют модуляцию несущей низкочастотным сигналом (таким, например, как речевой сигнал), транслируя данный сигнал в область высоких частот, на которых осуществляется передача через эфир.

Как известно модуляция бывает:

· Амплитудная.

· Частотная

· Фазовая

Название типа модуляции зависит от того, как модулируется входной сигнал: по амплитуде, частоте или фазе. В цифровых системах модуляцию называют манипуляцией. Любой тип модуляции приводит к увеличению используемого частотного спектра, что в свою очередь ограничивает ёмкость доступного частотного диапазона.

Основное правило модуляционной техники: 1 бит/сек. может быть передан внутри полосы частот в 1 Гц. Используя данный метод можно передать информацию, имеющую скорость 200 Кбит/сек, в полосе частот 200 кГц. Однако существуют современные методы модуляции, позволяющие передавать более 1 бит/сек внутри 1 Гц. Один из таких методов модуляции используется в системе GSM и носит название Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) - гаусовская манипуляция с минимальным фазовым сдвигом, которая позволяет орагнизовать канал передачи со скоростью 270 Кбит/сек внутри полосы 200 кГц.

Канальная ёмкость в системе GSM не может сравниваться с канальной ёмкостью мобильных систем других стандартов, которые предают большее количество бит/сек. через канал. В связи с этим ёмкость таких систем выше.

Однако благодаря использованию в системе GSM модуляции GMSK на значение интерференции устанавливается больший допуск. Последнее обуславливает более эффективное применение метода повторного использования частот, что соответствует возможности увеличения емкости системы по сравнению с другими стандартами мобильных систем (например NMT-450).

1.10 Метод доступа: временное разделение каналов (TDMA)

Большинство мобильных систем используют метод временного разделения каналов (Time Division Multiple Access - TDMA) для приёма и передачи речевых сигналов.

Благодаря применению TDMA один канал используется для обслуживания нескольких вызовов/установления нескольких соединений. Каждое соединение устанавливается по одному и тому же каналу, но в разные временные интервалы. Эти временные интервалы обозначаются как TS - time slots. Каждая MS в процессе соединения занимает один TS как при направлении связи uplink, так и downlink. Информация, передаваемая через один TS, называется пакетом (burst).

Кадр TDMA в системе GSM состоит из 8 временных интервалов. Это означает, что в системе GSM на одной несущей может быть осуществлено 8 соединений. На рис. 6 приведена структура TDMA.

Рис. 6 Структура TDMA



2. Аналоговая и цифровая передача

2.1 Информация аналогового вида

Аналоговая информация - это непрерывно меняющиеся во времени значения. Примером аналоговой информации является время.

2.2 Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал - это непрерывная форма сигнала, которая изменяется в соответствии со свойствами передаваемой информации.

Рис. 7 - Аналоговый сигнал

2.3 Цифровая информация

Цифровая информация - набор дискретных значений. Время также может быть представлено в цифровом виде. Однако цифровое время может быть представлено часами, у которых стрелка перепрыгивает от одной минуты к другой, не останавливаясь на секундах.

2.4 Цифровые сигналы

Цифровой сигнал - это набор дискретов определённой формы



Рис. 3.8 - Цифровой сигнал

2.5 Преимущества использования цифрового сигнала

Человеческая речь - аналоговый сигнал. У речи изменяется как частота (верхние и нижние тона), так и амплитуда (шёпот и крик).

На первый взгляд лучшим способом передачи аналоговой информации (речи) является использование аналоговых сигналов. Аналоговая информация - это непрерывная информация и, если она будет представлена в цифровом виде, то часть информации будет ошибочна (секунда в цифровых часах).

Все сигналы, как аналоговые, так и цифровые, искажаются при передаче на большие расстояния. Для аналоговых сигналов единственным решением таких проблем является увеличение амплитуды сигнала. Однако при таком решении увеличивается и амплитуда искажений. При передаче цифровых сигналов может применяться метод восстановления, который позволяет воссоздать сигнал без искажений.

Рис. 9 -Восстановление и оцифровка аналогового сигнала

Существуют проблемы, связанные с точностью преобразования аналогового сигнала в цифровые сигналы.

Последнее связано с методами существующих моделей преобразования сигналов.

Однако разработаны модели, которые с достаточной степень точности производят такие преобразования.

В целом, если модели достаточно точны, то цифровые сигналы обеспечивают лучшее качество для передачи аналоговой информации, чем аналоговые сигналы.



3. Проблемы, возникающие при передаче радиосигналов

Существует много проблем, возникающих при передачи радиосигналов. Ниже перечисляются некоторые из известных проблем.

3.1 Потери на пути распространения радиосигналов (Path loss)

Path Loss (PL) - это потери, возникающие тогда, когда принимаемый сигнал становится всё слабее и слабее из-за увеличения расстояния между MS и BТS. Проблема PL редко ведёт к разрыву соединения (dropped calls), потому что как только проблема становится экстремальной, соединение переключается на другую BТS и PL становится, соответственно, меньше.

3.2 Затенения (Shadowing)

Затенения случаются тогда, когда на пути распространения радиосигнала между MS и BТS возникают физические препятствия, например, холмы, здания, деревья и т.д. Препятствия создают эффект затенения, который уменьшает уровень сигнала (signal strength). Уровень сигнала в процессе движения MS флуктуирует в зависимости от возникающих препятствий на пути между MS и BТS.

Действующие на сигнал замирания изменяют уровень сигнала. Снижение уровня сигнала называется глубиной замирания (fading dips). На рис. 10 показаны препятствия, возникающие на пути распространения сигнала между MS и BТS.



Рис.10 - Препятствия на пути передачи радиосигнала

3.3 Многолучёвые замирания (Multipath fading)

Многолучёвые замирания возникают тогда, когда существует более чем один путь распространения радиоволны между MS и BТS и, в связи с этим, к приёмнику приходит более чем один сигнал. Последнее связано с многократным отражением радиосигнала от таких препятствий, как горы, здания, располагающиеся либо близко, либо далеко от приёмников.

3.4 Релеевские замирания сигналов (Rayleigh fading)

Релеевские замирания возникают тогда, когда сигнал достигает приёмника по нескольким путям от базовой станции. В этом случае сигнал не принимается по линии прямой видимости прямо от передающей антенны, а приходит с разных направлений, отражаясь от зданий. Релеевские замирания сильно выражены тогда, когда препятствия располагаются близко к приёмной антенне. Результирующий принятый сигнал представляет собой сумму сигналов, пришедших с разной амплитудой и фазой. Глубина замираний и их периодичность зависят от скорости движения MS и рабочей частоты. Расстояние между замираниями приблизительно составляет половину длины волны колебания. Таким образом, в системе GSM 900 расстояние между двумя замираниями составляет 17см.



Рис. 11 Причина Релеевских замираний

3.5 Временная дисперсия (Time Dispersion)

Временная дисперсия является дополнительной проблемой, связанной с многолучёвым характером распространения радиоволн между MS и BТS.

Однако в данном случае в сравнении с Релеевскими замираниями, отражённый сигнал приходит к приёмной антенне, отражаясь от достаточно удалённых объектов, таких как горы, холмы.

Временная интерференция вызывает межсимвольную интерференцию (Inter-Symbol Interference - ISI), где последовательные символы (биты) интерферируют друг с другом, что затрудняет приёмнику правильно определять символы.

Примером может служить рисунок 12, где представлена передача последовательности 1, 0 от BTS.

Рис 12 Временная дисперсия



Если отраженный сигнал приходит после прохождения одного бита прямого сигнала, то приёмник обнаруживает «1» от отраженной волны и в то же самое время «0» от прямой радиоволны. Поэтому символ «1» интерферирует с символом «0» и MS не знает, какой из этих символов является правильным.

3.6 Временное наложение (Time Alignment)

Каждая MS во время обслуживания вызова занимает один TS внутри кадра TDMA. Другими словами, мобильная станция занимает определённый временной интервал, в течение которого MS передаёт информацию на BТS.

Проблема временного наложения проявляется тогда, когда часть информации, переданная MS, не приходит в занимаемом TS.

Вместо этого не пришедшая часть информации придёт в следующем TS, следовательно, может интерферировать с информацией, передаваемой другой MS, использующей другой TS (рис. 13).

Временное наложение возникает за счёт большого расстояния между MS и BТS. Сигнал же не может распространяться на большие расстояния внутри заданного значения временной задержки.

Рис. 13 Временная задержка



3.7 Комбинированные потери сигнала (Combined Signal Loss)

Все проблемы, возникающие при распространении сигнала, в частности те, которые были описаны выше, возникают и существуют независимо друг от друга. Однако в процессе обслуживания некоторых вызовов эти проблемы могут возникать одновременно. Такое наложение сигналов можно представить зависимостью изменения сигнала на входе приёмника MS в процессе её движения.

На рис. 14 представлена такая зависимость. На данном рисунке представлены суммарные потери в виде PL, затенений, Релеевских замираний (комбинированные потери сигнала). Уровень сигнала как глобальное среднее значение уменьшается с расстоянием (path loss), что приводит к разрыву соединения. Вокруг глобального среднего существуют медленные вариации поля за счёт затенений и быстрые вариации за счёт Релеевских замираний.

Рис. 14 Вариации сигнала с изменением расстояния

В любой другой точке флуктуации сигнала будут выглядеть так, как показано на рисунке 15.



Рис. 15 - Флуктуации сигнала на антенне приёмника

Из рисунка видно, что чувствительность телефона не должна быть меньше минимального значения сигнала (на рисунке 15 это показано глубиной затухания). Например, если необходимо принять сигнал с мощностью -100 dBm, то чувствительность телефона должна быть не меньше (-104 dBm), а даже больше, в противном случае информация будет утеряна. Чтобы быть уверенным в том, что информация не будет потеряна, необходимо, чтобы глобальное среднее значение напряжённости поля было больше на такую величину dB, на какую в dB отклоняется самое большее замирание. Такой запас на замирание представляет собой разницу между чувствительностью и средним значением напряжённости поля.



4. Решение проблем, возникающих при передаче сигнала

При цифровой передаче данных качество переданного сигнала выражается в терминах «сколько некорректных битов информации было принято». Названием термина, характеризующего качество принятой информации, является частота ошибок по битам (BER - Bit Error Ratio). BER определяет процентное отношение количества неправильно принятых битов к общему количеству переданных битов информации.

Данное отношение должно быть как можно ниже. В общем случае, данное отношение невозможно свести к нулю, это связанно с тем, что путь распространения радиоволн постоянно меняется. Это особенно важно в течение передачи данных по сравнению с передачей речи, для которой приемлемо более высокое количество BER, чем для данных.

Канальное же кодирование используется для обнаружения и коррекции ошибок в принимаемом потоке битов. Данное кодирование добавляет биты к сообщению, осуществляя избыточность сообщения, позволяя не только обнаруживать неправильные биты, но и исправлять.

4.1 Перемежение (Interleaving)

Чаще всего на практике битовые ошибки появляются последовательно друг за другом. Это связанно с тем, что долговременные глубокие замирания воздействуют сразу же на несколько последовательных битов информации. Канальное кодирование эффективно используется в случаях появления одиночных ошибок и последовательностях короткой длины. В связи с этим, применение только канального кодирования не применимо в условиях появления длинных последовательностей ошибок.

Поэтому для избежания ошибочного приема битов вводится процесс Interleaving - интерливинга или перемежения. Этот процесс позволяет разбить последовательные биты сообщений так, чтобы эти биты не передавались последовательно друг за другом.

Рассмотрим в качестве примера блок сообщения, который может состоять из четырёх битов (1234). Если четыре таких последовательных блока передаются и один теряется, причём интерливинг отсутствует, то количество ошибок BER для всего сообщения составит 25%, а для потерянного сообщения 100%. И в этом случае восстановить его становится практически невозможным.

Если используется интерливинг, как показано на рисунке 16, то бит каждого блока может быть передан не последовательным способом. Если при передаче информации теряется один блок, то общее количество ошибок также составляет 25%. Однако такая потеря информации приводит к потере информации в каждом блоке, причём количество BER для каждого блока составляет 25%. Данная ситуация считается более приемлемой, чем ранее, так как вероятность определения и восстановления канальным кодером становится больше.

Рис 16 Процесс интерливинга



Рис. 17 Принятые блоки с учётом интерливинга

4.2 Разнесённый приём (Antenna Diversity)

Использование разнесённого приёма позволяет получить больший уровень сигнала на выходе антенно-фидерного тракта посредством использования особенностей распространения радиоволн. Существует два типа разнесённого приёма:

· Пространственное разнесение

· Поляризационное разнесение

4.3 Пространственное разнесение

Для того чтобы увеличить уровень принимаемого сигнала BТS прибегают к пространственному разнесению антенной системы. В данной конструкции используется 2 антенны вместо одной. Если при разнесении используется 2 антенны, то вероятность того, что в одно и тоже время на обе антенны придут две одинаковые волны, на которые повлияли глубокие замирания, очень мала. В диапазоне 900 МГц, используя пространственное разнесение, можно достичь усиления сигнала в 3 dB, при этом расстояние между антеннами должно быть 5 - 6 метров (12 - 18 ) для горизонтального разнесения и 25*(12 - 18*) для вертикального разнесения. В диапазоне 1800 Мгц, расстояние должно быть уменьшено из-за меньшего значения длины волны.

Используя данный метод и выбирая сигнал с большим уровнем можно в значительной степени уменьшить воздействие замираний сигнала.

Следует отметить, что пространственное разнесение даёт немного большее усиление сигнала (до 5dBm), чем при использовании поляризационного приёма, но, в свою очередь требует большего пространства для монтажа антенн.

На рис. 18 представлено влияние использования пространственного приёма.

Рис. 18 Пространственное разнесение антенн

4.4 Поляризационное разнесение

При использовании поляризационного приёма антенны разнесённого приёма заменяются одной антенной с двойной поляризацией. Данная антенна имеет нормальный корпус, но имеет две различные поляризационные антенные решетки. Самые популярные антенны - это антенны с горизонтальной/вертикальной поляризацией и антенны, имеющие наклонную поляризацию в 45^о. Две антенные решётки соединяются в одну соединительную схему, называемую Rx в BTS. Две антенные решетки могут также быть использованы как совмещённые Tx/Rx антенны. На практике считается, что коэффициент усиления с использованием двух типов разнесённого приёма одинаков, но в случае поляризационного приёма экономится размер монтажной площадки антенно-фидерной системы.

4.5 Адаптивная коррекция (Adaptive Equalization)

Адаптивная коррекция - метод, специально разработанный для решения проблем, связанных с временной дисперсией сигналов.

Работа данного метода заключается в следующем:

1. За основу данного метода берется набор априорно известных битов информации, называемый тестовой последовательностью (training sequence). Данная последовательность известна как BTS, так и MS. BTS дает команду MS включить одну из этих последовательностей в передачу полезной информации по направлению к BTS.

2. MS включает в передаваемое сообщение по направлению к BTS тестовую последовательность (на рис. 19, данная последовательность показывается буквой “S”). Однако, при передаче сообщения через радиоэфир, последнее может быть искажено (потеря нескольких бит информации).

3. BTS принимает сообщение от MS и проверяет тестовую последовательность внутри передаваемого сообщения. После того, как сообщение принято, BTS сравнивает принятую тестовую последовательность с тестовой последовательностью, которую должна была использовать MS по указанию BTS. Если существует отличие между двумя тестовыми последовательностями, это означает, что проблемы в радиоэфире воздействовали не только на тестовые последовательности, но так же и на полезную информацию.

4. После установления различия в тестовых последовательностях, BTS начинает процесс восстановления потерянной полезной информации. Для этого она использует апостериорную информацию о повреждениях внутри тестовой последовательности.

Рис. 19 Адаптивная коррекция

Поскольку BTS делает предположения о радиоэфире на основе тестовых последовательностей, то результат адаптивного восстановления потерянной информации не может быть 100% -но удачным.

Несмотря на это применение такого метода дает достаточно хорошие результаты восстановления сигнала. К примеру, в качестве адаптивного эквалайзера в системе GSM используется эквалайзер Витерби (Viterbi equalizer).

4.6 Перескоки по частоте (Frequency Hopping)

Как было указанно выше, Релеевские замирания частотно зависимы. Это означает, что глубина таких замираний различна в каждом из районов местности и на разных частотах. В связи с этим в системе GSM предусмотрена опция Frequency Hopping - перескоки по частоте для MS и BТS в процессе установления соединения. Одновременный перескок по частоте MS и BТS обуславливается точной взаимной синхронизацией.

Согласно рекомендациям стандарта GSM существует 64 последовательности перескока по частоте. Одна из этих последовательностей циклическая или последовательная, а 63 остальных - псевдослучайные, которые могут быть сконфигурированы самим оператором.

На рис. 20, схематично представлен процесс перескока по частоте.

В течение кадра N TDMA используется несущая С1, в то время как в течение кадра N+1 используется несущая C Таким образом на протяжении всего установленного соединения используется один и тот же временной интервал, но изменяются частоты согласно определённой последовательности перескока по частоте.

Рис. 20 Перескоки по частоте

4.7 Временная задержка (Timing Advance)

Применение временной задержки связанно с тем, что иногда возникают проблемы с временным наложением. Данное опережение позволяет передавать свои кадры раньше, чем устанавливается соединение.

В системе GSM временная задержка интерпретируется в битах.

Известно, что первый этап установления соединения от MS к BТS осуществляется по направлению «Uplink» (направление от MS к BS). Данное соединение происходит в виде передачи пакета доступа (AB - access burst) по каналу параллельного доступа (RACH - random access channel).

Рис. 21. Временное опережение

Пакет доступа кроме первого этапа установления соединения используется при осуществлении хэндовера, при этом используется уже не канал RACH, а канал управления с быстрым доступом (FACCH - Fast Associated Common Control Channel).

Основной характеристикой пакета доступа является то, что кроме последовательности синхронизации (49 бит) и битов кодирования (39 бит) в нем передается информация о временной задержке распространения сигнала от MS к BТS. Информация о временной задержке предаётся в защитном интервале (GB - guard period), размер которого составляет 68.25 бит. А длительность - 252 мксек. Графическая интерпретация временных кадров представлена на рис. 2

Рис. 2 Графическая интерпретация интервал доступа



На рис. 22 ТВ (tail bits )означает так называемые хвостовые биты, они предназначенные для выравнивания во временном кадре.

При первом установлении соединения MS не знает, на каком расстоянии она находится от BТS, и следовательно, не знает о величине временной задержки. Пакет доступа, который мобильная станция посылает со значением временной задержки «0» по отношению к ее внутренней временной базе, является достаточно небольшим по своим размерам и умещается во временном интервале 252 мксек, включая двойную максимальную задержку распространения сигнала по радиоканалу.

Использование временной задержки даёт возможность определять расстояние между мобильным абонентом и базовой станцией.

Максимальный радиус соты в стандарте GSM составляет 35 км. Это расстояние и определяется максимальной задержкой на распространение сигнала (63 бит).

Используя данные о значениях временной задержки, можно определить действующее расстояние между базовой станцией и подвижной станцией, которое может быть записано в виде произведения TA и множителя расстояния, формула

(2)

где TA - временная задержка для обычного радиуса сот; D_RT - расстояние от мобильной станции до базовой станции, которое определяется как

(3)

где v - скорость света ; t = 1 бит = 48/13 [мксек].



5. Процесс передачи в системе GSM

На рис. 23 представлен процесс передачи в системе стандарта GSM.

Рис 23. Процесс передачи в системе GSM

Условно процесс передачи в системе GSM можем разделить на несколько этапов.

· Аналого-цифровое преобразование (АЦП):

- Формирование выборки сигнала (дискретизация)

- Квантование по уровням

- Кодирование

· Сегментация

· Речевое кодирование

· Канальное кодирование

· Интерливинг (перемежение)

· Шифрование

· Форматирование кадров

· Модуляция и передача

5.1 Аналого-цифровое преобразование (Analog To Digital (A/D) Conversion)

Одним из первых шагов работы MS является шаг преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму: A/D Conversion. Результатом преобразования аналогового сигнала в цифровую форму является набор битов, среди которых присутствуют нули и единицы.

Рис. 24. А/Ц преобразование

Процесс преобразования речи в цифровой сигнал носит название ИКМ (Импульсно кодовой модуляции). Процесс ИКМ включает в себя три основных этапа:

· Дискретизацию (формирование выборки сигнала)

· Квантование

· Кодирование

5.1.1 Дискретизация (Sampling)

Дискретизация или формирование выборки сигнала означает измерение уровня аналогового сигнала в определённые временные интервалы.



Рис. 25. Формирование выборки сигнала

Точность описания аналогового сигнала в терминах "цифра", зависит от того, как часто осуществляется выборка сигнала. Последнее определяется частотой формирования выборки сигнала. Теорема Котельникова гласит, что для передачи сигнала с ограниченным спектром без искажений необходимо производить определение уровня сигнала с частотой, равной двум частотам наивысшей гармоники аналогового сигнала.

Обычная речь, передаваемая в телефонии, содержит частоты, лежащие в диапазоне от 300 до 3400 Гц. Мощность наивысшей частоты речи невелика, поэтому может не приниматься во внимание. Согласно теории дискретизации аналоговых сигналов частота формирование выборки сигнала должна равняться 2*3.4 кГц = 6.8 кГц. В телекоммуникационных системах частота дискретизации составляет 8 кГц, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.

5.1.2 Квантование (Quantization)

Следующий этап - этап квантования. Квантование позволяет каждому полученному при дискретизации отсчёту (уровню сигнала) присвоить конкретное значение. В связи с этим амплитуда сигнала во время его дискретизации измеряется, а затем сопоставляется в заранее известным уровнем сигнала, таким образом абсолютное значение измеренного сигнала заменяется на конкретное значение - номер уровня заранее известной последовательности.

На рис. 26. схематично представлено квантование аналогового сигнала. Может показаться, что при аппроксимации сигнала вносится ошибка передачи достоверного сигнала. Последнее зависит от количества уровней квантования. Следует отметить, что в обычной телефонии используется 256 уровней квантования, в то время как в системе GSM используется 8192 уровней.

Рис 26 Процесс квантования

5.1.3 Кодирование (Coding)

Процесс кодирования включает в себя преобразование квантованных значений в бинарный код 1/0.

Каждое значение представляется бинарным кодом из 13 бит (). Например, значению 2157 будет соответствовать число 0100001101101.

Рис 27 Представление числа 2157 двоичным кодом

Результатом аналого-цифрового преобразования является оцифровка 8000 отчётов за секундный интервал и представление каждого отсчёта в виде бинарного кода длинной в 13 бит. Последнее в терминах скорости передачи данных соответствует скорости в 104 кбит/сек. В случае, если 8 абонентов используют один радиоканал (одну несущую), то общая скорость передачи составляет 8*104 кбит/сек = 832 кбит/сек.

Исходя из того, что за одну секунду (одно колебание частотой один Герц) передаётся 1 бит информации и, учитывая, что полоса радиоканала составляет 200 кГц, можно увидеть, что 8 абонентов не могут быть обслужены со скоростью 832 кбит/сек.. Для осуществления передачи абонентской информации с требуемой скоростью в системе GSM осуществляется сегментация и речевое кодирование.

5.2 Сегментация (Segmentation)

Основным методом уменьшения скорости битового потока, представляющего собой закодированную речь, является передача информации о речи, а не самой речи, то есть в системе GSM непосредственно речевые сигналы не передаются. Вместо речи предаются параметры речи: тон (частота речевого сигнала), продолжительность конкретного тона, высота звука (уровень речевого сигнала)…. Параметры речи после их генерации передаются через сеть к другой MS, которая воспроизводит речь по полученным параметрам речи.

Ниже более подробно представлено описание процессов сегментации и речевого кодирования.

Процесс воспроизведения человеческой речи начинается с вокального аккорда, производимого генерирующим тональные сигналы речевым органом. Такие речевые органы как рот, язык, зубы и т.д. работают как фильтр, изменяя природу данного тона. Цель речевого кодирования в системе GSM заключается в передачи только информации об оригинальном тоне и о фильтрах. Поскольку речевые органы являются достаточно инерционными параметры фильтра, представляющего речевые органы, остаются постоянными в течение минимум 20 мсек. В связи с этим при речевом кодировании в системе GSM используется блочное кодирование с длительностью каждого блока в 20 мсек.



Рис 28 Сегментация и речевое кодирование

Кодирование осуществляется одним набором битов. На самом деле данный процесс похож на оцифровку речи с частотой 50 раз в секунду вместо 8000, как это используется при стандартном аналого-цифровом преобразовании.

5.3 Речевое кодирование (Speech Coding)

Вместо использования кодирования последовательностью из 13 битов, применяемого в аналого-цифровом преобразовании, в речевом кодировании используется кодирование последовательностью из 260 битов. Следовательно, общая скорость передачи информации о речи составляет 50*260 = 13 кбит/сек. Данное кодирование обеспечивает удовлетворительное качество речи, которое приемлемо в мобильной телефонии и сравнимо с качеством проводных линий сетей общего пользования PSTN.

Рис 29 Зависимость качества речи от скорости кодирования



В настоящее время существует множество различных речевых кодеров. Некоторые кодеры являются высококачественными с большей скоростью кодирования (waveform coders - кодирование формы сигнала). Некоторые кодеры обладают низким качеством, но обеспечивают меньшую скорость кодирования (vocoders). В системе GSM используются гибридные кодеры (Hybrid Coders), которые обеспечивают удовлетворительное качество речи при относительно малой скорости кодирования.

Речевой GSM кодер осуществляет кодирование со скоростью 13 кбит/сек для одного абонента. Следовательно, 8 абонентов при использовании одной несущей будут обслуживаться со скоростью 8*13 кбит/сек = 104 кбит/сек. Оптимальность такого метода кодирования особенно заметна при сравнении с кодированием при аналого-цифровом преобразовании со скоростью 832 кбит/сек.

Однако речевое кодирование не защищает передаваемую информацию от искажения и ошибок при её передаче через радиоэфир. Для защиты речи от этих негативных явлений используются другие методы:

· канальное кодирование

· перемежение (интерливинг)

5.4 Канальное кодирование (Channel Coding)

Рис. 30. Канальное кодирование



Канальное кодирование в системе GSM использует 260 бит, получаемых после речевого кодирования, как входную величину, и преобразует в последовательность, состоящую из 456 бит.

260 бит информации распределяются согласно их относительной важности:

· Блок 1: 50 бит - очень важные биты

· Блок 2: 132 бит - важные биты

· Блок 3: 78 бит - не очень важные биты

Первый блок, состоящий из 50 бит, передаётся через кодер (устройство блочного кодирования), который добавляет ещё 3 бита для проверки четности, следовательно, получается последовательность из 53 битов. Эти 3 бита предназначаются для обнаружения ошибок в принимаемом сообщении.

После блочного кодирования 53 бита первого блока и 132 бита второго блока плюс 4 хвостовых бита (в общем 189 бит) передаются в свёрточный кодер 1:2, на выходе которого получается 378 бит информации. Добавленные биты при свёрточном кодировании позволяют исправлять ошибки при приёме сообщений. Остальные же биты третьего блока не защищены.

5.5 Перемежение (Interleaving)

Первый уровень перемежения. Следует отметить, что канальный кодер осуществляет кодирование последовательностью из 456 битов для каждых 20 мсек. речи. После этого осуществляется интерливинг, в результате чего формируется 8 блоков по 57 бит каждый. См. рис 31. Как показано на рис 32 в обычном пакете (normal burst) есть пространство для двух таких речевых блоков (по 57 бит). Назначение остальных битов будет рассматриваться ниже. Таким образом, если один из этих блоков теряется, это будет соответствовать 25 % BER внутри интервала речи продолжительностью 20 мсек. (2/8 = 25%)



Рис. 31. Интерливинг кодированной речи в интервале 20 мсек.

Рис. 3 Normal burst (обычный интервал)

Второй уровень интерливинга

Рис. 33. Речевой кадр

Рис. 34. Второй уровень интерливинга



Как указывалось выше, при первом уровне интерливинга результирующие потери составляют 25%. Последнее слишком велико для осуществления корректировки в канальном кодере. Введение второго уровня интерливинга позволяет снизить BER до 15 %.

Вместо передачи двух блоков по 57 бит речевого сообщения для интервала 20 мсек. внутри одного пакета, система передаёт один блок информации из одного 20 миллисекундного речевого сообщения и один блок информации из другого 20 миллисекундного речевого сообщения вместе. Такая одновременная передача организует в системе задержку в 20 мсек., вследствие чего MS должна ждать следующие 20 мсек. речи. Однако система при потере всего пакета (burst) теряет только 15% бит каждого временного кадра. Последнее хорошо исправляется канальным кодером.

Шифрование (Ciphering/Encryption)

Цель шифрования (Ciphering/Encryption) заключается в зашифровке речевого пакета (burst) таким образом, чтобы никто другой не смог расшифровать данное сообщение при использовании различных внешних декодеров. Алгоритм шифрования в системе GSM называется алгоритмом А5. Данный алгоритм не осуществляет добавления каких-либо дополнительных битов, следовательно, на выходе мы имеем те же 456 бит речевого сообщения для интервала 20 мсек.

Форматирование пакета (Burst Formatting)

Как указывалось выше, каждая передача информации от MS/BТS содержит излишнюю информацию (тестовую последовательность). Процесс форматирования пакета заключается в добавлении этих битов (среди которых имеются хвостовые биты) к основной передаваемой информации, увеличивая тем самым скорость (bit rate) кодирования, но в то же самое время решая проблемы, возникающие при передаче информации через радиоэфир.

В системе GSM входной информацией для форматирования пакета является шифрованная информация объемом в 456 бит. Процедура форматирования пакета добавляет ещё 136 бит на блок из 20 мсек., в общем преобразуя исходное сообщение в результирующее сообщение объемом 592 бит.

Однако продолжительность каждого временного интервал кадра TDMA составляет 0.577 мсек. Следовательно, имеется возможность передать 156.25 бит информации (передача каждого бита занимает 3.7 мксек.), но пакет содержит только 148 бит. Свободное пространство в 8.25 бит является пустым и называется защитным периодом (Guard Period - GP). Данный период времени дает возможность MS/BТS осуществить процедуру “ramp up” , “ramp down”. Ramp up означает получение питание от батареи или от источника питания MS для передачи сигналов. Процедура Ramp down осуществляется после каждой передачи, и необходима для того, чтобы убедиться, что MS не использует энергию батареи в течение временного интервала, занятого другой MS.

После форматирования пакет состоит из 156.25 бит (для одного пакета) или 625 бит (в четырех пакетах) для речевого отсчета продолжительностью 20 мсек. Однако для того, чтобы настроить модулятор, с двух сторон пакета доступа используются несколько пустых битов. Это увеличивает объем сообщения до 676 бит для каждого речевого отсчета в 20 мсек. При использовании одной несущей в кадре TDMA кадре для организации связи одновременно для 8 абонентов общая скорость битов для системы GSM составляет 270.4 кбит/сек.

Модуляция и передача

После составления сообщения из 676 бит для каждого речевого отсчета в 20 мсек, оно передаётся через радиоэфир, используя несущую частоту. Как указывалось выше, в GSM используется метод модуляции GSMK. Биты модулируются на несущей частоте (например, 916.4 МГц) и передаются через эфир.



Литература

1. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи. В 2 тт. Т. 2. Проектирование, строительство и техническая эксплуатация / В.А. Андреев, Э.Л. Портнов и др.. - М.: ГЛТ, 2010. - 424 c.

2. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи. В 2 тт. Т. 1. Теория передачи и влияния Э.Л. Портнов и др.. - М.: ГЛТ, 2011. - 424 c.

3. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 2 - Проектирование, строительство и техническая эксплуатация / В.А. Андреев, Э.Л. Портнов, Л.Н. Кочановский. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010. - 424 c.

4. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 1 - Теория передачи и влияния / В.А. Андреев, Э.Л. Портнов, Л.Н. Кочановский. - М.: Горячая линия -Телеком , 2011. - 424 c.

5. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 2 - Проектирование, строитель / В.А. Андреев. - М.: Горячая линия -Телеком, 2010. - 424 c.

6. Андреев, В.А. Направляющие системы электросвязи, Теория передач и влияния: Учебник для вузов М.: Горячая линия -Телеком, 2011. - 424 c.

7. Бабков, В.Ю. Системы мобильной связи: термины и определения / В.Ю. Бабков, Г.З. Голант, А.В. Русаков. - М.: ГЛТ, 2009. - 158 c.

8. Бабков, В.Ю. Сотовые системы мобильной радиосвязи: Учебное пособие для ВУЗов / В.Ю. Бабков. - СПб.: BHV, 2013. - 432 c.

9. Бабков, В.Ю. Системы мобильной связи: термины и определения. / В.Ю. Бабков, А.В. Русаков. - М.: Горячая линия -Телеком , 2009. - 158 c.

10. Бабков, В.Ю. Системы мобильной связи: термины и определения / В.Ю. Бабков. - М.: Горячая линия -Телеком, 2009. - 158 c.

11. Берлин, А.Н. Цифровые сотовые системы связи / А.Н. Берлин. - М.: Эко-Трендз, 2007. - 296 c.

Размещено на Allbest.ru