Формирование TDMA кадров, мультикадров, суперкадров и гиперкадров в GSM. Способы модуляции, применяемые в GSM

2

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Реферат

на тему:

«Формирование TDMA кадров, мультикадров, суперкадров и гиперкадров в GSM. Способы модуляции, применяемые в GSM»

МИНСК, 2008

Перемежение блоков

В GSM перемежение (перепутывание) служит для устранения длинных пакетов ошибок при замираниях сигнала. Перемежение два уровня:

1 уровень - массив из 456 бит разбивается на 8 кадров по 57 битов в каждом (см. рис. 1).

Рис. 1. Первый этап перемежения блоков

Из полученных кадров строится пакет нормального типа (Normal burst, NB), как показано на рис.2. NB состоит из:

3+3 бита флаги;

1+1 бита разделители полей;

57+57 битов информация;

26 битов тренировочная последовательность.

Рис. 2. Формирование нормального пакета NB

При потере одного NB на сегменте 20мс теряется 25% информации речи, т.к. их 4 штуки на этом интервале.

2 уровень - уменьшаются потери на один пакет вдвое, т.е. до 12,5% по схеме, показанной на рис.3

Рис. 3. Второй этап перемежения блоков

Видно, что система перемежения имеет задержку в 20мс для полной сборки сегмента.

Форматирование пакетов

Под форматированием пакетов понимают процесс добавления в них бит флагов и других бит, получение необходимой длины во времени с учетом защитных интервалов.

При форматировании пакетов на интервале 20мс к исходным 456 битам добавляется:

(3+3+1+1+26)4=136 бит

Таким образом, уже имеем 136+456=592 бита.

Каждый временной слот кадра TDMA имеет длительность 0,577мс. При длительности каждого бита 3,69мкс на таком интервале вмещается:

=156,25 бит

Длина одного burst составляет 148 бит:

156,25 - 148=8,25 бит - Guard Period (GP)

GP компенсирует возможные сдвиги пакетов по длине слота. Время GP используется для организации «ramp up» и «ramp down» в MS/BTS, т.е. вкл/откл батареи питания, когда передаются во времени «чужие» слоты.

Итак, за 20мс будем иметь 592+(8,25 х 4)=625 бит.

Кроме того, для последующего регулирования модулятора добавляются «холостые» биты с обеих сторон пакетов в количестве 51 бита. В результате получаем полный формат пакета длиной 625+51=676 бит каждые 20мс. Это эквивалентно скорости:

=33,8Кбит/с от одного абонента.

С учетом 8-ми абонентов в кадре TDMA получаем скорость передачи на одной частоте:

8 х 33,8Кбит/с=270,4Кбит/с.

Кадры TDMA

При формировании кадров TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с подразделением во времени) использована ступенчатая иерархическая схема. В схеме присутствуют:

А) слот (time slot)

Б) кадр TDMA из 8 слотов

В) мультикадр TDMA (26 или 51 кадров TDMA)

Г) суперкадр TDMA (1326 кадров TDMA, т.е. 51 26-элементных мультикадров, или 26 51-элементных мультикадров)

Д) гиперкадр TDMA (2048 суперкадров или 2715648 кадров)

Структура поясняется на рис.4.

Длительность гиперкадра равна 3ч 28мин 53с 760мс=12533,76с. Столь большой гиперкадр обусловлен алгоритмами шифрования информации. Именно гиперкадру равен период псевдослучайного алгоритма (последовательности) шифрования.

Кадры на передачу и на прием имеют взаимную задержку на 3 слота, что иллюстрирует рис. 5.

Рис. 4. Кадры TDMA

Рис.5. Временная задержка кадров передачи и приема

Перескоки частоты (Slow frequency hopping)

Для борьбы с частотно-селективными замираниями, помехами и для повышения криптозащищенности радиопередачи, применяется изменение частоты передачи абонентского сообщения от кадра к кадру TDMA.

Рис.6. Медленные перескоки частоты

Скорость (частота) перескоков может быть получена из выражения

1/ 4,615мс = 216,6 Гц,

где 4,615мс равна длительность кадра TDMA.

При перескоках частот сохраняется дуплексный разнос в 45МГц. Все абоненты в пределах соты «перескакивают» синхронно. Частотно-временная матрица и начальная частота доводятся до каждой MS в процессе организации канала. Матрица формируется так, чтобы исключить взаимные помехи как внутри соты, так и в смежных сотах. В GSM используется 64 псевдослучайные структуры (матрицы) перескоков частоты.

Адаптивная эквализация (Adaptive Equalization)

АЭ - ответ на проблему временной дисперсии (интерференции битов) в радиоканале из-за «дальней» многолучевости (far away). АЭ обеспечивает квазиоптимальный прием в условиях многолучевости.

АЭ использует 26-битные тренировочные последовательности в NB. Имеется 7 типов таких последовательностей под разные модели окружающего пространства (холмистость, здания и т.п.). В GSM используют АЭ типа Витерби, идею которой иллюстрирует рис.7.

Рис.7. Адаптивная эквализация

1) BTS передает на MS, какой тренировочной последовательностью надо пользоваться;

2) MS передает на BTS пакеты NB с этой последовательностью;

3) BTS сравнивает принятую последовательность с опорной и выявляет разницу из-за потерь в канале;

4) BTS «настраивает» алгоритм приема бит так, чтобы минимизировать разницу с принятым.

Алгоритм АЭ работает достаточно хорошо на дистанции (разности хода лучей) не более 5км.

Временное опережение передачи (Timing Advance - TA)

ТА - решение проблемы выравнивания по времени (time alignment) слотов от удаленных на разные расстояния MS.

Суть метода: BTS передает MS инструкцию TA, предписывающую начинать передачу на n бит раньше по времени, чем «положено». Это позволяет сгладить задержки на распространение радиосигнала между MS и BTS.

В GSM n лежит в пределе 1….63 бита. Указанное обстоятельство также ограничивает радиус соты до 35км.

63 бита = 31,5 туда + 31,5 обратно

31,5 бит х 3,69мкс=116,2мкс

116,2мкс х (3*10⁸м/с)=34,9км

Скорость передачи и метод модуляции в GSM

Для передачи по одному частотному каналу в GSM представляется цифровой поток

(8 x 33.8Кбит/с)=270.4 Кбит/с.

При этом ширина полосы канала 200кГц. Простые виды модуляции несущей обеспечивают скорость передачи, не превышающую ширину полосы, т.е. на 200кГц - 200Кбит/с.

В GSM используется модуляция, называемая Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). Она обеспечивает 270,4 Кбит/с в полосе 200кГц. Т.е. присутствует дополнительное сжатие информации в 1,35 раза.

Модуляция GMSK дает не самый лучший вариант повышения скорости передачи в полосе, в сравнении с другими цифровыми стандартами ССС. Это ведет к снижению емкости в одной соте GSM по сравнению с другими системами. Однако, GMSK заметно устойчивее к интерференциям. Это позволяет повысить переиспользование частот и выиграть в общей емкости сотовой сети.

GMSK - это гауссовская двухпозиционная частотная манипуляция с минимальным сдвигом, обладающая двумя особенностями, одна из которых - "минимальный сдвиг", другая - гауссовская фильтрация. Обе особенности направлены на сужение полосы частот, занимаемой GMSK-сигналом.

В общем случае, при частотной модуляции (ЧМ, FM), в том числе, при манипуляции (ЧМн, FSK), спектр сигнала более широкий, чем при амплитудной модуляции (манипуляции). Расширение спектра, свойственное угловой модуляции, частным случаем которой является ЧМ (ЧМн), зависит от индекса модуляции - одного из её основных параметров. Индекс модуляции - это величина, характеризующая изменение фазы, обусловленное модуляцией. Для ЧМ (ЧМн) индекс равен ? = ?f/F (в радианах), где ?f - девиация (сдвиг) частоты, а F - частота модуляции (манипуляции). Характер изменения фазы зависит от формы модулирующей функции частоты. Для обычной ЧМн функция прямоугольна, а для ЧМн с гауссовской фильтрацией, сглаживающей фронты посылок, близка к синусоидальной (при последовательности чередующихся посылок "0" и "1"). При синусоидальной модулирующей функции индекс модуляции является амплитудой изменения фазы. С учётом скорости манипуляции v = 2F = 1/T (v - в бит/с, а F - в Гц), где T - длительность посылок, индекс равен ? = 2?f/v.

ЧМ (ЧМн) подразделяют на узкополосную и широкополосную, зависящие от величины индекса. При узкополосной ЧМн, характеризуемой малым индексом (? ? 0,5), спектр сигнала сосредоточен, в основном, в полосе, определяемой удвоенным спектром манипулирующих посылок (практически без расширения). Отметим, что при узкополосной ЧМн частота манипуляции больше девиации частоты: F ? 2?f. Широкополосная ЧМ, применяемая, в основном, в качестве аналоговой (например, в радиовещательном УКВ-диапазоне), характеризуется большим индексом и, соответственно, расширением спектра ЧМ сигнала.

В основе GMSK лежит ММС (MSK) - узкополосная ЧМн "с минимальным сдвигом", характеризуемая ? = 0,5 [3]. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её "набег" в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ±?? (±2??f), равен ?= ± ??T. При ? = 0,5 он составляет ?/2 и - ?/2 для посылок "1" и "0", соответственно. Подчеркнём, что ? - это не манипуляция фазы, а именно её "набег", обусловленный манипуляцией частоты. При ? = 0,5 скорость манипуляции v = 4 ?f, которая для GMSK, используемой в GSM, составляет v = 270,833 Кбит/с при

?f = 67,70833 кГц.

Итак, GMSK - это узкополосная ЧМн с "граничным" индексом манипуляции, который не очень мал, но спектр при нём практически ещё не расширен. Можно сказать, что индекс ? = 0,5 является в этом смысле оптимальным. Однако, если манипуляцию осуществлять прямоугольными посылками, в спектре которых содержатся высшие гармоники, спектр ЧМн-сигнала будет всё-таки расширен, но уже за счёт этих гармоник. Поэтому при формировании сигналов с GMSK используется гауссовская низкочастотная фильтрация модулирующих посылок. Гауссовской она называется потому, что в качестве импульсной характеристики фильтра используют характеристику нормального распределения Гаусса. Используют её симметричный отрезок, взятый на конечном интервале, равном длительности посылки T. Связь импульсной характеристики с T определяют параметром B - полосой гауссовского ФНЧ, равной частоте среза его АЧХ на уровне -3 дБ. Параметр B определяет произведение BT, которое для GSM равно BT = 0,3. Отметим, что BT - это не база сигнала, которая не может быть меньше единицы.

Гауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в котором формируется сигнал модуляции.

Рис.8. Квадратурный модулятор GMSK

Для реализация GMSK в системе GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приведена на рис.8. Собственно квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками cos(?₀t_i) и sin(?₀t_i) и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две составляющие квадратурного сигнала cos(±??)t_i и sin(±??)t_i, формируемые обычно в DSP. При этом, если модулятор аналоговый, на выходе DSP используют ЦАП. Квадратурный модулятор может быть цифровым и иметь ЦАП на своём выходе. На рисунке показаны эквивалентные цепи DSP - гауссовский фильтр ГФ, интегратор dt и элементы тригонометрических функций "cos" и "sin". На вход поступает нефильтрованная последовательность положительных и отрицательных значений "± ??", соответствующая "1" и "0" модулирующего кода. Указанная последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр, соответственно, сужен.

Литература

1. Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. - М.:Эко-Трендз,2001,300с.

2. Веселовский К. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского.--М.: Горячая линия - Телеком, 2006. -536с.

3. Шиллер Й. Мобильные коммуникации. Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002.-384с.