Глава 2 - Концепція безпровідного зв'язку

Частотна концепція

У таблиці 1 зведені частотні дані для різних систем GSM. Таблиця 1 - частотні дані на різні GSM системи

Частота

Мобільна станція зв'язується з базовими станціями за допомогою передачі і прийому радіохвиль, які є переносниками електромагнітної енергії. Частота - це кількість коливань в секунду. Частота вимірюється в Гц. 1 Гц - одне коливання в секунду. Радіохвилі використовуються всюди:

• Телебачення
• Медицина
• Військова промисловість
• Космос і т.д.

Кожен оператор мобільного зв'язку має дозвіл на певну кількість частот в певному територіальному районі. Дозвіл на частоти видається ДКРЧ (Державним комітетом з радіочастот). В Америці, наприклад, частоти купуються на аукціонах.

На рис. 2.1 наведено розподіл частотних діапазонів, використовуваних для мобільного зв'язку.

Довжина хвилі

Існує кілька типів електромагнітних хвиль. Ці електромагнітні хвилі можуть бути описані синусоїдальною функцією, яка характеризується довгої хвилі. Довжина хвилі Л(лямда) - це довжина одного коливання. Л(лямда) вимірюється в метрах. Частота коливань і довжина хвилі співвідносяться між собою через швидкість поширення світла у вакуумі (3*10^8 м/сек). Довжина хвилі може бути визначена за формулою 2.1.

Таким чином, для діапазону GSM 900 довжина хвилі дорівнює:

З формули 2.1 видно, що чим більше частота, тим менше довжина хвилі. Більш низькі частоти, з великою довжиною хвилі краще розповсюджуються на великі відстані, ніж хвилі з великою частотою. Це пов'язано з тим , що такі хвилі можуть поширюватися, огинаючи поверхню землі за рахунок тропосферного розповсюдження. Телевізійне та FM мовлення є представниками низьких частот. Високі частоти, з маленькою довгої хвилі краще розповсюджуються на короткі відстані. Це пов'язано з великою чутливістю до різного роду перешкодам, що стоять на шляху поширення хвилі. Великі частоти застосовуються або на дистанціях прямої видимості, або в областях з малою зоною охоплення, де приймач розташовується відносно близько до базової станції.

Смуга пропускання

Термін ширина смуги пропускання введений для визначення діапазону частот, що використовується, наприклад, для передачі сигналів в напрямку uplink - від MS до BTS. Ширина смуги пропускання залежить від кількості доступних частот в частотному спектрі. Ширина смуги пропускання є одним з визначальних параметрів, від якого залежить ємність мобільної системи, тобто та кількість з'єднань, які можуть бути встановлені одночасно.

Канали

Ще одним параметром, що визначає ємність системи, є канал. Канал - це частота, або набір частот, які можуть бути використані для передачі мови / даних. Канали зв'язку можуть побут різного типу. У таблиці 2 наводяться дані по існуючих типів каналів.

Симплексний канал, наприклад такий, як музичний радіоканал FM, використовує одну частоту тільки в одному напрямку. Дуплексний канал, наприклад такий, як у мобільних системах, використовує дві частоти: одна використовується для встановлення з'єднання у напрямку до мобільної станції, інша - у напрямку до базової станції. Передача радіосигналу у напрямку до базової станції називається uplink, а передача у напрямку до мобільної станції - downlink.

На рис. 2.2 схематично представлені напрямки передачі радіосигналів.

Дуплексний рознос

Для передачі сигналів у двох напрямках (uplink, downlink), необхідний дуплексний рознос даних діапазонів. Відстань між напрямками передачі сигналів називається дуплексним розносом частот. Без дуплексного розносу частот передаються в обох напрямках сигнали інтерферувати б між собою. На рис. 2.3, схематично представлений дуплексний рознос частот в системі GSM 900.

Канальний поділ

Додатково до дуплексному розносу частот, кожна мобільна система включає ще й канальне поділ. Канальне поділ - це відстань між каналами в частотному діапазоні, що використовується для передачі сигналів тільки в одному напрямку.

Канальне поділ потрібно для уникнення накладення інформації зраджуй на сусідніх каналах. Міжканальний відстань між двома каналами залежить від кількості переданої інформації всередині каналу. Чим більше кількість переданої інформації, тим ширше має бути міжканальний поділ. На рис. 2.4 наведено приклад канального поділу.

З рис. 2.4 видно, що несучі частоти 895.4 і 895.6 МГц модулюються і утворюють певний частотний спектр. Щоб уникнути накладення частотних спектрів цих несучих вводиться міжканальний відстань в 200 кГц. Більш вузький міжканальний інтервал може призвести до перехресним спотворень або призведе до зашумленности каналів.

Ємність системи і повторне використання частот

Кількість використовуваних в соте частот визначає ємність стільники. Кожен оператор має ліцензію на певну кількість частот, які можуть бути використані в певних районах. Дані частоти, згідно частотному планом і дозволами Госсвязнадзора, використовуються в сотах мережі оператора. У соті може використовуватися одна або кілька частот залежно від інтенсивності трафіку і доступних згідно частотному плану частот.

Дуже важливо, щоб частотний план виключав можливості виникнення інтерференції, яка може бути викликана кількома чинниками.

Основний фактор, що впливає на рівень інтерференції - близьке розташування повітряних частот. Зростання інтерференції призводить до зниження якості обслуговування абонентів.

Наприклад, для охоплення всієї Росії мережею стільникового зв'язку з достатньою ємністю необхідно багаторазове використання частот в різних географічних місцевостях. Причому частоти не повинні повторюватися в довколишніх сотах щоб уникнути виникнення інтерференції.

Для повторення частот необхідно використовувати існуючі моделі повторного використання частот. На рис. 2.5 представлена ​​спрощена модель застосування повторного використання частот. З рис. 2.5 видно, що повторне використання частот має бути застосована в сотах, що знаходяться на досить великій відстані один від одного. У зв'язку з ці вводиться поняття «відстань» повторного використання частот, яке ідентифікує модель повторення частот.

Швидкість передачі

Кількість інформації, переданої через радіоканал за певний період часу, називається швидкістю передачі. Швидкість передачі виражається в таких одиницях, як біт/сек. Швидкість передачі мови/даних, радіосервіс в системі GSM складає 270 Кбіт/сек.

Модуляція

Як відомо, в системі GSM використовуються частоти діапазону 900 МГц. Дані частоти не є тими частотами, на яких генерується інформація, тому для передачі інформації використовують модуляцію несучої низькочастотним сигналом (таким, наприклад, як мовний сигнал), транслюючи даний сигнал в область високих частот, на яких здійснюється передача через ефір.

Як відомо модуляція буває:

• Амплітудна.
• Частотна
• Фазова

Назва типу модуляції залежить від того, як модулюється вхідний сигнал: по амплітуді, частоті або фазі. У цифрових системах модуляцію називають маніпуляцією. Будь-який тип модуляції призводить до збільшення використовуваного частотного спектра, що в свою чергу обмежує ємність доступного частотного діапазону.

Основне правило модуляційної техніки: 1 біт/сек. може бути переданий всередині смуги частот в 1 Гц. Використовуючи даний метод можна передати інформацію, що має швидкість 200 Кбіт/сек, в смузі частот 200 кГц. Однак існують сучасні методи модуляції, що дозволяють передавати більше 1 біт/сек всередині 1 Гц. Один з таких методів модуляції використовується в системі GSM і носить назву Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) - Гаусовим маніпуляція з мінімальним фазовим зрушенням, яка дозволяє організувати канал передачі зі швидкістю 270 Кбіт/сек всередині смуги 200 кГц.

Канальна ємність в системі GSM не може порівнюватися з канальної ємністю мобільних систем інших стандартів, які зраджують більшу кількість біт/сек. через канал. У зв'язку з цим ємність таких систем вище.

Однак завдяки використанню в системі GSM модуляції GMSK на значення інтерференції встановлюється більший допуск. Останнє обумовлює більш ефективне застосування методу повторного використання частот, що відповідає можливості збільшення ємності системи в порівнянні з іншими стандартами мобільних систем (наприклад NMT - 450).

Аналогова і цифрова передача

Інформація аналогового виду

Аналогова інформація - це безупинно мінливі в часі значення. Прикладом аналогової інформації є час.

Аналогові сигнали

Аналоговий сигнал - це безперервна форма сигналу, яка змінюється відповідно з властивостями переданої інформації.

Цифрова інформація

Цифрова інформація - набір дискретних значень. Час також може бути представлено в цифровому вигляді. Однак цифрове час може бути представлено годинами, у яких стрілка перестрибує від однієї хвилини до іншої, не зупиняючись на секундах.

Цифрові сигнали

Цифровий сигнал - це набір дискретів певної форми

Переваги використання цифрового сигналу

Людська мова - аналоговий сигнал. У промові змінюється як частота (верхні і нижні тону), так і амплітуда (шепіт і крик).

На перший погляд кращим способом передачі аналогової інформації (мови) є використання аналогових сигналів. Аналогова інформація - це безперервна інформація і, якщо вона буде представлена ​​в цифровому вигляді, то частина інформації буде помилкова (секунда в цифрових годинах).

Усі сигнали, як аналогові, так і цифрові, спотворюються при передачі на великі відстані. Для аналогових сигналів єдиним рішенням таких проблем є збільшення амплітуди сигналу. Однак при такому рішенні збільшується і амплітуда спотворень. При передачі цифрових сигналів може застосовуватися метод відновлення, який дозволяє відтворити сигнал без спотворень.

Існують проблеми, пов'язані з точністю перетворення аналогового сигналу в цифрові сигнали. Останнє пов'язано з методами існуючих моделей перетворення сигналів. Однак розроблені моделі, які з достатньою ступінь точності проводять такі перетворення.

В цілому, якщо моделі досить точні, то цифрові сигнали забезпечують кращу якість для передачі аналогової інформації, ніж аналогові сигнали.

Проблеми, що виникають при передачі радіосигналів

Існує багато проблем, що виникають при передачі радіосигналів. Нижче перераховуються деякі з відомих проблем.

Втрати на шляху поширення радіосигналів (Path loss)

Path Loss (PL) - це втрати, що виникають тоді, коли приймається сигнал стає все слабкішим і слабкіше через збільшення відстані між MS і BТS. Проблема PL рідко веде до розриву з'єднання (dropped calls), тому що як тільки проблема стає екстремальної, з'єднання перемикається на іншу BТS і PL стає, відповідно, менше.

Затінення (Shadowing)

Затінення трапляються тоді, коли на шляху поширення радіосигналу між MS і BТS виникають фізичні перешкоди, наприклад, пагорби, будівлі, дерева і т.д. Перешкоди створюють ефект затінення, який зменшує рівень сигналу (signal strength). Рівень сигналу в процесі руху MS флуктуірує залежно від виникаючих перешкод на шляху між MS і BТS.

Діючі на сигнал завмирання змінюють рівень сигналу. Зниження рівня сигналу називається глибиною завмирання (fading dips). На рис. 2.9 показані перешкоди, що виникають на шляху поширення сигналу між MS і BТS.

Багатопроменеві завмирання (Multipath fading)

Багатопроменеві завмирання виникають тоді, коли існує більш ніж один шлях поширення радіохвилі між MS і BТS і, у зв'язку з цим, до приймача приходить більш ніж один сигнал. Останнє пов'язано з багаторазовим відображенням радіосигналу від таких перешкод, як гори, будівлі, розташовані або близько, або далеко від приймачів.

Релеєвське завмирання сигналів (Rayleigh fading)

Релеєвському завмирання виникають тоді, коли сигнал досягає приймача за декількох шляхах від базової станції. У цьому випадку сигнал не береться по лінії прямої видимості прямо від передавальної антени, а приходить з різних напрямків, відбиваючись від будівель. Релеєвському завмирання сильно виражені тоді, коли перешкоди розташовуються близько до приймальні антени. Результуючий прийнятий сигнал являє собою суму сигналів, що прийшли з різною амплітудою і фазою. Глибина завмирань і їх періодичність залежать від швидкості руху MS і робочої частоти. Відстань між завмираннями приблизно складає половину довжини хвилі коливання. Таким чином, в системі GSM 900 відстань між двома завмираннями становить 17 см.

Тимчасова дисперсія (Time Dispersion)

Тимчасова дисперсія є додатковою проблемою, пов'язаною з багатопроменевим характером поширення радіохвиль між MS і BТS.

Проте в даному випадку в порівнянні з релеєвському завмираннями, відбитий сигнал приходить до прийомної антени, відбиваючись від досить віддалених об'єктів, таких як гори, пагорби. Тимчасова інтерференція викликає міжсимвольні інтерференцію (Inter - Symbol Interference - ISI), де послідовні символи (біти) інтерферують один з одним, що ускладнює приймачу правильно визначати символи.

Прикладом може служити малюнок 2.11, де представлена ​​передача послідовності 1, 0 від BTS.

Якщо відбитий сигнал приходить після проходження одного біта прямого сигналу, то приймач виявляє «1» від відбитої хвилі і в той же самий час «0» від прямої радіохвилі. Тому символ «1» інтерферує з символом «0» і MS не знає, який із цих символів є правильним.

Тимчасове накладення (Time Alignment)

Кожна MS під час обслуговування виклику займає один TS всередині кадру TDMA. Іншими словами, мобільна станція займає певний часовий інтервал, протягом якого MS передає інформацію на BТS. Проблема тимчасового накладення проявляється тоді, коли частина інформації, передана MS, не спадає на займаному TS.

Замість цього не прийшла частина інформації прийде в наступному TS, отже, може інтерферувати з інформацією, переданої іншій MS, використовує інший TS (рис. 2.12).

Тимчасове накладення виникає за рахунок великої відстані між MS і BТS. Сигнал ж не може поширюватися на великі відстані всередині заданого значення тимчасової затримки.

Комбіновані втрати сигналу (Combined Signal Loss)

Всі проблеми, що виникають при поширенні сигналу, зокрема ті, які були описані вище, виникають і існують незалежно один від одного. Однак у процесі обслуговування деяких викликів ці проблеми можуть виникати одночасно. Таке накладення сигналів можна уявити залежністю зміни сигналу на вході приймача MS в процесі її руху.

На рис. 2.13 представлена ​​така залежність. На даному малюнку представлені сумарні втрати у вигляді PL, затінень, релеєвському завмиранню (комбіновані втрати сигналу). Рівень сигналу як глобальне середнє значення зменшується з відстанню (path loss), що призводить до розриву з'єднання. Навколо глобального середнього існують повільні варіації поля за рахунок затінення і швидкі варіації за рахунок релеєвському завмиранню.

У будь-якій іншій точці флуктуації сигналу будуть виглядати так, як показано на малюнку 2.14.

З малюнка видно, що чутливість телефону не повинна бути менше мінімального значення сигналу (на малюнку 2.14 це показано глибиною загасання). Наприклад , якщо необхідно прийняти сигнал з потужністю -100 dBm, то чутливість телефону повинна бути не менше (-104 dBm), а навіть більше, в іншому випадку інформація буде загублена. Щоб бути впевненим у тому, що інформація не буде втрачена, необхідно, щоб глобальне середнє значення напруженості поля було більше на таку величину dB, на яку в dB відхиляється щонайбільше завмирання. Такий запас на завмирання являє собою різницю між чутливістю і середнім значенням напруженості поля.

Рішення проблем, що виникають при передачі сигналу

При цифровій передачі даних якість переданого сигналу виражається в термінах «скільки некоректних бітів інформації було прийнято». Назвою терміна, який характеризує якість прийнятої інформації, є частота помилок по бітам (BER - Bit Error Ratio). BER визначає процентне відношення кількості неправильно прийнятих бітів до загальної кількості переданих бітів інформації.

Дане відношення має бути якомога нижче. У загальному випадку, дане відношення неможливо звести до нуля, це пов'язано з тим, що шлях поширення радіохвиль постійно змінюється. Це особливо важливо протягом передачі даних в порівнянні з передачею мови, для якої прийнятно більш високу кількість BER, ніж для даних.

Канальне ж кодування використовується для виявлення і корекції помилок в приймається потоці бітів. Дане кодування додає біти до повідомлення, здійснюючи надмірність повідомлення, дозволяючи не тільки виявляти неправильні біти, а й виправляти.

Чергування (Interleaving)

Найчастіше на практиці бітові помилки з'являються послідовно один за одним. Це пов'язано з тим, що довготривалі глибокі завмирання впливають відразу ж на кілька послідовних бітів інформації. Канальне кодування ефективно використовується у випадках появи одиночних помилок і послідовностях короткої довжини. У зв'язку з цим, застосування тільки канального кодування не застосовується в умовах появи довгих послідовностей помилок.

Тому для уникнення помилкового прийому бітів вводиться процес Interleaving - інтерлівінга або перемежіння. Цей процес дозволяє розбити послідовні біти повідомлень так, щоб ці біти не передавалися послідовно один за одним.

Розглянемо як приклад блок повідомлення, який може складатися з чотирьох бітів (1234). Якщо чотири таких послідовних блоку передаються і один втрачається, причому інтерлівінг відсутній, то кількість помилок BER для всього повідомлення складе 25%, а для втраченого повідомлення 100%. І в цьому випадку відновити його стає практично неможливим.

Якщо використовується інтерлівінг, як показано на малюнку 2.15, то біт кожного блоку може бути передано не послідовним способом. Якщо при передачі інформації втрачається один блок, то загальна кількість помилок також становить 25%. Однак така втрата інформації призводить до втрати інформації в кожному блоці, причому кількість BER для кожного блоку становить 25%. Дана ситуація вважається більш прийнятною, ніж раніше, тому що ймовірність визначення та відновлення канальним кодером стає більше.

Рознесений прийом (Antenna Diversity)

Використання рознесеного прийому дозволяє отримати більший рівень сигналу на виході антенно-фідерного тракту за допомогою використання особливостей поширення радіохвиль. Існує два типи рознесеного прийому:

• Просторове рознесення
• Поляризаційне рознесення

Просторове рознесення

Для того щоб збільшити рівень прийнятого сигналу BТS вдаються до просторового рознесенню антеною системи. У даній конструкції використовується 2 антени замість однієї. Якщо при рознесенні використовується 2 антени, то ймовірність того, що в один і той же час на обидві антени прийдуть дві однакові хвилі, на які вплинули глибокі завмирання, дуже мала. У діапазоні 900 МГц, використовуючи просторове рознесення, можна досягти посилення сигналу в 3 dB, при цьому відстань між антенами має бути 5 - 6 метрів (12-18Л) для горизонтального рознесення і 25*(12-18*Л) для вертикального рознесення. У діапазоні 1800 Мгц, відстань повинна бути зменшена через меншого значення довжини хвилі.

Використовуючи даний метод і вибираючи сигнал з великим рівнем можна значною мірою зменшити вплив завмирань сигналу.

Слід зазначити, що просторове рознесення дає небагато більше посилення сигналу (до 5dBm), ніж при використанні поляризаційного прийому, але, в свою чергу вимагає більшого простору для монтажу антен.

На рис. 2.17 представлено вплив використання просторового прийому.

Поляризаційне рознесення

При використанні поляризаційного прийому антени рознесеного прийому замінюються однією антеною з подвійною поляризацією. Дана антена має нормальний корпус, але має дві різні поляризаційні антенні грати. Найпопулярніші антени - це антени з горизонтальною/вертикальною поляризацією і антени, що мають похилу поляризацію в 45 градусів. Дві антенні грати з'єднуються в одну сполучну схему, звану Rx в BTS. Дві антенні грати можуть також бути використані як суміщені Tx/Rx антени. На практиці вважається, що коефіцієнт підсилення з використанням двох типів рознесеного прийому однаковий, але у випадку поляризаційного прийому економиться розмір монтажного майданчика антенно-фідерної системи.

Адаптивна корекція (Adaptive Equalization)

Адаптивна корекція - метод, спеціально розроблений для вирішення проблем, пов'язаних з тимчасовою дисперсією сигналів.

Робота даного методу полягає в наступному:

1. За основу даного методу береться набір апріорно відомих бітів інформації, званий тестової послідовністю (training sequence). Дана послідовність відома як BTS, так і MS. BTS дає команду MS включити одну з цих послідовностей в передачу корисної інформації у напрямку до BTS.
2. MS включає в передане повідомлення у напрямку до BTS тестову послідовність (на рис. 2.18, дана послідовність показується буквою "S"). Однак, при передачі повідомлення через радіоефір, останнє може бути спотворено (втрата кількох біт інформації).
3. BTS приймає повідомлення від MS і перевіряє тестову послідовність всередині переданого повідомлення. Після того, як повідомлення прийняте, BTS порівнює прийняту тестову послідовність з тестовою послідовністю, яку повинна була використовувати MS за вказівкою BTS. Якщо існує відмінність між двома тестовими послідовностями, це означає, що проблеми в радіоефірі впливали не тільки на тестові послідовності, але так само і на корисну інформацію.
4. Після встановлення відмінності в тестових послідовностях, BTS починає процес відновлення втраченої корисної інформації. Для цього вона використовує апостеріорну інформацію про пошкодження всередині тестової послідовності.

Оскільки BTS робить припущення про радіоефірі на основі тестових послідовностей, то результат адаптивного відновлення втраченої інформації не може бути 100%-во вдалим.

Незважаючи на це застосування такого методу дає досить хороші результати відновлення сигналу. Наприклад, в якості адаптивного еквалайзера в системі GSM використовується еквалайзер Вітербі (Viterbi equalizer).

Перескок частоти (Frequency Hopping)

Як було вказано вище, релеєвському завмиранню частотно залежні. Це означає, що глибина таких завмирань різна в кожному з районів місцевості і на різних частотах. У зв'язку з цим у системі GSM передбачена опція Frequency Hopping - перескоки за частотою для MS і BТS в процесі встановлення з'єднання. Одночасний перескок за частотою MS і BТS обумовлюється точної взаємної синхронізацією. Згідно з рекомендаціями стандарту GSM існує 64 послідовності перескоку по частоті. Одна з цих послідовностей циклічна або послідовна, а 63 інших - селестичні, які можуть бути налаштовані самим оператором.

На рис. 2.19, схематично представлений процес перескоку по частоті. Протягом кадру N TDMA використовується несуча С1, в той час як протягом кадру N+1 використовується несуча C2. Таким чином протягом усього встановленого з'єднання використовується один і той же часовий інтервал, але змінюються частоти згідно певній послідовності перескоку по частоті.

Тимчасова затримка (Timing Advance)

Застосування тимчасової затримки пов'язано з тим, що іноді виникають проблеми з тимчасовим накладанням. Дане випередження дозволяє передавати свої кадри раніше, ніж встановлюється з'єднання. В системі GSM тимчасова затримка інтерпретується в бітах.

Відомо, що перший етап встановлення з'єднання від MS до BТS здійснюється за напрямом «Uplink» (напрямок від MS до BS). Дане з'єднання відбувається у вигляді передачі пакета доступу (AB - access burst) по каналу паралельного доступу (RACH - random access channel).

Пакет доступу крім першого етапу встановлення з'єднання використовується при здійсненні хендовера, при цьому використовується вже не канал RACH, а канал управління з швидким доступом (FACCH - Fast Associated Common Control Channel).

Основною характеристикою пакета доступу є те, що окрім послідовності синхронізації (49 біт) і бітів кодування (39 біт) у ньому передається інформація про тимчасову затримку поширення сигналу від MS до BТS. Інформація про тимчасову затримку віддається в захисному інтервалі (GB - guard period), розмір якого становить 68.25 біт. А тривалість - 252 мксек. Графічна інтерпретація тимчасових кадрів представлена ​​на рис. 2.21.

На рис. 2.21 ТВ (tail bits) означає так звані хвостові біти, вони призначені для вирівнювання в тимчасовому кадрі.

При першому встановленні з'єднання MS не знає , на якій відстані вона знаходиться від BТS, і отже, не знає про величину тимчасової затримки. Пакет доступу, який мобільна станція посилає зі значенням тимчасової затримки «0» по відношенню до її внутрішньої тимчасовій базі, є досить невеликим за своїми розмірами і вміщується в тимчасовому інтервалі 252 мксек, включаючи подвійну максимальну затримку поширення сигналу по радіоканалу.

Використання тимчасової затримки дає можливість визначати відстань між мобільним абонентом і базовою станцією.

Максимальний радіус стільники в стандарті GSM складає 35 км. Ця відстань і визначається максимальною затримкою на поширення сигналу (63 біт).

Використовуючи дані про значеннях тимчасової затримки, можна визначити діючу відстань між базовою станцією і мобільною станцією , яке може бути записано у вигляді твору TA і множника відстані, формула 2.2.

Процес передачі в системі GSM

На рис. 2.22 представлений процес передачі в системі стандарту GSM.

Умовно процес передачі в системі GSM можемо розділити на кілька етапів.

• Аналого-цифрове перетворення (АЦП):
  • Формування вибірки сигналу (дискретизація)
  • Квантування за рівнями
  • Кодування
• Сегментація
• Мовне кодування
• Канальне кодування
• Інтерлівінг (перемежування)
• Шифрування
• Форматування кадрів
• Модуляція і передача

Аналого-цифрове перетворення. (Analog To Digital (A/D) Conversion)

Одним з перших кроків роботи MS є крок перетворення аналогового мовного сигналу в цифрову форму: A/D Conversion. Результатом перетворення аналогового сигналу в цифрову форму є набір бітів, серед яких присутні нулі й одиниці.

Процес перетворення мови в цифровий сигнал носить назву ІКМ (Імпульсно кодової модуляції). Процес ІКМ включає в себе три основних етапи:

• дискретизації (формування вибірки сигналу)
• Квантування
• Кодування

Сегментація (Segmentation)

Основним методом зменшення швидкості бітового потоку, що представляє собою закодовану мова, є передача інформації про мови, а не самої мови, тобто в системі GSM безпосередньо мовні сигнали не передаються. Замість промови віддаються параметри мовлення: тон (частота мовного сигналу), тривалість конкретного тону, висота звуку (рівень мовного сигналу)... Параметри промові після їх генерації передаються через мережу до іншої MS, яка відтворює мову за отриманими параметрами мови.

Нижче більш докладно подано опис процесів сегментації і мовного кодування.

Процес відтворення людської мови починається з вокального акорду, виробленого генеруючим тональні сигнали мовним органом. Такі мовні органи як рот, язик, зуби і т.д. працюють як фільтр, змінюючи природу даного тону. Мета мовного кодування в системі GSM полягає в передачі тільки інформації про оригінальний тоні і про фільтри.

Оскільки мовні органи є досить інерційними параметри фільтра, що представляє мовні органи, залишаються постійними протягом мінімум 20 мсек. У зв'язку з цим при мовному кодуванні в системі GSM використовується блокове кодування з тривалістю кожного блоку в 20 мсек.

Кодування здійснюється одним набором бітів. Насправді даний процес схожий на оцифровку мови з частотою 50 разів на секунду замість 8000, як це використовується при стандартному аналого-цифровому перетворенні.

Мовне кодування (Speech Coding)

Замість використання кодування послідовністю з 13 бітів, застосовуваного в аналого-цифровому перетворенні, в мовному кодуванні використовується кодування послідовністю з 260 бітів. Отже, загальна швидкість передачі інформації про мови становить 50*260=13 кбіт/сек. Дане кодування забезпечує задовільний якість мови, яке прийнятне в мобільній телефонії і порівняти з якістю провідних ліній мереж загального користування PSTN.

В даний час існує безліч різних мовних кодерів. Деякі кодери є високоякісними з більшою швидкістю кодування (waveform coders - кодування форми сигналу). Деякі кодери володіють низькою якістю, але забезпечують меншу швидкість кодування (vocoders). В системі GSM використовуються гібридні кодери (Hybrid Coders), які забезпечують задовільний якість мови при відносно малій швидкості кодування.

Речовий GSM кодер здійснює кодування зі швидкістю 13 кбіт/сек для одного абонента. Отже, 8 абонентів при використанні однієї несучої обслуговуватимуться зі швидкістю 8*13 кбіт/сек = 104 кбіт/сек. Оптимальність такого методу кодування особливо помітна при порівнянні з кодуванням при аналого-цифровому перетворенні зі швидкістю 832 кбіт/сек.

Однак мовне кодування не захищає передану інформацію від спотворення і помилок при її передачі через радіоефір. Для захисту мови від цих негативних явищ використовуються інші методи:

• канальне кодування
• перемежування (інтерлівінг)

Канальне кодування (Channel Coding)

Канальне кодування в системі GSM використовує 260 біт, одержуваних після мовного кодування, як вхідну величину, і перетворює в послідовність, що складається з 456 біт.

260 біт інформації розподіляються згідно їх відносної важливості:

• Блок 1: 50 біт - дуже важливі біти
• Блок 2: 132 біт - важливі біти
• Блок 3: 78 біт - не дуже важливі біти

Перший блок, що складається з 50 біт, передається через кодер (пристрій блочного кодування), який додає ще 3 біта для перевірки парності, отже, виходить послідовність з 53 бітів. Ці 3 біта призначаються для виявлення помилок в приймається повідомленні.

Після блочного кодування 53 біта першого блоку і 132 біта другого блоку плюс 4 хвостових біта (у загальному 189 біт) передаються в сверточні кодери 1:2, на виході якого виходить 378 біт інформації. Додані біти при сверточному кодуванні дозволяють виправляти помилки при прийомі повідомлень.

Інші ж біти третього блоку не захищені.

Шифрування (Ciphering/Encryption)

Мета шифрування (Ciphering/Encryption) полягає в зашифровці мовного пакета (burst) таким чином, щоб ніхто інший не зміг розшифрувати дане повідомлення при використанні різних зовнішніх декодерів. Алгоритм шифрування в системі GSM називається алгоритмом А5. Даний алгоритм не здійснює додавання будь-яких додаткових бітів, отже, на виході ми маємо ті ж 456 біт мовного повідомлення для інтервалу 20 мсек.

Форматування пакета (Burst Formatting)

Як вказувалося вище, кожна передача інформації від MS/BТS містить зайву інформацію (тестову послідовність). Процес форматування пакета полягає в додаванні цих бітів (серед яких є хвостові біти) до основної переданої інформації, збільшуючи тим самим швидкість (bit rate) кодування, але в той же самий час вирішуючи проблеми, що виникають при передачі інформації через радіоефір. В системі GSM вхідний інформацією для форматування пакету є шифрована інформація обсягом в 456 біт. Процедура форматування пакета додає ще 136 біт на блок з 20 мсек., Загалом перетворюючи вихідне повідомлення в результуюче повідомлення обсягом 592 біт.

Однак тривалість кожного тимчасового інтервал кадру TDMA складає 0.577 мсек. Отже, є можливість передати 156.25 біт інформації (передача кожного біта займає 3.7 мксек.), Але пакет містить тільки 148 біт. Вільний простір в 8.25 біт є порожнім і називається захисним періодом (Guard Period - GP). Даний період часу дає можливість MS / BТS здійснити процедуру "ramp up", "ramp down". Ramp up означає отримання живлення від батареї або від джерела живлення MS для передачі сигналів. Процедура Ramp down здійснюється після кожної передачі, і необхідна для того, щоб переконатися, що MS не використовує енергію батареї протягом тимчасового інтервалу, зайнятого другий MS.

Після форматування пакет складається з 156.25 біт (для одного пакета) або 625 біт (у чотирьох пакетах) для мовного відліку тривалістю 20 мсек. Однак для того, щоб налаштувати модулятор, з двох сторін пакета доступу використовуються кілька порожніх бітів. Це збільшує обсяг повідомлення до 676 біт для кожного мовного відліку в 20 мсек. При використанні однієї несучої в кадрі TDMA кадрі для організації зв'язку одночасно для 8 абонентів загальна швидкість бітів для системи GSM становить 270.4 кбіт/сек.

Модуляція і передача

Після складання повідомлення з 676 біт для кожного мовного відліку в 20 мсек, воно передається через радіоефір, використовуючи несучу частоту. Як вказувалося вище, в GSM використовується метод модуляції GSMK. Біти модулюються на несучій частоті (наприклад, 916.4 МГц) і передаються через ефір.