Тема 5 расширение спектра средств подвижной связи

Рассмотренные виды цифровой модуляции были разработаны для того, чтобы мак-симально использовать ограниченную полосу пропускания, выделению заданной цифро-вой системе связи.

Клод Шеннон (Claude Shannon) ввел формулу для емкости канала, ограниченного до W(в Гц), в котором сигнал искажается аддитивным белым гауссовым шумом с удельной мощностью N₀/2.

Э та формула имеет следующий вид:

(5.1)

где P_av – энергия входного сигнала; N₀ – удельная мощность шума.

Формула получена в результате выполнения процедуры оптимизации по отношению к свойствам входного сигнала. Оказывается, что количество информации, которую можно переслать по каналу с аддитивным белым гауссовым шумом, достигает своей верхней границы, называемой пропускной способностью канала, в случае гауссового входного сигнала.

Цифровой сигнал с МС-модуляцией будет иметь гауссово распределение только то-гда, когда количество поднесущих велико. Многие другие сигналы с цифровой модуляци-ей имеют негауссово распределение вероятности.

• традиционных системах скорость передачи данных достигает максимума и стано-

вится близка к предельной пропускной способности канала при максимизации отношения сигнала к шуму, описываемого выражением P_av/WN₀. Для решения этой труднодостижи-мой задачи приходиться применять такие сложные методы, как решетчатое кодирование, применение эквалайзера и т.д.

Такую же пропускную способность канала можно получить, расширяя спектр сигна-ла (если подобное возможно с точки зрения, как распределения спектра, так и техниче-ской реализации) до тех пор, пока уровень сигнала не станет, ниже уровня шума. Это и используется в системах с расширением спектра.

Рассмотрим самый распространенный тип системы с расширенным спектром, обо-

значаемый в литературе DSSS (расширение спектра методам прямой последователь-

ности), (англ. Direct Sequence Spread Spectrum).

• системе DSSS спектр цифрового информационного сигнала расширяется путем прямого умножения на псевдослучайную последовательность.

Пусть T_b – длительность информационного символа (бита). Для представления одно-го информационного символа используется двоичная последовательность длиной М. Каж-дый элемент двоичной последовательности, называемый чипом, длится Т_с = T_b/М секунд. Последовательность выбирается таким образом, чтобы стороннему наблюдателю она ка-залась случайной, т.е. с его точки зрения ее свойства должны быть похожи на свойства шума. Поскольку длительность кодового импульса в М раз меньше длительности инфор-мационного бита, то спектр сигнала с представлением информационных битов в виде псевдослучайной последовательности в М раз шире спектра первоначального информаци-онного сигнала.

Из теории систем связи известно, что оптимальным для приема сигналов, искажен-ных белым гауссовым шумом, является корреляционный приемник. Он перемножает ис-каженный принятый сигнал с известным, синхронизированным по отношению к принято-му, опорным сигналом. В нашем случае опорный – псевдослучайный сигнал, используе-мый в передатчике для представления информационных битов.

На рисунке 5.1 изображены передатчик и приемник системы DS-SS. Предполагается, что двоичные информационные сигналы, приведенные на рисунке 5.1, имеют биполярное

53

представление, т.е. поляризация псевдослучайной последовательности (ПСП) информаци-онными битами эквивалентна умножению этой последовательности на -1 или +1.

Рисунок 5.1 – Обобщенная структура системы DS-SS

На основании схемы , представленной на рисунке 5.1, можно сделать вывод о том, что ПСП рассматривается в качестве элементарного сигнала, характеризующего один ин-формационный бит, в то время как та же самая последовательность обратной полярностью представляет собой логическое отрицание бита.

Эффект расширения спектра возможен и тогда, когда период псевдослучайной по-следовательности превышает длительность одного информационного бита.

С истема DS-SS представляет собой альтернативу системам с узкополосным сигна-

лом.

Рассмотрим преимущества этой системы.

Ранее системы с расширением спектра применялись только в военных целях. Псев-дошумовой сигнал с мощностью, не превышающей уровня шума, очень трудно обнару-жить. Для возможности его распознавания приемник должен знать конкретную псевдо-случайную последовательность, используемую в передатчике, и быть с ним синхронизо-ван.

• реальных системах используются псевдослучайные последовательности с перио-дом от нескольких десятков до многих тысяч битов. Количество различных последова-тельностей тем больше, чем больше их период. Выбор последовательности производится таким образом, чтобы ее автокорреляционная функция была приблизительно равна нулю независимо от временного сдвига между последовательностью и ее сдвинутой копией. Исключение составляет нулевой сдвиг, при котором автокорреляционная функция прини-мает свое максимальное значение.

• то же самое время функция взаимной корреляции различных последовательностей одной и той же длины должна быть равна нулю для любого временного сдвига между коррелированными последовательностями.

Нулевая автокорреляционная функция для любых отличных от нуля временных сдвигов делает систему устойчивой к многолучевому распространению. Такая устойчи-вость возникает, если длительность чипа короче наименьшей разности между задержками распространения сигнала различными путями.

Сигнал приходит в приемник в виде нескольких сдвинутых во времени копий-реплик. Разности между временными сдвигами обычно больше длительности чипа. Сле-довательно, приемник синхронизируется с сильнейшей составляющей принятого сигнала.

• результате корреляционной обработки все остальные реплики сигнала отбрасываются. Точно так же, благодаря нулевой взаимной корреляции между двумя различными после-довательностями, отбрасываются сигналы других пользователей. Однако мы должны об-ратить внимание на то, что игнорирование всех принимаемых реплик сигнала (за исклю-чением самой сильной) не является оптимальной стратегией. Оно приводит к потере ин-формации, содержащейся в отбрасываемых эхо-сигналах.

Реплики можно использовать после выделения и суммирования таким образом, что-бы энергия суммы сигналов была максимальной. Эта операция реализуется в RAKE- при-

54

емнике. RAKE – это основной тип приемника, используемого в каналах с многолучевым распространением.

Из свойства взаимной корреляции используемых псевдослучайных последовательно-стей можно вывести интересную особенность систем с расширенным спектром. Благодаря тому, что корреляционные устройства приемника, пропускают только единственную по-следовательность, один и тот же спектр может разделяться между многими пользователя-ми, применяющими различные псевдослучайные последовательности. Это свойство лежит в основе метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (англ.

Code Division Multiple Access – CDMA).

Разработчики военных систем были заинтересованы в системах с расширением спек-тра потому, что эти системы обладают естественной устойчивостью к узкополосным ис-кажениям.

На рисунке 5.2 эта особенность хорошо продемонстрирована. На нем также показана схема работы системы DS-SS в определенной частотной области. Используются следую-щие сокращения S_b(f) – спектр сигнала, содержащего информацию, S_c(f) – спектр расши-ряющей кодовой последовательности, S_mod(f) – спектр сигнала на выходе модулятора с двоичной фазовой модуляцией (BPSК-модулятора), S_dem(f) – спектр на выходе BPSK-демодулятора. Н_int(f) – передаточная функция интегрирующей цепи и S_out(f) – спектр вы-ходного сигнала.

В результате корреляционной обработки, состоящей из умножения на ПСП и после-дующего интегрирования, спектр узкополосного искажения расширяется.

Спектр псевдослучайной последовательности очень широк, и произведение искаже-ния на псевдослучайный сигнал во временном интервале эквивалентно свертке их спек-тров. Таким образом, на выходе интегратора остается только малая часть энергии иска-жающего сигнала.

Существуют другие варианты широкополосных систем. Несмотря на это, система DS-SS чаще других применяется во втором и третьем поколениях сотовой телефонии, а также в беспроводных абонентских шлейфах; она будет использоваться и в персональных системах спутниковой связи.

Е сли свойства канала изменяются во времени, то может оказаться достаточно слож-но обеспечить синхронный прием и, особенно, реализовать восстановление синхрониза-ции с точностью до доли кодового импульса. В этом случае в системах с расширением спектра используются так называемые скачки частоты.

55

Рисунок 5.2 –Спектры сигналов в различных частях DSSS-системы при наличии узкополосного искажения

Система со скачкообразным изменением частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum – FH-SS) изображена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Обобщенная структурная схема FH-SS

56

Биты данных, которые дополни-тельно могут ко-дироваться с уп-реждающей кор-

рекцией ошибок (FEC), воздейст-

вуют на выход модулятора час-тотной манипуля-

ции (FSK). FSK-

Рисунок 5.5 – Обобщенная схема системы TH-SS

сигнал сдвигается по частоте на интервал, определяемый псевдослучайным генератором, который управляется синтезатором частот.

Если синтезатор может сгенерировать 2т - 1 различных частот, то выходная часто-та определяется т последовательными битами генератора ПСП.

Из-за широкого частотного диапазона генерируемых сигналов очень сложно обес-печить фазовую синхронизацию между несущими частотами, выбираемыми при последо-вательных скачках. Поэтому в приемнике используется некогерентный FSK-демодулятор. Обратим внимание на то, что скачки частоты происходят много раз за период трансляции одного информационного бита. Период FSK-модуляции Т_ь разделен на множество корот-ких временных интервалов T_h, называемых временем скачка. В этом случае говорят о бы-

с тром скачкообразном изменении частоты.

На рисунке 5.4 изображена схема работы с Ть = 8 T_h, при которой изменение часто-

ты несущей происходит в процессе обработки каждого информационного блока только один раз. Такая система реализует так называемое медленное скачкообразное изменение частоты¹.

Риcунок 5.4 – Иллюстрация скачкообразного изменения частоты в системе FH-SS

Методы FS-SS часто применяют-ся в военных системах. Они обладают

устойчивостью к преднамеренному глушению, поскольку каждая несущая

частота используется очень короткий промежуток времени, что не позволяет

передатчику преднамеренных помех настроиться на эту частоту. Использо-

вание медленного скачкообразного изменения частоты совместно с FЕС-кодированием позволяет многим поль-зователям разделять общий спектр.

Этот метод может быть применен для увеличения производительности сото-

вых систем.

Третий тип – системы расширения спектра с (псевдослучайной) перестройкой во времени (англ. Time Hopping Spread Spectrum, TH-SS). В такой системе (рисунок 5.5) пери-

од передачи информационного бита разделен на М_Т –тактов временных слотов).

Г енератор ПСП определяет, номер

временного слота для передачи информаци-онного сигнала. Ха-рактерной чертой та-

кой системы является пакетная природа.

Сигнал передает-

ся в течение 1/ М_Т – й части периода передачи информации. Обычно значение М_Т пример-но равно 1000. Однако такое количество тактов создает серьезные проблемы с синхрони-зацией, решить которые намного сложнее, чем проблемы с синхронизацией в системе DS-SS. Для обеспечения равномерной передачи информации по системе TH-SS передатчик и приемник должны быть оснащены буферами памяти.

¹В системе сотовой связи GSM термин «медленное скачкообразное изменение частоты» обозначает псевдослучайное изме-нение частоты канала, которое происходит только один раз за время передачи целого пакета данных, состоящего из 148 битов.

57

Имеются гибридные системы, сочетающие в себе особенности всех трех вышепе-речисленных типов систем с широкополосным спектром. Однако наибольшее практиче-ское значение имеют системы DS-SS и FH-SS.

ТЕМА 6

С0ТОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM

Первые цифровые системы сотовой связи, которые сейчас принято относить ко вто-рому поколению, появились в начале 90-х годов. Они отличаются от аналоговых сис-тем двумя принципиальными отличиями:

• возможностью использования спектрально-эффективных методов модуляции в со-четании с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов вместо тради-ционно используемого в аналоговых системах частотного разделения каналов(FDMA);

• предоставлением пользователям широкого спектра услуг за счет интеграции пе-редачи речи и данных с возможностью шифрования (засекречивания) данных.

Широкое распространение получил общеевропейский стандарт GSM, который был создан по инициативе специальной группы подвижной связи Group Special Mobile, GSM (позднее была предложена другая расшифровка названия стандарта GSM – Global System for Mobile Communications), организованной в рамках ETSI (European Telecommunications Standards Institute – русск. Европейский институт по стандартизации в области телеком-муникаций, сокр. ETSI). Первая коммерческая сеть, работающая в стандарте GSM, была развернута в 1992 г. в Германии. С тех пор стандарт непрерывно развивается и совершен-ствуется. Он уже адаптирован для работы в частотном диапазоне 1800 МГц (GSM-1800) и 450 МГц (GSM-400) в Европе и 1900 МГц (PCS) в США.

Эксплуатация первой коммерческой сотовой системы подвижной связи на базе техно-логии CDMA (IS-95) была начата в сентябре 1995 г. в Гонконге. Система CDMA применя-ется в основном в тех случаях, когда требуется построить сеть повышенной емкости или с более высоким качеством передачи речи.

Следующий важный шаг в развитии сотовых систем после введения цифровых техно-логий – переход к микросотовой и пикосотовой структуре сетей. Использование таких се-

тей позволяет обслуживать абонентов в городских районах с интенсивной застройкой и закрытых зонах (офисы, подземные гаражи и др.). Принципы построения микросотовых систем отличаются от макросотовых систем. В них отсутствует частотное планирования, не обеспечивается хэндовер, не осуществляется измерение уровня сигнала. В 1992 г. был утвержден европейский стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications)

реализующий технологию радиодоступа с малой мощностью излучения (10-25 мВт) и обеспечивающий очень высокую плотность расположения абонентских устройств. Широ-кое внедрение технологии началось с 1995 г.

К лассификация систем 2-го поколения

В основу предлагаемой классификации систем подвижной радиотелефонной связи 2-го поколения положены три основных признака: назначение системы, метод многостанцион-ного доступа и схема дуплексирования каналов. В зависимости от назначения и размеров зоны обслуживания все системы подвижной связи могут быть разделены на 4 класса (рис. 6.1):

• спутниковые системы связи с зоной обслуживания в одном луче 400-800 км и глобальной зоной обслуживания для одного спутника 3000-8000 км в зависимости от вы-соты орбиты;

• системы сотовой подвижной радиосвязи с радиусом действия от 0,3 до 35 км;

• транкинговые системы радиосвязи с радиусом зоны обслуживания от 2 до 50 км в зависимости от высоты подъема антенны;

• системы беспроводного доступа с типовыми размерами соты до 0,3 км.

58

Рисунок 6.1 – Классификация систем подвижной связи второго поколения

Размеры соты зависят от плотности абонентов, приходящейся на единицу зоны по-крытия, и характера распределения абонентов по обслуживаемой территории. В местах с повышенной плотностью абонентов создаются пикосоты с радиусом до 100 м, а в рай-

онах наиболее интенсивной застройки и с высокой плотностью населения организуются микросоты (0,1-0,5 км) . Радиус действия макросотовых зон, которые охватывают город и пригородные зоны, не превышает 30–35 км. Что же касается обслуживания абонентов в сельской местности, удаленных и труднодоступных районах, то оно может осуществлять-ся как с использованием наземных сотовых, так и спутниковых систем.

Наиболее высокое качество услуг обеспечивают сотовые сети и системы беспровод-ного доступа, предоставляющие услуги двусторонней радиосвязи в интересах как мо-бильных, так и стационарных абонентов (телефонные сети общего пользования, ISDN и др.). Аналогичные услуги , но с меньшими возможностями, реализованы в спутниковых системах. Что же касается транкинговых систем, то в них основным видом обслуживания является полудуплексная связь и групповой вызов абонентов.

В сотовых системах и системах беспроводного доступа осуществляются индивиду-альные вызовы между абонентами. Средняя длительность разговора может достигать не-сколько минут. Типовой режим работы транкинговых систем основан на передаче корот-ких вызовов (менее 1 мин), которые могут организовываться как индивидуально, так и через диспетчера. Время установления связи в транкинговых системах небольшое и, как правило, не превышает 0,3 с.

П о способу использования частотного ресурса системы подвижной связи разделя-ются на два класса:

• системы связи с жестко закрепленными за абонентами каналами;

• системы с предоставлением канала по требованию при нахождении абонентов в общей зоне обслуживания

Системы подвижной связи второго поколения имеют ограниченные возможности по наращиванию пропускной способности и видов услуг в рамках выделенного частотного диапазона. Рост их емкости возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM), использования более эффективных методов модуляции и применения секторных антенн. Секторизация сот в сочетании с использованием спектрально-эффективных мето-

59

дов модуляции позволяет увеличить их пропускную способность, но не более чем в 10 раз.

Организация хэндовера

Существуют два основных типа хэндовера: жесткий и мягкий. Жесткий алгоритм

переключения каналов сопровождается кратковременным прерыванием связи в момент перемещения абонента из соты в соту. Такой метод автоматического переключения кана-ла осуществляется в большинстве систем 2-го поколения, использующих метод TDMA (GSM, IS -136, РDС). Обрыв и восстановление связи воспринимается абонентом как «щелчок» в телефонной трубке, хотя возможно и более длительное прерывание разгово-ра, когда связь с одной базовой станцией прекратилась, а с другой еще не установлена.

Мягкий хэндовер происходит без потери качества связи . Он осуществляется между различными секторами антенны базовой станции в пределах соты (работа на одной не-сущей частоте). В настоящее время он реализован в таких системах, как CDMA (IS-95) и Globalstar.

Управление процедурой хэндовера может быть организовано несколькими спосо-бами. В пределах одной соты может быть использовано макроразнесение, когда мобиль-

ная станция в процессе переключения связана одновременно с несколькими базовыми станциями (мягкий режим переключения).

Характеристики стандарта GSM

Таблица 6.1 – Характеристики стандартов сотовой связи GSM

Система			P-GSM-900	E-GSM-900	GSM-1800	GSM-1900
Частоты:
«вверх»			890-915	880-915	1710-1785	1850-1910
«вниз»			935-960	925-960	1805-1880	1930-1990
Ширина	полосы,		25	35	75	60
МГц
Дуплексный		раз-	45	45	95	80
нос, МГц
Полоса радиокана-			200	200	200	200
ла, кГц
Кол-во дуплексных			124	174	374	299
радиоканалов
Скорость	передачи		270	270	270	270
в радиоканале, кбит/с
Метод доступа			TDMA	TDMA	TDMA	TDMA
Метод дуплексиро-			FDD	FDD	FDD	FDD
вания
Количество		кана-	8	8	8 (16)	8 (16)
лов на несущую
Метод модуляции			GMSK	GMSK	GMSK	GMSK
Отношение		сиг-	9	9	9	9
нал/помеха, дБ
Мощность АС (пи-			2	2	1	1
ковая), Вт			0,8	0,8	0,25	0,25
Хэндовер			да	да	да	да

Частотный план системы GSM-900 показан на рисунке 6.2. План характеризуется ис-пользованием радиоканалов с шириной полосы 200кГц. За счет такого расширения поло-сы в каждом радиоканале организуется 8 физических каналов с временным разделением (TDMA). Всего в плане предусмотрено 124 дуплексных радиоканала и защитные полосы по 100кГц на краях.

60

	Фазы развития GSM.
	Разработчиками GSM еще в кон-
	це 1980-х был предложен поэтапный
	характер наращивания возможностей
	системы. Принято выделять три фазы
	развития GSM.
	Фаза 1 содержала наиболее об-
Рисунок 6.2 – Частотный план GSM-900	щие услуги:
	Голосовая телефония.

• М еждународный роуминг.

• Базовые службы передачи fax/data (до 9.6 кбит/с).

• Перенаправление вызова.

• Запрещение вызова.

• Служба коротких сообщений (Short Message Service, SMS).

Фаза 1 также включила особенности типа шифрования (ciphering) и Модуль Иден-тичности Подписчика (SIM-card). Спецификации этой фазы закрыты и не могут быть из-менены.

Фаза 2 включала добавочные возможности, как то:

• И ндентификация вызывающей станции.

• Вызов с ожиданием.

• Удержание вызова.

• Конференц-связь.

• Закрытая группа пользователей.

• Дополнительные способности передачи данных.

Фаза 2+ включала бизнес приложения и общее расширение возможностей по пере-даче данных, например:

• HSDCS – High-Speed-Data-Communication-System.

• GPRS – General Packet Radio Service (пакетная радиосвязь общего пользования).

• EDGE – Enhanced Data rates for GSM Evolution.

• Многоплановые профили обслуживания.

• Частные планы нумерации.

• Доступ к службам Centrex.

• Взаимодействие с GSM1800, GSM1900 and DECT.

Дальнейшее развитее GSM связывается с технологией EDGE, ориентированную на скоростную передачу пакетов.

О бработка сигналов в стандарте GSM.

Этапы обработки речевого сигнала в тракте передачи МС следующие:

• A\D-conversion – аналого-цифровое преобразование сигнала от микрофона.

• Segmentation – сегментация, т.е. разделение цифрового потока на сегменты по

20мс.

• Speech coding – речевое кодирование, предназначенное для сжатия цифровых дан-ных.

• Channel coding – канальное помехоустойчивое кодирование.

• Ciphering – шифрование, т.е. криптозащита цифровых потоков.

• Interleaving – перепутывание, перемежение битов для борьбы с замираниями в ра-диоканале.

• Burst formatting – форматирование пакетов, т.е. сопровождение информационных битов служебными, разделительными, защитными, тренировочными и т.д. битами.

61

Рисунок 6.3 – Функциональная схема обработки сигнала в GSM

• тракте приема МС все процедуры взаимообратные процедурам на передаче, кроме одной:

Adaptive Equalization – адаптивное выравнивание, понимаемое как квазиоптимальный прием битов в условиях взаимных наложений из-за многолучевости.

• трактах приемопередачи БС процедуры обработки аналогичны МС и начинаются с этапа канального кодирования. Специфичен лишь блок D\D-conversion – транскодер (пе-рекодер), предназначенный для преобразования ИКМ потока 64кб/с во внутренний фор-

мат GSM 13кб/с.

При передаче неречевой информации (факсограммы, SMS, иные цифровые данные), цифровые сигналы вводятся в тракт либо перед канальным кодером, либо после него, если помехоустойчивое канальное кодирование выполняется самим источником данных.

Рассмотрим A/D – преобразование, сегментацию и речевое (эффективное) кодирова-ние.

Сигнал в полосе ТЧ дискретизируется с f_D=8кГц и затем квантуется с разрядностью 13 бит на отсчет. Таким образом, имеем цифровой поток со скоростью:

8кГц х 13 бит=104Кбит/с.

Для сжатия потока с 104Кбит/ с до 13 Кбит/с используется метод RPE-LPC (Regular Pulse Excitation – Linear Prediction Coding) – линейное предиктивное кодирование с регу-

л ярным импульсным возбуждением.

• его основе лежит представление, что голосовой тракт человека – фильтр с перемен-ными параметрами, на который воздействует сигнал основного тона, для формирования гласных звуков, или шум для формирования “согласных”, шипящих звуков. Для кодиро-вания речи необходимо сохранить информацию об основном тоне и меняющихся во вре-мени параметрах фильтра (коэффициентах). Звуки речи имеют длительность от 5мс до 300мс (т.е. коэффициенты фильтра не меняются в эти интервалы, они стационарны).

• GSM интервал сегментации (стационарности) выбран 20мс. На нем производится вычисление коэффициентов фильтра и параметров основного тона из 160 отсчетов от A/D. Таким образом, информация о речевом сигнале обновляется 50 раз в секунду.

Если абонент молчит, это обнаруживается с помощью VAD (Voice Activity Detector) – детектора активности речи. При этом соответствующие 20мс сегменты маркируются как пустые, чтобы их могли занимать, например, сигналы GPRS.

62

Способ кодирования, принятый в GSM, обеспечивает сжатие исходного объема бит на 20мс-интервале от значения:

(160отсчетов х 13бит/отсчет)=2080 бит, до значения 260 бит. Таким образом, за секунду имеем:

50 х 260бит=13Кбит/с.

Кроме указанной скорости, называемой «full rate», в GSM используют Enhanced full rate (EFR) – 15,1Кбит/с, и Half rate – половинная скорость – 6,5Кбит/с.

Канальное кодирование

На основе 260 бит за сегмент 20мс от кодера речи кодер канала формирует 456 бит за-кодированной информации с внесенной избыточностью. Схема кодирования показана на рисунке 6.4.

Входные биты разделяются на 3 блока по степени важности:

• класс 1a (50бит) – очень важные биты;

• класс 1b (132бита) – важные биты;

• класс 2 (78 бит) – не так важные биты.

Биты класса 1а про-

ходят дополнительный блочный кодер, увеличи-вающий их объем до 53 бит. Далее эти биты, биты класса 1b и 4 вспомога-

тельных разделительных бита подаются на сверточ-ный кодер, вдвое увеличи-

вающий объем битов до 378. К результату добав-ляются 78 битов класса 2.

Р исунок 6.4 – Схема канального кодирования в GSM ^{В результате на выходе ка-}

н ального кодера каждые 20мс формируется 456 бит. Таким образом, образуют поток со скоростью 456бит/20мс = 22,8Кбит/с.

Шифрование

Назначение шифрования – закодировать пакет (burst) так, чтобы он был «непонятен» любому другому прибору, кроме оговоренного приемника. Алгоритм шифрования в GSM называется A5. Этот алгоритм не добавляет биты к пакету из 456 бит каждые 20мс, т.е. сохраняет его размер. Ключ шифрования Kc формирует алгоритм A8. Рисунок 6.5 поясня-ет алгоритм шифрования.

Рисунок 6.5 – Алгоритм шифрования

1+1бита разделители полей;

63

Перемежение блоков

В GSM перемежение (перепуты-вание) служит для устранения длин-

ных пакетов ошибок при замираниях сигнала. Перемежение имеет два уровня:

1 уровень – массив из 456 бит разбивается на 8 кадров по 57 битов в каждом.

Из полученных кадров строится

пакет нормального типа (Normal burst, NB), как показано на рисунке

6. NB состоит из:

• 3+3 бита флаги;

• 57+57 битов информация;

• 26 битов тренировочная последовательность. Следовательно длина одного burst составляет 148 бит.

Рисунок 6.6 – Формирование нормального пакета NB

12,5% по схеме, показанной на рисунке 6.7.

При потере одного NB на сег-менте 20мс теряется 25% инфор-мации речи, т.к. их 4 штуки на этом интервале.

2 уровень – уменьшаются по-тери на один пакет вдвое, т.е. до

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 би-
	та.
	Каждый временной слот кадра TDMA имеет
	длительность 0,577мс. При длительности каж-
	дого бита 3,69мкс на таком интервале вмещает-
	ся:
		0,577	=156,25 бит
	3,69
	Величина равная 156,25 - 148=8,25 бит назы-
	вается Guard Period (GP). GP компенсирует
Рисунок 6.7 – Второй этап	возможные сдвиги пакетов по длине слота.
перемежения блоков	Время GP используется для 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 ре-гулирования модулятора добавляются «холостые» биты с обеих сторон пакетов в количе-стве 51 бита. В результате получаем полный формат пакета длиной 625+51=676 бит каж-дые 20мс. Это эквивалентно скорости от одного абонента :

^676бит =33,8Кбит/с.

20мс

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

те:

8 х 33,8Кбит/с=270,4Кбит/с.

Кадры TDMA

При формировании кадров TDMA использована ступенчатая иерархическая схема. В схеме присутствуют:

• слот (time slot);

• кадр TDMA из 8 слотов;

• мультикадр TDMA (26 или 51 кадров TDMA);

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

• гиперкадр TDMA (2048 суперкадров или 2715648 кадров).

64

Схема кадров поясняется на рисунке 6.8.

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

Кадры на передачу и на прием имеют взаимную задержку на 3 слота, что иллюстриру-ет рисунок 6.9.

П ерескоки частоты (Slow frequency hopping)

Для борьбы с частотно-селективными замираниями, помехами и для повышения крип-

тозащищенности радиопередачи, приме-
няется изменение частоты передачи або-											BS transmission/receive station (BTS)
нентского сообщения от кадра к кадру
TDMA.										Information for MS on the "Timing Advance"
Скорость (частота) перескоков может																																			Transmitter
											1		2		3		4						5		6				7				8
быть получена из соотношения:		Mobile																																					Receiver
				2 x Run time (TA)
		station
1/4,615мс = 216,6 Гц,		(MS)
																	1						2		3				4				5		6		7		8
где 4,615мс равна длительность кадра
TDMA.
При перескоках частот сохраняется										t = 3 Time slots
дуплексный разнос в 45МГц. Все абонен-
ты в пределах соты «перескакивают»
	Рисунок 6.9 – Временная задержка кадров передачи и
синхронно. Частотно-временная матрица										приема

и начальная частота доводятся до каждой

Рисунок 6.8 – Кадры TDMA

пользоваться;

MS в процессе организации канала. Матрица формируется так, чтобы исключить взаим-ные помехи как внутри соты, так и в смеж-ных сотах. В GSM используется 64 псевдо-случайные структуры (матрицы) перескоков частоты.

Адаптивная эквализация

(Adaptive Equalization)

АЭ – ответ на проблему временной дис-персии (интерференции битов) в радиокана-ле из -за «дальней» многолучевости (far away). АЭ обеспечивает квазиоптимальный прием в условиях многолучевости.

АЭ использует 26-битные тренировоч-ные последовательности в NB. Имеется 7 типов таких последовательностей под раз-

ные модели окружающего пространства (холмистость, здания и т.п.). В GSM исполь-зуют АЭ типа Витерби.

1. BTS передает на MS, какой трениро-

вочной последовательностью надо

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 при-

нятым.

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

65

Временное опережение передачи

Временное опережение передачи (Timing Advance – TA) предназначено для решения проблемы выравнивания по времени (time alignment) слотов от удаленных на разные рас-стояния MS.

М етод состоит в следующем.

BTS передает MS инструкцию TA, предписывающую начинать передачу на n бит раньше по времени, чем «положено ». Это позволяет сгладить задержки на распростране-ние радиосигнала между MS и BTS.

В GSM n лежит в пределах 1–63 бита. Это 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 200 кГц. Простые виды модуляции несущей обеспе-чивают скорость передачи, не превышающую ширину полосы, т.е. на 200кГц – 200Кбит/с.

• 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 по-лосе, в сравнении с другими цифровыми стандартами. Это ведет к снижению емкости в одной соте GSM по сравнению с другими системами. Однако, GMSK заметно устойчивее

• интерференциям. Это позволяет повысить переиспользование частот и выиграть в об-щей емкости сотовой сети.

GMSK обладает двумя особенностями: одна – «минимальный сдвиг», другая – гаус-совская фильтрация. Они направлены на сужение полосы частот, занимаемой GMSK-сигналом.

• общем случае, при частотной модуляции (ЧМ, FM), в том числе, при манипуляции (ЧМн, FSK), спектр сигнала более широкий, чем при амплитудной модуляции (манипуля-ции). 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 мо-дуляцией. Для ЧМ (ЧМн) индекс равен ß = 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 синусоидаль-ной (при последовательности чередующихся посылок «0» и «1»). При синусоидальной модулирующей функции индекс модуляции является амплитудой изменения фазы. С учё-том скорости манипуляции v = 2F = 1/T (v – в бит/с, а F – в Гц), где T – длительность по-сылок, индекс равен ß = 2 f/v.

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

• основе GMSK лежит ММС (MSK) – узкополосная ЧМн «с минимальным сдвигом», характеризуемая ß = 0,5 [3]. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её «набег» в течение одной посылки, обуслов-

66

ленный манипуляцией частоты ± ω (±2πΔf ), равен = ± ωT. При ß = 0,5 он составляет π/2 и - π/2 для посылок «1» и «0», соответственно. Подчеркнём, что  – это не манипуля-ция фазы, а именно её «набег », обусловленный манипуляцией частоты. При ß = 0,5 ско-рость манипуляции v = 4 f, которая для GMSK, используемой в GSM, составляет v = 270,833 Кбит/с при f = 67,70833 кГц.

Итак, GMSK – узкополосная ЧМн с «граничным» индексом манипуляции , который не очень мал, но спектр при нём практически ещё не расширен. Можно сказать, что индекс ß = 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 фор-мировании сигналов с GMSK используется гауссовская низкочастотная фильтрация моду-лирующих посылок. Гауссовской она называется потому, что в качестве импульсной ха-рактеристики фильтра используют характеристику нормального распределения Гаусса. Используют её симметричный отрезок, взятый на конечном интервале, равном длительно-сти посылки T. Связь импульсной характеристики с T определяют параметром B – поло-сой гауссовского ФНЧ, равной частоте среза его АЧХ на уровне -3 дБ. Параметр B опре-деляет произведение B·T, которое для GSM равно B·T = 0,3. Отметим, что B·T – это не база сигнала, которая не может быть меньше единицы.

Г ауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в ко-тором формируется сигнал модуляции.

Для реализация GMSK в систе-ме GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приве-дена на рисунке 6.10. Собственно

квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источ-

никами cos(ω₀t_i) и sin(ω₀t_i) и вычи-

Рисунок 6.10 – Квадратурный модулятор GMSK татель на выходе. На вход пере-

множителей поступают две состав-ляющие квадратурного сигнала cos(±Δω)t_i и sin(±Δω)t_i, формируемые обычно в DSP. При этом, если модулятор аналоговый, на выходе DSP используют ЦАП. Квадратурный моду-лятор может быть цифровым и иметь ЦАП на своём выходе. На рисунке показаны эквива-

лентные цепи DSP – гауссовский фильтр ГФ, интегратор _dt и элементы тригонометри-

ческих функций «cos» и «sin». На вход поступает нефильтрованная последовательность положительных и отрицательных значений «± Δω», соответствующая «1» и «0» модули-рующего кода. Указанная последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр, соответственно, сужен.