19. Частотные, физические и логические каналы

Прежде чем приступить к описанию организации непосредственно процедур и  режимов работы системы сотовой связи, нам придется уделить некоторое  внимание организации информационного обмена по эфирному интерфейсу, с  которым мы познакомились в разделе 2.2.5. Дело в том, что кроме  собственно информации речи по каналу связи должна передаваться так  называемая сигнальная информация, или информация сигнализации (английский  термин signaling), включающая информацию управления и информацию контроля  состояния апаратуры; для ее обозначения будем употреблять также  наименование управляющая информация или просто управление. Поэтому в  настоящем разделе рассмотрим, как организуется использование каналов  связи, и начнем с определения часто употребляемых при этом понятий  частотных, физических и логических каналов.  Частотный канал - это полоса частот, отводимая для передачи информации  одного канала связи. Правда, как мы фактически уже отмечали ранее, при  использовании метода TDMA в одном частотном канале передается информация  нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается  несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному  определению частотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже - при  определении понятия физического канала. Поясним понятие частотного канала.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится  полоса 935...960 МГц, а обратного - 890...915 МГц, т.е. дуплексный разнос  по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу  Лf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос,  размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц)  связана с его номером N соотношениями:  обратный канал:  f0 = 890,200 + 0,200 N, 1 < N < 124;  прямой канал:  fn = 935,200 + 0,200 N, 1 < /V < 124.  Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Af  (по 30 или 200 кГц - для стандартов D-AMPS и GSM соответственно) - одну  под прямой, а другую под обратный канал связи. При использовании режима  работы со скачками по частоте (раздел 2.4.5) для передачи информации  одной и той же группы физических каналов последовательно во времени  используются различные частотные каналы.  Перейдем к понятию "физический канал".  Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного  разделения (TDMA) - это временной слот с определенным номером (или пара  слотов с номерами, отличающимися на 3 при полноскоростном кодировании в  стандарте D-AMPS) в последовательности кадров эфирного интерфейса  (рис.2.9, 2.10, 2.11). Таким образом, в одном частотном канале в  стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация  трех физических каналов, при полускоростном кодировании - информация  шести физических каналов, а в стандарте GSM всегда передается информация  восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один  физический канал содержит два канала трафика, информация которых  передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется  временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при  полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз - при полускоростном. В этом  и заключается одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой  связи по сравнению с аналоговым.  Логические каналы различаются по виду (составу) информации, передаваемой  в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализован  один из двух видов логических каналов - канал трафика или канал  управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае  существовать в одном из нескольких вариантов (типов).  С понятием канала управления мы по существу уже познакомились в начале  данного раздела. Логический канал трафика - это канал передачи речи или  данных (компьютерных данных, факсимильных сообщений), т.е. той  информации, ради которой, собственно, и создается сотовая связь. Термин  трафик происходит от английского traffic (информационный поток, поток  транспорта) и в применении к связи определяется как совокупность  сообщений, передаваемых по линии свяЗи, или как совокупность требований  абонентов, обслуживаемых сетью связи.

20. Инициализация и установление связи  Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы  сотовой связи.  Центр коммутации и базовые станции работают круглосуточно и непрерывно,  без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность  поддерживается за счет предусмотренного конструкцией резервирования, с  ремонтом (заменой) вышедших из строя элементов в ситуации, когда они  находятся в положении резервных. В работе подвижных станций перерывы и  отключения практически неизбежны, в том числе - для смены источников  питания.  Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции в  пределах одной ячейки своей ("домашней") системы, без передачи  обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить  четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:  - включение и инициализация; х  - режим ожидания;  - режим установления связи (вызова);  - режим ведения связи (телефонного разговора).  После включения подвижной станции, т.е. после замыкация цепи питания,  производится инициализация - начальный запуск. В течение этого этапа  происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы - по  сигналам, регулярно передавав-  Принципы построения н технические проблемы  49  мым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего  подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа  инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.  В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со  сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее  сильным сигналом; затем по передаваемой в этом канале информации  подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них  канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и  остается в режиме ожидания.** В версии IS-136 алгоритм настройки  подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок,  прежде всего в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При  этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся  информацию о положении канала управления (где находился канал управления  в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он  имеется, и др.), а при прямом поиске со сканированием всех частотных  каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность  сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в  них цифровых каналов управления.  В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные  каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию  пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале  информация канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий  по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден  канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации,  синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает  дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код  идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о  продолжении поиска или о работе в данной ячейке.  Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:  - изменения информации системы - эти изменения могут быть связаны как с  изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной  станции, например с переходом ее в другую ячейку;  ) Строго говоря, полная процедура инициализации, имеющая смысл при  использовании двухрежимных (цифро-аналоговых) подвижных станций и при  работе в полной полосе частот, отведенной для сотовой связи, сложнее.  Сначала станция сканирует первичные выделенные каналы управления (в  пределах полосы оператора А или В), настраивается на наиболее сильный  канал и проверяет наличие возможности работы в цифровом режиме (по  содержанию соответствующего бита сигнальной информации). Если такая возможность есть, станция остается в режиме ожидания в цифровом режиме на  этом канале; если нет, то сканирует вторичные выделенные каналы  управления, и т.д. В соответствии с изложенными ранее соображениями мы не  описываем эту процедуру, как и практически все последующие, с такой  степенью подробности.  - команды системы - например, команду подтвердить свою работоспособность  ("регистрация" в конкретной ячейке);  - получение вызова со стороны системы;  - инициализацию вызова со стороны собственного абонента. Две последние  ситуации - получение или инициализацию  вызова - мы рассмотрим подробнее несколько ниже.  Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10... 15  минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие  сигналы на базовую станцию (подтверждение "регистрации" или уточнение  местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных  станций фиксируется ячейка, в которой она "зарегистрирована", что  облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если  подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение  определенного промежутка времени, например пропускает два или три  подтверждения "регистрации" подряд, центр коммутации считает ее  выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.  В стандарте GSM подвижная станция измеряет и периодически передает на  базовую станцию следующие параметры:  - уровень сигнала базовой станции рабочей ("своей") ячейки и до 16  смежных ячеек, измеряемый по сигналу канала ВССН;  - код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке -функцию оценки  частоты битовой ошибки (BER - Bit Error Rate) по принятому сигналу перед  канальным декодированием.  В стандарте D-AMPS измерения уровня сигнала и частоты битовой ошибки  выполняются по команде с базовой станции для обеспечения процедуры  передачи обслуживания.  Рассмотрим процедуру установления связи.  Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр  коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой  "зарегистрирована" подвижная станция, или на несколько базовых станций в  окрестности этой ячейки - с учетом возможного перемещения абонента за  время, прошедшее с момента последней "регистрации", а базовые станции  передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция,  находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через  свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для  проведения процедуры аутентификации; последняя, как представляющая  самостоятельный интерес, будет рассмотрена подробнее в разд. 2.3.3. При  положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и  подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала.  Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой  станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом  этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре,  уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и  т.п.  Принципы построения и технические проблемы  51  Выбор временной задержки производится с целью временного согласования  слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с  подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При  этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки  регулируется по командам базовой станции. В стандарте D-AMPS при выборе  временной задержки работа осуществляется укороченными пачками. Исходное  значение задержки составляет 88 бит; оно может уменьшаться на величину до  30 бит с шагом 1 бит (20,55 мкс). В стандарте GSM при выборе задержки  используются пачки доступа. Задержка регулируется в пределах от 0 до 63  бит с дискретом 1 бит (3,69 мкс). В дальнейшем базовая станция  отслеживает изменение дальности до подвижной станции и корректирует  величину задержки, выдавая соответствующие команды на подвижную станцию.  При малых геометрических размерах ячейки, т.е. при малых величинах  задержки (в пределах защитного бланка или защитного интервала),  компенсация временной задержки может не производиться.  В стандарте GSM производятся также привязка подвижной станции к базовой  по частоте с использованием пачки коррекции частоты и временная  синхронизация подвижной станции с базовой с точностью до 1/4 бита, для  чего в пачке синхронизации передаются номера четверти бита (QN - Quarter  bit Number, в пределах от 0 до 624), бита (BN - Bit Number, в пределах от  0 до 156), слота (TN - Timeslot Number, в пределах от 0 до 7) и кадра (FN  - Frame Number, в пределах от 0 до 2715648); одновременно в пачке  синхронизации передаются 3-битовый код (код цвета - colour code) сети  сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в  совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой станции (BSIC -  Base Station Identifier Code).  Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает  возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на  вызов ("снимает трубку", т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели  управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на  завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно  сеанс связи - абоненты ведут разговор.  В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых  и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью  сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными  сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на  отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции  выключается и станция переходит в режим ожидания.  Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент  набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по  отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку ("вызов") на  панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую  станцию сообщение Рис.2.15. Упрощенная схема установления связи (исходящий вызов; стандарт  GSM): 

обозначена такая последовательность действий:  1. Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает  выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.  2. Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH)  назначает канал SDCCH.  3. Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает  запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).  4. Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН).  5. Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную  сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение.  Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаются от предыдущего  случая.  Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то  процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит  практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента  относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними  устанавливается через центр ком- мутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть. Такова общая  схема организации процесса связи в сотовой системе. Многие детали в ней  опущены, но к некоторым из них мы еще вернемся по ходу дальнейшего  изложения. 

21. Аутентификация и идентификация  Рассмотрим процедуры аутентификации и идентификации, которые выполняются  при каждом установлении связи. О первой из них мы уже упоминали ранее.  Аутентификация - процедура подтверждения подлинности (действительности,  законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента  системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана  неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам  сотовой связи, приводящим к многочисленным и разнообразным проявлениям  особого рода мошенничества - фрода в сотовой связи, о котором мы  расскажем подробнее в разделе 3.5. Слово аутентификация (английское  authentication) происходит от греческого authentikos - подлинный,  исходящий из первоисточника. В русском языке довольно часто используется  родственный юридический термин - аутентичные тексты, например тексты  договора на нескольких языках, имеющие равную силу.  Идентификация - процедура отождествления подвижной станции (абонентского  радиотелефонного аппарата), т.е. процедура установления принадлежности к  одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта  процедура используется для выявления утерянных, украденных или  неисправных аппаратов. Слово идентификация (английское identification)  происходит от средневекового латинского identificare - отождествлять.  Первоначально, в аналоговых системах сотовой связи первого поколения,  процедура аутентификации имела простейший вид: подвижная станция  передавала свой уникальный идентификатор (электронный серийный номер -  Electronic Serial Number, ESN), и если таковой отыскивался среди  зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной. Столь примитивная аутентификация оставляла  большие возможности для фрода, поэтому со временем и в аналоговых  системах, и тем более в системах сотовой связи второго поколения с  использованием дополнительных возможностей цифровых методов передачи  информации процедура аутентификации была значительно усовершенствована.  Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи  заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с  использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на  подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой  подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с  использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и  в центре коммутации (или в центре аутентификации), и аутентификация  считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.  В стандарте GSM процедура аутентификации связана с использованием модуля  идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM), называемого  также SIM-картой (SIM-card) или смарт-картой (smart-card), о котором мы  расскажем чуть подробнее, поскольку до сих пор такого повода нам не  предоставлялось. Модуль SIM - это съемный модуль, напоминающий по  внешнему виду пластиковую кредитную карточку и вставляемый в  соответствующее гнездо абонентского аппарата. Модуль вручается абоненту  одновременно с аппаратом и в принципе позволяет вести разговор с любого  аппарата того же стандарта, в том числе с таксофонного. Модуль содержит  персональный идентификационный номер абонента (Personal Identification  Number - PIN), международный идентификатор абонента подвижной связи  (International Mobile Subscriber Identity - IMSI), индивидуальный ключ  аутентификации абонента Ki, индивидуальный алгоритм аутентификации  абонента АЗ, алгоритм вычисления ключа шифрования А8. Для аутентификации  используется зашифрованный отклик (signed response) S, являющийся  результатом применения алгоритма АЗ к ключу Ki и квазислучайному числу R,  получаемому подвижной станцией от центра аутентификации через центр  коммутации. Алгоритм А8 используется для вычисления ключа шифрования  сообщений. Уникальный идентификатор IMSI для текущей работы заменяется  временным идентификатором TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity -  временный идентификатор абонента подвижной связи), присваиваемым аппарату  при его первой регистрации в конкретном регионе, определяемом  идентификатором LAI (Location Area Identity - идентификтор области  местоположения), и сбрасываемым при выходе аппарата за пределы этого  региона. Идентификатор PIN - код, известный только абоненту, который  должен служить защитой от несанкционированного использования SIM-карты,  например при ее утере. После трех неудачных попыток набора PIN-кода SIM-  карта блокируется, и блокировка может быть снята либо набором  дополнительного кода - персонального кода разблокировки (Personal  unblocking key - PUK), либо по команде с центра коммутации.  Процедура аутентификации стандарта GSM схематически показана на рис. 2.16.

Пунктиром отмечены элементы, не относящиеся непосредственно к  процедуре аутентификации, но используемые для вычисления ключа шифрования  Кс. Вычисление производится каждый раз при проведении аутентификации.  Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора  абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих "черных  списках" регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и  технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким,  чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными. В принципе  может быть целесообразен и оперативный обмен информацией между регистрами  аппаратуры - межоператорский и международный, в интересах объединения  усилий операторов в борьбе с фродом в сотовой связи. 

22. Передача обслуживания  Как мы уже рассказывали ранее, базовая станция, находящаяся примерно в  центре ячейки, обслуживает все подвижные станции в пределах своей ячейки.  При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее  обслуживание соответственно передается от базовой станции первой ячейки к  базовой станции второй (рис. 2.17).

Этот процесс называется передачей  обслуживания (американский термин handoff, англоевропейский -handover).  Подчеркнем, что процедура передачи обслуживания имеет место только в том  случае, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса  связи, и связь (телефонный разговор) при этом не прерывается. Если же  подвижная станция перемещается из одной ячейки в другою, находясь в  режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации  системы, передаваемой по каналам управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции  Технически процедура передачи обслуживания осуществляется следующим  образом Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество  канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки,  падает ниже допустимого предела. В стандарте GSM указанные параметры  постоянно измеряются подвижной станцией как для своей ячейки, так и для  ряда смежных (до 16 ячеек), и результаты измерений передаются на базовую  станцию. В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики  только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связи она сообщает  об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по команде  последнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в  соседних ячейках По результатам этих измерений центр коммутации выбирает  ячейку, в которую должно быть передано обслуживание. Обратим внимание,  что организация передачи обслуживания основывается на измерениях,  выполняемых на подвижных станциях - во временных слотах, свободных от  передачи и приема информации; кроме того, могут использоваться и  результаты измерений, выполняемых на базовых станциях. Это отражается в  английском наименовании процедуры - Mobile-Assisted HandOff (Handover) -  МАНО, т.е. передача обслуживания при использовании помощи самой подвижной  станции. Тем самым подчеркивается отличие от процедуры передачи  обслуживания в аналоговых сотовых системах, где аналогичные измерения  выполнялись только на базовых станциях. 

Обязательным условием передачи обслуживания из одной ячейки в другую  является более высокое качество канала связи во второй ячейке по  сравнению с первой. Иначе говоря, обслуживание передается из ячейки с  худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем  указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной  величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передавать  обслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух  ячейках, то в некоторых случаях, в частности, при перемещении подвижной  станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача  обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к  значительной загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества  связи.  Приняв рещение о передаче обслуживания и выбрав новую ячейку, центр  коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной  станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с  указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п.  Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на  совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги,  что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через  базовую станцию новой ячейки.  При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и  остается незаметным для абонента.  

24. .Принцип повторного использования частот.

Принцип повторного использования частот В сети сотовой связи в каждой соте установлен передатчик базовой станции. Ширина частотного спектра ограничена, а мощность передатчика обычно не превышает 50 Вт. В теории такие же передатчики могли бы стоять и в соседних сотах. Но на практике из-за перекрытия сот под действием различных факторов такое невозможно. Если бы взаимные помехи между абонентами сети сотовой связи были пренебрежимо малы, то было бы возможно повторно использовать одни и те же частоты в различных сотах. Но на практике этого достичь не удается, что и стало причиной разработки концепции повторного использования частот. Согласно концепции, в каждой соте применяется определенная группа радиочастот. Принцип повторного использования частот состоит повторении одних и тех же частот через определенное количество сот, но при этом в соседних сотах одни и те же частоты отсутствуют. Всё просто и доступно, как Роуминг Билайн ,не так ли? Для понимания концепции можно рассмотреть следующий пример. Допустим, существует сеть сотовой связи, каждая сота которой имеет вид шестиугольника. Разделим весь частотный диапазон на 10 частей. Пусть, в соте А используется 1-я часть диапазона.

1. 

 В соседней с ней соте Б эта же часть быть использована не может, так как соты соседние и поэтому в соте Б используется 2-я часть спектра. Сота В имеет общие границы с предыдущими двумя сотами и поэтому в ней используется 3-я часть от выделенного спектра. Но в соте Г, имеющей общие границы с сотами Б и В, но не имеющей границ с сотой А можно снова использовать 1-ю часть частотного диапазона, такую же, как и в соте А. При этом мы получаем структуру, которая состоит их 3-х частотных групп, которая называется кластером. Вполне очевидно, что кластер минимально возможного размера состоит из 3-х сот. Но такой кластер плох тем, что соты, в которых используются одинаковые частоты, слишком часто повторяются. А это создает все условия для отрицательного влияния со-канальных помех. Поэтому на практике применяются кластеры с большим числом элементов. Дистанция между центрами сот с одинаковыми частотами может быть посчитана по следующей формуле: D=R*(3*N)^0.5 где D – искомое расстояние, R – радиус соты, в случае шестиугольника – радиус описанной окружности, N – количество сот в кластере, в вышеприведенном примере N=3. На практике количество элементов в кластере N должно выбираться таким образом, чтобы отношение сигнал/помеха имело достаточную величину.

25. Варианты множественного доступа. Доступ с частотным и временным разделением каналов.

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В ССС существует три варианта множественного доступа: с частотным, с временным и с кодовым разделением каналов.

Множественный доступ с частотным разделением FDMA

В методе FDMA каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Δf(частотный канал). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи, при этом полоса частот Δf составляет 10-30 кГц. Основной недостаток метода FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу ТDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Множественный доступ с временным разделением ТDМА

В методе ТDМА каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.

Практическая реализация метода ТDМА требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема ТDMA используются в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала Δf = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число ФК возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы.

Однако метод ТDМА не реализует всех возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Преимущество в этом отношении имеет метод CDMA.

26. .Пути повышения ёмкости системы сотовой связи .

Способы повышения емкости в системах сотовой связи можно разделить на 4 группы. 1. Совершенствование методов обработки сигналов ( в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой), сопровождаемый переходом к более совершенным методам множественного доступа – от FDMA к TDMA и к CDMA, а в пределах TDMA – переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному. 2. Дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот; число БС при этом соответственно увеличивается, а мощность излучения (как для БС, так и для ПС) снижается. Тот же эффект достигается при использовании на БС секторных антенн, например с разделением ячейки на 3 сектора (при 120-градусных секторах) и использованием в каждом из секторов своей полосы частот. Практически ячейки с радиусом менее 300-500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход может быть найден в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихся абонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) – малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра В некоторых случаях может оказаться необходимым не дробить, а укрупнять ячейки, если трафик столь мал, что не обеспечивает достаточной загрузки БС. Если при этом радиус ячейки превышает номинальную дальность действия передатчика БС и/или ПС, то для обеспечения связи в удаленных частях ячейки приходится использовать повторители, выполняющие роль ретрансляторов. 3. Использование адаптивного назначения каналов (АСА) в методах доступа с частотным и временным разделением каналов (FDMA и TDMA). При данном подходе частотные каналы (все или частично) находятся в оперативном распоряжении ЦК, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (БС) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм сложнее, но он может обеспечить повышение емкости системы за счет гибкого отслеживания флуктуаций трафика. Алгоритмы адаптивного назначения каналов используются в беспроводном телефоне, но в сотовой связи широко распространения не получили. Адаптивным по существу является назначение физических каналов в методе CDMA, что позволяет в некоторых пределах перераспределять нагрузку между разными ячейками. 4. Расширение выделяемой полосы частот. Но в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот данный подход не является перспективным.

26. Кодирование речи в системе сотовой связи GSM.

GSM является цифровой системой, и, следовательно, аналоговая речь, поступающая в систему, должна быть оцифрована.

Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта АЦП. Основная задача кодера – предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера – восстановление обычного цифрового сигнала речи (с присущей ему естественной избыточностью) по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком.

Кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала, первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. этот метод использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез, получившим название вокодерных систем, или вокодеров (кодер голоса или кодер речи). Ранние вокодеры позволяли получать весьма низкую скорость передачи информации, но при характерном «синтетическом» качестве речи на выходе. Поэтому вокодерные методы долгое время оставались в основном областью приложения усилий исследователей и энтузиастов, не находя широкого практического применения.

Ситуация существенно изменилась с появлением метода линейного предсказания, предложенного в 1960-х годах и получившего мощное развитие в 1980-х годах на основе достижений микроэлектроники.

В настоящее время в системах подвижной связи получили распространение вокодерные методы на основе метода линейного предсказания. Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания (Linear Predictive Coding – LРС) заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, а параметры некоторого фильтра, в определенном смысле эквивалентного голосовому тракту, и параметры сигнала возбуждения этого фильтра. В качестве такого фильтра используется фильтр линейного предсказания. Задача кодирования на передающем конце линии связи заключается в оценке параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задача декодирования на приемном конце – в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный сигнал речи.

Значения коэффициентов предсказания, постоянные на интервале кодируемого сегмента речи (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), находятся из условия минимизации среднеквадратического значения остатка предсказания на интервале сегмента.

Таким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказания сводится к следующему:

     оцифрованный сигнал речи нарезается на сегменты длительностью 20 мс;

   для каждого сегмента оцениваются параметры фильтра линейного предсказания и параметры сигнала возбуждения; в качестве сигнала возбуждения в простейшем случае может выступать остаток предсказания, получаемый при пропускании сегмента речи через фильтр линейного предсказания с параметрами, полученными из оценки для данного сегмента;

   параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются по определенному закону и передаются в канал связи.

Процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которого переданы одновременно с сигналом возбуждения.

Во-первых, линейное предсказания – кратковременное предсказание (STP – Short-Term Prediction) не обеспечивает достаточной степени устранения избыточности речи. Поэтому в дополнение к кратковременному предсказанию используется еще долговременное предсказание (LTP – Long-Term Prediction), в значительной мере устраняющее остаточную избыточность и приближающее остаток предсказания по своим статистическим характеристикам к белому шуму.

 

В стандарте GSM используется метод RPE-LTP (Regular Pulse Excited Long Term Predictor – линейное предсказание с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долговременным предсказателем).

 

Блок предварительной обработки кодера осуществляет:

       предыскажение входного сигнала при помощи цифрового фильтра, подчеркивающего верхние частоты;

       нарезание сигнала на сегменты по 160 выборок (20 мс);

        взвешивание каждого из сегментов окном Хэмминга («косинус на пьедестале» – амплитуда сигнала плавно спадает от центра окна к краям).

Далее для каждого 20-миллисекундного сегмента оцениваются параметры фильтра кратковременного линейного предсказания – 8 коэффициентов частичной (порядок предсказания М = 8), которые для передачи по каналу связи преобразуются в логарифмические отношения площадей, причем для функции логарифма используется кусочно-линейная аппроксимация.

Сигнал с выхода блока предварительной обработки фильтруется решетчатым фильтром-анализатором кратковременного линейного предсказания и по его выходному сигналу (остатку предсказания) оцениваются параметры долговременного предсказания: коэффициент предсказания и задержка. При этом 160-выборочный сегмент остатка кратковременного предсказания разделяется на 4 подсегмента по 40 выборок в каждом.

В качестве сигнала возбуждения выбирается та из последовательностей, энергия которой больше. Амплитуды импульсов нормируются по отношению к импульсу с наибольшей амплитудой, и нормированные амплитуды кодируются тремя битами каждая при линейной шкале квантования. Абсолютное значение наибольшей амплитуды кодируется шестью битами в логарифмическом масштабе. Положение начального импульса 13-элементной последовательности кодируется двумя битами, т.е. кодируется номер последовательности, выбранной в качестве сигнала возбуждения для данного подсегмента.

Таким образом, выходная информация кодера речи для одного 20-миллисекундного сегмента речи включает параметры:

  фильтра кратковременного линейного предсказания;

    фильтра долговременного линейного предсказания

    сигнала возбуждени.

Число битов, отводимых на кодирование передаваемых параметров, для одного 20-миллисекундного сегмента речи передается 260 бит информации, т.е. рассмотренный речевой кодер осуществляет сжатие информации по отношению к несжатому оцифрованному речевому сигналу (20 миллисекундному сегменту соответствует 160 восьмиразрядных отсчетов или 1280 битов) почти в 5 раз (1280: 260 = 4,92). Перед выдачей в канал связи выходная информация кодера речи также подвергается дополнительно канальному кодированию.

Речь разделяется на 20 миллисекундные фрагменты, каждый из которых кодируется в 260 битов, давая суммарную скорость передачи 13 kbps.

Декодер. Последовательность выполняемых им функций иллюстрируется на рис. 3.4. Блок формирования сигнала возбуждения, используя принятые параметры сигнала возбуждения, восстанавливает 13-импульсную последовательность сигнала возбуждения для каждого из подсегментов сигнала речи, включая амплитуды импульсов и их расположение во времени. Сформированный таким образом сигнал возбуждения фильтруется фильтром-синтезатором долговременного предсказания, на выходе которого получается восстановленный остаток предсказания фильтра-анализатора кратковременного предсказания.

Последний фильтруется решетчатым фильтром-синтезатором кратковременного предсказания, причем параметры фильтра предварительно преобразуются из логарифмических отношений площадей, в коэффициенты частичной корреляции. Выходной сигнал фильтра-синтезатора кратковременного предсказания фильтруется (в блоке постфильтрации) цифровым фильтром, восстанавливающим амплитудные соотношения частотных составляющих сигнала речи, т.е. компенсирующим предыскажение, внесенное входным фильтром блока предварительной обработки кодера. Сигнал на выходе постфильтра является восстановленным цифровым сигналом речи.

26. .Канальное кодирование в системе сотовой связи GSM .

Канальное кодирование в стандарте GSM Кодер канала - второй (и последний) элемент цифрового участка передающего тракта. Он следует после кодера речи и предшествует модулятору, осуществляющему перенос информационного сигнала на несущую частоту. Основная задача кодера канала - помехоустойчивое кодирование сигнала речи, т.е. такое его кодирование, которое позволяет обнаруживать и в значительной мере исправлять ошибки, возникающие при распространении сигнала по радиоканалу от передатчика к приемнику. Помехоустойчивое кодирование осуществляется за счет введения в состав передаваемого сигнала довольно большого объема избыточной (контрольной) информации. В английской терминологии такое кодирование носит наименование Forward Error Correcting coding (FEC coding), т.е. кодирование с упреждающей коррекцией ошибок, или кодирование с коррекцией ошибок на проходе.

Канальное кодирование в стандарте GSM В сотовой связи помехоустойчивое кодирование реализуется в виде трех процедур: 1.блочного кодирования (block coding); 2.сверточного кодирования (convolutional coding); 3.перемежения (interleaving). Кроме того, кодер канала выполняет еще ряд функций: добавляет управляющую информацию, которая, в свою очередь, также подвергается помехоустойчивому кодированию; упаковывает подготовленную к передаче информацию и сжимает ее во времени; осуществляет шифрование передаваемой информации, если таковое предусмотрено режимом работы аппаратуры.

Блочное кодирование Избыточное кодирование информации можно разделить на два метода – это блочное кодирование и сверточное. При блочном кодировании информация делится на блоки определенной длины, и каждый блок кодируется отдельно. Простейшим примером блочного кодирования является дополнение до четности. В этом случае каждый блок делится на группы, которые дополняются одним битом со значением единица или ноль, в зависимости от того четное или нечетное количество единиц в исходной группе. это есть избыточность

Блочное кодирование обладает высокой надежностью, простотой реализацией, и получило широкое распространение. Существует большое разнообразие блочных кодов, обладающих различными возможностями по обнаружению и исправлению ошибок, среди которых наиболее известны коды Хемминга.

Сверточные коды работают со всем массивом данных, не деля его на части. В простейшем случае, в исходные данные добавляются проверочные символы, представляющие собой сумму двух символов исходных данных. Рассмотрим для примера работу сверточного кода, в котором проверочные символы вставляются между всеми символами исходного кода и представляют собой сумму двух смежных символов исходного кода. Закодируем с помощью этого метода следующую бинарную последовательность данных: 100 100 110 101

При приеме данных происходит их декодирование, т.е. суммируются соседние биты исходных данных и сравниваются с их проверочным битом. Если для двух соседних проверочных битов была зафиксирована ошибка, то общий информационный бит для этих двух проверочных битов - неверен. Для исправления ошибки необходимо заменить его на противоположный. Если для одного проверочного символа была зафиксирована ошибка, а два соседних проверочных символа ошибку не показали, это означает, что сбой произошел в проверочном символе, а информационные биты корректны. 110 001 110 001 101 101 110 11 Для уточнения, где именно произошла ошибка, проверяются соседние пары информационных бит.

26. Модуляция несущей в системе сотовой связи GSM.