Общие принципы сотовой связи (стр. 2 )

2) Shadowing – затенение. Результат действия, рельефа, зданий, деревьев и т. п. Реально затенение создает пульсирующую структуру затухания сигнала, получившую название “fading dips” – “заныривание затухания”. 

3) Multipath fading – многолучевое распространение (затухание). В этой проблеме выделяют две составляющие:

-Rayleigh fading – релеевское затухание (рассеяние). Обусловлено диффузным характером отражения радиоволн от реальных объектов. Как результат, принимаемый сигнал есть сумма многих идентичных сигналов, отличающихся по фазе (и амплитуде тоже). Эффект проявляет себя на уровне радионесущей и дает “fading dips” – пульсации уровня, замирания с периодом в пространстве, равным л/2.

- Time Dispersion – эффект из-за существенно разнесенных по пространству лучей, т. е. прошедших дальние пути (far away).

4) Time Alignment – временное выравнивание. В GSM используется синхронное временное разделение абонентов на данной несущей. При заметном изменении расстояния  информация  от абонента запаздывает, т. е. начинает “не попадать” в свой временной слот.

Рис.3.1. Изменение уровня мощности сигнала от логарифма расстояния.

6. Задача. Передатчик базовой станции GSM-900 имеет мощность Pt = 20W. Выразите ее в dBm. Используя модель распространения волны в свободном пространстве (Free Space Propagation), определите мощность в точке приема  Pr (в dBm), находящейся на расстоянии  1км от базовой станции. Проиллюстрируйте расчет графиком в осях «уровень-дальность».

Pt=20W

Pt =10lg(20/1*10-3)=10lg20-10lg(10-3)=10lg20+30=13,01+30=43,01дБм

Pl=32,45 + 20*lg(f) + 20*lg(d)=32,45+20lg900+0=32,45+59,08=91,53дБ

Pr=Pt-Pl=43,01-91,53=-48,52дБм 

7. Общая схема обработки сигнала в GSM (с указанием скоростей).

Рис.4.1. Функциональная схема обработки сигнала в GSM.

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 данных

Channel coding – канальное помехоустойчивое кодирование.

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

Interleaving – перепутывание, перемежение битов для борьбы с замираниями в радиоканале.

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

В тракте приема МС все процедуры взаимообратны процедурам на передаче, кроме одной:

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

В трактах приемопередачи БС процедуры обработки аналогичны МС и начинаются с этапа канального кодирования. Специфичен лишь блок D\D-conversion – транскодер (перекодер), предназначенный для преобразования  ИКМ потока 64кб/с во внутренний формат GSM 13кб/с.

При передачи 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 подробнее A/D – преобразование, сегментацию и речевое (эффективное) кодирование.

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

8кГц х 13 бит=104Кбит/с

Следует отметить, что эти параметры заметно превышают параметры вполне хорошей оцифровки стандарта ИКМ

8кГц х 8 бит=64Кбит/с.

Подобное сделано для обеспечения более корректной работы речевого кодера на последующих этапах сжатия потока.

Для сжатия потока с 104Кбит/с до 13 Кбит/с используется метод

RPE-LPC (Regular Pulse Excitation – Linear Prediction Coding) – линейное предиктивное кодирование с регулярным импульсным возбуждением. 

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

В 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.

В случае, 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. 

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 – 5,6Кбит/с.

8. Структура кадров TDMA GSM.

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

А) слот (time slot)

Б)  кадр TDMA из 8 слотов

В) мультикадр TDMA (26 или 51 кадров TDMA)

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

Д) гиперкадр TDMA (2048 суперкадров или 2715648 кадров)

Сруктура поясняется на рис.5.4.

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

Кадры на передачу и на прием имеют взаимную задержку на 3 слота.

Рис. 5.4. Кадры TDMA

9.Принципы аутентификация абонента и шифрование данных в GSM.

В процедурах аутентификации и шифрования применяется модуль идентификации пользоваSubscriber Identity Module—так называемая SIM-карта. На ней хранятся следующие данные:

IMSI (International Mobile Subscriber Identity); Ki (Individual Subscriber Authentication Key); A3, A8: Алгоритмы для  аутентификации и шифрования.

IMSI, Ki, A3 и A8 используются  для вычисления триплетов (Triples), т. е. аутентификационных параметров.

Триплет состоит из:

RAND (RANDom number); SRES (Signed RESponse): отклик для аутентификации; Kc (Cipher Key): код для шифрования радипередачи.

Алгоритм аутентификации пользователей поясняется на рис.8.1.

Рис.8.1. Алгоритм аутентификации

Генератор случайной последовательности, входящий в состав центра аутентификации AC, вырабатывает случайный код RAND. Затем, значение RAND и индивидуальный ключ аутентификации пользователя Кi, с помощью алгоритма А3 аутентификации формирует последовательность–отклик SRES*. Одновременно RAND передается на MS, где в SIM выполняются аналогичные процедуры и формируется SRES, которая передается на MSC. В MSC SRES* сравнивается с SRES. В случае совпадения, абоненту предоставляется доступ к услугам сети. В противном случае мобильный абонент получает отказ в обслуживании

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

Рис. 4.4. Алгоритм шифрования

10. Классификация каналов управления (CCH). Их назначение. Использование пакетов (burst) разных типов.

Общая структура логических каналов GSM представлена на рис.6.1.

В системе GSM для контроля доступа к среде, распределения каналов информационного обмена и управления мобильностью используется много различных каналов ССН. Определено три группы каналов управления, причем каждая из них, в свою очередь, тоже разделяется на подгруппы. 

Широковещательный канал управления (ВССН). Станция BTS использует этот канал для передачи данных всем мобильным станциям, находящимся в ячейке. Такими данными могут быть, например, идентификатор ячейки, ее опции (перескок частот) и частоты, доступные в данной и соседних ячейках. Информация о коррекции частоты и синхронизации во времени передается через канал коррекции частоты (FCCH)  и канал синхронизации (SCH), которые являются подканалами ВССН. Канал коррекции частоты используется для передачи пакетов данных по коррекции частоты,  и содержит набор "0". Это даёт постоянный сдвиг частоты несущей, который может быть использован мобильной станцией для коррекции частоты. Канал синхронизации SCH используется для временной синхронизации мобильных станций. Данные, передаваемые по этому каналу, включают номер кадра, также как и идентификационный код базовой станции (BSIC), который требуется мобильным станциям при оценке мощности сигнала базовой станции.

Общий канал управления (СССН). Через канал СССН осуществляется обмен информацией при установке соединения между мобильной станцией и станцией BTS. Для поиска мобильной станции при звонках на нее станция BTS использует поисковый канал (РСН). Если же соединение устанавливает мобильная станция, она посылает данные на станцию BTS через канал произвольного доступа (RACH). Для множественного доступа в канале RACH (все мобильные станции, находящиеся внутри ячейки, имеют доступ к этому каналу) применятся схема Aloha с выделением временных интервалов. На этом этапе могут возникать конфликты с другими мобильными станциями системы GSM. Через канал предоставления доступа (AGCH) станция BTS сообщает мобильной станции, что для дальнейшей установки соединения можно использовать канал ТСН или SDCCH.