Протоколы GSM и преобразование речи

2.5. Методы улучшения качества передачи сигналов

Подавление искажений из-за многолучевого распространения (multipath propagation)

В диапазоне 900 МГц радиоволны отражаются от всего — зданий, холмов, автомобилей, самолетов и т. д. Таким образом, приемной антенны может достигнуть много отраженных сигналов, каждый с различной фазой, и вызвать замирание (fade). Замирание — явление, при котором в течение определенного интервала времени происходит то постепенное усиление, то ослабление сигнала. Подавление искажений используется, чтобы извлечь желательный сигнал из нежелательных отражений. Оно работает, определяя, как известный переданный сигнал искажен замиранием из-за многолучевого распространения, и настраивает обратный фильтр, чтобы извлечь остальную часть переданного сигнала. Этот известный сигнал — 26 битов обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого временного интервала пакета. Практическая реализация компенсатора не определена в спецификациях GSM.

Скачок частоты

Передвижная станция позволяет применять любую из заданных частот: это означает, что частота может изменяться между передатчиком и приемником и управляться в пределах одного кадра TDMA. GSM использует это свойство, чтобы осуществить медленный скачок частоты, когда мобильная станция и BTS передают каждый на различной несущей частоте. Алгоритм скачка частоты является широковещательным и управляет по широковещательному каналу управления (BCCH — Broadcast Control Channel). Так как замирание из-за многолучевости зависит от несущей частоты, медленные скачки частоты помогают облегчить проблему помех. Кроме того, межканальные помехи в действительности случайны и взаимно не связаны.

Прерывистая передача

Уменьшение межканальных помех — цель любой сотовой системы, так как это позволяет обеспечить лучшее обслуживание для данного размера ячейки или использование меньших ячеек, что увеличивает полную емкость системы. Прерывистая передача (DTX — Discontinuous transmission mode) — метод, преимущество которого основано на том, что фактически человек при нормальном сеансе связи говорит меньше 40 процентов времени. Поэтому возможно выключать передатчик в течение периодов молчания. Дополнительное преимущество — в том, что DTX экономит энергию мобильной станции.

Самый важный компонент DTX устройство обнаружения голосовой активности (VAD — Voice Activity Detection). Оно должно отличать речь от шумов, — задача, которая не так тривиальна, как это кажется. Если речевой сигнал неправильно интерпретируется как шум, передатчик выключается и возникает очень раздражающий эффект, названный клиппированием на приемном конце. Если, с другой стороны, шум ошибочно интерпретируется слишком часто как речевой сигнал, эффективность DTX резко уменьшается. Другой фактор, который следует учитывать, — это то, что, когда передатчик выключен, на приемном конце устанавливается полная тишина из-за цифрового характера GSM. Чтобы дать знать пользователю на приемном конце, что соединение существует, требуется подключение шума комфорта, который бы соответствовал характеристикам фоновых шумов, поступающих с передающего конца.

Прерывистый прием

Другой метод сохранения энергии в подвижной станции — прерывистый прием. Широковещательный канал коротких сообщений (Paging Channel), используемый основной станцией, чтобы сигнализировать о вызове базовой станции к мобильной станции, структурирован в подканалы. Каждая подвижная станция должна принимать только свой собственный подканал. В режиме ожидания вызова, в период времени между последовательными подканалами, мобильная станция может ставиться в режим, когда энергия почти не потребляется.

Управление мощностью

Есть пять классов определенных подвижных станций согласно их пиковой мощности передатчика, с номиналами, равными 20, 8, 5, 2 и 0,8 ваттам. Чтобы снизить межканальные помехи и сохранить мощность, приемопередатчики мобильных станций и базовые станции работают на самой низкой мощности, которую выбирают для поддержания приемлемого качества сигнала. Уровни мощности могут изменяться вверх или вниз ступенчато по 2 децибела от пиковой мощности вниз к минимуму 13 dBm (20 милливатт).

Подвижная станция измеряет силу сигнала или качество сигнала (основанное на коэффициенте битовых ошибок — BER) и передает информацию на контроллер базовой станции (BSC), который в конечном счете решает, заменить ли и когда заменить уровень мощности. Управление мощностью должно быть выполнено тщательно, поскольку она может стать причиной неустойчивой работы сети. В этой зоне имеются соседние подвижные станции, которые увеличивают свою мощность в ответ на увеличение межканальных помех, вызванных другими подвижными станциями. Практически это явление маловероятно, но находится в стадии изучения.

2.6. Краткие итоги лекции 2

• Функции, которые выполняются подсистемой сети, главным образом используют протоколы системы мобильной связи, основанные на протоколах системы ОКС № 7.
• Радиоинтерфейс между MS BSC уровня 3 из GSM использует сигнальный протокол, который представляет собой модифицированную версию LAPD, разделенную на 3 подслоя: управление радиоресурсами (RRM — Radio Resources Management), управление передвижением (MM — Mobility Management) и управление соединением (Connection Management).
• Для передачи сигнальных сообщений между центром коммутации мобильной связи (MSC) и системой базовой станции (Base Station System) используются MTP (Message Transfer Part) и подсистемы управления соединением канала сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part), которые являются частями системы ОКС.
• Прикладная часть системы базовой станции (BSSAP — Base Station System Part) предназначена для обслуживания взаимодействия BSS — MSC. Она подразделяется на две отдельных функции: прикладная часть для прямой передачи (DTAP — Direct Transfer Application Part), используется для передачи транзитных сообщений между MSC и MS; и основная прикладная часть системы базовой станции (BSSMAP — Base Station System Management Application Part), которая поддерживает другие процедуры между MSC и BSS (Base Station System), связанные с MS управлением ресурсами, управлением передачей соединения (хэндовером), или в данной соте, или в пределах всей BSS (Base Station System).
• Уровень управления радиоресурсами (RRM) наблюдает за установлением соединения по радио и фиксированной сети между подвижной станцией и центром коммутации подвижной связи (MSC).
• Уровень управления мобильностью (ММ — Mobility Management) выполняет функции, которые связаны с передвижением абонента, а также функции защиты и аутентификации.
• Уровень управления соединением (СМ) отвечает за управление вызовом, дополнительными видами услуг и службой передачи коротких сообщений.
• Для радиодоступа GSM 900 выделены две полосы частот:
  • 890–915 МГц для канала связи от абонента к станции (направление MS к BS);
  • 935–960 МГц для исходящего канала от станции к абоненту (направления BS к MS).
• Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов. Они работают в дуплексном режиме с интервалом несущей частоты по 200 кГц, используя многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA — Frequency Division Multiple Access). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделен на временные соты, которые создают 8 логических каналов. При этом применяется методика, известная как многостанционный доступ с временным разделением (TDMA — TIME DEVISION MULTIPLE ACCESS).
• Мультикадр трафика содержит 26 кадров временного доступа (TDMA), каждый из которых состоит из 8 пакетов трафика. Из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) — как низкоскоростной выделенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) и один (25-й) в настоящее время не задействован.
• Пакет трафика содержит два поля данных по 57 бит, поле обучающей последовательности и ";хвостовые биты" (tail bits). Каналы трафика прямого и обратного направления разделены во времени на 3 периода передачи пакета. Поэтому мобильная станция не может одновременно получать и принимать один и тот же канал, что упрощает ее электронное устройство.
• В дополнение к каналам трафика с полной скоростью могут применяться каналы THC's с полускоростью. Канал трафика с полускоростью фактически может удвоить емкость системы, так как в нем предусматривается кодирование речи в пределах 11,4 Кбит/с вместо 22,8 Кбит/с.
• Мультикадр управления состоит из 51 кадра TDMA, каждый из которых содержит 8 слотов.
• Содержания слотов управления и защитный интервал зависит от их назначения. Используются слоты: подстройки частоты, синхронизации, пустой, доступа.
• Для передачи быстродействующего объединенного канала управления (FACCH — Fast Associated Control Channel) и низкоскоростного выделенного канала управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) применяются каналы трафика. Остальные каналы управления передаются в мультикадре управления, содержащем 51 кадр и имеющем специальную структуру.
• На основании субъективных показателей качества речи и сложности реализации (которая связана со стоимостью, задержкой обработки и потребляемой мощностью) для GSM выбрано долговременное линейное предсказание с возбуждением регулярной импульсной последовательностью (RPE — LPC).
• GSM использует сверточное кодирование (convolution encoding) и чередование блоков (block interleaving). Цифровой сигнал модулируется на аналоговую несущую частоту, используя гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK — Gaussian-filtered Minimum Shift Keying).
• Для защиты информации от помех применяется перестановка (перемежение) информации. Она представляет собой изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению. При этом групповые ошибки преобразуются в одиночные и эффективно исправляются, например, сверточным декодером.
• В GSM защита информации представлена средствами шифрования передачи. Шифрование достигается преобразованием с помощью "исключающее ИЛИ". Эта операция проводится между псевдослучайной многоразрядной последовательностью и 114 полезными битами нормального пакета (все информационные биты кроме 2 контрольных флагов).
• Подавление искажений, вызванных замиранием из-за многолучевого распространения, производится с помощью обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого временного интервала пакета, а также с помощью медленных скачков частоты.
• Уменьшение межканальных помех достигается прерывистой передачей (DTX — Discontinuous transmission mode), а сохранение энергии в подвижной станции — прерывистым приемом.
• Существует пять классов определенных подвижных станций согласно их пиковой мощности передатчика, с номиналами, равными 20, 8, 5, 2, и 0,8 ваттам. Чтобы снизить межканальные помехи и сохранить мощность, приемопередатчики мобильных станций и базовые станции работают на самой низкой мощности, которую выбирают, чтобы поддержать приемлемое качество сигнала.

Задачи и упражнения к части 1

1. Определить число физических каналов в каждой соте сети GSM при:
   • а) 3-элементном кластере;
   • б) 7-элементном кластере;
   • в) 3-элементном кластере и трехсекторной антенне;
   • г) 7-элементном кластере и трехсекторной антенне;
   • д) 3-элементном кластере и шестисекторной антенне;
   • е) 7-элементном кластере и шестисекторной антенне.
2. Определить число сот в кластере сети, показанной на рисунке.
   

   
   
3. Определить максимальный радиус соты при распространении в свободном пространстве (без препятствий), если мощность излучения BTS PBTS = 55 Вт, пороговая чувствительность PMS = –100 дБм (т. е. Вт).

   Для определения следует использовать формулу отношения мощности в точке приема (PMS) и в точке передач (PBTS) (при отсутствии помех):

   
   
4. Определить число сот в кластере при заданном отношении расстояния между ячейками к радиусу ячейки
   • а) 4,7;
   • б) 5,9;
   • в) 5,5.
5. Задано число сот в кластере. Определить отношение
   • а) 3;
   • б) 4;
   • в) 7;
   • г) 9.
6. Используя рис. 2.15-а, определите скорость каналов управления:
   • а) F-FCCH;
   • б) B-BCCH;
   • в) C-CCCH;
   • г) PCH/AGCH.
7. Используя рис. 2.15-б, определите скорость каналов управления:
   • а) RACH.
8. Используя рис. 2.15-в и г, определите скорость каналов управления:
   • а) D-SDCCH;
   • б) A-SACCH.
9. Используя рис. 2.15-д, определите скорость каналов управления:
   • а) F-FCCH;
   • б) B-BCCH;
   • в) C-CCCH;
   • г) PCH/AGCH;
   • д) A-SACCH;
   • е) В-SDCCH.
10. Используя рис. 2.15-е, определите скорость каналов управления:
    • а) R-RACH;
    • д) A-SACCH;
    • е) В-SDCCH.