Konsep Seluler - Radio Link GSM
BTS dan MS terhubung melalui tautan radio dan antarmuka udara ini disebut Um. Gelombang radio dapat mengalami redaman, pantulan, pergeseran Doppler, dan interferensi dari pemancar lain. Efek ini menyebabkan hilangnya kekuatan sinyal dan distorsi yang berdampak pada kualitas suara atau data. Untuk mengatasi kondisi yang sulit, GSM menggunakan pemrosesan sinyal yang efisien dan protektif. Desain seluler yang tepat harus memastikan bahwa jangkauan radio yang memadai tersedia di area tersebut.
Variasi kekuatan sinyal untuk seluler disebabkan oleh berbagai jenis kekuatan sinyal yang memudar. Ada dua jenis variasi kekuatan sinyal.
Macroscopic Variations- Karena kontur medan antara BTS dan MS. Efek memudar disebabkan oleh bayangan dan difraksi (pembengkokan) gelombang radio.
Microscopic variations- Karena multipath, Short-term atau Rayleigh fading. Saat MS bergerak, gelombang radio dari berbagai jalur akan diterima.
Rayleigh Fading
Rayleigh Fading atau Macroscopic Variations dapat dimodelkan sebagai penambahan dua komponen yang membentuk path loss antara mobile dan base station. Komponen pertama adalah komponen deterministik (L) yang menambah kerugian pada kekuatan sinyal saat jarak (R) meningkat antara basis dan seluler. Komponen ini dapat ditulis sebagai -
L = 1 / R n
Dimana n biasanya 4. Komponen makroskopis lainnya adalah variabel acak normal Log yang memperhitungkan efek pemudaran bayangan yang disebabkan oleh variasi medan dan penghalang lain di jalur radio. Nilai rata-rata lokal path loss = komponen deterministik + log variabel acak normal.
Variasi Mikroskopis atau Rayleigh Fading terjadi saat ponsel bergerak dalam jarak pendek dibandingkan dengan jarak antara ponsel dan basis. Variasi jangka pendek ini disebabkan oleh hamburan sinyal di sekitar unit seluler, misalnya bukit, gedung, atau lalu lintas. Ini mengarah ke banyak jalur berbeda yang diikuti antara pemancar dan penerima (Multipath Propagation). Gelombang yang dipantulkan diubah dalam fasa dan amplitudo. Sinyal dapat menghilang secara efektif jika gelombang yang dipantulkan berada 180 derajat di luar fase dengan sinyal jalur langsung. Hubungan parsial dari fase antara beberapa sinyal yang diterima menghasilkan pengurangan yang lebih kecil dalam kekuatan sinyal yang diterima.
Efek Rayleigh Fading
Refleksi dan propagasi multipath dapat menyebabkan efek positif dan negatif.
Proses Pengiriman / Penerimaan
Ada dua proses utama yang terlibat dalam pengiriman dan penerimaan informasi melalui tautan radio digital, pengkodean, dan modulasi.
Perluasan Cakupan
Propagasi multipath memungkinkan sinyal radio menjangkau di balik bukit dan gedung dan masuk ke terowongan. Constructive and destructive interference sinyal yang diterima melalui banyak jalur dapat menambah atau menghancurkan satu sama lain.
Pengodean
Pengkodean adalah pemrosesan informasi yang melibatkan persiapan sinyal data dasar sehingga mereka terlindungi dan diletakkan dalam bentuk yang dapat ditangani oleh tautan radio. Umumnya proses pengkodean mencakup Logical EXclusive OR (EXOR). Pengkodean termasuk dalam -
- Pengkodean ucapan atau Pengodean trans
- Pengkodean saluran atau pengodean Koreksi Kesalahan Teruskan
- Interleaving
- Encryption
Pemformatan Beruntun
Suara manusia dibatasi pita antara 300Hz hingga 3400Hz dan mengalami Modulasi Frekuensi dalam sistem analog. Dalam sistem digital PSTN tetap, pita suara terbatas diambil sampelnya pada kecepatan 8KHz dan setiap sampel dikodekan menjadi 8 bit yang mengarah ke 64Kbps (Hukum A-PCM encoding). Radio seluler digital tidak dapat menangani kecepatan bit tinggi yang digunakan untuk sistem PSTN. Teknik cerdas untuk analisis dan pemrosesan sinyal telah dikembangkan untuk pengurangan kecepatan bit.
Properti Ucapan
Ucapan manusia dapat dibedakan dalam suara dasar (Fonem). Tergantung pada bahasanya, ada 30 sampai 50 fonem berbeda. Suara manusia mampu menghasilkan hingga 10 fonem per detik, sehingga dibutuhkan sekitar 60 bit / s untuk mentransfer ucapan tersebut. Namun, semua fitur dan intonasi individu akan hilang. Untuk mempertahankan fitur individu, jumlah informasi sebenarnya yang akan dikirim beberapa kali lebih tinggi, tetapi masih sebagian kecil dari 64 Kbit / dtk yang digunakan untuk PCM.
Berdasarkan mekanisme produksi fonem organ wicara manusia, dapat dibuat model produksi wicara sederhana. Tampak bahwa selama interval waktu singkat 10-30 ms, parameter model seperti pitch-period, voiced / unvoiced, amplification gain, dan parameter filter tetap stasioner (quasi stasioner). Keuntungan dari model tersebut adalah penentuan parameter yang sederhana dengan menggunakan prediksi linier.
Teknik Pengkodean Ucapan
Ada 3 kelas teknik pengkodean ucapan
Waveform Coding- Pidato ditransmisikan sebaik mungkin dalam pengkodean bentuk gelombang. PCM adalah contoh pengkodean bentuk gelombang. Bit rate berkisar dari 24 hingga 64kbps dan kualitas ucapannya bagus serta pembicara dapat dikenali dengan mudah.
Parameter Coding- Hanya sejumlah kecil informasi yang dikirim. Dekoder yang dibuat sesuai dengan model produksi ucapan akan membuat ulang ucapan di penerima. Hanya 1 hingga 3kbps yang diperlukan untuk transmisi ucapan. Pidato yang diperbarui dapat dimengerti tetapi mengalami kebisingan dan seringkali pembicara tidak dapat dikenali.
Hybrid Coding- Hybrid Coding adalah gabungan dari pengkodean bentuk gelombang dan pengkodean parameter. Ini menggabungkan poin kuat dari kedua teknik dan GSM menggunakan teknik pengkodean hybrid yang disebut RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Prediction) menghasilkan 13Kbps per saluran suara.
Speech Coding dalam GSM (Transcoding)
64kbits / s PCM ditranskode dari hukum A standar yang dikuantisasi 8bits per sampel menjadi aliran bit terkuantisasi linier 13 bit per sampel yang sesuai dengan laju bit 104kbits / s. Aliran 104kbits / s dimasukkan ke encoder pidato RPE-LTP yang mengambil sampel 13 bit dalam satu blok 160 sampel (setiap 20ms). Encoder RPE-LTP menghasilkan 260bits dalam setiap 20 md, menghasilkan kecepatan bit 13kbits / s. Ini memberikan kualitas ucapan yang dapat diterima untuk telepon seluler dan sebanding dengan telepon PSTN kabel. Dalam pengkodean suara GSM 13Kbps disebut pengkode kecepatan penuh. Sebagai alternatif, pembuat kode tingkat setengah (6.5Kbps) juga tersedia untuk meningkatkan kapasitas.
Pengkodean Saluran / Pengkodean Konvolusional
Pengkodean saluran dalam GSM menggunakan 260 bit dari pengkodean ucapan sebagai masukan untuk pengkodean saluran dan keluaran 456 bit yang dikodekan. Dari 260 bit yang diproduksi oleh RPE-LTP speech coder, 182 diklasifikasikan sebagai bit penting dan 78 sebagai bit tidak penting. Sekali lagi 182 bit dibagi menjadi 50 bit terpenting dan dikodekan menjadi 53 bit dan ditambahkan dengan 132 bit dan 4 bit ekor, berjumlah 189 bit sebelum menjalani pengkodean konvolusional 1: 2, mengubah 189 bit menjadi 378 bit. 378 bit ini ditambahkan dengan 78 bit yang tidak penting sehingga menghasilkan 456 bit.
Interleaving - Tingkat Pertama
Pembuat kode saluran menyediakan 456 bit untuk setiap 20 ms ucapan. Ini disisipkan, membentuk delapan blok masing-masing 57 bit, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.
Dalam ledakan normal ke blok 57 bit dapat diakomodasi dan jika 1 ledakan tersebut hilang ada BER 25% untuk seluruh 20ms.
Interleaving - Tingkat Kedua
Interleaving level kedua telah diperkenalkan untuk mengurangi BER kemungkinan menjadi 12,5%. Alih-alih mengirim dua blok 57 bit dari pidato 20 ms yang sama dalam satu burst, satu blok dari satu 20ms dan satu blok dari sampel 20ms berikutnya dikirim bersama. Penundaan diperkenalkan dalam sistem ketika MS harus menunggu hingga 20ms ucapan berikutnya. Namun, sistem sekarang dapat kehilangan seluruh burst, dari delapan, karena kerugian hanya 12,5% dari total bit dari setiap frame ucapan 20ms. 12,5% adalah tingkat kerugian maksimum yang dapat diperbaiki oleh dekoder saluran.
Enkripsi / Penyandian
Tujuan Pengkodean adalah untuk menyandikan ledakan sehingga tidak dapat ditafsirkan oleh perangkat lain selain penerima. Algoritma pengkodean dalam GSM disebut algoritma A5. Itu tidak menambahkan bit ke burst, artinya input dan output ke proses Pengkodean sama dengan input: 456 bit per 20ms. Rincian tentang Enkripsi tersedia di bawah fitur khusus GSM.
Multiplexing (Pemformatan Beruntun)
Setiap transmisi dari ponsel / BTS harus menyertakan beberapa informasi tambahan bersama dengan data dasar. Dalam GSM, total 136 bit per blok 20ms ditambahkan sehingga total keseluruhan menjadi 592 bit. Periode penjaga 33 bit juga ditambahkan sehingga menghasilkan 625 bit per 20ms.
Modulasi
Modulasi adalah pemrosesan yang melibatkan persiapan fisik sinyal sehingga informasi dapat diangkut pada pembawa RF. GSM menggunakan teknik Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). Frekuensi pembawa digeser +/- B / 4, di mana B = Kecepatan bit. Namun menggunakan filter Gaussian, mengurangi bandwidth menjadi 0,3, bukan 0,5.
Fitur Khusus GSM
Di bawah ini adalah fitur-fitur khusus GSM yang akan kita diskusikan di bagian berikut -
- Authentication
- Encryption
- Slot Waktu Mengejutkan
- Waktu Maju
- Transmisi terputus-putus
- Kontrol Daya
- Pemerataan adopsi
- Lompatan Frekuensi Lambat
Autentikasi
Karena antarmuka udara rentan terhadap akses curang, maka otentikasi perlu digunakan sebelum memperluas layanan ke pelanggan. Otentikasi dibangun di sekitar gagasan berikut.
Authentication Key (Ki) hanya berada di dua tempat, kartu SIM dan Pusat Otentikasi.
Authentication Key (Ki) tidak pernah dikirimkan melalui udara. Hampir tidak mungkin bagi individu yang tidak memiliki izin untuk mendapatkan kunci ini untuk menyamar sebagai pelanggan seluler tertentu.
Parameter Otentikasi
MS diautentikasi oleh VLR dengan proses yang menggunakan tiga parameter -
RAND yang merupakan bilangan acak lengkap.
SRES yang merupakan respons bertanda tangan otentikasi. Ini dihasilkan dengan menerapkan algoritma otentikasi (A3) ke RAND dan Ki.
Kc yang merupakan kunci sandi. Parameter Kc dihasilkan dengan menerapkan algoritma pembangkitan kunci sandi (A8) ke RAND dan Ki.
Parameter ini (dinamai triplet otentikasi) dihasilkan oleh AUC atas permintaan HLR yang menjadi milik pelanggan. Algoritma A3 dan A8, ditentukan oleh operator PLMN dan dijalankan oleh SIM.
Langkah-langkah dalam Tahap Otentikasi
VLR baru mengirimkan permintaan ke HLR / AUC (Pusat Otentikasi) meminta "triplet otentikasi" (RAND, SRES, dan Kc) yang tersedia untuk IMSI yang ditentukan.
AUC menggunakan IMSI, mengekstrak kunci otentikasi pelanggan (Ki). AUC kemudian menghasilkan angka acak (RAND), menerapkan Ki dan RAND ke kedua algoritma otentikasi (A3) dan kunci sandi, algoritma pembangkitan (A8) ke menghasilkan otentikasi Signed Response (SRES) dan Cipher Key (Kc). AUC kemudian mengembalikan triplet otentikasi: RAND, SRES dan Kc ke VLR baru.
MSC / VLR menyimpan dua parameter Kc dan SRES untuk digunakan nanti dan kemudian mengirim pesan ke MS. MS membaca Kunci Otentikasi (Ki) dari SIM, menerapkan nomor acak yang diterima (RAND) dan Ki ke kedua algoritma otentikasi (A3) dan Algoritma pembuatan kunci Cipher (A8) untuk menghasilkan Respon yang Ditandatangani Otentikasi (SRES) dan Penyandian kunci (Kc). MS menyimpan Kc untuk nanti, dan akan menggunakan Kc ketika menerima perintah untuk menyandikan saluran.
MS mengembalikan SRES yang dihasilkan ke MSC / VLR. VLR membandingkan SRES yang dikembalikan dari MS dengan SRES yang diharapkan yang diterima sebelumnya dari AUC. Jika sama, ponsel melewati otentikasi. Jika tidak sama, semua aktivitas pensinyalan akan dibatalkan. Dalam skenario ini, kami akan mengasumsikan bahwa otentikasi telah berlalu.
Enkripsi / Penyandian
Data dienkripsi di sisi pemancar dalam blok 114 bit dengan mengambil semburan data teks biasa 114-bit dan melakukan operasi fungsi logis EXOR (Eksklusif OR) dengan blok sandi 114-bit.
Fungsi dekripsi di sisi penerima dilakukan dengan mengambil blok data terenkripsi 114 bit dan melalui operasi "OR eksklusif" yang sama menggunakan blok sandi 114 bit yang sama dengan yang digunakan di pemancar.
Blok sandi yang digunakan oleh kedua ujung jalur transmisi untuk arah transmisi tertentu diproduksi di BSS dan MS oleh algoritma enkripsi yang disebut A5. Algoritme A5 menggunakan kunci sandi 64-bit (Kc), yang dihasilkan selama proses otentikasi selama penyiapan panggilan dan nomor bingkai TDMA 22-bit (COUNT) yang mengambil nilai desimal dari 0 hingga 2715647, dan memiliki waktu pengulangan 3,48 jam (hyper frame interval]. Algoritma A5 sebenarnya menghasilkan dua blok sandi selama setiap periode TDMA. Satu jalur untuk jalur uplink dan jalur lainnya untuk jalur downlink.
Slot Waktu Mengejutkan
Penyetelan slot waktu adalah prinsip untuk mendapatkan organisasi slot waktu uplink dari organisasi slot waktu downlink. Slot waktu tertentu untuk uplink berasal dari downlink dengan menggeser nomor slot waktu downlink sebanyak tiga.
Alasan
Dengan menggeser tiga slot waktu, stasiun bergerak menghindari proses 'kirim dan terima' secara bersamaan. Hal ini memungkinkan implementasi stasiun bergerak yang lebih mudah; penerima di stasiun bergerak tidak perlu dilindungi dari pemancar stasiun bergerak yang sama. Biasanya stasiun bergerak akan menerima selama satu slot waktu, dan kemudian menggeser frekuensi sebesar 45 MHz untuk GSM-900 atau 95 MHz untuk GSM-1800 untuk mengirimkannya beberapa waktu kemudian. Ini menyiratkan bahwa ada satu basis waktu untuk downlink dan satu untuk uplink.
Waktu Maju
Timing Advance adalah proses transmisi burst ke BTS (timing advance) lebih awal, untuk mengimbangi penundaan propagasi.
Mengapa Dibutuhkan?
Ini diperlukan karena skema multiplexing pembagian waktu yang digunakan pada jalur radio. BTS menerima sinyal dari berbagai stasiun seluler yang sangat dekat satu sama lain. Namun ketika stasiun bergerak jauh dari BTS, BTS harus menghadapi penundaan propagasi. Sangat penting bahwa ledakan yang diterima di BTS cocok dengan benar ke dalam slot waktu. Jika tidak, semburan dari stasiun bergerak yang menggunakan slot waktu yang berdekatan dapat tumpang tindih, mengakibatkan transmisi yang buruk atau bahkan hilangnya komunikasi.
Setelah koneksi dibuat, BTS akan terus mengukur offset waktu antara jadwal burst-nya sendiri dan jadwal penerimaan stasiun seluler yang meledak. Berdasarkan pengukuran ini, BTS dapat menyediakan waktu yang diperlukan untuk stasiun bergerak melalui SACCH. Perhatikan bahwa timing advance berasal dari pengukuran jarak yang juga digunakan dalam proses handover. BTS mengirimkan parameter gerak maju waktu sesuai dengan gerak maju waktu yang dirasakan ke setiap stasiun seluler. Setiap stasiun bergerak kemudian memajukan waktunya, sehingga sinyal dari stasiun bergerak yang berbeda tiba di BTS, dan dikompensasi untuk penundaan propagasi.
Proses Maju Waktu
Angka 6 bit menunjukkan berapa banyak bit MS harus memajukan transmisinya. Kali ini muka adalah TA.
GP (periode perlindungan) panjang 68,25 bit dari semburan akses memberikan fleksibilitas yang diperlukan untuk memajukan waktu transmisi.
TA lanjutan waktu dapat memiliki nilai antara 0 dan 63 bit, yang sesuai dengan penundaan 0 hingga 233 mikro detik. Misalnya MS pada jarak 10 km dari BTS harus mulai mentransmisikan 66 mikro detik lebih awal untuk mengkompensasi penundaan perjalanan pulang pergi.
Jangkauan seluler maksimum 35 Km lebih ditentukan oleh nilai gerak maju waktu daripada kekuatan sinyal.