Concetti cellulari - Collegamento radio GSM

BTS e MS sono collegati tramite collegamenti radio e questa interfaccia aerea è chiamata Um. Un'onda radio è soggetta ad attenuazione, riflessione, spostamento Doppler e interferenza da altri trasmettitori. Questi effetti causano una perdita di potenza del segnale e una distorsione che influisce sulla qualità della voce o dei dati. Per far fronte alle condizioni difficili, il GSM utilizza un'elaborazione del segnale efficiente e protettiva. Una corretta progettazione cellulare deve garantire una copertura radio sufficiente nell'area.

La variazione dell'intensità del segnale per i dispositivi mobili è dovuta ai diversi tipi di dissolvenza dell'intensità del segnale. Esistono due tipi di variazioni dell'intensità del segnale.

• Macroscopic Variations- A causa del profilo del terreno tra BTS e MS. L'effetto di dissolvenza è causato dall'ombreggiatura e dalla diffrazione (flessione) delle onde radio.

• Microscopic variations- A causa di multipath, dissolvenza a breve termine o Rayleigh. Man mano che la SM si muove, verranno ricevute onde radio da molti percorsi diversi.

Rayleigh Fading

Rayleigh Fading o Macroscopic Variations possono essere modellati come l'aggiunta di due componenti che costituiscono la perdita di percorso tra il cellulare e la stazione base. La prima componente è la componente deterministica (L) che aggiunge una perdita all'intensità del segnale all'aumentare della distanza (R) tra la base e il cellulare. Questo componente può essere scritto come:

L = 1 / R ⁿ

Dove n è tipicamente 4. L'altra componente macroscopica è una variabile casuale normale logaritmica che tiene conto degli effetti dello sbiadimento delle ombre causato dalle variazioni del terreno e da altri ostacoli nel percorso radio. Valore medio locale della perdita di percorso = componente deterministica + log variabile casuale normale.

Variazioni microscopiche o Rayleigh Fading si verificano quando il cellulare si muove su brevi distanze rispetto alla distanza tra il cellulare e la base. Queste variazioni a breve termine sono causate dalla dispersione del segnale in prossimità dell'unità mobile, ad esempio da una collina, un edificio o dal traffico. Questo porta a molti percorsi diversi che vengono seguiti tra il trasmettitore e il ricevitore (Multipath Propagation). L'onda riflessa viene alterata sia in fase che in ampiezza. Il segnale può effettivamente scomparire se l'onda riflessa è sfasata di 180 gradi rispetto al segnale del percorso diretto. Le relazioni di sfasamento parziale tra più segnali ricevuti producono una minore riduzione nell'intensità del segnale ricevuto.

Effetti di Rayleigh Fading

La riflessione e la propagazione multipath possono causare effetti positivi e negativi.

Processi di trasmissione / ricezione

Ci sono due processi principali coinvolti nella trasmissione e ricezione di informazioni su un collegamento radio digitale, codifica e modulazione.

Estensione della copertura

La propagazione multipath consente ai segnali radio di raggiungere dietro le colline e gli edifici e nei tunnel. Constructive and destructive interference i segnali ricevuti attraverso percorsi multipli possono sommarsi o distruggersi a vicenda.

Codifica

La codifica è l'elaborazione delle informazioni che comporta la preparazione dei segnali di dati di base in modo che siano protetti e messi in una forma che il collegamento radio possa gestire. Generalmente il processo di codifica include l'OR logico esclusivo (EXOR). La codifica è inclusa in -

• Codifica vocale o codifica Trans
• Codifica del canale o codifica di correzione degli errori in avanti
• Interleaving
• Encryption

Formattazione burst

Il linguaggio umano è limitato in banda da 300 Hz a 3400 Hz e subisce la modulazione di frequenza nei sistemi analogici. Nei sistemi PSTN digitali fissi il parlato a banda limitata viene campionato alla velocità di 8 KHz e ogni campionamento viene codificato in 8 bit che portano a 64 Kbps (PCM A-Law of encoding). La radio cellulare digitale non è in grado di gestire l'elevato bit rate utilizzato per i sistemi PSTN. Sono state sviluppate tecniche intelligenti per l'analisi e l'elaborazione del segnale per la riduzione del bit rate.

Proprietà del discorso

Il linguaggio umano può essere distinto in suoni elementari (fonemi). A seconda della lingua, ci sono da 30 a 50 fonemi diversi. La voce umana è in grado di produrre fino a 10 fonemi al secondo, quindi sono necessari circa 60 bit / s per trasferire il discorso. Tuttavia, tutte le singole caratteristiche e intonazioni scomparirebbero. Per preservare le singole funzionalità, la quantità reale di informazioni da inviare è un numero di volte superiore, ma comunque una frazione dei 64 Kbit / s utilizzati per PCM.

Basato sul meccanismo di produzione di fonemi degli organi della parola umani, è possibile creare un semplice modello di produzione del linguaggio. Sembra che durante un breve intervallo di tempo di 10-30 ms, i parametri del modello come il periodo di intonazione, sonoro / non sonoro, guadagno di amplificazione e parametri del filtro rimangano circa stazionari (quasi stazionari). Il vantaggio di un tale modello è la semplice determinazione dei parametri mediante predizione lineare.

Tecniche di codifica vocale

Esistono 3 classi di tecniche di codifica vocale

• Waveform Coding- Il parlato viene trasmesso il meglio possibile nella codifica della forma d'onda. PCM è un esempio di codifica della forma d'onda. La velocità in bit varia da 24 a 64 kbps e la qualità del parlato è buona e l'oratore può essere riconosciuto facilmente.

• Parameter Coding- Viene inviata solo una quantità molto limitata di informazioni. Un decodificatore costruito secondo il modello di produzione vocale rigenererà il parlato al ricevitore. Per la trasmissione vocale sono necessari solo da 1 a 3 kbps. Il discorso rigenerato è intelligibile ma soffre di rumore e spesso chi parla non può essere riconosciuto.

• Hybrid Coding- Hybrid Coding è un mix di codifica della forma d'onda e codifica dei parametri. Combina i punti di forza di entrambe le tecniche e il GSM utilizza una tecnica di codifica ibrida chiamata RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Prediction) che si traduce in 13 Kbps per canale vocale.

Codifica vocale in GSM (transcodifica)

Il PCM a 64 kbit / s transcodificato dagli 8 bit quantizzati di legge A standard per campione in un flusso di bit quantizzato linearmente di 13 bit per campione che corrisponde a una velocità di trasmissione di 104 kbit / s. Il flusso da 104 kbit / s viene immesso nel codificatore vocale RPE-LTP che prende i campioni a 13 bit in un blocco di 160 campioni (ogni 20 ms). L'encoder RPE-LTP produce 260 bit ogni 20 ms, con una velocità in bit di 13 kbit / s. Ciò fornisce una qualità vocale accettabile per la telefonia mobile e paragonabile a quella dei telefoni PSTN cablati. In GSM 13 Kbps la codifica vocale è chiamata codificatori a velocità piena. In alternativa, sono disponibili anche codificatori a metà velocità (6,5 Kbps) per aumentare la capacità.

Codifica canale / Codifica convoluzionale

La codifica del canale in GSM utilizza i 260 bit della codifica vocale come input per la codifica del canale e fornisce in uscita 456 bit codificati. Dei 260 bit prodotti dal codificatore vocale RPE-LTP, 182 sono classificati come bit importanti e 78 come bit non importanti. Ancora 182 bit sono divisi in 50 bit più importanti e sono codificati a blocco in 53 bit e vengono aggiunti con 132 bit e 4 bit di coda, per un totale di 189 bit prima di subire la codifica convoluzionale 1: 2, convertendo 189 bit in 378 bit. Questi 378 bit vengono aggiunti con 78 bit non importanti che risultano in 456 bit.

Interleaving - Primo livello

Il codificatore di canale fornisce 456 bit per ogni 20 ms di parlato. Questi sono interfogliati, formando otto blocchi di 57 bit ciascuno, come mostrato nella figura seguente.

In un burst normale possono essere sistemati blocchi di 57 bit e se 1 di questi burst viene perso c'è un BER del 25% per tutti i 20 ms.

Interleaving - Secondo livello

È stato introdotto un secondo livello di interleaving per ridurre ulteriormente il possibile BER al 12,5%. Invece di inviare due blocchi di 57 bit dagli stessi 20 ms di parlato all'interno di un burst, vengono inviati insieme un blocco da 20 ms e un blocco dal campione successivo di 20 ms. Viene introdotto un ritardo nel sistema quando lo Stato membro deve attendere i successivi 20 ms di discorso. Tuttavia, il sistema può ora permettersi di perdere un'intera raffica, su otto, poiché la perdita è solo il 12,5% dei bit totali da ogni frame vocale di 20 ms. Il 12,5% è il livello di perdita massimo che un decodificatore di canale può correggere.

Crittografia / cifratura

Lo scopo del Ciphering è codificare il burst in modo che non possa essere interpretato da altri dispositivi oltre al ricevitore. L'algoritmo di cifratura in GSM è chiamato algoritmo A5. Non aggiunge bit al burst, il che significa che l'ingresso e l'uscita del processo di cifratura sono gli stessi dell'ingresso: 456 bit per 20 ms. I dettagli sulla crittografia sono disponibili nelle funzioni speciali del GSM.

Multiplexing (formattazione Burst)

Ogni trasmissione da cellulare / BTS deve includere alcune informazioni extra insieme ai dati di base. In GSM, vengono aggiunti un totale di 136 bit per blocco di 20 ms portando il totale complessivo a 592 bit. Viene inoltre aggiunto un periodo di guardia di 33 bit che porta 625 bit per 20 ms.

Modulazione

La modulazione è l'elaborazione che coinvolge la preparazione fisica del segnale in modo che le informazioni possano essere trasportate su una portante RF. Il GSM utilizza la tecnica Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). La frequenza portante viene spostata di +/- B / 4, dove B = Bit rate. Tuttavia, utilizzando il filtro gaussiano, riduce la larghezza di banda a 0,3 invece di 0,5.

Caratteristiche speciali del GSM

Di seguito sono elencate le caratteristiche speciali del GSM di cui parleremo nelle sezioni seguenti:

• Authentication
• Encryption
• Time Slot Sconcertante
• Timing Advance
• Trasmissione discontinua
• Controllo di potenza
• Equalizzazione adottiva
• Salto di frequenza lento

Autenticazione

Poiché l'interfaccia aerea è vulnerabile all'accesso fraudolento, è necessario utilizzare l'autenticazione prima di estendere i servizi a un abbonato. L'autenticazione si basa sulle seguenti nozioni.

• La chiave di autenticazione (Ki) risiede solo in due posti, carta SIM e Centro di autenticazione.

• La chiave di autenticazione (Ki) non viene mai trasmessa via etere. È praticamente impossibile per persone non autorizzate ottenere questa chiave per impersonare un determinato abbonato mobile.

Parametri di autenticazione

L'MS è autenticato dal VLR con un processo che utilizza tre parametri:

• RAND che è un numero completamente casuale.

• SRES che è una risposta firmata dall'autenticazione. Viene generato applicando un algoritmo di autenticazione (A3) a RAND e Ki.

• Kc che è la chiave di cifratura. Il parametro Kc generato applicando l'algoritmo di generazione della chiave di cifratura (A8) a RAND e Ki.

Questi parametri (denominati tripletta di autenticazione) sono generati dall'AUC su richiesta dell'HLR a cui appartiene l'abbonato. Gli algoritmi A3 e A8, sono definiti dall'operatore PLMN e vengono eseguiti dalla SIM.

Fasi della fase di autenticazione

• La nuova VLR invia una richiesta all'HLR / AUC (Centro di autenticazione) richiedendo le "triplette di autenticazione" (RAND, SRES e Kc) disponibili per l'IMSI specificato.

• L'AUC utilizzando l'IMSI, estrae la chiave di autenticazione del sottoscrittore (Ki). L'AUC genera quindi un numero casuale (RAND), applica Ki e RAND sia all'algoritmo di autenticazione (A3) che alla chiave di cifratura, algoritmo di generazione (A8) per produrre una risposta con firma di autenticazione (SRES) e una chiave di cifratura (Kc). L'AUC restituisce quindi una tripletta di autenticazione: RAND, SRES e Kc al nuovo VLR.

• L'MSC / VLR conserva i due parametri Kc e SRES per un uso successivo e quindi invia un messaggio all'MS. L'MS legge la sua chiave di autenticazione (Ki) dalla SIM, applica il numero casuale ricevuto (RAND) e Ki sia al suo algoritmo di autenticazione (A3) che all'algoritmo di generazione della chiave di cifratura (A8) per produrre una risposta con firma di autenticazione (SRES) e un cifrario tasto (Kc). MS salva Kc per dopo e utilizzerà Kc quando riceve il comando per cifrare il canale.

• L'MS restituisce l'SRES generato all'MSC / VLR. Il VLR confronta la SRES restituita dallo Stato membro con la SRES attesa ricevuta in precedenza dall'AUC. Se uguale, il cellulare supera l'autenticazione. Se disuguale, tutte le attività di segnalazione verranno interrotte. In questo scenario, presumeremo che l'autenticazione sia passata.

Crittografia / cifratura

I dati vengono crittografati sul lato trasmettitore in blocchi di 114 bit prendendo burst di dati di testo normale a 114 bit ed eseguendo un'operazione di funzione logica EXOR (OR esclusivo) con un blocco di cifratura a 114 bit.

La funzione di decrittazione sul lato ricevitore viene eseguita prendendo il blocco di dati crittografati di 114 bit e eseguendo la stessa operazione di "OR esclusivo" utilizzando lo stesso blocco di cifratura a 114 bit che è stato utilizzato nel trasmettitore.

Il blocco di cifratura utilizzato da entrambe le estremità del percorso di trasmissione per una data direzione di trasmissione è prodotto in BSS e MS da un algoritmo di crittografia chiamato A5. L'algoritmo A5 utilizza una chiave di cifratura a 64 bit (Kc), prodotta durante il processo di autenticazione durante l'impostazione della chiamata e il numero di frame TDMA a 22 bit (COUNT) che assume valori decimali da 0 a 2715647 e ha un tempo di ripetizione di 3,48 ore (hyper frame interval). L'algoritmo A5 produce effettivamente due blocchi di cifratura durante ogni periodo TDMA. Un percorso per il percorso di uplink e l'altro per il percorso di downlink.

Time Slot Sconcertante

Lo scaglionamento della fascia oraria è il principio per derivare l'organizzazione della fascia oraria dell'uplink dall'organizzazione della fascia oraria del downlink. Un particolare intervallo di tempo del collegamento verso monte viene derivato dal collegamento verso valle spostando il numero di intervallo di tempo per il collegamento verso valle di tre.

Motivo

Spostando tre fasce orarie, la stazione mobile evita simultaneamente i processi di "trasmissione e ricezione". Ciò consente una più facile implementazione della stazione mobile; il ricevitore nella stazione mobile non ha bisogno di essere protetto dal trasmettitore della stessa stazione mobile. Tipicamente una stazione mobile riceverà durante un intervallo di tempo, quindi cambia di frequenza di 45 MHz per GSM-900 o 95 MHz per GSM-1800 per trasmettere in un secondo momento. Ciò implica che esiste una base dei tempi per il downlink e una per l'uplink.

Timing Advance

Il Timing Advance è il processo di trasmissione anticipata del burst al BTS (l'anticipo temporale), per compensare il ritardo di propagazione.

Perché è necessario?

È richiesto a causa dello schema multiplexing a divisione di tempo utilizzato sul percorso radio. Il BTS riceve segnali da diverse stazioni mobili molto vicine tra loro. Tuttavia, quando una stazione mobile è lontana dal BTS, il BTS deve gestire il ritardo di propagazione. È essenziale che il burst ricevuto al BTS si adatti correttamente alla fascia oraria. Altrimenti i burst dalle stazioni mobili che utilizzano fasce orarie adiacenti potrebbero sovrapporsi, determinando una scarsa trasmissione o addirittura una perdita di comunicazione.

Una volta stabilita una connessione, il BTS misura continuamente lo sfasamento temporale tra il proprio programma burst e il programma di ricezione del burst della stazione mobile. Sulla base di queste misurazioni, il BTS è in grado di fornire alla stazione mobile l'anticipo temporale richiesto tramite SACCH. Notare che l'anticipo del tempo è derivato dalla misurazione della distanza che viene utilizzata anche nel processo di consegna. Il BTS invia un parametro di anticipo di temporizzazione in base all'anticipo di temporizzazione percepito a ciascuna stazione mobile. Ciascuna delle stazioni mobili quindi avanza la sua temporizzazione, con il risultato che i segnali dalle diverse stazioni mobili che arrivano a BTS e vengono compensati per il ritardo di propagazione.

Processo di anticipo nel tempo

• Un numero di 6 bit indica di quanti bit l'MS deve far avanzare la sua trasmissione. Questa volta l'anticipo è TA.

• Il GP (periodo di guardia) lungo 68,25 bit del burst di accesso fornisce la flessibilità richiesta per far avanzare il tempo di trasmissione.

• L'anticipo TA può avere un valore compreso tra 0 e 63 bit, che corrisponde ad un ritardo da 0 a 233 micro secondi. Ad esempio, lo Stato membro a 10 km di distanza dal BTS deve iniziare a trasmettere 66 micro secondi prima per compensare il ritardo di andata e ritorno.

• La portata mobile massima di 35 km è determinata piuttosto dal valore di anticipo temporale che dall'intensità del segnale.