セルラーコンセプト-GSM無線リンク

BTSとMSは無線リンクを介して接続されており、このエアインターフェイスはUmと呼ばれます。電波は、減衰、反射、ドップラーシフト、および他の送信機からの干渉を受けます。これらの影響により、信号強度の損失と歪みが発生し、音声またはデータの品質に影響を与えます。過酷な条件に対処するために、GSMは効率的で保護的な信号処理を利用します。適切なセルラー設計により、そのエリアで十分な無線カバレッジが提供されるようにする必要があります。

モバイルの信号強度の変動は、さまざまなタイプの信号強度フェージングによるものです。信号強度の変動には2つのタイプがあります。

• Macroscopic Variations−BTSとMSの間の地形の輪郭のため。フェージング効果は、電波のシャドウイングと回折（曲げ）によって引き起こされます。

• Microscopic variations−マルチパス、短期またはレイリーフェージングが原因です。MSが移動すると、さまざまな経路からの電波が受信されます。

レイリーフェージング

レイリーフェージングまたは巨視的変動は、モバイルと基地局の間の経路損失を構成する2つのコンポーネントの追加としてモデル化できます。最初のコンポーネントは、ベースとモバイルの間の距離（R）が増加するにつれて、信号強度に損失を追加する決定論的コンポーネント（L）です。このコンポーネントは次のように書くことができます-

L = 1 / R ⁿ

ここで、nは通常4です。他の巨視的コンポーネントは対数正規確率変数であり、地形の変化や無線パス内の他の障害物によって引き起こされるシャドウフェージングの影響を考慮に入れています。経路損失の局所平均値=決定論的成分+対数正規確率変数。

微視的変動またはレイリーフェージングは​​、モバイルとベースの間の距離と比較して、モバイルが短い距離を移動するときに発生します。これらの短期間の変動は、丘、建物、または交通などの移動ユニットの近くでの信号散乱によって引き起こされます。これにより、送信機と受信機の間をたどるさまざまなパスが発生します（マルチパス伝搬）。反射波は位相と振幅の両方で変化します。反射波がダイレクトパス信号と180度位相がずれていると、信号が効果的に消えることがあります。複数の受信信号間の部分的な位相のずれた関係は、受信信号強度の小さな低下をもたらします。

レイリーフェージングの影響

反射とマルチパス伝搬は、プラスとマイナスの影響を引き起こす可能性があります。

送信/受信プロセス

デジタル無線リンクを介した情報の送受信には、コーディングと変調の2つの主要なプロセスがあります。

カバレッジ拡張

マルチパス伝搬により、無線信号は丘や建物の後ろやトンネルに到達できます。 Constructive and destructive interference マルチパスを介して受信した信号は、互いに加算または破壊される可能性があります。

コーディング

コーディングとは、基本的なデータ信号を保護し、無線リンクが処理できる形式にするための準備を伴う情報処理です。通常、コーディングプロセスには論理排他的論理和（EXOR）が含まれます。コーディングは-に含まれています

• 音声コーディングまたはトランスコーディング
• チャネルコーディングまたは前方誤り訂正コーディング
• Interleaving
• Encryption

バーストフォーマット

人間の発話は300Hzから3400Hzの間で帯域制限されており、アナログシステムで周波数変調を受けます。デジタル固定PSTNシステムでは、帯域制限された音声が8KHzのレートでサンプリングされ、サンプリングされた各音声は8ビットにエンコードされて64Kbpsになります（PCM A-エンコード法）。デジタルセルラー無線は、PSTNシステムで使用される高ビットレートを処理できません。信号の分析と処理のためのスマートな技術は、ビットレートを下げるために開発されました。

音声プロパティ

人間の発話は、基本音（音素）で区別できます。言語に応じて、30から50の異なる音素があります。人間の声は1秒あたり最大10音素を生成できるため、音声の転送には約60ビット/秒が必要です。ただし、個々の機能とイントネーションはすべて消えます。個々の機能を保持するために、送信される実際の情報量は数倍になりますが、それでもPCMに使用される64 Kbit / sのほんの一部です。

人間の音声器官の音素生成メカニズムに基づいて、簡単な音声生成モデルを作成できます。10〜30ミリ秒の短い時間間隔の間、ピッチ周期、有声/無声、増幅ゲイン、フィルターパラメーターなどのモデルパラメーターはほぼ定常（準定常）のままであるように見えます。このようなモデルの利点は、線形予測によるパラメーターの簡単な決定です。

音声コーディング技術

音声符号化技術には3つのクラスがあります

• Waveform Coding−音声は、波形コーディングで可能な限り良好に送信されます。PCMは波形コーディングの一例です。ビットレートは24〜64kbpsの範囲で、音声品質は良好で、話者を簡単に認識できます。

• Parameter Coding−非常に限られた量の情報のみが送信されます。音声生成モデルに従って構築されたデコーダーは、受信機で音声を再生成します。音声伝送には1〜3kbpsしか必要ありません。再生された音声は明瞭ですが、ノイズが発生し、話者が認識できないことがよくあります。

• Hybrid Coding−ハイブリッドコーディングは、波形コーディングとパラメータコーディングを組み合わせたものです。これは両方の技術の長所を組み合わせており、GSMはRPE-LTP（Regular Pulse Excited-Long Term Prediction）と呼ばれるハイブリッドコーディング技術を使用して、音声チャネルあたり13Kbpsを実現します。

GSMでの音声コーディング（トランスコーディング）

64kbits / s PCMは、標準のA-lawで量子化されたサンプルあたり8ビットから、104kbits / sのビットレートに対応する線形量子化されたサンプルあたり13ビットのビットストリームにトランスコードされました。104kbits / sストリームは、160サンプルのブロック（20msごと）で13ビットサンプルを取得するRPE-LTP音声エンコーダーに供給されます。RPE-LTPエンコーダーは、20ミリ秒ごとに260ビットを生成するため、ビットレートは13kビット/秒になります。これにより、携帯電話に受け入れられ、有線PSTN電話に匹敵する音声品質が提供されます。GSM 13Kbpsでは、音声コーディングはフルレートコーダーと呼ばれます。あるいは、容量を拡張するためにハーフレートコーダー（6.5Kbps）も利用できます。

チャネルコーディング/畳み込みコーディング

GSMのチャネルコーディングは、音声コーディングからチャネルコーディングへの入力として260ビットを使用し、456エンコードされたビットを出力します。RPE-LTP音声コーダーによって生成された260ビットのうち、182は重要なビットとして分類され、78は重要でないビットとして分類されます。ここでも、182ビットは50の最も重要なビットに分割され、53ビットにブロックコード化され、132ビットと4テールビットが追加され、合計189ビットになってから1：2畳み込み符号化が行われ、189ビットが378ビットに変換されます。これらの378ビットに78の重要でないビットが追加され、456ビットになります。

インターリーブ-第1レベル

チャネルコーダーは、20msの音声ごとに456ビットを提供します。次の図に示すように、これらはインターリーブされ、それぞれ57ビットの8つのブロックを形成します。

通常のバーストでは、57ビットのブロックに対応でき、そのようなバーストが1つ失われると、20ミリ秒全体で25％のBERが発生します。

インターリーブ-第2レベル

可能なBERをさらに12.5％に減らすために、第2レベルのインターリーブが導入されました。1つのバースト内で同じ20ミリ秒の音声から57ビットの2つのブロックを送信する代わりに、1つの20ミリ秒からのブロックと次の20ミリ秒のサンプルからのブロックが一緒に送信されます。MSが次の20ミリ秒の音声を待機する必要がある場合、システムに遅延が発生します。ただし、損失は各20ms音声フレームの合計ビットの12.5％にすぎないため、システムは8つのうちバースト全体を失う余裕があります。12.5％は、チャネルデコーダが修正できる最大損失レベルです。

暗号化/暗号化

暗号化の目的は、バーストをエンコードして、受信機以外のデバイスによって解釈されないようにすることです。GSMの暗号化アルゴリズムはA5アルゴリズムと呼ばれます。バーストにビットを追加しません。つまり、暗号化プロセスへの入力と出力は入力と同じで、20ミリ秒あたり456ビットです。暗号化の詳細は、GSMの特別な機能で利用できます。

多重化（バーストフォーマット）

モバイル/ BTSからのすべての送信には、基本データとともにいくつかの追加情報を含める必要があります。GSMでは、20msのブロックあたり合計136ビットが追加され、全体の合計は592ビットになります。33ビットのガード期間も追加され、20msあたり625ビットになります。

変調

変調は、情報をRFキャリアで転送できるように、信号を物理的に準備する処理です。GSMは、ガウス最小偏移変調技術（GMSK）を使用します。キャリア周波数は+/- B / 4だけシフトされます。ここで、B =ビットレートです。ただし、ガウスフィルターを使用すると、帯域幅が0.5ではなく0.3に減少します。

GSMの特別な機能

以下にリストされているのは、次のセクションで説明するGSMの特別な機能です。

• Authentication
• Encryption
• タイムスロットスタガリング
• タイミングアドバンス
• 不連続送信
• パワーコントロール
• 養子縁組
• 低速ホッピング

認証

エアインターフェイスは不正アクセスに対して脆弱であるため、サービスを加入者に拡張する前に認証を使用する必要があります。認証は、次の概念に基づいて構築されています。

• 認証キー（Ki）は、SIMカードと認証センターの2か所にのみ存在します。

• 認証キー（Ki）が無線で送信されることはありません。許可されていない個人がこのキーを取得して特定のモバイル加入者になりすますことは事実上不可能です。

認証パラメータ

MSは、3つのパラメータを使用するプロセスでVLRによって認証されます-

• 完全に乱数であるRAND。

• 認証署名付き応答であるSRES。RANDとKiに認証アルゴリズム（A3）を適用して生成されます。

• 暗号鍵であるKc。暗号鍵生成アルゴリズム（A8）をRANDとKiに適用して生成されたKcパラメーター。

これらのパラメーター（認証トリプレットと呼ばれる）は、サブスクライバーが属するHLRの要求時にAUCによって生成されます。アルゴリズムA3およびA8は、PLMNオペレーターによって定義され、SIMによって実行されます。

認証フェーズのステップ

• 新しいVLRは、指定されたIMSIで使用可能な「認証トリプレット」（RAND、SRES、およびKc）を要求する要求をHLR / AUC（認証センター）に送信します。

• IMSIを使用するAUCは、加入者認証キー（Ki）を抽出します。次に、AUCは乱数（RAND）を生成し、KiとRANDを認証アルゴリズム（A3）と暗号キーの両方に適用します。生成アルゴリズム（A8）認証署名応答（SRES）と暗号鍵（Kc）を生成します。次に、AUCは認証トリプレット（RAND、SRES、およびKc）を新しいVLRに返します。

• MSC / VLRは、後で使用するために2つのパラメータKcとSRESを保持し、MSにメッセージを送信します。MSはSIMから認証キー（Ki）を読み取り、受信した乱数（RAND）とKiを認証アルゴリズム（A3）と暗号キー生成アルゴリズム（A8）の両方に適用して、認証署名応答（SRES）と暗号を生成します。キー（Kc）。MSは後で使用するためにKcを保存し、チャネルを暗号化するコマンドを受信するとKcを使用します。

• MSは、生成されたSRESをMSC / VLRに返します。VLRは、MSから返されたSRESを、AUCから以前に受信した予想SRESと比較します。等しい場合、モバイルは認証に合格します。等しくない場合、すべてのシグナリングアクティビティが中止されます。このシナリオでは、認証が渡されたと想定します。

暗号化/暗号化

データは、114ビットのプレーンテキストデータバーストを取得し、114ビットの暗号ブロックを使用してEXOR（排他的論理和）論理関数演算を実行することにより、送信側で114ビットのブロックに暗号化されます。

受信側の復号化機能は、114ビットの暗号化されたデータブロックを取得し、送信機で使用されたのと同じ114ビットの暗号ブロックを使用して同じ「排他的論理和」操作を実行することによって実行されます。

特定の送信方向の送信パスの両端で使用される暗号ブロックは、A5と呼ばれる暗号化アルゴリズムによってBSSとMSで生成されます。A5アルゴリズムは、コールセットアップ中の認証プロセス中に生成された64ビット暗号鍵（Kc）と、0から2715647までの10進値を取り、3.48時間の繰り返し時間を持つ22ビットTDMAフレーム番号（COUNT）を使用します。 （ハイパーフレーム間隔）A5アルゴリズムは、実際には各TDMA期間中に2つの暗号ブロックを生成します。1つのパスはアップリンクパス用で、もう1つはダウンリンクパス用です。

タイムスロットスタガリング

タイムスロットスタガリングは、ダウンリンクのタイムスロット構成からアップリンクのタイムスロット構成を導出する原理です。アップリンクの特定のタイムスロットは、ダウンリンクのタイムスロット番号を3シフトすることにより、ダウンリンクから導出されます。

理由

3つのタイムスロットをシフトすることにより、移動局は「送信と受信」プロセスを同時に回避します。これにより、移動局の実装が容易になります。移動局の受信機は、同じ移動局の送信機から保護する必要はありません。通常、移動局は1つのタイムスロットで受信し、GSM-900の場合は45 MHz、GSM-1800の場合は95 MHzだけ周波数をシフトして、後で送信します。これは、ダウンリンク用とアップリンク用に1つのタイムベースがあることを意味します。

タイミングアドバンス

タイミングアドバンスは、伝搬遅延を補償するために、バーストをBTS（タイミングアドバンス）に早期に送信するプロセスです。

なぜそれが必要なのですか？

無線パスで使用される時分割多重方式のために必要です。BTSは、互いに非常に近いさまざまな移動局から信号を受信します。ただし、移動局がBTSから遠く離れている場合、BTSは伝搬遅延に対処する必要があります。BTSで受信したバーストがタイムスロットに正しく収まることが重要です。そうしないと、隣接するタイムスロットを使用する移動局からのバーストがオーバーラップし、送信が不十分になったり、通信が失われたりする可能性があります。

接続が確立されると、BTSは自身のバーストスケジュールと移動局バーストの受信スケジュールの間の時間オフセットを継続的に測定します。これらの測定に基づいて、BTSはSACCHを介して移動局に必要なタイミングアドバンスを提供することができます。タイミングアドバンスは、ハンドオーバープロセスでも使用される距離測定から導出されることに注意してください。ＢＴＳは、知覚されたタイミングアドバンスに従って、タイミングアドバンスパラメータを各移動局に送信する。次に、各移動局はそのタイミングを進め、その結果、異なる移動局からの信号がＢＴＳに到着し、伝搬遅延が補償される。

タイムアドバンスプロセス

• 6ビットの数値は、MSが送信を進める必要があるビット数を示します。今回のアドバンスはTAです。

• アクセスバーストの68.25ビット長のGP（ガード期間）は、送信時間を進めるために必要な柔軟性を提供します。

• タイムアドバンスTAは、0〜63ビット長の値を持つことができます。これは、0〜233マイクロ秒の遅延に対応します。たとえば、BTSから10 km離れたMSは、ラウンドトリップ遅延を補正するために66マイクロ秒早く送信を開始する必要があります。

• 35Kmの最大移動範囲は、信号強度ではなくタイミングアドバンス値によって決定されます。