셀룰러 개념-GSM 라디오 링크

BTS와 MS는 무선 링크를 통해 연결되며이 무선 인터페이스를 Um이라고합니다. 전파는 감쇠, 반사, 도플러 편이 및 다른 송신기의 간섭을받습니다. 이러한 효과는 음성 또는 데이터의 품질에 영향을주는 신호 강도 및 왜곡을 유발합니다. 열악한 조건에 대처하기 위해 GSM은 효율적이고 보호적인 신호 처리를 사용합니다. 적절한 셀룰러 설계는 해당 지역에 충분한 무선 범위가 제공되도록해야합니다.

모바일의 신호 강도 변화는 다양한 유형의 신호 강도 페이딩 때문입니다. 신호 강도 변화에는 두 가지 유형이 있습니다.

• Macroscopic Variations− BTS와 MS 사이의 지형 윤곽으로 인해. 페이딩 효과는 전파의 그림자와 회절 (굽힘)로 인해 발생합니다.

• Microscopic variations− 다중 경로, 단기 또는 레일리 페이딩으로 인해. MS가 움직이면 여러 경로에서 전파가 수신됩니다.

레일리 페이딩

Rayleigh Fading 또는 Macroscopic Variations는 모바일과 기지국 간의 경로 손실을 구성하는 두 가지 구성 요소를 추가하여 모델링 할 수 있습니다. 첫 번째 구성 요소는베이스와 모바일 사이의 거리 (R)가 증가함에 따라 신호 강도에 손실을 추가하는 결정적 구성 요소 (L)입니다. 이 구성 요소는 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

L = 1 / R의 ^N

여기서 n은 일반적으로 4입니다. 다른 거시적 구성 요소는 무선 경로의 지형 및 기타 장애물로 인한 그림자 페이딩의 영향을 고려하는 로그 정규 랜덤 변수입니다. 경로 손실의 로컬 평균 값 = 결정적 구성 요소 + 로그 정규 랜덤 변수.

Microscopic Variations 또는 Rayleigh Fading은 모바일과베이스 사이의 거리에 비해 모바일이 짧은 거리를 이동할 때 발생합니다. 이러한 단기 변동은 언덕, 건물 또는 교통과 같은 이동 장치 주변의 신호 산란으로 인해 발생합니다. 이로 인해 송신기와 수신기 (다중 경로 전파) 사이에 다양한 경로가 따릅니다. 반사파는 위상과 진폭 모두에서 변경됩니다. 반사파가 직접 경로 신호와 180도 위상차이면 신호가 효과적으로 사라질 수 있습니다. 여러 수신 신호 사이의 부분적인 위상차 관계는 수신 신호 강도를 더 적게 감소시킵니다.

레일리 페이딩의 효과

반사 및 다중 경로 전파는 긍정적 인 영향과 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

전송 / 수신 프로세스

디지털 무선 링크, 코딩 및 변조를 통해 정보를 송수신하는 데 관련된 두 가지 주요 프로세스가 있습니다.

커버리지 연장

다중 경로 전파를 통해 무선 신호가 언덕과 건물 뒤, 터널로 도달 할 수 있습니다. Constructive and destructive interference 다중 경로를 통해 수신 된 신호는 서로 추가되거나 파괴 될 수 있습니다.

코딩

코딩은 기본 데이터 신호를 준비하여 무선 링크가 처리 할 수있는 형태로 보호되고 배치되는 정보 처리입니다. 일반적으로 코딩 프로세스에는 논리적 배타적 OR (EXOR)가 포함됩니다. 코딩은 다음에 포함됩니다-

• 음성 코딩 또는 트랜스 코딩
• 채널 코딩 또는 순방향 오류 수정 코딩
• Interleaving
• Encryption

버스트 포맷

인간의 음성은 300Hz에서 3400Hz 사이의 대역 제한이 있으며 아날로그 시스템에서 주파수 변조를 거칩니다. 디지털 고정 PSTN 시스템에서 대역 제한 음성은 8KHz의 속도로 샘플링되고 각 샘플링은 64Kbps (PCM A-Law of encoding)로 이어지는 8 비트로 인코딩됩니다. 디지털 셀룰러 라디오는 PSTN 시스템에 사용되는 높은 비트 전송률을 처리 할 수 ​​없습니다. 비트 전송률을 줄이기 위해 신호 분석 및 처리를위한 스마트 기술이 개발되었습니다.

음성 속성

인간의 말은 기본 소리 (음소)로 구분할 수 있습니다. 언어에 따라 30 ~ 50 개의 다른 음소가 있습니다. 사람의 음성은 초당 최대 10 개의 음소를 생성 할 수 있으므로 음성을 전송하는 데 약 60 비트 / 초가 필요합니다. 그러나 모든 개별 기능과 억양은 사라집니다. 개별 기능을 보존하기 위해 전송되는 실제 정보 양은 몇 배 더 많지만 여전히 PCM에 사용되는 64Kbit / s의 일부입니다.

인간의 언어 기관의 음소 생성 메커니즘을 기반으로 간단한 음성 생성 모델을 만들 수 있습니다. 10-30ms의 짧은 시간 간격 동안 피치주기, 유성음 / 무성음, 증폭 게인 및 필터 매개 변수와 같은 모델 매개 변수는 거의 고정 (준 고정) 상태로 유지됩니다. 이러한 모델의 장점은 선형 예측을 통한 매개 변수의 간단한 결정입니다.

음성 코딩 기법

음성 코딩 기술에는 3 가지 클래스가 있습니다.

• Waveform Coding− 음성은 파형 코딩으로 가능한 한 잘 전송됩니다. PCM은 파형 코딩의 한 예입니다. 비트 전송률은 24 ~ 64kbps이며 음성 품질이 좋고 화자를 쉽게 인식 할 수 있습니다.

• Parameter Coding− 매우 제한된 양의 정보 만 전송됩니다. 음성 생성 모델에 따라 구축 된 디코더는 수신기에서 음성을 재생성합니다. 음성 전송에는 1 ~ 3kbps 만 필요합니다. 재생성 된 음성은 알아볼 수 있지만 소음이 발생하고 종종 화자를 인식 할 수 없습니다.

• Hybrid Coding− 하이브리드 코딩은 파형 코딩과 매개 변수 코딩의 혼합입니다. 두 기술의 장점을 결합하고 GSM은 RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Prediction)라는 하이브리드 코딩 기술을 사용하여 음성 채널당 13Kbps를 생성합니다.

GSM의 음성 코딩 (트랜스 코딩)

표준 A-law에서 샘플 당 8 비트를 양자화 한 64kbits / s PCM은 104kbits / s 비트 전송률에 해당하는 샘플 비트 스트림 당 선형 양자화 된 13 비트로 트랜스 코딩되었습니다. 104kbits / s 스트림은 160 개 샘플 블록 (20ms마다)에서 13 비트 샘플을 가져 오는 RPE-LTP 음성 인코더로 공급됩니다. RPE-LTP 인코더는 20ms마다 260 비트를 생성하므로 비트 전송률은 13kbits / s입니다. 이는 이동 전화에 허용되는 음성 품질을 제공하며 유선 PSTN 전화와 비교할 수 있습니다. GSM 13Kbps에서 음성 코딩을 풀 레이트 코더라고합니다. 또는 절반 속도 코더 (6.5Kbps)를 사용하여 용량을 향상시킬 수도 있습니다.

채널 코딩 / 컨볼 루션 코딩

GSM의 채널 코딩은 음성 코딩의 260 비트를 채널 코딩에 대한 입력으로 사용하고 456 개의 인코딩 된 비트를 출력합니다. RPE-LTP 음성 코더에서 생성 된 260 비트 중 182 비트는 중요 비트로, 78 비트는 중요하지 않은 비트로 분류됩니다. 다시 182 비트는 50 개의 가장 중요한 비트로 분할되고 53 비트로 블록 코딩되고 132 비트와 4 개의 테일 비트가 추가되어 1 : 2 컨볼 루션 코딩을 수행하기 전에 총 189 비트가되며 189 비트를 378 비트로 변환합니다. 이 378 비트에는 중요하지 않은 78 비트가 추가되어 456 비트가됩니다.

인터리빙-첫 번째 수준

채널 코더는 음성 20ms마다 456 비트를 제공합니다. 이들은 인터리빙되어 아래 그림과 같이 각각 57 비트의 8 개 블록을 형성합니다.

정상적인 버스트에서 57 비트 블록까지 수용 할 수 있으며 이러한 버스트가 1 개 손실되면 전체 20ms 동안 25 % BER이 발생합니다.

인터리빙-두 번째 수준

가능한 BER을 12.5 %로 더 줄이기 위해 두 번째 수준의 인터리빙이 도입되었습니다. 하나의 버스트 내에서 동일한 20ms 음성에서 57 비트의 두 블록을 보내는 대신 한 20ms의 블록과 다음 20ms 샘플의 블록이 함께 전송됩니다. MS가 다음 20ms의 음성을 기다려야 할 때 시스템에 지연이 발생합니다. 그러나 이제 시스템은 각 20ms 음성 프레임에서 총 비트의 12.5 %에 불과하므로 8 개 중 전체 버스트를 잃을 수 있습니다. 12.5 %는 채널 디코더가 수정할 수있는 최대 손실 레벨입니다.

암호화 / 암호화

암호화의 목적은 버스트를 인코딩하여 수신기가 아닌 다른 장치에서 해석되지 않도록하는 것입니다. GSM의 암호화 알고리즘을 A5 알고리즘이라고합니다. 버스트에 비트를 추가하지 않습니다. 즉, 암호화 프로세스에 대한 입력 및 출력이 입력과 동일합니다 (20ms 당 456 비트). 암호화에 대한 자세한 내용은 GSM의 특수 기능에서 확인할 수 있습니다.

멀티플렉싱 (버스트 포맷)

모바일 / BTS의 모든 전송에는 기본 데이터와 함께 추가 정보가 포함되어야합니다. GSM에서는 블록 당 20ms의 총 136 비트가 추가되어 총 592 비트가됩니다. 33 비트의 보호 기간도 추가되어 20ms 당 625 비트를 가져옵니다.

조정

변조는 정보가 RF 반송파를 통해 전송 될 수 있도록 신호의 물리적 준비를 포함하는 처리입니다. GSM은 GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) 기법을 사용합니다. 반송파 주파수는 +/- B / 4만큼 이동합니다. 여기서 B는 비트 전송률입니다. 그러나 가우스 필터를 사용하면 대역폭이 0.5가 아닌 0.3으로 줄어 듭니다.

GSM의 특징

다음 섹션에서 논의 할 GSM의 특수 기능은 다음과 같습니다.

• Authentication
• Encryption
• 시간 슬롯 시차
• 타이밍 어드밴스
• 불연속 전송
• 전력 제어
• 채택 평형
• 느린 주파수 호핑

입증

무선 인터페이스는 부정 접속에 취약하기 때문에 가입자에게 서비스를 확장하기 전에 인증을 채택해야합니다. 인증은 다음 개념을 중심으로 구축됩니다.

• 인증 키 (Ki)는 SIM 카드와 인증 센터의 두 위치에만 있습니다.

• 인증 키 (Ki)는 무선으로 전송되지 않습니다. 권한이없는 개인이 해당 모바일 가입자를 가장하기 위해이 키를 얻는 것은 사실상 불가능합니다.

인증 매개 변수

MS는 세 가지 매개 변수를 사용하는 프로세스로 VLR에 의해 인증됩니다.

• 완전히 난수 인 RAND.

• 인증 서명 응답 인 SRES입니다. RAND와 Ki에 인증 알고리즘 (A3)을 적용하여 생성됩니다.

• 암호 키 인 Kc. RAND 및 Ki에 암호 키 생성 알고리즘 (A8)을 적용하여 생성 된 Kc 매개 변수입니다.

이러한 매개 변수 (인증 삼중 항이라고 함)는 가입자가 속한 HLR의 요청에 따라 AUC에 의해 생성됩니다. 알고리즘 A3 및 A8은 PLMN 연산자에 의해 정의되고 SIM에 의해 실행됩니다.

인증 단계의 단계

• 새 VLR은 지정된 IMSI에 사용할 수있는 "인증 트리플렛"(RAND, SRES 및 Kc)을 요청하는 요청을 HLR / AUC (인증 센터)에 보냅니다.

• IMSI를 사용하는 AUC는 가입자 인증 키 (Ki)를 추출한 다음 난수 (RAND)를 생성하고 Ki와 RAND를 인증 알고리즘 (A3)과 암호 키 생성 알고리즘 (A8) 모두에 적용합니다. 인증 서명 응답 (SRES) 및 암호 키 (Kc)를 생성합니다. 그런 다음 AUC는 인증 트리플렛 (RAND, SRES 및 Kc)을 새 VLR에 반환합니다.

• MSC / VLR은 나중에 사용하기 위해 두 개의 매개 변수 Kc 및 SRES를 유지 한 다음 MS에 메시지를 보냅니다. MS는 SIM에서 인증 키 (Ki)를 읽고, 수신 된 난수 (RAND)와 Ki를 인증 알고리즘 (A3)과 암호 키 생성 알고리즘 (A8) 모두에 적용하여 SRES (인증 서명 응답) 및 암호를 생성합니다. 키 (Kc). MS는 나중을 위해 Kc를 저장하고 채널 암호화 명령을 받으면 Kc를 사용합니다.

• MS는 생성 된 SRES를 MSC / VLR에 반환합니다. VLR은 MS에서 반환 된 SRES를 AUC에서 이전에 수신 한 예상 SRES와 비교합니다. 동일하면 모바일이 인증을 통과합니다. 같지 않으면 모든 신호 활동이 중단됩니다. 이 시나리오에서는 인증이 통과되었다고 가정합니다.

암호화 / 암호화

데이터는 114 비트 일반 텍스트 데이터 버스트를 취하고 114 비트 암호 블록으로 EXOR (Exclusive OR) 논리 함수 연산을 수행하여 114 비트 블록으로 송신기 측에서 암호화됩니다.

수신기 측의 복호화 기능은 114 비트의 암호화 된 데이터 블록을 가져와 송신기에서 사용 된 것과 동일한 114 비트 암호 블록을 사용하여 동일한 "배타적 OR"연산을 통해 수행됩니다.

주어진 전송 방향에 대해 전송 경로의 양쪽 끝에서 사용되는 암호 블록은 A5라는 암호화 알고리즘에 의해 BSS 및 MS에서 생성됩니다. A5 알고리즘은 통화 설정 중 인증 과정에서 생성되는 64 비트 암호 키 (Kc)와 0부터 2715647까지 10 진수 값을 취하고 3.48 시간의 반복 시간을 갖는 22 비트 TDMA 프레임 번호 (COUNT)를 사용합니다. (하이퍼 프레임 간격) A5 알고리즘은 실제로 각 TDMA 기간 동안 두 개의 암호 블록을 생성합니다. 하나는 업 링크 경로 용이고 다른 하나는 다운 링크 경로 용입니다.

시간 슬롯 시차

타임 슬롯 스 태거 링은 다운 링크의 타임 슬롯 구성에서 업 링크의 타임 슬롯 구성을 도출하는 원리입니다. 상향 링크의 특정 타임 슬롯은 하향 링크 타임 슬롯 번호를 3만큼 이동시킴으로써 하향 링크로부터 유도된다.

이유

3 개의 타임 슬롯을 이동함으로써 이동국은 동시에 '송수신'프로세스를 피할 수 있습니다. 이것은 이동국의 더 쉬운 구현을 허용한다; 이동국의 수신기는 동일한 이동국의 송신기로부터 보호 될 필요가 없습니다. 일반적으로 이동국은 한 시간 슬롯 동안 수신 한 다음 GSM-900의 경우 45MHz, GSM-1800의 경우 95MHz 씩 주파수를 이동하여 나중에 전송합니다. 이는 다운 링크에 대해 하나의 시간 기준이 있고 업 링크에 대해 하나가 있음을 의미합니다.

타이밍 어드밴스

타이밍 어드밴스는 전파 지연을 보상하기 위해 버스트를 BTS (타이밍 어드밴스)에 일찍 전송하는 프로세스입니다.

왜 필요한가요?

무선 경로에서 사용되는 시분할 다중화 방식 때문에 필요합니다. BTS는 서로 매우 가까운 다른 이동국으로부터 신호를 수신합니다. 그러나 이동국이 BTS에서 멀리 떨어져있는 경우 BTS는 전파 지연을 처리해야합니다. BTS에서 수신 한 버스트가 시간 슬롯에 정확히 맞아야합니다. 그렇지 않으면 인접한 시간 슬롯을 사용하는 이동국의 버스트가 중첩되어 전송이 불량하거나 통신이 끊길 수도 있습니다.

연결이 설정되면 BTS는 자체 버스트 일정과 이동국 버스트의 수신 일정 사이의 시간 오프셋을 지속적으로 측정합니다. 이러한 측정을 기반으로 BTS는 SACCH를 통해 필요한 타이밍 어드밴스를 이동국에 제공 할 수 있습니다. 타이밍 어드밴스는 핸드 오버 프로세스에서도 사용되는 거리 측정에서 파생됩니다. BTS는인지 된 타이밍 어드밴스에 따라 타이밍 어드밴스 파라미터를 각 이동국에 전송한다. 그 다음, 각각의 이동국은 그 타이밍을 앞당겨 BTS에 도달하는 상이한 이동국으로부터의 신호를 가져오고 전파 지연에 대해 보상된다.

시간 진행 프로세스

• 6 비트 숫자는 MS가 전송을 진행해야하는 비트 수를 나타냅니다. 이번 진행은 TA입니다.

• 액세스 버스트의 68.25 비트 길이 GP (보호 기간)는 전송 시간을 앞당기는 데 필요한 유연성을 제공합니다.

• 시간 어드밴스 TA는 0 ~ 63 비트 길이의 값을 가질 수 있으며, 이는 0 ~ 233 마이크로 초의 지연에 해당합니다. 예를 들어 BTS에서 10km 떨어진 MS는 왕복 지연을 보상하기 위해 66 마이크로 초 더 일찍 전송을 시작해야합니다.

• 35Km의 최대 모바일 범위는 신호 강도보다는 타이밍 어드밴스 값에 의해 결정됩니다.