Концепции сотовой связи - Радиосвязь GSM

BTS и MS связаны через радиоканалы, и этот эфирный интерфейс называется Um. Радиоволна подвержена затуханию, отражению, доплеровскому сдвигу и помехам от другого передатчика. Эти эффекты вызывают потерю мощности сигнала и искажение, что влияет на качество голоса или данных. Чтобы справиться с суровыми условиями, GSM использует эффективную и защитную обработку сигналов. Правильная конструкция сотовой связи должна обеспечивать достаточное радиопокрытие в данной области.

Изменение уровня сигнала для мобильных устройств связано с различными типами замирания уровня сигнала. Есть два типа изменений мощности сигнала.

• Macroscopic Variations- Из-за рельефа между BTS и MS. Эффект затухания вызван затенением и дифракцией (изгибом) радиоволн.

• Microscopic variations- Из-за многолучевого распространения, кратковременного или рэлеевского замирания. По мере движения MS будут приниматься радиоволны с самых разных путей.

Рэлеевское затухание

Рэлеевские замирания или макроскопические вариации могут быть смоделированы как добавление двух компонентов, составляющих потери на трассе между мобильной станцией и базовой станцией. Первый компонент - это детерминированный компонент (L), который добавляет потери к силе сигнала по мере увеличения расстояния (R) между базой и мобильным телефоном. Этот компонент можно записать как -

L = 1 / R ⁿ

Где n обычно равно 4. Другой макроскопический компонент - это логарифмическая нормальная случайная величина, которая учитывает эффекты затухания тени, вызванные изменениями ландшафта и другими препятствиями на радиотракте. Локальное среднее значение потерь на трассе = детерминированная составляющая + логарифмическая нормальная случайная величина.

Микроскопические вариации или рэлеевские замирания возникают, когда мобильный телефон перемещается на короткие расстояния по сравнению с расстоянием между мобильным устройством и базой. Эти краткосрочные колебания вызваны рассеянием сигнала в непосредственной близости от мобильного устройства, например, холмом, зданием или движением транспорта. Это приводит к множеству различных путей, которые проходят между передатчиком и приемником (многолучевое распространение). Отраженная волна изменяется как по фазе, так и по амплитуде. Сигнал может исчезнуть, если отраженная волна сдвинута по фазе на 180 градусов с сигналом прямого пути. Частичное противофазовое соотношение между несколькими принятыми сигналами приводит к меньшему снижению уровня принимаемого сигнала.

Эффекты рэлеевского замирания

Отражение и многолучевое распространение могут вызывать положительные и отрицательные эффекты.

Процессы передачи / приема

Есть два основных процесса, связанных с передачей и приемом информации по цифровой радиосвязи: кодирование и модуляция.

Расширение покрытия

Многолучевое распространение позволяет радиосигналам проникать за холмы, здания и в туннели. Constructive and destructive interference сигналы, полученные по многолучевым путям, могут складываться или уничтожать друг друга.

Кодирование

Кодирование - это обработка информации, которая включает в себя подготовку основных сигналов данных, чтобы они были защищены и преобразованы в форму, которую может обрабатывать радиоканал. Обычно процесс кодирования включает логическое исключающее ИЛИ (EXOR). Кодирование включено в -

• Кодирование речи или транскодирование
• Кодирование каналов или кодирование с прямой коррекцией ошибок
• Interleaving
• Encryption

Пакетное форматирование

Человеческая речь ограничена полосой частот от 300 Гц до 3400 Гц и подвергается частотной модуляции в аналоговых системах. В цифровых фиксированных системах КТСОП речь с ограниченной полосой частот дискретизируется с частотой 8 кГц, и каждая дискретизация кодируется в 8 бит, что приводит к 64 Кбит / с (A-закон кодирования PCM). Цифровая сотовая радиосвязь не может поддерживать высокую скорость передачи данных, используемую в системах PSTN. Для снижения скорости передачи данных были разработаны интеллектуальные методы анализа и обработки сигналов.

Свойства речи

Человеческую речь можно различить в элементарных звуках (фонемах). В зависимости от языка существует от 30 до 50 различных фонем. Человеческий голос способен воспроизводить до 10 фонем в секунду, поэтому для передачи речи требуется около 60 бит / с. Однако исчезнут все индивидуальные особенности и интонации. Чтобы сохранить отдельные функции, реальный объем передаваемой информации в несколько раз выше, но все же составляет часть от 64 Кбит / с, используемых для PCM.

Основываясь на механизме производства фонемы человеческими органами речи, можно составить простую модель производства речи. Похоже, что в течение короткого временного интервала 10-30 мс параметры модели, такие как период основного тона, вокализованный / невокализованный, коэффициент усиления и параметры фильтра, остаются примерно постоянными (квазистационарными). Преимущество такой модели - простое определение параметров с помощью линейного прогнозирования.

Методы кодирования речи

Есть 3 класса методов кодирования речи

• Waveform Coding- Речь максимально хорошо передается в волновой форме. PCM - это пример кодирования формы волны. Скорость передачи составляет от 24 до 64 кбит / с, качество речи хорошее, говорящего легко узнать.

• Parameter Coding- Отправляется очень ограниченное количество информации. Декодер, созданный в соответствии с моделью формирования речи, будет регенерировать речь в приемнике. Для передачи речи требуется от 1 до 3 кбит / с. Восстановленная речь разборчива, но в ней присутствует шум, и часто говорящего невозможно распознать.

• Hybrid Coding- Гибридное кодирование - это сочетание кодирования формы сигнала и кодирования параметров. Он сочетает в себе сильные стороны обоих методов, а GSM использует метод гибридного кодирования, называемый RPE-LTP (регулярное импульсное возбуждение-долгосрочное прогнозирование), что дает 13 Кбит / с на голосовой канал.

Кодирование речи в GSM (транскодирование)

PCM со скоростью 64 кбит / с транскодируется из стандартных квантованных по закону A 8 бит на выборку в линейно квантованный поток битов с 13 битами на выборку, что соответствует скорости передачи 104 кбит / с. Поток со скоростью 104 кбит / с подается в речевой кодер RPE-LTP, который берет 13-битные выборки в блоке из 160 выборок (каждые 20 мс). Кодер RPE-LTP выдает 260 битов за каждые 20 мс, в результате чего скорость передачи данных составляет 13 кбит / с. Это обеспечивает качество речи, приемлемое для мобильной телефонной связи и сопоставимое с проводными телефонами PSTN. В GSM кодирование речи со скоростью 13 Кбит / с называется кодерами с полной скоростью. В качестве альтернативы также доступны кодеры с половинной скоростью (6,5 кбит / с) для увеличения пропускной способности.

Канальное кодирование / сверточное кодирование

Канальное кодирование в GSM использует 260 битов из речевого кодирования в качестве входных данных для канального кодирования и выводит 456 закодированных битов. Из 260 битов, выдаваемых речевым кодером RPE-LTP, 182 классифицируются как важные биты, а 78 - как неважные. Снова 182 бита делятся на 50 наиболее важных битов, блочно кодируются на 53 бита и добавляются 132 битами и 4 концевыми битами, что в сумме составляет 189 бит, прежде чем подвергаться сверточному кодированию 1: 2, преобразовывая 189 бит в 378 бит. К этим 378 битам добавляются 78 неважных битов, что дает 456 бит.

Чередование - первый уровень

Канальный кодер обеспечивает 456 бит на каждые 20 мс речи. Они чередуются, образуя восемь блоков по 57 бит каждый, как показано на рисунке ниже.

В нормальном пакете могут быть размещены блоки по 57 бит, и если 1 такой пакет потерян, BER составляет 25% за все 20 мс.

Чередование - второй уровень

Был введен второй уровень перемежения, чтобы еще больше снизить возможный BER до 12,5%. Вместо отправки двух блоков по 57 бит из одних и тех же 20 мс речи в одном пакете, блок из одного 20 мс и блок из следующей выборки 20 мс отправляются вместе. В системе вводится задержка, когда MS должна ждать следующих 20 мс речи. Однако теперь система может позволить себе потерять целый пакет из восьми, поскольку потеря составляет только 12,5% от общего числа битов из каждого 20-миллисекундного речевого кадра. 12,5% - это максимальный уровень потерь, который может исправить декодер канала.

Шифрование / шифрование

Целью шифрования является кодирование пакета, чтобы он не мог быть интерпретирован никакими другими устройствами, кроме получателя. Алгоритм шифрования в GSM называется алгоритмом A5. Он не добавляет биты к пакету, что означает, что ввод и вывод процесса шифрования такие же, как и ввод: 456 бит на 20 мс. Подробная информация о шифровании доступна в разделе "Специальные возможности GSM".

Мультиплексирование (пакетное форматирование)

Каждая передача с мобильного телефона / BTS должна включать некоторую дополнительную информацию наряду с основными данными. В GSM добавляется всего 136 битов на блок по 20 мс, в результате чего общее количество составляет 592 бита. Также добавлен защитный период в 33 бита, что дает 625 бит на 20 мс.

Модуляция

Модуляция - это обработка, которая включает в себя физическую подготовку сигнала, чтобы информация могла передаваться на РЧ-носителе. GSM использует метод гауссовой манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Несущая частота сдвинута на +/- B / 4, где B = битовая скорость. Однако использование фильтра Гаусса уменьшает полосу пропускания до 0,3 вместо 0,5.

Особенности GSM

Ниже перечислены особенности GSM, которые мы собираемся обсудить в следующих разделах.

• Authentication
• Encryption
• Ошеломляющий временной интервал
• Время вперед
• Прерывистая передача
• Контроль мощности
• Приемное выравнивание
• Медленная скачкообразная перестройка частоты

Аутентификация

Поскольку радиоинтерфейс уязвим для мошеннического доступа, необходимо использовать аутентификацию перед предоставлением услуг подписчику. Аутентификация строится вокруг следующих понятий.

• Ключ аутентификации (Ki) находится только в двух местах: на SIM-карте и в центре аутентификации.

• Ключ аутентификации (Ki) никогда не передается по воздуху. Посторонние лица практически не могут получить этот ключ для выдачи себя за конкретного абонента мобильной связи.

Параметры аутентификации

MS аутентифицируется VLR с помощью процесса, который использует три параметра:

• RAND, которое является полностью случайным числом.

• SRES, который является подписанным ответом аутентификации. Он создается путем применения алгоритма аутентификации (A3) к RAND и Ki.

• Kc, который является ключом шифрования. Параметр Kc создается путем применения алгоритма генерации ключа шифрования (A8) к RAND и Ki.

Эти параметры (называемые триплетом аутентификации) генерируются AUC по запросу HLR, к которому принадлежит подписчик. Алгоритмы A3 и A8 определяются оператором PLMN и выполняются SIM-картой.

Шаги на этапе аутентификации

• Новый VLR отправляет запрос в HLR / AUC (центр аутентификации), запрашивая «триплеты аутентификации» (RAND, SRES и Kc), доступные для указанного IMSI.

• AUC с использованием IMSI извлекает ключ аутентификации подписчика (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к шифровальному ключу, алгоритму генерации (A8) для генерировать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). Затем AUC возвращает тройку аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

• MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для дальнейшего использования, а затем отправляет сообщение на MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет полученное случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8) для получения подписанного ответа аутентификации (SRES) и шифра. ключ (Kc). MS сохраняет Kc на будущее и будет использовать Kc, когда получит команду для шифрования канала.

• MS возвращает сгенерированный SRES в MSC / VLR. VLR сравнивает SRES, возвращенный от MS, с ожидаемым SRES, полученным ранее от AUC. Если они равны, мобильный телефон проходит аутентификацию. Если они не равны, все действия по сигнализации будут прерваны. В этом сценарии мы предполагаем, что аутентификация пройдена.

Шифрование / шифрование

Данные шифруются на стороне передатчика блоками по 114 битов путем взятия 114-битных пакетов данных открытого текста и выполнения операции логической функции EXOR (Исключающее ИЛИ) с 114-битным блоком шифрования.

Функция дешифрования на стороне приемника выполняется путем взятия зашифрованного блока данных из 114 бит и прохождения той же операции «исключающее ИЛИ» с использованием того же 114-битного блока шифрования, который использовался в передатчике.

Блок шифрования, используемый обоими концами пути передачи для данного направления передачи, создается в BSS и MS с помощью алгоритма шифрования, называемого A5. Алгоритм A5 использует 64-битный ключ шифрования (Kc), созданный в процессе аутентификации во время установки вызова, и 22-битный номер кадра TDMA (COUNT), который принимает десятичные значения от 0 до 2715647 и имеет время повторения 3,48 часа. (интервал гиперкадра). Алгоритм A5 фактически создает два блока шифрования в течение каждого периода TDMA. Один путь для восходящего канала, а другой - для нисходящего.

Ошеломляющий временной интервал

Распределение временных интервалов - это принцип получения организации временных интервалов восходящей линии связи из организации временных интервалов нисходящей линии связи. Конкретный временной интервал восходящей линии связи получается из нисходящей линии связи путем сдвига номера временного интервала нисходящей линии связи на три.

Причина

Сдвигая три временных интервала, мобильная станция избегает одновременных процессов «передачи и приема». Это позволяет упростить реализацию мобильной станции; приемник мобильной станции не нуждается в защите от передатчика той же мобильной станции. Обычно мобильная станция принимает в течение одного временного интервала, а затем сдвигает частоту на 45 МГц для GSM-900 или на 95 МГц для GSM-1800, чтобы передавать через некоторое время. Это означает, что существует одна временная база для нисходящего канала и одна для восходящего канала.

Время вперед

Опережение по времени - это процесс ранней передачи пакета на BTS (опережение по времени) для компенсации задержки распространения.

Зачем это нужно?

Это необходимо из-за схемы мультиплексирования с временным разделением, используемой на радиотракте. BTS принимает сигналы от разных мобильных станций, расположенных очень близко друг к другу. Однако, когда мобильная станция находится далеко от BTS, BTS должна иметь дело с задержкой распространения. Важно, чтобы пакет, полученный в BTS, правильно соответствовал временному интервалу. В противном случае пакеты от мобильных станций, использующих соседние временные интервалы, могут перекрываться, что приводит к плохой передаче или даже к потере связи.

Как только соединение установлено, BTS непрерывно измеряет временной сдвиг между своим собственным расписанием пакетов и графиком приема пакетов мобильной станции. На основе этих измерений BTS может предоставить мобильной станции необходимое временное опережение через SACCH. Обратите внимание, что опережение по времени получается из измерения расстояния, которое также используется в процессе передачи обслуживания. BTS отправляет параметр опережения синхронизации в соответствии с предполагаемым опережением синхронизации на каждую мобильную станцию. Затем каждая мобильная станция увеличивает время, в результате чего сигналы от разных мобильных станций поступают в BTS и компенсируются задержкой распространения.

Процесс опережения времени

• 6-битное число указывает, на сколько бит MS должна продвинуть свою передачу. На этот раз продвижение - ТА.

• GP (защитный период) пакета доступа длиной 68,25 бит обеспечивает необходимую гибкость для увеличения времени передачи.

• TA может иметь значение от 0 до 63 бит, что соответствует задержке от 0 до 233 микросекунд. Например, MS, находящаяся на расстоянии 10 км от BTS, должна начать передачу на 66 микросекунд раньше, чтобы компенсировать задержку передачи туда и обратно.

• Максимальная дальность действия мобильной связи 35 км определяется скорее значением опережения синхронизации, чем силой сигнала.