Khái niệm di động - Liên kết vô tuyến GSM

BTS và MS được kết nối thông qua các liên kết vô tuyến và giao diện không khí này được gọi là Um. Sóng vô tuyến có thể bị suy giảm, phản xạ, dịch chuyển Doppler và nhiễu từ máy phát khác. Những tác động này làm giảm cường độ tín hiệu và biến dạng ảnh hưởng đến chất lượng của giọng nói hoặc dữ liệu. Để đối phó với các điều kiện khắc nghiệt, GSM sử dụng một quá trình xử lý tín hiệu hiệu quả và bảo vệ. Thiết kế di động thích hợp phải đảm bảo cung cấp đủ vùng phủ sóng vô tuyến trong khu vực.

Sự thay đổi cường độ tín hiệu đối với thiết bị di động là do các loại khác nhau của cường độ tín hiệu mờ dần. Có hai loại biến thể cường độ tín hiệu.

Macroscopic Variations- Do đường bao địa hình giữa BTS và MS. Hiệu ứng mờ dần được gây ra bởi sự che khuất và nhiễu xạ (uốn cong) của sóng vô tuyến.
Microscopic variations- Do đa đường, Ngắn hạn hoặc mờ dần Rayleigh. Khi MS di chuyển, sóng vô tuyến từ nhiều đường khác nhau sẽ được nhận.

Rayleigh Fading

Rayleigh Fading hoặc Macroscopic Variations có thể được mô hình hóa như việc bổ sung hai thành phần tạo nên sự mất mát đường đi giữa thiết bị di động và trạm gốc. Thành phần đầu tiên là thành phần xác định (L) làm tăng thêm tổn thất cho cường độ tín hiệu khi khoảng cách (R) tăng giữa đế và thiết bị di động. Thành phần này có thể được viết là -

L = 1 / R ⁿ

Trong đó n thường là 4. Thành phần vĩ mô khác là biến ngẫu nhiên bình thường Log có tính đến ảnh hưởng của hiện tượng mờ bóng do các biến thể của địa hình và các vật cản khác trong đường dẫn vô tuyến gây ra. Giá trị trung bình cục bộ của tổn thất đường dẫn = thành phần xác định + biến ngẫu nhiên bình thường log.

Các biến thể vi mô hoặc Rayleigh Fading xảy ra khi thiết bị di động di chuyển trên một khoảng cách ngắn so với khoảng cách giữa thiết bị di động và đế. Những thay đổi ngắn hạn này là do sự tán xạ tín hiệu trong vùng lân cận của thiết bị di động, ví dụ như đồi, tòa nhà hoặc giao thông. Điều này dẫn đến nhiều con đường khác nhau được theo sau giữa máy phát và máy thu (Truyền dẫn đa đường). Sóng phản xạ bị biến đổi cả pha và biên độ. Tín hiệu có thể biến mất hiệu quả nếu sóng phản xạ lệch pha 180 độ với tín hiệu đường dẫn trực tiếp. Mối quan hệ lệch pha một phần giữa nhiều tín hiệu nhận được làm giảm cường độ tín hiệu nhận được nhỏ hơn.

Hiệu ứng của Rayleigh Fading

Sự phản xạ và lan truyền đa đường có thể gây ra các tác động tích cực và tiêu cực.

Quá trình truyền / nhận

Có hai quá trình chính liên quan đến việc truyền và nhận thông tin qua liên kết vô tuyến kỹ thuật số, mã hóa và điều chế.

Mở rộng phạm vi

Sự lan truyền đa đường cho phép tín hiệu vô tuyến đến được phía sau các ngọn đồi và các tòa nhà và vào đường hầm. Constructive and destructive interference các tín hiệu nhận được thông qua nhiều đường dẫn có thể thêm vào nhau hoặc phá hủy lẫn nhau.

Mã hóa

Mã hóa là quá trình xử lý thông tin liên quan đến việc chuẩn bị các tín hiệu dữ liệu cơ bản để chúng được bảo vệ và ở dạng mà liên kết vô tuyến có thể xử lý. Nói chung, quá trình mã hóa bao gồm HOẶC LOẠI TRỪ logic (EXOR). Mã hóa được bao gồm trong -

Mã hóa giọng nói hoặc mã hóa chuyển tiếp
Mã hóa kênh hoặc mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp
Interleaving
Encryption

Định dạng Burst

Giọng nói của con người được giới hạn trong dải tần từ 300Hz đến 3400Hz và trải qua Điều chế tần số trong các hệ thống tương tự. Trong hệ thống PSTN cố định kỹ thuật số, băng tần tiếng nói giới hạn được lấy mẫu ở tốc độ 8KHz và mỗi đoạn được lấy mẫu được mã hóa thành 8 bit dẫn đến 64Kbps (PCM A-Law of encoding). Vô tuyến di động kỹ thuật số không thể xử lý tốc độ bit cao được sử dụng cho hệ thống PSTN. Các kỹ thuật thông minh để phân tích và xử lý tín hiệu đã được phát triển để giảm tốc độ bit.

Thuộc tính giọng nói

Lời nói của con người có thể được phân biệt bằng các âm cơ bản (Âm vị). Tùy thuộc vào ngôn ngữ, có từ 30 đến 50 âm vị khác nhau. Giọng nói của con người có thể tạo ra tối đa 10 âm vị mỗi giây, do đó cần khoảng 60 bit / s để chuyển giọng nói. Tuy nhiên, tất cả các đặc điểm và ngữ điệu riêng lẻ sẽ biến mất. Để bảo toàn các tính năng riêng lẻ, lượng thông tin thực được gửi đi cao hơn một số lần, nhưng vẫn là một phần nhỏ của 64 Kbit / s được sử dụng cho PCM.

Dựa trên cơ chế sản xuất âm vị của các cơ quan nói của con người, một mô hình sản xuất giọng nói đơn giản có thể được thực hiện. Có vẻ như trong khoảng thời gian ngắn từ 10-30 ms, các thông số của mô hình như chu kỳ cao độ, có âm / không được chỉnh âm, độ lợi khuếch đại và các thông số bộ lọc vẫn ở trạng thái tĩnh (gần như tĩnh). Ưu điểm của mô hình như vậy là xác định đơn giản các tham số bằng phương pháp dự đoán tuyến tính.

Kỹ thuật mã hóa giọng nói

Có 3 lớp kỹ thuật mã hóa giọng nói

Waveform Coding- Lời nói được truyền đi càng tốt dưới dạng mã hóa dạng sóng. PCM là một ví dụ về mã hóa dạng sóng. Tốc độ bit dao động từ 24 đến 64kbps và chất lượng giọng nói tốt và người nói có thể được nhận dạng dễ dàng.
Parameter Coding- Chỉ gửi một số lượng rất hạn chế thông tin. Một bộ giải mã được xây dựng theo mô hình tạo giọng nói sẽ tái tạo giọng nói ở người nhận. Chỉ cần 1 đến 3kbps để truyền giọng nói. Giọng nói được tái tạo có thể hiểu được nhưng nó bị nhiễu và thường không thể nhận dạng được người nói.
Hybrid Coding- Hybrid Coding là sự kết hợp giữa mã hóa dạng sóng và mã hóa tham số. Nó kết hợp các điểm mạnh của cả hai kỹ thuật và GSM sử dụng kỹ thuật mã hóa hỗn hợp được gọi là RPE-LTP (Dự đoán dài hạn kích thích xung thường xuyên) dẫn đến 13Kbps trên mỗi kênh thoại.

Mã hóa giọng nói trong GSM (Chuyển mã)

PCM 64kbits / s được chuyển mã từ định luật A tiêu chuẩn được lượng tử hóa 8 bit trên mỗi mẫu thành một dòng bit mẫu được lượng tử hóa tuyến tính 13 bit tương ứng với tốc độ bit 104kbits / s. Luồng 104kbits / s được đưa vào bộ mã hóa giọng nói RPE-LTP để lấy mẫu 13 bit trong một khối 160 mẫu (cứ 20ms). Bộ mã hóa RPE-LTP tạo ra 260bits trong mỗi 20 ms, dẫn đến tốc độ bit là 13kbits / s. Điều này cung cấp chất lượng giọng nói có thể chấp nhận được đối với điện thoại di động và có thể so sánh với điện thoại PSTN có dây. Trong GSM, mã hóa giọng nói 13Kbps được gọi là mã hóa tốc độ đầy đủ. Ngoài ra, các mã hóa tốc độ một nửa (6,5Kbps) cũng có sẵn để nâng cao dung lượng.

Mã hóa kênh / Mã hóa hợp lệ

Mã hóa kênh trong GSM sử dụng 260 bit từ mã hóa giọng nói làm đầu vào cho mã hóa kênh và xuất ra 456 bit được mã hóa. Trong số 260 bit được tạo ra bởi bộ mã hóa giọng nói RPE-LTP, 182 được phân loại là các bit quan trọng và 78 là các bit không quan trọng. Một lần nữa 182 bit được chia thành 50 bit quan trọng nhất và được mã hóa khối thành 53 bit và được thêm vào 132 bit và 4 bit đuôi, tổng cộng là 189 bit trước khi trải qua mã hóa chập 1: 2, chuyển 189 bit thành 378 bit. 378 bit này được thêm vào với 78 bit không quan trọng dẫn đến 456 bit.

Xen kẽ - Cấp độ đầu tiên

Bộ mã hóa kênh cung cấp 456 bit cho mỗi 20ms giọng nói. Chúng được xen kẽ với nhau, tạo thành tám khối, mỗi khối 57 bit, như thể hiện trong hình bên dưới.

Trong một cụm thông thường, các khối 57 bit có thể được đáp ứng và nếu 1 cụm như vậy bị mất thì sẽ có 25% BER cho toàn bộ 20ms.

Xen kẽ - Cấp độ thứ hai

Mức xen kẽ thứ hai đã được đưa ra để giảm tiếp BER có thể có xuống 12,5%. Thay vì gửi hai khối 57 bit từ cùng một bài nói 20 ms trong một cụm, một khối từ một 20ms và một khối từ mẫu 20ms tiếp theo được gửi cùng nhau. Một độ trễ được đưa ra trong hệ thống khi MS phải đợi 20ms tiếp theo của lời nói. Tuy nhiên, hệ thống hiện có thể đủ khả năng để mất toàn bộ cụm, trong số tám, vì tổn thất chỉ là 12,5% tổng số bit từ mỗi khung thoại 20ms. 12,5% là mức suy hao tối đa mà bộ giải mã kênh có thể sửa được.

Mã hóa / Ciphering

Mục đích của Ciphering là để mã hóa cụm sao cho nó không được hiểu bởi bất kỳ thiết bị nào khác ngoài bộ thu. Thuật toán Ciphering trong GSM được gọi là thuật toán A5. Nó không thêm bit vào cụm, có nghĩa là đầu vào và đầu ra cho quá trình Ciphering giống như đầu vào: 456 bit trên 20ms. Thông tin chi tiết về Mã hóa có sẵn trong các tính năng đặc biệt của GSM.

Ghép kênh (Định dạng liên tục)

Mọi đường truyền từ di động / BTS phải bao gồm một số thông tin bổ sung cùng với dữ liệu cơ bản. Trong GSM, tổng cộng 136 bit trên mỗi khối 20ms được thêm vào, nâng tổng số lên 592 bit. Khoảng thời gian bảo vệ 33 bit cũng được thêm vào, mang lại 625 bit trên 20ms.

Điều chế

Điều chế là quá trình xử lý liên quan đến việc chuẩn bị vật lý của tín hiệu để thông tin có thể được vận chuyển trên sóng mang RF. GSM sử dụng kỹ thuật Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). Tần số sóng mang được dịch chuyển theo +/- B / 4, trong đó B = Tốc độ bit. Tuy nhiên, sử dụng bộ lọc Gaussian, giảm băng thông xuống 0,3 thay vì 0,5.

Các tính năng đặc biệt của GSM

Dưới đây là danh sách các tính năng đặc biệt của GSM mà chúng ta sẽ thảo luận trong các phần sau:

Authentication
Encryption
Khe thời gian đáng kinh ngạc
Thời gian trước
Truyền liên tục
Kiểm soát nguồn điện
Cân bằng thông qua
Nhảy tần số chậm

Xác thực

Vì giao diện không khí dễ bị truy cập gian lận, nên cần phải sử dụng xác thực trước khi mở rộng dịch vụ cho người đăng ký. Xác thực được xây dựng dựa trên các khái niệm sau.

Khóa xác thực (Ki) chỉ có ở hai nơi, thẻ SIM và Trung tâm xác thực.
Khóa xác thực (Ki) không bao giờ được truyền qua mạng. Các cá nhân không được phép hầu như không thể có được khóa này để mạo danh một thuê bao di động nhất định.

Thông số xác thực

MS được xác thực bởi VLR với một quy trình sử dụng ba tham số:

RAND là số hoàn toàn ngẫu nhiên.
SRES là phản hồi đã ký xác thực. Nó được tạo ra bằng cách áp dụng một thuật toán xác thực (A3) cho RAND và Ki.
Kc là khóa mật mã. Tham số Kc được tạo ra bằng cách áp dụng thuật toán tạo khóa mật mã (A8) cho RAND và Ki.

Các tham số này (được đặt tên là bộ ba xác thực) được tạo ra bởi AUC theo yêu cầu của HLR mà người đăng ký thuộc về. Các thuật toán A3 và A8, được xác định bởi nhà khai thác PLMN và được thực thi bởi SIM.

Các bước trong giai đoạn xác thực

VLR mới gửi yêu cầu đến HLR / AUC (Trung tâm xác thực) yêu cầu "bộ ba xác thực" (RAND, SRES và Kc) có sẵn cho IMSI được chỉ định.
AUC sử dụng IMSI, trích xuất khóa xác thực người đăng ký (Ki). Sau đó AUC tạo ra một số ngẫu nhiên (RAND), áp dụng Ki và RAND cho cả thuật toán xác thực (A3) và khóa mật mã, thuật toán tạo (A8) để tạo ra một phản hồi đã ký xác thực (SRES) và một khóa mật mã (Kc). Sau đó AUC trả về bộ ba xác thực: RAND, SRES và Kc cho VLR mới.
MSC / VLR giữ hai tham số Kc và SRES để sử dụng sau này rồi gửi thông báo đến MS. MS đọc Khóa xác thực (Ki) của nó từ SIM, áp dụng số ngẫu nhiên nhận được (RAND) và Ki cho cả thuật toán xác thực của nó (A3) và Thuật toán tạo khóa mật mã (A8) để tạo ra Phản hồi đã ký xác thực (SRES) và Mật mã phím (Kc). MS lưu Kc để sử dụng sau này và sẽ sử dụng Kc khi nó nhận được lệnh mã hóa kênh.
MS trả về SRES đã tạo cho MSC / VLR. VLR so sánh SRES trả về từ MS với SRES dự kiến nhận được trước đó từ AUC. Nếu bằng nhau, thiết bị di động sẽ vượt qua xác thực. Nếu không bằng nhau, tất cả các hoạt động báo hiệu sẽ bị hủy bỏ. Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ giả định rằng xác thực được thông qua.

Mã hóa / Ciphering

Dữ liệu được mã hóa ở phía máy phát thành các khối 114 bit bằng cách lấy các cụm dữ liệu văn bản thuần túy 114 bit và thực hiện hoạt động hàm logic EXOR (Exclusive OR) với khối mật mã 114 bit.

Chức năng giải mã ở phía máy thu được thực hiện bằng cách lấy khối dữ liệu đã mã hóa gồm 114 bit và trải qua cùng một hoạt động "OR độc quyền" sử dụng cùng một khối mã hóa 114 bit đã được sử dụng ở máy phát.

Khối mật mã được sử dụng bởi cả hai đầu của đường truyền cho một hướng truyền nhất định được tạo ra tại BSS và MS bằng một thuật toán mã hóa gọi là A5. Thuật toán A5 sử dụng khóa mật mã 64 bit (Kc), được tạo ra trong quá trình xác thực trong quá trình thiết lập cuộc gọi và số khung TDMA 22 bit (COUNT) nhận các giá trị thập phân từ 0 đến 2715647 và có thời gian lặp lại là 3,48 giờ (khoảng siêu khung). Thuật toán A5 thực sự tạo ra hai khối mật mã trong mỗi khoảng thời gian TDMA. Một đường dẫn cho đường dẫn lên và đường kia cho đường dẫn xuống.

Khe thời gian đáng kinh ngạc

So le khe thời gian là nguyên tắc lấy tổ chức khe thời gian của đường lên từ tổ chức khe thời gian của đường xuống. Một khe thời gian cụ thể của đường lên được lấy từ đường xuống bằng cách dịch chuyển số khe thời gian của đường xuống ba.

Lý do

Bằng cách dịch chuyển ba khe thời gian, trạm di động tránh được quá trình 'truyền và nhận' đồng thời. Điều này cho phép việc triển khai trạm di động dễ dàng hơn; máy thu trong trạm di động không cần được bảo vệ khỏi máy phát của cùng một trạm di động. Thông thường, một trạm di động sẽ nhận trong một khoảng thời gian, và sau đó thay đổi tần số 45 MHz đối với GSM-900 hoặc 95 MHz đối với GSM-1800 để truyền vào một thời gian sau đó. Điều này ngụ ý rằng có một cơ sở thời gian cho đường xuống và một cơ sở cho đường lên.

Thời gian trước

Timing Advance là quá trình truyền sớm cụm từ BTS (thời gian tiến lên), để bù cho độ trễ lan truyền.

Tại sao nó là cần thiết?

Nó được yêu cầu vì sơ đồ ghép kênh phân chia theo thời gian được sử dụng trên đường dẫn vô tuyến. BTS nhận tín hiệu từ các trạm di động khác nhau rất gần nhau. Tuy nhiên, khi một trạm di động ở xa trạm BTS, thì trạm phát sóng đó phải xử lý sự chậm trễ trong việc truyền sóng. Điều quan trọng là điểm bùng phát nhận được tại BTS phải phù hợp chính xác với khoảng thời gian. Nếu không, các vụ nổ từ các trạm di động sử dụng các khe thời gian liền kề có thể trùng nhau, dẫn đến đường truyền kém hoặc thậm chí mất liên lạc.

Khi kết nối đã được thiết lập, BTS liên tục đo thời gian bù trừ giữa lịch trình bùng nổ của chính nó và lịch trình tiếp nhận của đợt bùng phát trạm di động. Dựa trên các phép đo này, BTS có thể cung cấp cho trạm di động thời gian tiến độ cần thiết thông qua SACCH. Lưu ý rằng tính trước thời gian bắt nguồn từ phép đo khoảng cách cũng được sử dụng trong quá trình bàn giao. BTS gửi một tham số tiến thời gian theo tiến độ thời gian nhận biết đến từng trạm di động. Mỗi trạm di động sau đó tăng thời gian của nó, với kết quả là các tín hiệu từ các trạm di động khác nhau đến BTS, và được bù cho độ trễ lan truyền.

Tiến trình Thời gian

Số 6 bit cho biết MS phải truyền bao nhiêu bit. Lần tạm ứng này là TA.
GP dài 68,25 bit (thời gian bảo vệ) của cụm truy cập cung cấp sự linh hoạt cần thiết để nâng cao thời gian truyền.
Thời gian trước TA có thể có giá trị dài từ 0 đến 63 bit, tương ứng với độ trễ từ 0 đến 233 micro giây. Ví dụ, MS ở cách trạm BTS 10 km phải bắt đầu truyền 66 micro giây sớm hơn để bù cho độ trễ của chuyến đi khứ hồi.
Phạm vi di động tối đa là 35Km được xác định bởi giá trị trước thời gian hơn là cường độ tín hiệu.