Концепция сотовой связи — GSM Radio Link

BTS и MS связаны через радиолинии, и этот радиоинтерфейс называется Um. Радиоволна подвержена затуханию, отражению, доплеровскому смещению и помехам от другого передатчика. Эти эффекты вызывают потерю уровня сигнала и искажения, которые влияют на качество голоса или данных. Чтобы справиться с суровыми условиями, GSM использует эффективную и защитную обработку сигналов. Надлежащая сотовая конструкция должна обеспечивать достаточное радиопокрытие в этой области.

Изменение уровня сигнала для мобильных устройств обусловлено различными типами затухания уровня сигнала. Существует два типа вариаций уровня сигнала.

• Макроскопические изменения — из-за контура местности между BTS и MS. Эффект затухания вызван затенением и дифракцией (изгибанием) радиоволн.

• Микроскопические изменения — из-за многолучевого, кратковременного или рэлеевского замирания. Когда MS движется, будут приниматься радиоволны с разных путей.

Макроскопические изменения — из-за контура местности между BTS и MS. Эффект затухания вызван затенением и дифракцией (изгибанием) радиоволн.

Микроскопические изменения — из-за многолучевого, кратковременного или рэлеевского замирания. Когда MS движется, будут приниматься радиоволны с разных путей.

Рэйли Фэйдинг

Рэлеевское затухание или макроскопические вариации могут быть смоделированы как добавление двух компонентов, которые составляют потерю пути между мобильной станцией и базовой станцией. Первый компонент — это детерминированный компонент (L), который добавляет потери к уровню сигнала при увеличении расстояния (R) между базой и мобильным устройством. Этот компонент может быть записан как —

L = 1 / R ⁿ

Где n обычно равно 4. Другим макроскопическим компонентом является нормальная случайная переменная Log, которая учитывает эффекты затенения теней, вызванные изменениями ландшафта и другими препятствиями на пути радиосвязи. Локальное среднее значение потерь на трассе = детерминированный компонент + логарифмическая нормальная случайная величина.

Микроскопические вариации или замирание Рэлея происходит, когда мобильное устройство перемещается на короткие расстояния по сравнению с расстоянием между мобильным устройством и базой. Эти кратковременные изменения вызваны рассеянием сигнала вблизи мобильной станции, скажем, на холме, в здании или на дороге. Это приводит ко многим различным путям, которые следуют между передатчиком и приемником (многолучевое распространение). Отраженная волна изменяется как по фазе, так и по амплитуде. Сигнал может эффективно исчезнуть, если отраженная волна не совпадает по фазе с сигналом прямого пути. Частичные несинфазные зависимости между несколькими принятыми сигналами приводят к меньшему снижению уровня принимаемого сигнала.

Эффекты Рэлея Fading

Отражение и многолучевое распространение могут вызывать положительные и отрицательные эффекты.

Передача / получение процессов

Существует два основных процесса, связанных с передачей и приемом информации по цифровому радиоканалу, кодированием и модуляцией.

Расширение покрытия

Многолучевое распространение позволяет радиосигналам проникать за холмы и здания в туннели. Конструктивные и деструктивные сигналы помех, принимаемые по многолучевым каналам, могут складываться или разрушать друг друга.

кодирование

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

• Кодирование речи или транскодирование
• Канальное кодирование или прямое кодирование с исправлением ошибок
• Чередование
• шифрование

Пакетное форматирование

Человеческая речь ограничена полосой от 300 Гц до 3400 Гц и подвергается частотной модуляции в аналоговых системах. В цифровых фиксированных системах PSTN речь с ограничением полосы частот дискретизируется с частотой 8 кГц, и каждая выборка кодируется в 8 битов, что приводит к 64 кбит / с (PCM A-Law of кодирование). Цифровое сотовое радио не может справиться с высокой скоростью передачи данных, используемой в системах PSTN. Умные методы для анализа и обработки сигналов были разработаны для снижения скорости передачи данных.

Свойства речи

Человеческую речь можно различить по элементарным звукам (фонемам). 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 все индивидуальные черты и интонации исчезнут. Чтобы сохранить отдельные функции, реальный объем передаваемой информации во много раз выше, но все еще составляет часть от 64 Кбит / с, используемых для PCM.

Основываясь на механизме производства фонем человеческих органов речи, можно создать простую модель производства речи. Похоже, что в течение короткого интервала времени 10–30 мс параметры модели, такие как период основного тона, вокализованный / невокализованный, коэффициент усиления и параметры фильтра, остаются примерно постоянными (квазистационарными). Преимущество такой модели заключается в простом определении параметров с помощью линейного прогнозирования.

Методы кодирования речи

Есть 3 класса методов кодирования речи

• Кодирование формы волны — Речь передается как можно лучше при кодировании формы волны. PCM является примером кодирования формы сигнала. Скорость передачи данных варьируется от 24 до 64 кбит / с, качество речи хорошее, и динамик можно легко распознать.

• Кодирование параметров — отправляется только очень ограниченное количество информации. Декодер, созданный в соответствии с моделью производства речи, регенерирует речь в приемнике. Для передачи речи требуется только от 1 до 3 кбит / с. Восстановленная речь понятна, но она страдает от шума, и часто говорящий не может быть распознан.

• Гибридное кодирование — гибридное кодирование представляет собой сочетание кодирования формы сигнала и кодирования параметров. Он объединяет сильные стороны обеих технологий, а GSM использует гибридную технику кодирования, называемую RPE-LTP (регулярное импульсное долгосрочное прогнозирование), что дает 13 Кбит / с на голосовой канал.

Кодирование формы волны — Речь передается как можно лучше при кодировании формы волны. PCM является примером кодирования формы сигнала. Скорость передачи данных варьируется от 24 до 64 кбит / с, качество речи хорошее, и динамик можно легко распознать.

Кодирование параметров — отправляется только очень ограниченное количество информации. Декодер, созданный в соответствии с моделью производства речи, регенерирует речь в приемнике. Для передачи речи требуется только от 1 до 3 кбит / с. Восстановленная речь понятна, но она страдает от шума, и часто говорящий не может быть распознан.

Гибридное кодирование — гибридное кодирование представляет собой сочетание кодирования формы сигнала и кодирования параметров. Он объединяет сильные стороны обеих технологий, а GSM использует гибридную технику кодирования, называемую RPE-LTP (регулярное импульсное долгосрочное прогнозирование), что дает 13 Кбит / с на голосовой канал.

Кодирование речи в GSM (Транскодирование)

PCM 64 кбит / с, перекодированный из стандартного A-закона, квантованного 8 битов на выборку, в линейно квантованный поток битов 13 битов на выборку, который соответствует скорости передачи 104 кбит / с. Поток 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 составляет 13 кбит / с. Это обеспечивает качество речи, приемлемое для мобильной телефонии и сопоставимое с проводными телефонами PSTN. В GSM 13Kbps речевое кодирование называется полноскоростными кодерами. В качестве альтернативы, для повышения пропускной способности также доступны кодеры с половинной скоростью (6,5 кбит / с).

Канальное кодирование / сверточное кодирование

Канальное кодирование в GSM использует 260 битов из речевого кодирования в качестве входных данных для канального кодирования и выводит 456 кодированных битов. Из 260 битов, создаваемых речевым кодером RPE-LTP, 182 классифицируются как важные биты, а 78 — как неважные биты. Опять же, 182 бита делятся на 50 наиболее важных битов и блочно кодируются в 53 бита, и к ним добавляются 132 бита и 4 хвостовых бита, что в сумме составляет 189 битов перед выполнением сверточного кодирования 1: 2, преобразуя 189 битов в 378 битов. Эти 378 бит добавляются с 78 неважными битами, в результате чего получается 456 бит.

Чередование — Первый уровень

Канальный кодер предоставляет 456 битов на каждые 20 мс речи. Они чередуются, образуя восемь блоков по 57 бит в каждом, как показано на рисунке ниже.

В нормальном пакете могут быть размещены блоки из 57 битов, и если 1 такой пакет потерян, то будет 25% BER на все 20 мс.

Чередование — Второй уровень

Второй уровень чередования был введен для дальнейшего снижения возможного КОБ до 12,5%. Вместо отправки двух блоков по 57 бит из одной и той же 20 мс речи в одном пакете, блок из одной 20 мс и блок из следующей выборки из 20 мс отправляются вместе. Задержка вводится в систему, когда MS должна ждать следующие 20 мс речи. Однако теперь система может позволить себе потерять весь пакет из восьми, поскольку потери составляют только 12,5% от общего количества битов в каждом речевом кадре длительностью 20 мс. 12,5% — это максимальный уровень потерь, который может исправить канальный декодер.

Шифрование / Шифрование

Целью шифрования является кодирование пакета, чтобы он не мог быть интерпретирован никакими другими устройствами, кроме приемника. Алгоритм шифрования в GSM называется алгоритмом A5. Он не добавляет биты в пакет, что означает, что вход и выход в процессе шифрования совпадают с входом: 456 бит на 20 мс. Подробная информация о шифровании доступна в рамках специальных функций GSM.

Мультиплексирование (пакетное форматирование)

Каждая передача с мобильного / BTS должна включать некоторую дополнительную информацию наряду с основными данными. В GSM добавляется 136 бит 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, так что информация может передаваться на радиочастотном носителе. В GSM используется метод гауссовой минимизации сдвига (GMSK). Несущая частота сдвигается на +/- B / 4, где B = битрейт. Однако, используя фильтр Гаусса, уменьшает ширину полосы до 0,3 вместо 0,5.

Особенности GSM

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

• Аутентификация
• шифрование
• Слот времени шатается
• Сроки Прогресс
• Прерывистая передача
• Управление питанием
• Усыновление
• Медленная скачкообразная перестройка частоты

Аутентификация

Поскольку радиоинтерфейс уязвим для мошеннического доступа, необходимо использовать аутентификацию перед распространением услуг на абонента. 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. Для неуполномоченных лиц практически невозможно получить этот ключ для выдачи себя за данного мобильного абонента.

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

Ключ аутентификации (Ki) никогда не передается по воздуху. Для неуполномоченных лиц практически невозможно получить этот ключ для выдачи себя за данного мобильного абонента.

Параметры аутентификации

MS аутентифицируется VLR с процессом, который использует три параметра —

• RAND, который является совершенно случайным числом.

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

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

RAND, который является совершенно случайным числом.

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

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

Эти параметры (называемые триплетом аутентификации) генерируются AUC по запросу HLR, к которому принадлежит абонент. 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, используя IMSI, извлекает ключ аутентификации подписчиков (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к ключу шифрования, алгоритм генерации (A8) для создать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). AUC затем возвращает триплет аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

• MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для последующего использования, а затем отправляет сообщение в MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет принятое случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8), чтобы создать ответ с подписью аутентификации (SRES) и шифр ключ (Kc). MS сохраняет Kc на потом 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 равен, мобильный телефон проходит аутентификацию. Если неравенство, все действия сигнализации будут прерваны. В этом случае мы будем предполагать, что аутентификация пройдена.

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

AUC, используя IMSI, извлекает ключ аутентификации подписчиков (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к ключу шифрования, алгоритм генерации (A8) для создать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). AUC затем возвращает триплет аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для последующего использования, а затем отправляет сообщение в MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет принятое случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8), чтобы создать ответ с подписью аутентификации (SRES) и шифр ключ (Kc). MS сохраняет Kc на потом 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 равен, мобильный телефон проходит аутентификацию. Если неравенство, все действия сигнализации будут прерваны. В этом случае мы будем предполагать, что аутентификация пройдена.

Шифрование / Шифрование

Данные зашифровываются на стороне передатчика в блоках по 114 бит путем взятия 114-битных пакетов данных простого текста и выполнения операции логической функции EXOR (исключающее ИЛИ) с 114-битным блоком шифра.

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

Блок шифрования, используемый обоими концами пути передачи для данного направления передачи, создается на BSS и MS алгоритмом шифрования, называемым 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. (гиперкадровый интервал). Алгоритм A5 фактически создает два блока шифрования в течение каждого периода TDMA. Один путь для пути восходящей линии связи и другой для пути нисходящей линии связи.

Слот времени шатается

Сдвиг временных интервалов является принципом получения организации временных интервалов восходящей линии связи из организации временных интервалов нисходящей линии связи. Конкретный временной интервал восходящей линии связи получается из нисходящей линии путем сдвига номера временного интервала нисходящей линии связи на три.

причина

Сдвигая три временных интервала, мобильная станция избегает процессов «передачи и приема» одновременно. Это позволяет упростить реализацию мобильной станции; приемник в 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 95 МГц для GSM-1800 для передачи через некоторое время. Это подразумевает, что существует одна временная база для нисходящей линии связи и одна для восходящей линии связи.

Сроки Прогресс

Timing Advance — это процесс ранней передачи пакета в BTS (опережение синхронизации), чтобы компенсировать задержку распространения.

Зачем это нужно?

Это требуется из-за схемы мультиплексирования с временным разделением, используемой в радиоканале. 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 на BTS, правильно помещался во временной интервал. В противном случае пакеты от мобильных станций, использующих соседние временные интервалы, могут перекрываться, что приведет к плохой передаче или даже к потере связи.

Как только соединение установлено, BTS непрерывно измеряет временной сдвиг между своим собственным расписанием пакета и графиком приема пакета мобильной станции. Основываясь на этих измерениях, BTS может предоставить мобильной станции требуемое опережение по времени через SACCH. Обратите внимание, что опережение синхронизации получается из измерения расстояния, которое также используется в процессе передачи обслуживания. BTS отправляет параметр опережения синхронизации в соответствии с воспринятым опережением синхронизации каждой мобильной станции. Каждая из мобильных станций затем увеличивает свое время, в результате чего сигналы от разных мобильных станций поступают на BTS и компенсируются задержкой распространения.

6-битное число указывает, сколько бит MS должна продвигать свою передачу. На этот раз заранее ТА.

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

TA с опережением времени может иметь значение длиной от 0 до 63 бит, что соответствует задержке от 0 до 233 микросекунд. Например, MS на расстоянии 10 км от BTS должна начать передачу на 66 микросекунд раньше, чтобы компенсировать задержку приема-передачи.

Максимальный диапазон мобильной связи в 35 км скорее определяется значением опережения синхронизации, чем силой сигнала.