Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

Главная проблема при использовании  цифровых сигналов для передачи аналоговой информации заключается в том, что  какая-то ее часть пропадает из-за дискретизации, т. е. представления  этой информации дискретными отсчетными значениями. При этом, с одной стороны, очевидно, что при более частых отсчетах совокупность отсчетных значений ближе к исходной передаваемой информации.

Однако, с другой стороны, слишком частая дискретизация приводит к существенному увеличению объема передаваемой информации, а следовательно, — к неизбежному росту сложности и стоимости системы. Значит, необходим разумный компромисс между точностью и сложностью, обеспечивающий возможность передачи информации с приемлемым качеством (в данном случае — разборчивостью речи) при не слишком высоких затратах на развертывание и эксплуатацию системы.

Как следует из теоретических  выводов, для корректной дискретизации  отсчетные значения следует брать  с частотой, как минимум в два  раза превышающей наивысшую частоту в спектре передаваемого сигнала 1. Если принять наивысшую частоту спектра речевых сигналов равной 3,4 кГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 6,8 кГц. На основании многочисленных исследований свойств речевых сигналов в системах мобильной связи в настоящее время принято значение частоты дискретизации

 f_д = 8 кГц.

Поскольку аналоговое сообщение может принимать бесконечное  и непрерывное множество значений, то его передача с помощью цифровых сигналов возможна лишь с конечной точностью. Поэтому весь диапазон значений аналогового сигнала разбивается на определённое число так называемых разрешенных уровней и производится квантование этого сигнала, т.е. замена измеренного отсчетного значения одним из разрешенных уровней. При этом возникает ошибка квантования, значение которой зависит от числа разрешенных уровней.

В стандарте GSM используется 13 - разрядное квантование, при котором общее число возможных комбинаций равно 213 = 8192. При этом квантованные значения представляются в виде двоичного 13-разрядного кода. Например, значение 2157 кодируется как 0100001101101. Каждый двоичный разряд обычно называется бит (binary digit). Процесс дискретизации и квантования аналоговых сообщений называется аналого-цифровым преобразованием.

При приеме производится обратное цифроаналоговое преобразование сигнала, заключающееся в восстановлении из дискретизированных и квантованных значений аналогового сообщения. Разумеется, при таком преобразовании также неизбежно возникает ошибка, состоящая в том, что в восстановленном сообщении появляется некая информации, которая отсутствовала в исходном сообщении.

Результатом аналого-цифрового  преобразования сигнала является формирование цифрового (т.е. состоящего из нулей  и единиц) потока, имеющего скорость на одного абонента

 

8000 кГц х 13 бит 1 104000 бит/с = 104 Кбит/с.

 

Однако поскольку  на одной частоте могут работать до восьми абонентов, суммарная скорость потока

 

z = 8 х 104 Кбит/с  = 832 Кбит/с.

 

Такая большая  скорость неприемлема для обеспечения  проектирования и эксплуатации системы связи с разумной экономической эффективностью. Снижение указанного значения может быть достигнуто использованием методов сегментации и речевого кодирования.

Речеобразующий  тракт человека можно представить  в виде совокупности генераторов  основных тонов и множества фильтров (гортань, язык, зубы и т.п.), воздействующих на эти тона и формирующих уникальную речь.

Основная идея состоит в том, чтобы посылать в канал связи информацию о  первоначальных тонах и фильтрах, а при приеме воспроизводить исходную речь на основании таких данных.

Информация  о параметрах голосового тракта посылается 50 раз в секунду. За время 20 мс структура  тракта практически не изменяется, поэтому речевой сигнал в этом случае можно считать стационарным процессом, а посылаемые параметры — постоянными. Таким образом, вместо использования 13 бит на каждый отсчет (с частотой дискретизации 8 кГц) в стандарте GSM с частотой 50 Гц производится 260-битное кодирование параметров речи. При этом результирующая скорость передачи информации от одного абонента

 

50 Гцх260 бит = 13000 бит/с = 13 Кбит/с,

 

а суммарная скорость передачи

 

Ј = 8 х 13 Кбит/с = 104 Кбит/с.

 

Это значение скорости уже приемлемо с точки зрения ресурсов системы и в тоже время  обеспечивает качество речи, сравнимое  с качеством речи проводных телефонов. Существенным шагом, ведущим к сокращению скорости передачи информации, является отказ от посылки в канал связи кодеров, различающихся как по параметрам кодируемой речи, так и по самим принципам кодирования. Одни из них предлагают лучшее качество речи за счет более высокой скорости передачи информации (волновые), а другие, использующие сложные алгоритмы обработки, характеризуются умеренным качеством, но имеют низкую стоимость. Стандарт GSM предполагает использование гибридного кодера, работающего по принципу линейного кодирования с предсказанием — ЛКП (LCP — Linear Predictive Coding) и обеспечивающего достаточно хорошее качество речи при относительно низкой скорости передачи информации. Коротко рассмотрим принцип его работы.

Основной идей, лежащей в основе работы ЛКП-вокодеров, является устранение или, по крайней мере, существенное уменьшение избыточности речевых сообщений, т. е. устранение из речи некоторых элементов, которые можно предсказать на приемном конце. Уменьшение избыточности, как правило, проводится в три этапа.

На первом этапе из речи удаляются форманты — колебания  с частотами голосовых резонаторов. Считается, что в интервале времени  до 20 мс состояние речеобразующего  аппарата практически не меняется и, следовательно, параметры формант изменяются незначительно, поэтому речевой сигнал разделяется на сегменты длительностью 20 мс. Для каждого такого сегмента формируется фильтр кратковременного предсказания, называемый также кратковременным анализатором и характеризуемый совокупностью своих параметров, на выходе которого получают первый остаточный сигнал.

Несмотря на то, что из сигнала Х удалены колебания-форманты, он, тем не менее, содержит периодические колебания с частотой основного тона (т.е. с частотой подачи воздуха в гортань), лежащей в диапазоне 50...400 Гц. Поэтому на втором этапе используют анализатор основного тона, называемый также фильтром долговременного предсказания, который в течение второго этапа удаляет из сигнала Х основной тон. При этом на его выходе получают второй остаточный сигнал х2, содержащий лишь непериодические (шумовые) компоненты.

Третий этап заключается  в представлении второго остаточного  сигнала х2 каким-либо простым образом. Для этого существует два основных способа. В первом способе сигнал х2 подвергается децимации (прореживанию), т. е. в этом случае часть отсчетов выбрасывается, а оставшиеся отсчеты, например каждый третий, передаются по каналу связи. Такой способ называется возбуждением регулярной последовательности (RPE — Regular Pulse Excitation). Второй способ — векторное возбуждение (VSE — Vector Set Excitation) — заключается в том, что сигнал х2 заменяется (аппроксимируется) некоторой кодовой последовательностью нулей и единиц.

Итак, с выхода вокодера цифровой поток со скоростью 104 Кбит/с поступает на один частотный канал. Однако формирование цифровых данных рассматривалось без учета проблем, возникающих при передаче сигналов по радиоканалу. Канальное кодирование и перемежение позволяют в значительной степени преодолеть указанные проблемы.

 

 

2.7 Основные сравнительные характеристики и особенности стандартов GSM 900 и GSM 1800

 

 

Услуги мобильной  связи основаны на базовом стандарте GSM – 1800/900, поэтому сначала рассмотрим характеристики базового стандарта GSM, как основы создания СМС на заданной территории.

Основные технические  характеристики стандарта GSM – 1800/900 приведены в таблице 2.1.

В данном стандарте  предусматриваются серьезные меры для обеспечения устойчивой связи  в сложных условиях распространения  радиоволн (движение передатчика и приемника, препятствия на пути распространения радиоволн). К таким мерам относятся: пространственно-разнесенный прием и медленные скачки по частоте в течение сеанса связи, а также управление мощностью, излучаемой передатчиком. Команды управления мощностью формируются специальной системой, которая контролирует уровень сигнала на входе приемника. Медленные скачки по частоте осуществляются с частотой 217 Гц.

 

Таблица 2.1 - Основные технические характеристики стандарта GSM

Название стандарта	GSM-1800	GSM-900
Полоса передаваемых частот БС, МГц	1805...1880	935...960
Полоса передаваемых частот МС, МГц	1710...1785	890...915
Разнос частот, МГц	95	45
Расстояние  между РЧ несущими, МГц	0,2
Общее число  дуплексных каналов	374	124

 

Продолжение таблицы 2.1

Максимальная ЭИИМ БС, Вт	30	50
Номинальная мощность передачи МС, Вт	0,125...1	1...8
Реальный радиус сот, км в городе на открытой местности	0,2...1,5 5,0...15	0,5...5 10...35
Метод множественного доступа	МДВР/МДЧР
Число информ. каналов  на одной несущей	8
Модуляция	ГММС
Скорость передачи в радиоканале, кБит/с	270,8
Скорость передачи данных, кБит/с	9,6
Чувствительность  приемника, дБм	-90...-130
Допустимое  отношение сигнал-помеха, дБ	9

 

В системе может применяться  пространственно-разнесенный прием  на две антенны, устанавливаемые на базовых станциях, что приводит к существенному улучшению технических показателей.

В стандарте GSM полоса частот, отведенная на один частотный канал, составляет 200 кГц. В стандарте GSM – 900 используется 124 частотных канала, в GSM – 1800 их 374. Полоса частот, занимаемая на прием (или передачу), составляет 25 МГц в GSM – 900 и 75 МГц в GSM – 1800. Дуплексный разнос частот составляет 45 МГц в GSM – 900 и 95 МГц в GSM – 1800.

В канале с номером k средняя частота приема БС f_k = f_k0+0,2×k, МГц. Здесь f_k0 = 890; k = 1,2,…124 для GSM – 900 и f_k0 = 1710; k = 1,2,…374 для GSM – 1800. Средняя частота передачи в k-ом радиоканале f_k^* = f_k+45, МГц.

В каждом из этих радиоканалов применяется многостанционный доступ (МД) с временным разделением  каналов (МДВР). Таким образом, в системе организован комбинированный МД типа МДЧР/МДВР. Временные структуры МДВР: временной интервал, кадр, мультикадр, суперкадр и гиперкадр. Временная структура сигнала показана на рисунке 2.4.

 

                 

 

Рисунок 2.4 -  Временная структура сигнала

 

Кадры объединяются в мультикадры первого типа для  передачи речи с полной скоростью.

Длительность  мультикадра первого типа T_м1=26T = 120 мс показана на рисунке 2.5. Такой мультикадр организуется для каналов трафика и совмещенных с ним каналов управления. Для обозначения каналов трафика используется аббревиатура TCH от их английского названия (Traffic Channel). По каналам трафика передаются речевые сигналы: T – временные интервалы, предназначенные для TCH; S – кадр №13, выделен для канала управления SACCH – медленный совмещенный канал управления; I – кадр №26 свободный является холостым, в нем ничего не передают.

 

 

               

Рисунок 2.5 - Формат мультикадра первого типа

 

Структура мультикадра  на линии вверх и вниз одинакова со сдвигом начала на линии вверх ни три временных интервала, поскольку АС не может передавать и принимать одновременно. В соте передают по восемь каналов трафика на каждой несущей, за исключением одной.

Мультикадр  второго типа организуется для каналов управления, не связанных с каналами трафика. Структура этого мультикадра показана на рисунке 2.6 и включает: F – FCCH сигнал для коррекции частоты; S – SCH сигнал кадровой синхронизации; B – BCCH основные команды по управлению передачей, широковещательные; С – СССH общие каналы.

Длительность  мультикадра второго типа Т_м2 = 51Т_к = 235,385 мс. Мультикадры объединяются в суперкадры. Суперкадр содержит 51 мультикадр первого типа и 26 мультикадров второго типа, длительность суперкадра Т_ск = 6,12с.