Стандарт GSM900

 

• 1-й и 22-й пакеты содержат по 6 бит  каждый;

 

• 2-й и 21-й пакеты содержат по 12 бит  каждый;

 

• 3-й и 20-й пакеты содержат по 18 бит  каждый;

 

• пакеты с 4-го по 19-й содержат по 24 бит  каждый.

 

В результате каждый пакет переносит  информацию из 5 или 6 последовательных блоков данных.

 

Медленная скачкообразная перестройка частоты

 

Выше  было сказано, что информационному  каналу выделяется определенная частота как для передачи, так и для приема данных. Это не совсем верно. В GSM и во многих других сотовых схемах используется технология, известная как медленная скачкообразная перестройка частоты, которая призвана повысить качество сигнала. Каждый следующий кадр TDMA в данном канале переносится на своей несущей частоте. Таким образом, частота передачи изменяется один раз каждые 4,615 мс. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет скомпенсировать эффект многолучевого замирания, который зависит от несущей частоты. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет также уменьшить эффект интерференции соседних каналов. Напомним, что эта технология является разновидностью связи с расширенным спектром.

 

Выравнивание  задержек

 

Поскольку мобильные устройства находятся  на разных расстояниях от базовой  станции в пределах одной ячейки, передаваемые ими данные приходят с f разными задержками. Это явление создает проблемы при проектировании системы, так как один кадр TDMA одновременно использует до восьми мобильных устройств. Потому решающее значение имеет синхронизация слотов кадра. Базовая станция передает разным мобильным устройствам управляющие сигналы, которые позволяют синхронизировать распределение слотов. В формате кадра предусмотрены остаточные биты и защитные биты, которые обеспечивают зазор, позволяющий предотвратить перекрывание битов данных из разных слотов. Базовая станция может синхронизировать любое активное мобильное устройство, посылая управляющие сигналы, в которых будет указано, следует ускорить или замедлить отсчет времени.

 

Протокольная  архитектура передачи сигналов GSM

 

Между ключевыми объектами, изображенными  на рис. 2.14, связанными с мобильностью, радиоресурсами и управлением соединением, происходит интенсивный обмен управляющими сообщениями. Подробное описание различных форматов и семантики сообщений заняло бы целую книгу. Здесь будет представлен только краткий обзор структуры, из которого станет видна сложность проектирования систем второго поколения.

 

На  рис. 2.17 обобщаются протоколы, используемые между основными элементами архитектуры сети. Нижний уровень архитектуры предназначен для физической связи между объектами. Между мобильной станцией и базовой станцией-трансивером действует радиосвязь, описанная в предыдущих разделах, посредством которой переносятся данные высших уровней. Между другими объектами используется стандартный цифровой канал со скоростью передачи данных 64 Кбит/с.

 

 

Рисунок 2.17 - Протокольная архитектура передачи сигналов GSM

 

На  канальном уровне используется протокол управления каналом передачи иных (см. рис. 4.3), известный как LAPDm. Он представляет собой модифицированную версию протокола LAPD, определенного для сети ISDN (Integrated Services gital Network — цифровая сеть с интеграцией услуг). Оставшиеся каналы связи пользуют обычный протокол LAPD. По сути, протокол LAPD разработан для образования потенциально ненадежных физических каналов связи в надежные малы передачи данных. Осуществляется это посредством использования циклической проверки четности с избыточностью, которая проводится для обнаружения ошибок, а также автоматического запроса на повторение (ARQ) для повторной передачи поврежденных кадров.

 

Над канальным уровнем размещено  множество протоколов, которые обеспечивают выполнение особых функций, включая перечисленные ниже.

 

• Управление радиоресурсами. Управление установкой, эксплуатацией и удалением радиоканалов, включая переключения.

 

• Управление мобильностью. Процедуры  обновления и регистрации местоположения, а также защита и аутентификация.

 

• Управление соединением. Управление заказом, обслуживанием и завершением  звонков (соединений между пользователями).

 

• Мобильная прикладная часть (mobile application part — MAP). Осуществление передачи большинства сигналов между различными объектами, находящимися в фиксированных точках сети, например между регистром HLR и регистром VLR.

 

• Управление базовой трансиверной станцией. Выполнение различных функций управления и административных функций на базовой трансиверной станции под руководством контроллера базовых станций.

 

MAP находится не непосредственно  над канальным уровнем, а над  двумя промежуточными протоколами, SCCP и МТР. Эти протоколы являются  частью Системы передачи сигналов  номер 7 (SSN7), которая представляет  собой набор протоколов, разработанных  для обеспечения контроля над  передачей сигналов а коммутируемых сетях, таких, как цифровые общественные телекоммуникационные сети. Эти протоколы обеспечивают выполнение общих функций, которые используются различными приложениями, включая MAP.

 

CDMA

 

Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым делением. В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк и каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. Эта система использует наборы каналов шириной 1.23МГц. Голос кодируется на скорости 8.55кбит/с, но определение голосовой активности и различные скорости кодирования могут урезать поток данных до 1200бит/с. В системах CDMA могут установливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала, теоретически - сигнал может быть слабее чем уровень шума. 
CDMA

Рассмотрим стандарт CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемый в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США.

Изначально  система связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах частот 824-849 МГц (обратный канал) и 869-894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире, - 1,25 МГц.

Передача  речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При  этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.

Широкополосной  называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую  полосу частот, значительно превосходящую  ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация  может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается  в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС (рис. 7). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью t0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

 

Рис. 7. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

 

Этот  способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала  применяется цифровая последовательность.

Сущность  широкополосной связи состоит в  расширении полосы частот сигнала, передаче ШПС и выделении из него полезного  сигнала путем преобразования спектра  принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

Перемножение  принятого сигнала и сигнала  такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался  в передатчике, сжимает спектр полезного  сигнала и одновременно расширяет  спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта 1S-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные  коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы состоит в том, что  каждая ее строка ортогональна любой  другой или строке, полученной с  помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко- близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

В технических решениях компании Qualcomm расширение спектра обеспечивается за счет модуляции сигнала псевдослучайной последовательностью с частотой следования дискретов 1,23 МГц. Более точно эта частота составляет 1,2288 МГц, причем 1228,8 = 9,6х128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дискретов псевдослучайной модулирующей последовательности. Полоса сигнала с расширенным спектром по уровню 3 дБ составляет 1,23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Для модуляции сигнала используется три вида функций: «короткая» и «длинная»  ПСП и функции Уолша порядков от 0 до 63. Все они являются общими для базовых и мобильных станций, однако реализуют разные функции (табл. 3).

Таблица 3. Параметры кодовых последовательностей  в стандарте IS-95

 

На  рис. 8 представлены графики функций  Уолша восьми первых порядков. Длина короткой ПСП составляет 215-1 = 32767 знаков, длинной ПСП - 242-1 = 4,4х1012 знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

 

Рис. 8. Графики функций Уолша восьми первых порядков

 

В прямом канале (от БС к подвижной, рис. 9) модуляция сигнала функциями  Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС.

Рис. 9. Схема обработки сигналов в  передающем тракте базовой станции

 

Различение  сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и  ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом  на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

 

На  БС формируется 4 типа каналов: канал  пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН). Число одновременно передаваемых каналов и их параметры указаны в табл. 4.

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W0). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.