Обзор системы gsm
 Скачать 3.58 Mb.
|
2.5 Процесс передачи в системе GSMНа рис. 2.23 представлен процесс передачи в системе стандарта GSM.  Рис 2.23. Процесс передачи в системе GSM Условно процесс передачи в системе GSM можем разделить на несколько этапов.
2.5.1. Аналого-цифровое преобразование. (Analog To Digital (A/D) Conversion)Одним из первых шагов работы MS является шаг преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму: A/D Conversion. Результатом преобразования аналогового сигнала в цифровую форму является набор битов, среди которых присутствуют нули и единицы.  Рис. 2.24. А/Ц преобразование Процесс преобразования речи в цифровой сигнал носит название ИКМ (Импульсно кодовой модуляции). Процесс ИКМ включает в себя три основных этапа:
2.5.1.1 Дискретизация (Sampling)Дискретизация или формирование выборки сигнала означает измерение уровня аналогового сигнала в определённые временные интервалы.  Рис. 2.25. Формирование выборки сигнала Точность описания аналогового сигнала в терминах "цифра", зависит от того, как часто осуществляется выборка сигнала. Последнее определяется частотой формирования выборки сигнала. Теорема Котельникова гласит, что для передачи сигнала с ограниченным спектром без искажений необходимо производить определение уровня сигнала с частотой, равной двум частотам наивысшей гармоники аналогового сигнала. Обычная речь, передаваемая в телефонии, содержит частоты, лежащие в диапазоне от 300 до 3400 Гц. Мощность наивысшей частоты речи невелика, поэтому может не приниматься во внимание. Согласно теории дискретизации аналоговых сигналов частота формирование выборки сигнала должна равняться 2*3.4 кГц = 6.8 кГц. В телекоммуникационных системах частота дискретизации составляет 8 кГц, что удовлетворяет предъявляемым требованиям. 2.5.1.2 Квантование (Quantization)Следующий этап – этап квантования. Квантование позволяет каждому полученному при дискретизации отсчёту (уровню сигнала) присвоить конкретное значение. В связи с этим амплитуда сигнала во время его дискретизации измеряется, а затем сопоставляется в заранее известным уровнем сигнала, таким образом абсолютное значение измеренного сигнала заменяется на конкретное значение - номер уровня заранее известной последовательности. На рис. 2.26. схематично представлено квантование аналогового сигнала. Может показаться, что при аппроксимации сигнала вносится ошибка передачи достоверного сигнала. Последнее зависит от количества уровней квантования. Следует отметить, что в обычной телефонии используется 256 уровней квантования, в то время как в системе GSM используется 8192 уровней.  Рис 2.26 Процесс квантования 2.5.1.3 Кодирование (Coding)Процесс кодирования включает в себя преобразование квантованных значений в бинарный код 1/0. Каждое значение представляется бинарным кодом из 13 бит (  ). Например, значению 2157 будет соответствовать число 0100001101101. Рис 2.27 Представление числа 2157 двоичным кодом Результатом аналого-цифрового преобразования является оцифровка 8000 отчётов за секундный интервал и представление каждого отсчёта в виде бинарного кода длинной в 13 бит. Последнее в терминах скорости передачи данных соответствует скорости в 104 кбит/сек. В случае, если 8 абонентов используют один радиоканал (одну несущую), то общая скорость передачи составляет 8*104 кбит/сек = 832 кбит/сек. Исходя из того, что за одну секунду (одно колебание частотой один Герц) передаётся 1 бит информации и, учитывая, что полоса радиоканала составляет 200 кГц, можно увидеть, что 8 абонентов не могут быть обслужены со скоростью 832 кбит/сек.. Для осуществления передачи абонентской информации с требуемой скоростью в системе GSM осуществляется сегментация и речевое кодирование. 2.5.2. Сегментация (Segmentation)Основным методом уменьшения скорости битового потока, представляющего собой закодированную речь, является передача информации о речи, а не самой речи, то есть в системе GSM непосредственно речевые сигналы не передаются. Вместо речи предаются параметры речи: тон (частота речевого сигнала), продолжительность конкретного тона, высота звука (уровень речевого сигнала)…. Параметры речи после их генерации передаются через сеть к другой MS, которая воспроизводит речь по полученным параметрам речи. Ниже более подробно представлено описание процессов сегментации и речевого кодирования. Процесс воспроизведения человеческой речи начинается с вокального аккорда, производимого генерирующим тональные сигналы речевым органом. Такие речевые органы как рот, язык, зубы и т.д. работают как фильтр, изменяя природу данного тона. Цель речевого кодирования в системе GSM заключается в передачи только информации об оригинальном тоне и о фильтрах. Поскольку речевые органы являются достаточно инерционными параметры фильтра, представляющего речевые органы, остаются постоянными в течение минимум 20 мсек. В связи с этим при речевом кодировании в системе GSM используется блочное кодирование с длительностью каждого блока в 20 мсек.  Рис 2.28 Сегментация и речевое кодирование Кодирование осуществляется одним набором битов. На самом деле данный процесс похож на оцифровку речи с частотой 50 раз в секунду вместо 8000, как это используется при стандартном аналого-цифровом преобразовании.
Вместо использования кодирования последовательностью из 13 битов, применяемого в аналого-цифровом преобразовании, в речевом кодировании используется кодирование последовательностью из 260 битов. Следовательно, общая скорость передачи информации о речи составляет 50*260 = 13 кбит/сек. Данное кодирование обеспечивает удовлетворительное качество речи, которое приемлемо в мобильной телефонии и сравнимо с качеством проводных линий сетей общего пользования PSTN.  Рис 2.29 Зависимость качества речи от скорости кодирования В настоящее время существует множество различных речевых кодеров. Некоторые кодеры являются высококачественными с большей скоростью кодирования (waveform coders – кодирование формы сигнала). Некоторые кодеры обладают низким качеством, но обеспечивают меньшую скорость кодирования (vocoders). В системе GSM используются гибридные кодеры (Hybrid Coders), которые обеспечивают удовлетворительное качество речи при относительно малой скорости кодирования. Речевой GSM кодер осуществляет кодирование со скоростью 13 кбит/сек для одного абонента. Следовательно, 8 абонентов при использовании одной несущей будут обслуживаться со скоростью 8*13 кбит/сек = 104 кбит/сек. Оптимальность такого метода кодирования особенно заметна при сравнении с кодированием при аналого-цифровом преобразовании со скоростью 832 кбит/сек. Однако речевое кодирование не защищает передаваемую информацию от искажения и ошибок при её передаче через радиоэфир. Для защиты речи от этих негативных явлений используются другие методы:
 Рис. 2.30. Канальное кодирование Канальное кодирование в системе GSM использует 260 бит, получаемых после речевого кодирования, как входную величину, и преобразует в последовательность, состоящую из 456 бит. 260 бит информации распределяются согласно их относительной важности:
Первый блок, состоящий из 50 бит, передаётся через кодер (устройство блочного кодирования), который добавляет ещё 3 бита для проверки четности, следовательно, получается последовательность из 53 битов. Эти 3 бита предназначаются для обнаружения ошибок в принимаемом сообщении. После блочного кодирования 53 бита первого блока и 132 бита второго блока плюс 4 хвостовых бита (в общем 189 бит) передаются в свёрточный кодер 1:2, на выходе которого получается 378 бит информации. Добавленные биты при свёрточном кодировании позволяют исправлять ошибки при приёме сообщений. Остальные же биты третьего блока не защищены.
2.5.5.1. Первый уровень перемеженияСледует отметить, что канальный кодер осуществляет кодирование последовательностью из 456 битов для каждых 20 мсек. речи. После этого осуществляется интерливинг, в результате чего формируется 8 блоков по 57 бит каждый. См. рис 2.31. Как показано на рис 2.32 в обычном пакете (normal burst) есть пространство для двух таких речевых блоков (по 57 бит). Назначение остальных битов будет рассматриваться ниже. Таким образом, если один из этих блоков теряется, это будет соответствовать 25 % BER внутри интервала речи продолжительностью 20 мсек. (2/8 = 25%)  Рис. 2.31. Интерливинг кодированной речи в интервале 20 мсек.  Рис. 2.32. Normal burst (обычный интервал) 2.5.5.2. Второй уровень интерливинга Рис. 2.33. Речевой кадр  Рис. 2.34. Второй уровень интерливинга Как указывалось выше, при первом уровне интерливинга результирующие потери составляют 25%. Последнее слишком велико для осуществления корректировки в канальном кодере. Введение второго уровня интерливинга позволяет снизить BER до 12.5 %. Вместо передачи двух блоков по 57 бит речевого сообщения для интервала 20 мсек. внутри одного пакета, система передаёт один блок информации из одного 20 миллисекундного речевого сообщения и один блок информации из другого 20 миллисекундного речевого сообщения вместе. Такая одновременная передача организует в системе задержку в 20 мсек., вследствие чего MS должна ждать следующие 20 мсек. речи. Однако система при потере всего пакета (burst) теряет только 12.5% бит каждого временного кадра. Последнее хорошо исправляется канальным кодером.
Цель шифрования (Ciphering/Encryption) заключается в зашифровке речевого пакета (burst) таким образом, чтобы никто другой не смог расшифровать данное сообщение при использовании различных внешних декодеров. Алгоритм шифрования в системе GSM называется алгоритмом А5. Данный алгоритм не осуществляет добавления каких-либо дополнительных битов, следовательно, на выходе мы имеем те же 456 бит речевого сообщения для интервала 20 мсек.
Как указывалось выше, каждая передача информации от MS/BТS содержит излишнюю информацию (тестовую последовательность). Процесс форматирования пакета заключается в добавлении этих битов (среди которых имеются хвостовые биты) к основной передаваемой информации, увеличивая тем самым скорость (bit rate) кодирования, но в то же самое время решая проблемы, возникающие при передаче информации через радиоэфир. В системе GSM входной информацией для форматирования пакета является шифрованная информация объемом в 456 бит. Процедура форматирования пакета добавляет ещё 136 бит на блок из 20 мсек., в общем преобразуя исходное сообщение в результирующее сообщение объемом 592 бит. Однако продолжительность каждого временного интервал кадра TDMA составляет 0.577 мсек. Следовательно, имеется возможность передать 156.25 бит информации (передача каждого бита занимает 3.7 мксек.), но пакет содержит только 148 бит. Свободное пространство в 8.25 бит является пустым и называется защитным периодом (Guard Period - GP). Данный период времени дает возможность MS/BТS осуществить процедуру “ramp up” , “ramp down”. Ramp up означает получение питание от батареи или от источника питания MS для передачи сигналов. Процедура Ramp down осуществляется после каждой передачи, и необходима для того, чтобы убедиться, что MS не использует энергию батареи в течение временного интервала, занятого другой MS. После форматирования пакет состоит из 156.25 бит (для одного пакета) или 625 бит (в четырех пакетах) для речевого отсчета продолжительностью 20 мсек. Однако для того, чтобы настроить модулятор, с двух сторон пакета доступа используются несколько пустых битов. Это увеличивает объем сообщения до 676 бит для каждого речевого отсчета в 20 мсек. При использовании одной несущей в кадре TDMA кадре для организации связи одновременно для 8 абонентов общая скорость битов для системы GSM составляет 270.4 кбит/сек.
После составления сообщения из 676 бит для каждого речевого отсчета в 20 мсек, оно передаётся через радиоэфир, используя несущую частоту. Как указывалось выше, в GSM используется метод модуляции GSMK. Биты модулируются на несущей частоте (например, 916.4 МГц) и передаются через эфир. |