Глава 5.    АНАЛОГОВАЯ СОТОВАЯ СИСТЕМА ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ ЕМХ-2500 ФИРМЫ MOTOROLA ДЛЯ СТАНДАРТОВ AMPS, TACS, E-TACS, J-TACS

5.1     Структурная схема ССПС ЕМХ-2500

            ЕМХ-2500 полностью автоматическая аналоговая система сотовой радиотелефонной связи состав системы входят компоненты аппаратного и программного обеспечения фиксирован подвижной сетей связи. Структурная схема ССПС показана на рис. 5.1. Базовая станция рассчитана на 8 или 16 речевых каналов связи. Обеспечивается работа с антеннами 60 град., 120 rps; 360 град. Базовые станции в сотах соединяются друг с другом через контроллеры базовой те. (BSC) и центр коммутации (ЕМХ) [5.1].].

5.2 Частотные планы ССПС стандартов AMPS, TACS, E-TACS, J-TACS

EMX-2500 позволяет реализовать различные протоколы связи, соответствующие различным вариантам ССПС [5.1-5.3]:

a) DYNA Т.А.С. - основана на использовании стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System). Используется в Северной и Южной Америке, а также в Австралии и Новой Зеландии, Aзии Среднем Востоке. Используется также расширенный по полосе вариант E-AMPS, обеспечивающий дополнительное количество речевых каналов связи;

            б) TACS, E-TACS (Total Area Coverage System) - используется в Европе, Азии, Среднем Востоке и Африке;

            в) J-TACS (Japanese TACS) - используется в Японии.

Полосы частот, занимаемые различными ССПС, построенными на основе ЕМХ 2500, показаны на рис. 5.2. На рис. 5.3-5.5 представлены частотные планы ССПС рассматриваемых стандартов. Распределение каналов в рабочих полосах частот показаны в таблицах 5.1-5.4. Основные характеристики ССПС стандартов AMPS, TACS и E-TACS приведены в таблице 3.1.

              MOTOROLA

Европейское отделение сотовой инфраструктуры

ЕМХ 2500

КОММУТАТОР ДЛЯ СИСТЕМ СТАНДАРТА CDMA И АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ

AMPS И NAMPS

• Наиболее высокотехнологичный цифровой коммутатор.
• Модульная конструкция, допускающая поэтапное наращивание мощности.
• Поддержка цифрового и аналогового радио интерфейсов.
• Возможность выбора компоновки для создания небольших пилотных систем и крупных сотовых сетей.
• Более 250 коммутаторов ЕМХ 2500 компании Motorola работают в сотовых сетях всего мира.
• Испытанная технология мирового лидера.

MOTOROLA

Европейское отделение сотовой инфраструктуры

БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ   HDII ДЛЯ СТАНДАРТОВ  AMPS   И   NAMPS

• Модульный дизайн, пригодный для использования в различных условиях с различными конфигурациями антенных устройств.
• Доступна в 10-ти и 20-ти канальных конфигурациях.
• HDII - 10-ти канальная платформа - для создания сотовых сетей, как с низким, так и с высоким трафиком.
• HDII - 20-канальная платформа - для быстро развивающихся областей с высокой плотностью населения.
• Испытанная технология мирового лидера.

THINCELL - БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ

стандартов AMPS  и  NAMPS

•   Расширяет емкость системы и увеличивает эффективность использования площадок базовых станций.

•   Обеспечивает 20 каналов в одной стойке.

•   Требует для установки не более 0.42 кв.метра.

•   Полностью совместима с HDII.

Глава 6.    ЦИФРОВАЯ СОТОВАЯ СИСТЕМА

ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА GSM

6.1 Общие характеристики стандарта GSM

            В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS) [6.1, 6.2].

            В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.

            Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

            Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

            Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

            В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция» с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с.

            В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

            В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

Основные характеристики стандарта GSM

            Частоты передачи подвижной станции

            и приема базовой станции, МГц.............................................................890-915

            Частоты приема подвижной станции

            и передачи базовой станции, МГц..........................................................935-960

            Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц..............................45

            Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с...........................270, 833

            Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с................................13

            Ширина полосы канала связи, кГц..........................................................200

            Максимальное количество каналов связи...............................................124

            Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции .. 16-20

            Вид модуляции........................................................................................GMSK

            Индекс модуляции...................................................................................ВТ 0,3

            Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц..........81,2

            Количество скачков по частоте в секунду......................,........................217

6.2Структурная схема и состав оборудования сетей связи

            Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой рис. 6.1, на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations al Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станций

            Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Bсe сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N

            Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.                            

            Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах  определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.       

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. E стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами) относящимися к разным MSC.Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижны ми станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC) (рис. 6.2, 6.3).

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

            К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

            Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, - регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена на защита устройств памяти этих регистров.                                                                                   

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VL только тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.                                                     

            В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (A), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной

LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под ynpaвлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.                                                 

VLR обеспечивает также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN)Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся дом с подвижным абонентом.                                                                                                                 

VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одн MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR. также управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMS/, TMSI или MSRN. В целом V представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находит абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.                                    

            Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR - E Identification Register).

            Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандарт модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный мер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

            С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными меж подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается дост абонента к сети.

            Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Се передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма тентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.

SRES = Ki  [ RAND]

            Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают,подвижная станция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретно вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.

EIR - регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвр ной станции (IMEI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

            БЕЛЫЙ СПИСОК - содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены санкционированными подвижными станциями.

            ЧЕРНЫЙ СПИСОК - содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине.

            СЕРЫЙ СПИСОК - содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в "черный список".

             К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других  подвижных сетей.

             Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенными группами IMEI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера  MEI возвращает адрес EIR, управляющий соответствующей частью базы данных об оборудовании.  IWF - межсетевой функциональный стык, является одной из составных частей MSC. Он обеспечивает абонентам доступ к средствам преобразования протокола и скорости передачи данных  так, чтобы можно было передавать их между его терминальным оборудованием (DIE) сети GSM и  обычным терминальным оборудованием фиксированной сети. Межсетевой функциональный стык  также "выделяет" модем из своего банка оборудования для сопряжения с соответствующим модемом фиксированной сети. IWF также обеспечивает интерфейсы типа прямого соединения для оборудования, поставляемого клиентам, например, для пакетной передачи данных PAD по протоколу Х.25.

            ЕС - эхоподавитель, используется в MSC со стороны PSTN для всех телефонных каналов (независимо от их протяженности) из-за физических задержек в трактах распространения, включая радиоканал, сетей GSM. Типовой эхоподавитель может обеспечивать подавление в интервале 68 милисекунд на участке между выходом ЕС и телефоном фиксированной телефонной сети. Общая задержка в канале GSM при распространении в прямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала, кодированием/декодированием речи, канальным кодированием и т.д., составляет около 180 мс. Эта задержка была бы незаметна подвижному абоненту, если бы в телефонный не был включен гибридный трансформатор с преобразованием тракта с двухпроводного на четырехпроходный режим, установка которого необходима в MSC, так как стандартное соединение с PSTN является двухпроводным. При соединении двух абонентов фиксированной сети эхо-сигналы отсутствуют. Без включения ЕС задержка от распространения сигналов в тракте GSM будет вызывать раздражение у абонентов, прерывать речь и отвлекать внимание.

            ОМС - центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС

NMC - центр управления сетью, позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. С обеспечивает управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление есть при сложных аварийных ситуациях, как например, выход из строя или перегрузка узлов. роме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощь )МС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей ети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы

NMC концентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединениях между узлами с ем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространений условий» грузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персаналомом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетев оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуа могут задействовать такие процедуры управления, как "приоритетный доступ", когда только ненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.            '

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС» ется необслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

NMC является также важным инструментом планирования сети, так как NMC контрол сеть и ее работу на сетевом уровне, а, следовательно, обеспечивает планировщиков сети да» ми, определяющими ее оптимальное развитие.

BSS - оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC приемо-передающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять сколькими приемо-передающими блоками. BSS управляет распределением радиоканалов, контр лирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей ча той, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирован речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность пере сообщений персонального вызова.

BSS совместно с MSC, HLR, VLR выполняет некоторые функции, например: освобождение нала, главным образом, под контролем MSC, но MSC может запросить базовую станцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно ществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций

ТСЕ- транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи реч данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфе (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представлен в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов нг вается "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полуси ростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразу щего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременн предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE - иногда называется RELP).

            Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровых сообщений в правлении к контроллеру базовых станций - BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью редачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), "временное окно", выделяется отдельно для редачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом кан (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25 МККТТ.

Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу состав 30x64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.

MS - подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организации дост абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарт GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощное 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, мальной мощностью 0,8 Вт (табл. 6.1). При передаче сообщений предусматривается адаптие регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

            Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллеальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и томобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер (IMEI).             Этот номер используется для предотвращения доступа сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий [6.2].           

6.3Сетевые и радиоинтерфейсы

            При проектировании цифровых сотовых систем подвижной связи стандарта GSM рассматриваются интерфейсы трех видов: для соединения с внешними сетями; между различным оборудованием сетей GSM; между сетью GSM и внешним оборудованием. Все существующие внутренние интерфейсы сетей GSM показаны на структурной схеме рис. 6.1. Они полностью соответствуют требованиям Рекомендаций ETSJ/GSM 03.02.

Интерфейсы с внешними сетями

            Соединение с PSTN

            Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS N 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

            Соединение с ISDN

            Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации SS N 7 и отвечающие         Рекомендациям Голубой книги МККТТ Q.701-Q.710, Q.711-Q.714, Q.716, Q.781,            Q.782, Q.791, Q«795, Q.761-Q.764, Q.766.

            Соединение с существующей сетью NMT-450

            Центр коммутации подвижной связи соединяется с сетью NMT-450 через четыре стандартные линии связи 2 Мбит/с и системы сигнализации SS N7. При этом должны обеспечиваться требования Рекомендаций МККТТ по подсистеме пользователей телефонной сетью (TUP - Telephone User Part) и подсистеме передачи сообщений (МТР - Message Transfer Part) Желтой книги. Электрические характеристики линии 2 Мбит/с соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

            Соединения с международными сетями GSM

            В настоящее время обеспечивается подключение сети GSM в Москве к общеевропейским сетям GSM. Эти соединения осуществляются на основе протоколов систем сигнализации (SCCP) и межсетевой коммутации подвижной связи (GMSC).

Внутренние GSM – интерфейсы

            Интерфейс между MSC и BSS (А-интерфейс) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. Аинтерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол SS N7 МККТТ. Полная спецификация А-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендаций ETSI/GSM.

            Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В-интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местоопределения с MSC, он информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в другую. В случае, если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR. Интерфейс между MSC и HLR (С-интерфейс) используется для обеспечения взаимодействии между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для то чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с лью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS.                         

            Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс) используется для расширения обмена о положении подвижной станции, управления процессом связи. Основные услуги, предоставляв" мые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLRо положении MS, управляя ею и переприсваивая ей номера в процессе блуждания, посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

            Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными при осуществлении процедуры HANDOVER - "передачи" абонента из зоны в зону при его движении  в процессе сеанса связи без ее перерыва.                                                                                              

            Интерфейс между BSC и BTS(A-bis интерфейс) служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64кбит. с

            Интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.                                                                                         Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирование (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 кбит/с один канал на скорости 64 кбит/с.                                                                                                                       

            Интерфейс между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс) определен в сериях 04 и 05 Рекомендаций ETSI/GSM

            .Сетевой интерфейс между ОМС и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM Рекомендациями 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI.

Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации МККТТ SS N7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDN в открытом или замкнутом режимах.

GSM - протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3 интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01.

Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием

            Интерфейс между MSC и сервис-центром (SC) необходим для реализации службы коротки) сообщений. Он определен в ETSI/GSM Рекомендациях 03.40.

            Интерфейс к другим ОМС. Каждый центр управления и обслуживания сети должен соединяться с другими ОМС, управляющими сетями в других регионах или другими сетями. Эти соединения обеспечиваются Х-интерфейсами в соответствии с Рекомендациями МККТТ М.ЗО. Для взаимодействия ОМС с сетями высших уровней используется О.З-интерфейс

. 

6.4 Структура служб и передача данных в стандарте GSM

            Стандарт GSM содержит два класса служб: основные службы и телеслужбы.

            Основные службы обеспечивают: передачу данных (асинхронно) в дуплексном режиме с скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользовани передачу данных (синхронно) в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/ через телефонные сети общего пользования, коммутируемые сети передачи данных общего пользования (CSPDN) и ISDN; доступ с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных с стандартными скоростями 300-9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной передачи даннь общего пользования (PSPDN), например, Datex-P; синхронный дуплексный доступ к сети пакетно передачи данных со стандартными скоростями 2400-9600 бит/с [6.1, 6.2]

     При передаче данных со скоростью 9,6 кбит/с всегда используется канал связи с полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 кбит/с могут использоваться полускоростные каналы связи.

        Перечисленные функции каналов передачи данных предусмотрены для терминального оборудования, в котором используются интерфейсы МККТТ со спецификациями V.24 или Х.21 серий. Эти спецификации определяют вопросы передачи данных по обычным каналам телефонной связи. Телеслужбы предоставляют следующие услуги:

            1) телефонная связь (совмещается со службой сигнализации: охрана квартир, сигналы бедствия и пр.);

            2) передача коротких сообщений;

            3) доступ к службам "Видеотекс", "Телетекс";

            4) служба "Телефакс" (группа 3).

            Дополнительно стандартизован широкий спектр особых услуг (передача вызова, оповещения о тарифных расходах, включение в закрытую группу пользователей).

            Так как ожидается, что большинство абонентов будет использовать услуги GSM в деловых целях, особое внимание уделяется аспектам безопасности и качеству предоставляемых услуг.

            Структурная схема служб связи в GSM PLMN показана на рис. 6.4 (GSM PLMN - GSM Public Land Mobile Network - сеть связи с наземными подвижными объектами; ТЕ (Terminal Equipment) -терминальное оборудование, МТ (Mobile Terminal) - подвижный терминал, IWF (Interworking Function) - межсетевой функциональный стык). К передаче данных относится и новый вид службы, используемый в GSM, - передача коротких сообщений (передача служебных буквенно-цифровых сообщений для отдельных групп пользователей)..

            При передаче коротких сообщений используется пропускная способность каналов сигнализации. Сообщения могут передаваться и приниматься подвижной станцией. Для передачи коротких сообщений могут использоваться общие каналы управления. Объем сообщений ограничен 160-ю символами, которые могут приниматься в течение текущего вызова либо в нерабочем цикле. В пределах соты короткие сообщения передаются циклически и несут информацию, например, of рожном движении, рекламу и т.д.  

6.5.   Терминальное оборудование и адаптеры подвижной станции

            В режиме передачи данных взаимодействие подвижного абонента с сетью осуществляет через соответствующее терминальное оборудование (МТ, ТЕ) и адаптеры (ТА), как это показано рис. 6.5 [6.1, 6.2].  

            Подвижная станция состоит из МТ и ТЕ. Оконечное оборудование МТ обеспечивает функции, связанные с управлением радиоинтерфейсом Urn. Эти функции включают: радиопередачу и прием, управление радиоканалами, защиту от ошибок в радиоканале, кодирование-декодирование речи текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптацию по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов),  обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

             Используется три типа оконечного оборудования подвижной станции: МТО (Mobile Termination 0) - многофункциональная подвижная станция, в состав которой входит терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи; МТ1 (Mobile Termination 1) - подвижная  станция с возможностью связи через терминал с ISDN; MT2 (Mobile Termination 2) - подвижная  станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколу МККТТ V или X серий. 

            Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов,  такого как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратуры передачи данных (DTE), телекс и  т.д.Различают следующие типы терминалов: ТЕ1 (Terminal Equipment 1) - терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; TE2 (Terminal Equipment 2) - терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ V или X серий (связь с    ISDN не обеспечивает). Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА.

            Система характеристик стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей связи и совокупность интерфейсов обеспечивают высокие параметры передачи сообщений, совместимость с существующими и перспективными информационными сетями, предоставляют абонентам широкий спектр услуг цифровой связи.

6.6.   Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM

            В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис. 6.6 [6.4]. Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна Тг = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность

            Тс = 12533,76/2048 = 6,12 с.

            Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

            1) 26-позиционные TDMA кадры мультикадра;

            2) 51-позиционные TDMA кадры мультикадра.

            Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 миультикадров или данным. второго типа. Длительности мультикадров соответственно:

            1)Тм = 6120/51 =       120 мс;

             2) Тм = 6120/26 = 235,385 мс (3060/13 мс). Длительность каждого TDMA кадра

            Тк = 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс (60/13 мс).

            В периоде последовательности каждый TDMA кадр имеет свой порядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где

NFmax = (26x51x2048) -1 = 2715647.

            Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA кадр делится на восемь временных позиций с периодом

            То = 60/13:8 = 576,9 мкс (15/26 мс)

       Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, - время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. 

            Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

            Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью                  

            270,833 кбит/с.

            Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит

            156,25 бит.

            Длительность одного информационного бита

            576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.

            Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита присвоен номер 156

            Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA кадра используются пять видов временных интервалов (окон):

NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH. Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мкс. Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.

            В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В по следнем случае информационный канал (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации.

            Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике.

            С помощью этой последовательности обеспечивается:

            - оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения         принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется            параметр RXQUA принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только         об оценке связи, а не точных измерениях, так как проверяется только часть    передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в             связь, при выполнении процедуры "эстафетной передачи" (Handover) и при оценке            зоны покрытия радиосвязью;

            - оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного          эквалайзера е тракте приема;

            -определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной       станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того,         чтобы             пакеты данны;

            от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции.           Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеть раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.

FB предназначен для синхронизации по частоте подвижной станции. Все 142 бита в временном  интервале  -   нулевые,   что  соответствует  немодулированной  несущей  со сдвигогом

1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей. Это необходимо для проверки работь своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения полосы частот 900 МГц. FB содержит защитный интервал 8, 25 бит так же, как и нормальные временные интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH)

SB используется для синхронизации по времени базовой и подвижной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере TDMA кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB (рис. 6.6) и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В            DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

            АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем - последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой стащи обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. Интервал содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций

            Этот защитный интервал соответствует двойному значению наибольшей возможной задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеру соты. Особенность стандарта GSM - возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс.

            В структуре GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала, излучаемого пакетами на канальном временном интервале TDMA кадра, Л спектральная характеристика: сигнала. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых на интервале АВ полного TDMA кадра, показана на рис. 6.7, а маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB полного TDMA кадра - на рис. 6.8. Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA кадра (148 бит). Нормы на спектральную характеристику излучаемого сигнала показаны на рис. 6.9.

            Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков (SFH - Slow Frequency Hopping) - обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

            В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

     Комбинированная TDMA/FDMA схема организации каналов в стандарте GSM и принцип использования медленных скачков по частоте при передаче сообщений во временны кадрах показаны на рис. 6.10, 6.11.   

            На рис. 6.12. показаны зависимости выигрыша в отношении сигнал помеха от использования медленных скачков по частотам (SFH) для случаев переключения частот по случайному закону и с периодическим повторением цикла переключения в зависимости от количества перестраиваемых частот [6.5].                                                                                             

MOTOROLA

Европейское отделение сотовой инфраструктуры

M-Cell 6

ДЛЯ СТАНДАРТА GSM

•  Усовершенствованная базовая станция для работы в стандартах GSM и DCS1800, которую можно устанавливать как внутри, так и вне помещении.

•  Для покрытия обширных густонаселенных районов.

•  Поддерживает шесть несущих частот и во всенаправленной, и в секторизованной конфигурации.

•  Расширяется до 24-х несущих при объединении нескольких стоек.

•  Поддерживает режимы стандартного и полускоростного кодирования речи.

        •  Полностью совместима со всеми существующими сериями GSM оборудования.

MOTOROLA

Европейское отделение сотовой инфраструктуры

М-Се11 2

ДЛЯ СТАНДАРТА   GSM

•   Базовая станция для работы в стандартах GSM и DCS1800, в компактном корпусе, допускающем установку как внутри, так и вне помещений.

•   Для обеспечения сотовой связью районов с небольшим числом абонентов.

•   Полностью интегрированная базовая станция.

•   Поддерживает 2 несущих частоты, как с всенаправленными, так и с секторизованными антеннами.

        •   Расширяется до 6 несущих при объединении нескольких   стоек.

Глава 7.    ОРГАНИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ В СТАНДАРТЕ GSM

7.1. Частотный план стандарта GSM

            Стандарт GSM разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих полосах частот: 890-915 МГц - для передачи подвижными станциями (линия "вверх"); 935-960 МГц- для передачи базовыми станциями (линия "вниз") [7.1].

            Сети GSM функционируют параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT-900, TACS, ETACS. Частотные планы ССПС, включая стандарт GSM, показаны на рис. 7.1.

            Каждая из полос, выделенных для сетей GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, {выделенные для передачи сообщений подвижной станцией на базовую и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот.

            Если обозначить FI (п) - номер несущей частоты в полосе 890-915 МГц, Fu (n) - номер несущей частоты в полосе 935-960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим формулам:

FI (n) = 890,2 + 0, 2 (п-1), МГц;

Fu (n) = FI (n) + 45, МГц;

1 <n< 124.

В таблице 7.1 приведены номиналы частот каналов для приема (RX) и передачи (ТХ) базовыми станциями и соответствующие им номера каналов.Каждая частотная несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах в пределах TDMA кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре.

            До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов: каналы связи - для передачи кодированной речи или данных (ТСН); каналы управления - для передачи сигналов управления и синхронизации (ССН).

            Более чем один тип логического канала может быть размещен на одном и том же физическом канале, но только при их соответствующей комбинации.

7.2.  Структура логических каналов связи

            В стандарте GSM различают логические каналы связи двух основных видов:

TCH/F (Full Rate Traffic Channel)    - канал передачи сообщений с полной скоростью

22,8 кбит/с (другое обозначение Вт);

ТСН/Н (Half Rate Traffic Channel)   - канал передачи сообщений с половинной скоростью

11,4 кбит/с (другое обозначение Lm).

            Один физический канал может представлять собой канал передачи сообщений с полной скоростью или два канала с половинной скоростью передачи. В первом случае канал связи занимает одно временное окно; во втором - два канала связи занимают то же самое временное окно, но с перемежением в соседних кадрах (т.е. каждый канал - через кадр).

Для передачи кодированной речи и данных предназначены каналы связи следующих типов:

TCH/FS (Full Rate Traffic Channel for Speech)

-  канал для передачи речи с полной скоростью;

TCH/HS (Half Rate Traffic Channel for Speech)             

-  канал для передачи речи с половинной скоростью;                            

TCH/F 9,6 (Full Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)                                             

-  канал передачи данных с полной скоростью 9,6 кбит/с;                           

 TCH/F 4,8 (Full Rate Traffic Channel for 4,8 kbit/s User Data)                                             

-  канал передачи данных с полной скоростью 4,8 кбит/с;                            

 TCH/F 2,4 (Full Rate Traffic Channel for 2,4 kbit/s User Data)                                             

-  канал передачи данных с полной скоростью 2,4 кбит/с;

ТСН/Н 4,8 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)

-  канал передачи данных с половинной скоростью 4,8 кбит/с;

СН/Н 2,4 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)

-  канал передачи данных с половинной скоростью 2,4 кбит/с.

            Скорость передачи цифрового речевого сигнала в канале TCH/FS равна 13 кбит/с (за счет кодирования увеличивается до 22,8 кбит/с в канале TCH/F). Передача речи в канале с половинной скоростью TCH/HS еще не используется. Этот канал рассматривается как перспективный при дальнейшем развитии GSM, его применение позволит практически удвоить емкость трафика. Внедрение низкоскоростного речевого кодека стандарта GSM ожидается к 1997 году.

            Каналы связи могут передавать широкий набор информационных сообщений, но они не используются для передачи сигналов управления. Кроме того, для передачи данных по каналам связи могут использоваться разные протоколы, например, МККТТ Х.25.

7.3 Структура логических каналов управления

            Каналы управления (ССН) обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации.

            Различают четыре вида каналов управленияВССН (Broadcast Control Channels)                           - каналы передачи сигналов управления;

            СССН (Common Control Channels)   - общие каналы управления;

            SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channels)  - индивидуальные каналы.                                                                                                             управления.;

            АССН (Associated Control Channels)  - совмещенные каналы

                        Каналы передачи сигналов управления используются только в направлении с базовой станции на все подвижные станции. Они несут информацию, которая необходима подвижным станциям для работы в системе. Различают три вида каналов передачи сигналов управления ВССН:

FCCH (Frequency Correction Channel) – канал подстройки частоты, который используется для синхронизации несущей в подвижной станции. По этому каналу передается немодулированная несущая с фиксированным частотным сдвигом относительно номинального значения частоты канала связи;

SCH (Synchronization Channel) – канал синхронизации, по которому передается информация на подвижную станцию о кадровой (временной) синхронизации;

            ВССН (Broadcast Control Channel) – канал управления передачей, обеспечивает передачу основных команд по управлению передачей (номер общих каналов управления тех из них, которые объединяются с другими каналами, в том числе и с физическими и т.д.).

            Используются три типа общих каналов управления СССН:

            РСН (Paging Channel) – канал вызова, используется только в направлении от базовой станции к подвижной для ее вызова;

RACH (Random Access Channel) – канал параллельного доступа, используется только в направлении от подвижной станции к базовой для запроса о назначении индивидуального канала управления;

AGCH (Access Grant Channel) – канал разрешенного доступа, используется только для передачи с базовой станции на подвижную (для выделения специального канала управления, обеспечивающего прямой доступ к каналу связи).

       Выделенные индивидуальные каналы управления используются в двух направлениях для связи между базовой и подвижной станциями. Различают два вида таких каналов:                                     

SDCCH/4 (Stand-alone Dedicated Control Channel)                               - ндивидуальный канал управления, состоит из четырех подканалов;

SDCCH/8 (Stand-alone Dedicated Control Channel)                                                                              

- индивидуальный канал управления, состоит из восьми подканалов

            Эти каналы предназначены для установки требуемого пользователем вида обслуживания. По ним обеспечивается запрос подвижной станции о требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа базовой станции и выделение свободного канала связи, если это возможно.

            Совмещенные каналы управления также используются в двух направлениях между базовой и подвижной станциями. По направлению «вниз» они передают команду управления с базовой станции, а по направлению «вверх» – информацию о статусе подвижной станции. Различают два вида АССН:

FACCH (Fast Associated Control Channel) – быстрый совмещенный канал управления, служит для передачи команд при переходе подвижной станции из соты в соту, т.е. при «эстафетной передаче» подвижной станции;

SACCH (Slow Assocaited Control Channel) – медленный совмещенный канал управления, по направлению «вниз» передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. По направлению «вверх» подвижная станция посылает данные, касающиеся уровня установленной выходной мощности, измеренного приемником уровня радиосигнала и его качества.

В совмещенном канале управления всегда содержится один из двух каналов: канал связи или индивидуальный канал управления.

            Совмещенные каналы управления всегда объединяются вместе с каналами связи или с индивидуальными каналами управления. При этом различают шесть видов объединенных каналов управления:

FACCH/F, объединенный с TCH/F

FACCH/H, объединенный с ТСН/Н;                                    

SACCH/TF, объединенный с TCH/F;

SACCH/TH, объединенный с ТСН/Н;

SACCH/C4, объединенный с SDCCH/4;

SACCH/C8, объединенный с SDCCH/8.

            Состав и назначение логических каналов показаны на рис. 7.2

7.4. Организация физических каналов

            Для передачи каналов связи ТСН и совмещенных каналов управления FACCH и SACCH используется 26-кадровый мультикадр. Объединение каналов связи с полной и половинной скоростью с медленным совмещенным каналов управления SACCH показано на рис. 7.3. В полноскоростном канале связи в каждом 13-м TDMA кадре мультикадра передается пакет информации канала SACCH; каждый 26-й TDMA кадр мультикадра свободен. В полускоростном канале связи пакет информации канала SACCH передается в каждом 13-м и 26-м TDMA кадрах мультикадра

            Для одного физического канала в каждом TDMA кадре используется 114 бит. Так как в мультикадре для передачи канала связи ТСН используется 24 TDMA кадра из 26 и длительность мулытикадра составляет 120 мс, общая скорость передачи информационных сообщений по ТСН канал составляет 22,8 кбит/с. Канал.SACCH занимает в полноскоростном канале связи только один TDM/ кадр, то есть 114 бит, когда скорость передачи по SACCH каналу составит 950 бит/с. Полная скорость передачи в объединенном TCH/SACCH канале с учетом пустого (свободного) 26-го TDM/ кадра составит                                                                                                                                               

                                                   22,8 + 0,950 +0,950 = 24,7 кбит/с.

                Как показано на рис. 7.3 б), за время 26-кадрового мультикадра (в одном физическом канале) может передаваться два полускоростных ТСН канала, каждый по 12 TDMA кадров (Т и t). Пустой 26-й TDMA кадр в полноскоростном канале ТСН отводится для канала SACCH во втором полуоростном канале ТСН. Для каждого полускоростного канала ТСН скорость передачи составляет 11,4 кбит/с; полная скорость передачи в объединенном полускоростном канале TCH/SACCH остается прежней – 24,7 кбит/с.

            Быстрый совмещенный канал управления FACCH передается половиной информационных бит временного интервала TDMA кадра в канале ТСН, с которым он совмещается в восьми последовательных Т или t кадрах.

            Для передачи каналов управления (за исключением FACCH и SACCH) используется 51-кадровый мультикадр. Организация каналов управления в 51-кадровом мультикадре иллюстрируется  рис 7.4

Объединение ВССН/СССН каналов

            В отличие от структуры объединенного канала TCH/SACCH, где физический канал выделяется для одного или двух абонентов, объединенный канал ВССН/СССН предназначен для всех подвижных станций, которые в одно и то же время находятся в одной соте. Более того, все подканалы, передаваемые в этой структуре, являются симплексными.

            В канале передачи сигналов управления (ВССН, «сеть – подвижная станция») передается общая информация о сети (соте), в которой подвижная станция находится в данный момент, и о смежных сотах В канале синхронизации (SCH, «сеть – подвижная станция») передается информация о вреных (цикловой) синхронизации и опознавании приемопередатчика базовой станции.

            В канале подстройки частоты (FCCH, «сеть – подвижная станция») передается информация для синхронизации несущей.

            Канал параллельного доступа (RACH, «подвижная станция – сеть») используется подвижной станцией в режиме пакетной передачи ALOHA для доступа к сети в случае, если надо пройти регистрацию при включении или сделать вызов.                                            

            Канал разрешенного доступа (AGCH, «сеть – подвижная станция») используется для занятия специальных видов обслуживания (SDCCH или ТСН) подвижной станцией, которая ранее запрашивала их через канал RACH.

            Канал вызова (РСН, «сеть – подвижная станция») используется для вызова подвижной станции в случае, когда инициатором вызова является сеть (абонент сети).

            На рис. 7.4 а, б показано отображение рассматриваемых каналов на одном физическом канале в структуре 51-кадрового мультикадра.

            Линия «вверх» ВССН/СССН каналов используется только для передачи канала параллельного доступа RACH, который является единственным каналом управления от подвижной станции к сети. Подвижная станция может использовать нулевой временной интервал в любом из кадров для осуществления доступа к сети.

            На линии «вниз» 51 кадр группируется в 5 групп по 10 кадров, при этом один кадр остается свободным, каждая из этих групп начинается с канала FCCH, за которым следует канал SCH. Остальные 8 кадров в каждой группе образуют два блока из четырех кадров.          Первый блок первой группы предназначен для канала ССН, тогда как другие 9 блоков (они называются блоками передачи сигнала вызова) используются для передачи каналов РСН и AGCH общего канала управления СССН. Таким образом, в рассматриваемом случае: 4 кадра используются для канала ВССН, 5 – для FCCH, 5 – для SCH и 36 либо для AGCH, либо для РСН (9 блоков вызова).

            Каждая подвижная станция может занимать один из девяти блоков вызова, но каждый вызывной блок может использоваться для вызова более одной станции.

            Полная скорость передачи для канала ВССН, а также для канала AGCH/PCH составляет 1,94 кбит/с (4x114 бит за 235 мс).

         Существуют и другие переменные структуры, которые могут использоваться в 51-кадрово 8SDCCH/8 в одном физическом канале (рис. 7,4 в, г). Однако, если нагрузка в соте мала, структуру

CCH/CCCH можно объединить с индивидуальным каналом управления SDCCH/4 (рис. 7.4 д, е) в одном физическом канале. Если сота испытывает большую нагрузку, одного физического канала может быть недостаточно для всего трафика ВССН/СССН. В этом случае временные интервалы 2, 4 и 6 в структуре ВССН также используют для этой цели, однако в этом случае передаются пустые интервалы вместо SCH и FCCH.

            Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.

            Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют три вида кодирования: блочное – для быстрого обнаружения ошибок при приеме; сверточное – для исправления одиночных ошибок; перемежение – для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

            Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления применяется шифрование.

            Для передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

7.5.   Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется «гауссовской» потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала [7.2, 7.3]. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В – ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т – длительность одного бита цифрового сообщения. Принципиальная схема модулятора показана на рис. .

            Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (I/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы    обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию.

 Один умножитель изменяет амплитуду    синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и  «cos» блоках.                                                                                                                                                                                 Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK сигнала, показаны на рис. 7.6.                                 

                                                         ■■-    ■

            Модуляцию GSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

            •  постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

            •  компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

            • хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

            На графиках рис. 7.7 [7.4] показано влияние величины ВТ на характеристики огибающей спектра мощности GMSK сигнала. По оси х указаны значения величины нормированного разноса частот каналов связи (2AfT При принятом в стандарте GSM разносе каналов Af=200 кГц и длительности одного элемента модулирующей последовательности Т=3,69 мкс величина 2ДМ»1,5. При этом для ВТ=0,3 уровень излучения в соседнем канале не хуже минус 60 дБ, что соответствуеттребованиям к данному виду связи. Учитывая это, для стандарта GSM была выбрана модуляция

GMSK.

            Реальный спектр радиосигнала на выходе передатчика базовой станции стандарта GSM (после филтрации) показан на рис. 7.8.

Глава 8.    КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНДАРТА GSM -

8.1. Общая структурная схема кодирования и перемежения    'в стандарте GSM

            Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM PLMN используются сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Блочное кодирование, главным образом, используется для обнаружения нескорректированных ошибок [8.1, 8.2].

            Блочный код (n, k, t) преобразует к информационных символов в п символов путем добавления символов четности (n-к), а также может корректировать t ошибок символов.

            Сверточные коды (СК) относятся к классу непрерывных помехоустойчивых кодов. Одной из основных характеристик СК является величина К, которая называется длиной кодового ограничения, и показывает, на какое максимальное число выходных символов влияет данный информационный символ [8.3]. Так как сложность декодирования СК по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения, то типовые значения ¥. Малы и лежат в интервале 3-10 [8.4]. Другой недостаток СК заключается в том, что они не могут обнаруживать ошибки. Поэтому в стандарте GSM для внешнего обнаружения ошибок используется блочный код на основе сверточного кода (2, 1, 5) со скоростью г=1/2.

            Наибольший выигрыш СК обеспечивает только при одиночных (случайных) ошибках в канале. В каналах с замираниями, что имеет место в GSM PLMN, необходимо использовать СК совместно с перемежением.

            В GSM PLMN основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для каналов управления требуется абсолютная целостность данных и обнаружения ошибок, но допускается более длительное время передачи и задержки.

            В соответствии с общей структурой кадров в стандарте GSM (рис. 6.6) передача информациных сообщений и сигналов управления осуществляется в нормальном временном интервале (NB) TDMA кадра. Структура NB (два пакета по 57 информационных бит каждый) требует, чтобы количество кодированных бит т, соответствующих п – некодированным битам в общей схеме кодирования и перемежения (рис. 8.1), равнялась бы целому числу, кратному 19. Затем эти биты зашифровываются и объединяются в групп. Количество бит в этих группах также должно равняться 19,1 групп переходят в временных интервалов. Номер I называется степенью перемежения.

            В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения механизмов кодирования и декодирования для формирования кодов используются только несколько полиномов. Это позволяет использовать сверточный код с одной скоростью г=1/2. Однако, чтобы выполнить требования формирования полноскоростного канала связи, а также привести в соответствие структуру размещения бит со структурой кадров необходима скорость г=244/456=0,535. Для выравнивания скорости в речевом канале до г=1/2 применяют прореживание, то есть периодический пропуск некоторых кодированных символов. Такая операция называется перфорированием, а формируемые таким образом коды называются перфорированными [8.3, 8.4]

. При приеме декодер, зная алгоритм прореживания, интерполирует принимаемые данные.

            При передаче логического быстрого совмещенного канала управления FACCH перфорирование не используется.

      В таблице 8.1 приведены типы формирующих полиномов, используемых для сверточного кодирования в различных логических каналах [8.2].

            Структурная схема радиотракта с блоками канального кодирования и перемежения, которая соответствует элементам системы и Рекомендациям стандарта GSM показана на рис. 8.2.

            Рассмотрим более детально используемую в стандарте GSM схему кодирования и перемежения для каналов передачи речи и каналов управления.

 8.2Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале

            Обобщенная схема кодирования в полноскоростном речевом канале показана на рис. 8.3. Эта схема соответствует структурной схеме радиотракта, приведенной на рис. 8.2.

            Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра,называемые в стандарте GSM битами 1 класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике.

            Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на 50 бит класса 1а и 132 бита класса 16 (рис. 8.4а). Биты класса 1а дополняются тремя битами проверки на четкость (рис. 8.46). Блочный код представляет собой укороченный систематический циклический код (53, 50) с формирующим полиномом вида

g (D) = D³ + D+ 1.

            Структурная схема кодирующего устройства показана на рис. 8.5. В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода, ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность (рис. 8.2). После пятидесяти тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. Сформированный в результате кадр показан на рис. 8.4. На этой стадии проводится первый шаг перемежения, показанный на рис. 8.4. Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за которыми следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются так, как показано на рис. 8.4в. Далее следуют четыре нулевых

бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г=1/2 (рис. 8.2). Структурная схема кодера и его формирующие полиномы приведены на рис. 8.6 [8.2].

    Как показано на рис. 8.4г, после сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2x189+78=456 бит. После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57 битовых подблоков (рис. 8.4д), которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению (рис. 8.3, 8.4). Результаты перемежения показаны на рис. 8.4 ж, з. Более точно подблоки Во и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно-диагонального перемежения (Dl/В). На рис. 8.4е биты Во и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет (рис. 8.4з) включены два опережающих флага hi, hO, которые используются для классификации различных пакетов передачи.

8,3. Кодирование и перемежение в полноскоростном канале передачи данных

            Для повышения эффективности применения сверточного кодирования в полноскоростных каналах передачи данных необходим длительный период перемежения. В этих каналах внутрикадровое перемежение (IBI/B) реализуется для степени перемежения 1=19, что приводит к задержке передачи данных на 19x6=2204 бит. Если биты 1-го пакета (временного интервала) до перемежения обозначить как С (Km), m=1,.6, то схема перемежения, то есть позиции бит после перемежения, определяются следующей формулой:

 (К + j, j + 19t) = С (К, m) для всех К

 = m mod 19, t = m mod 6.

            Эта схема перемежения иллюстрируется примером на рис. 8.7 [8.2].

8.4.  Кодирование и перемежение в каналах управления

            На рис. 8.8 показан принцип защиты от ошибок данных, передаваемых по каналам управления. Эта схема используется для всех логических каналов управления, за исключением блоков данных в канале синхронизации (SCH) и данных в канале параллельного доступа (RACH). Радиосистема принимает по линии передачи данных блоки длиной п=184 бита. Сначала они защищаются укороченным двоичным циклическим кодом (Fire код) с формирующим полиномом вида

g,(D) = (D²³ + 1).(D¹⁷ + D³ + 1)

            В систематическом виде последовательность кодированных циклическим кодом информационных бит над полем GF (2) отображается полиномом вида

U (0) • D²²³ + U (1) D²²² + ... U (222) • D + U (223),

            где    U (0), U (1)...U (183)           - информационные биты.

U (184), U (185)...U (223) - биты проверки на четность.

            В результате сформированный блок из 224 бит (включая 40 бит проверки на четность) дополняется четырьмя концевыми (нулевыми) битами для получения равной защиты для последних бит.

            Заметим, что этот же способ уже использовался для формирования временных интервалов TDMA кадра, в котором предусматриваются 3 защитных бита для обеспечения правильного восстановления последних 5 бит в эквалайзере.

            Полученная в результате блочного кодирования последовательность подвергается кодированию сверточным кодом со скоростью г=1/2 (идентичен коду в канале TCH/FS), который задается полиномами                                                                                                                            

GO = 1 + D³ + D⁴                                                             .           -                                         

G1 = 1 + D + D² + D⁴

            В результате сверточного кодирования формируется блок из 456 кодированных бит             С(0),...С(455)}.

            Так же как и в полноскоростном речевом канале (рис. 8.4), полученная кодированная последовательность подвергается упорядочению и разделению на 8 по 57-бит пакетов   (В0...В7). Каждый пакет состоит из блоков.

            Блок обозначаемый

Bj={b(j, 0), b(j_I1)...b(j, 56)}_l формируемых из 456 кодированных бит по правилу

b(i,O = c(k), определяемому таблицей 8.2.

            Блочно-диагональное и внутрикадровое перемежение осуществляются так же, как и в полноскоростном речевом канале (рис. 8.бе).

            Полная последовательность выполнения операций кодирования и перемежения для всех каналов связи и управления GSM показана на рис. 8.9. В представленной схеме для каналов управления SACCH, PCH, AGCH, SDCCH используется блочное прямоугольное перемежение/деперемеение. Алгоритм прямоугольного перемежения иллюстрируется на рис. 8.10. При перемежении кода (п, k, t) d. n  -символьных длинных кодированных слов записываются кодирующим устройством в память перемежителя строка за строкой, а затем передаются в модулятор столбец за столбцом. В приемнике после демодулятора деперемежитель обратной операцией восстанавливает первоначальный порядок символов, после чего осуществляется декодирование.

            На рис. 8.11, 8.12 приведены значения скорости передачи в логических каналах управления и связи, а также задержки в передаче сигналов управления и речи, вызванные процессами кодирования и перемежения.

Глава 9.    ОБРАБОТКА РЕЧИ В СТАНДАРТЕ GSM

9.1. Общее описание процессов обработки речи

           Процессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества

   передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисных возможностей и повышение no требительских качеств абонентских терминалов.

             Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи.  Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. DTX процесс в приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

            Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рис. 9.1, главным устройством в этой схеме является речевой кодек [9.1, 9.2, 9.3].

9.2 Выбор речевого кодека для стандарта GSM

            Рабочей группой по разработке стандарта GSM были предъявлены следующие основные требования к речевому кодеку [9.3]:

            - высокое качество речи, не уступающее качеству передачи речи в лучших   существующих аналоговых сотовых системах связи;

            - низкая скорость передачи речи, обеспечивающая возможность эффективного       канального кодирования и результирующую скорость передачи в канале связи не           выше 16 кбит/с;

            - малую задержку сообщения в процессе преобразования речи;

            - устойчивость к ошибкам в канале передачи;

            - возможность работы в широком динамическом диапазоне входных воздействий как сигнала, так и шума;

            - большой динамический диапазон выходных сигналов;

            - незначительное снижение качества речи при каскадном соединении кодеков;

            - прозрачность для сигналов данных;

            - прямое сопряжение со смежными устройствами терминалов;

            - простота реализации;

            - малое потребление;

            - низкая стоимость.

            Для выбора речевого кодека GSM был организован конкурс проектов. Первоначально для рассмотрения было предложено 20 различных кодеков от 9 европейских стран. После международного формального тестирования это количество было сокращено до 6 из 6 стран. На следующем этапе два из четырех подполосных (SBC) кодеков (норвежский и итальянский) были сняты с рассмотрения, к окончательному этапу конкурса осталось два SBC кодека и два кодека в предикативным кодированием [9.4].

RPE-LPC - Regular-Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips)

- кодек с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с       предсказанием;

MPE-LTP - Multi-Pulse Excitation/Long-Term Prediction (Франция, IBM)

-кодек с многоимпульсным возбуждением и долговременным предсказанием;

SBC-APCM-Sub-Band Coding/Block-Adaptive PCM in 14 Sub-Bands (Швеция, ELLEMTEL)

-четырнадцатиполосный подполосный кодек с адаптивной ИКМ;

SBC-ADPCM - Sub-Band Coding/Adaptive-Differ PCM in 6 Sub-Bands

(Англия, British Telecom Research)

- шестиполосный подполосный кодек с адаптивной дифференциальной ИКМ.

Кодеки испытывались на 7 языках в различных условиях передачи:

            - 3 входных уровня: 12, 22, 32 дБ ниже уровня перегрузки;

            - для трех значений вероятности ошибки: 0%, 1%, 0.1%;

            - каскадном включении двух кодеков.

            Учитывались дополнительные условия, такие как сравнение с компандированной ЧМ по отношению сигнал/шум от 8 до 25 дБ, с учетом имитации замираний при скорости движения подвижной станции 36 км/час.

В таблице 9.1 и на графиках рис. 9.2 показаны сравнительные характеристики кодеков при пятибальной шкале средней экспертной оценки (MOS) и различных скоростях передачи (без защиты от ошибок). Кроме того, в таблице 9.1 приведены значения величины MOPS - сравнительной вычислительной сложности в миллионах операций в секунду [9.4].

По совокупности технических характеристик для стандарта GSM был выбран RPE-LPC кодек с долговременным прогнозирующим устройством от MPE-LTP кодека, что позволило снизить скорость передачи для предложенного MPE-LTP кодека с 14,77 кбит/с до 13 кбит/с в модернизированном, принятом в GSM, RPE/LTP кодеке

.

9.3Алгоритм работы и структурная схема речевого RPE/LTP-LPC кодека

       Принцип выбранного метода кодирования речи состоит в извлечении основных характеристик речи в форме коэффициентов фильтра, по которым речь может быть восстановлена, используя низкоскоростную квантизацию. Структурные схемы кодера и декодера речи показаны на рис. 9.3 [9.4, 9.5].                          

На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода.

            Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления Ь. Период вычисления этих параметров равен 5 мс.

            Восемь коэффициентов г (i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с.

            Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через филы р нижних частот с частотой среза 3-4 кГц.

            Окончательно периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 = 13 кбит/с.

В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, как показано на рис. 9.3.

            При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

            Теоретически время задержки речевого сигнала в кодеке равно длительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки, с учетом операций канального кодирования и перемежения, а также физического выполнения рассматриваемых операций, составляет 70-80 мс.

9.4Детектор активности речи

            Детектор активности речи (VAD) играет решающую роль в снижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентских терминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключения свободных каналов в пассивный режим. Реализация VAD зависит от типа применяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании VAD - обеспечить надежное отличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это может привести к существенной экономии энергии аккумуляторной батареи.

            К устройствам VAD предъявляются следующие основные требования [9.6]:                                         

            - минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии только шума с          высоким уровнем;

             высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня.

            - высокое быстродействие распознавания речи, для исключения задержек   включения;

            - минимальное время задержки выключения.

            В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотной области. Структурная схема VAD приведена на рис. 9.4. Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно большого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и, в целом, снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнал+шум на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала. ; Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации (сигнал+шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от текущего значения уровня шума при воздействии на входе только шума. Поскольку эти параметры (коэффициенты и порог) используются детектором VAD для обнаружения речи, сам VAD не может на этой же основе принимать решение, когда их изменять. Это решение принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум,икоэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, то есть адаптировать под текущий уровень и спектральные характеристики входного шума [9.6].                                                                     

VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC кодеком, так как в процессе LPC анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.

9.5 Формирование комфортного шума

            Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий I прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых j кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID кадр).

            В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях подвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз.

            Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы прерывистой передачи речи.

9.6. Экстраполяция потерянного речевого кадра

            В условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра.

Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала.

            То же самое происходит и с SID кадром. Если SID кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян еще один SID кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.

Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению с существующими аналоговыми сотовыми системами связи.