Структура и формирование сигналов

Характеристики стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей свя­зи и совокупность интерфейсов обеспечивают высокое качество связи, со­вместимость с существующими и перспективными информационными сетя­ми и предоставление абонентам широкого спектра услуг. В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов — TDMA (Time Division Multiple Access). В общем виде временная диаграмма процесса передачи выглядит следующим образом. Сначала осуществляется преобразование аналогового речевого сиг­нала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процес­се передачи и приема. Для этого используются:

• Блочное кодирование — для быстрого обнаружения ошибок при приеме
• Сверточное кодирование — для исправления одиночных ошибок
• Перемежение — для преобразования пакетов ошибок в одиночные ошибки

В результате этих преобразований каждый отсчет уровня исходного аналого­вого сигнала представляется в виде зашифрованного сообщения, состоящего из 114 бит — двух самостоятельных блоков по 57 бит (рис. 3.21), разделенных между собой эталонной (обучающей) последовательностью (26 бит. При при­еме этой последовательности определяется характер искажений в тракте рас­пространения сигнала, и характеристики приемника формируются уже при­менительно к конкретным условиям работы в данный момент времени.

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

• NB (Normal Burst) — нормальный временной интервал
• FB (Frequency correction Burst) — временной интервал подстройки час­тоты
• SB (Synchronisation Burst) — интервал временной синхронизации
• DB (Dummy Burst) — установочный интервал
• АВ (Access Burst) — интервал доступа

При передаче по одному разговорному каналу в стандарте GSM используется нормальный временной интервал NB (пакет) длительностью 0,577 мс, кото­рый включает в себя: 114 бит зашифрованного сообщения; две концевых ком­бинации ТВ (Tail Bits) no 3 бита каждая; два контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения и эталонную последовательность; защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита. Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

Временной интервал подстройки частоты содержит 142 нулевых бита, две кон­цевых комбинации ТВ и защитный интервал. Повторяющиеся временные ин­тервалы подстройки частоты образуют канал установки частоты (FCCH).

Интервал временной синхронизации SB используется в подвижной станции для синхронизации работы аппаратуры. Он состоит из синхропоследовательности длиной 64 бита и двух зашифрованных блоков (по 39 бит каждый), не­сущих информацию о номере ТDМА-кадра и идентификационном коде базо­вой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называе­мый канал синхронизации (SCH).

Установочный интервал DB обеспечивает установление и тестирование ка­нала связи. По своей структуре установочный интервал совпадает с нормаль­ным временным интервалом NB. Различие их состоит в том, что интервал DB содержит установочную последовательность длиной 26 бит и в нем отсутству­ют контрольные биты.

Интервал доступа АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. Он содержит большой защитный интервал GP дли­тельностью 252 мкс (68,25 бита), две концевых комбинации ТВ (по 3 бита каждая), синхропоследовательности длиной 41 бит и 36 зашифрованных бит. Большой защитный интервал (252 мкс) обеспечивает возможность связи с по­движными абонентами в сотах радиусом до 35 км, поскольку он перекрывает время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях, которое может составлять при этом до 233,3 мкс.

Рис. 3.21. Структура кадров и формирование сигналов в стандарте GSM

Передача информации при временном разделении каналов осуществляется в составе TDMA- кадра. Каждый временной интервал этого кадра обознача­ется номером от 0 до 7, т. е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, — это 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. Общая длительность одного TDMA- кад­ра составляет 4,615 мс.

Из ТDМА- кадров составляются мультикадры. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

• Состоящие из 26 ТDМА- кадров
• Состоящие из 51 ТDМА-кадра

Длительность одного мультикадра первого вида равна 120 мс, второго — 235,385 мс. Из 51 мультикадра первого вида (по 26 кадров) или из 26 мульти-кадров второго вида (по 51 кадру) составляется суперкадр длительностью 6,12с (1326 ТDМА- кадров).

2048 суперкадров составляют 1 гиперкадр, содержащий 2715648 ТDМА- кадров. Длительность 1 гиперкадра составляет 3 ч 28 мин 53 с 760 мс. Необходимость такой большой длительности гиперкадра обусловлена требованиями применяе­мого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра использует­ся как входной параметр шифрования. Однако даже без дополнительного шиф­рования прослушивать разговоры практически невозможно.

Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи — SFH (Slow Frequency Hopping). Главное назначение таких скачков — обеспе­чение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в услови­ях многолучевого распространения радиоволн. Медленные скачки частоты используются 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 ТDМА- кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимает­ся) на новой фиксированной частоте (рис. 3.22). В соответствии со структу­рой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи (см. рис. 3.22). Всем активным абонентам, нахо­дящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последо­вательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при при­еме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи.

Каналы связи в стандарте GSM можно подразделить на физические и логи­ческие. Физический канал образуется путем комбинирования временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью скачков по частоте) и временных интервалов TDMA- кадра.

Каждая несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8 времен­ных интервалах в пределах TDMA- кадра. Каждый физический канал исполь­зует один и тот же временной интервал в каждом ТОМА- кадре.

До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровом виде, группируются и объединяются в логические каналы двух типов:

• Канал связи — для передачи кодированной речи и данных
• Канал управления—для передачи сигналов управления и синхронизации

Рис. 3.22. Комбинированная TDMA/FDMA схема организации каналов связи в стандарте GSM и принцип формирования медленных скачков по частоте

При соответствующей комбинации логических каналов на одном и том же физическом канале может быть размещен более чем один тип логического канала. Логические каналы связи также могут быть двух типов:

• Канал передачи сообщений с полной скоростью (22,8 Кбит/с) — TCH/F (Full rate traffic channel)
• Канал передачи сообщений с половинной скоростью (11,4 Кбит/с) — TCH/H (Half rate traffic channel)

В логических каналах используется 26-кадровый мультикадр. Быстрый совме­щенный логический канал управления FACCH (Fast Associated Control Channel) используется для передачи команд при переходе подвижной стан­ции из соты в соту, т. е. при эстафетной передаче. Медленный совмещенный логический канал управления SACCH (Slow Associated Control Channel) исполь­зуется в прямом канале для передачи команды на установку выходного уров­ня мощности передатчика подвижной станции, а в обратном — для передачи данных об уровне установленной мощности.

В полноскоростном канале связи в каждом 13-мТОМА-кадре мультикадра пере­дается пакет информации канала SACCH, при этом каждый 26-й TDMA-кадр свободен. В полускоростном канале связи тот же пакет информации переда­ется в каждом 13-м и 26-м ТDМА-кадрах мультикадра (рис. 3.23).

Так как в мультикадре полноскоростного канала для передачи речи и данных используются 24 TDMA-кадра из 26 и длительность мультикадра составляет 120 мс, то скорость передачи информационных сообщений по этому каналу составляет 22,8 Кбит/с.

Рис. 3.23. Схема объединения каналов связи