Вопросы проектирования мобильных беспроводных систем TDMA

Перед тем как переходить к рассмотрению системы GSM, будет полезно изучить некоторые общие принципы. После этого анализа станут понятны мотивы некоторых проектных решений, принятых в GSM. Общая цель состоит в определении такой длины и структуры слота трафика, которые обеспечат эффективную передачу речи и данных, а также эффективное использование спектра радиодиапазона. Рассмотрим следующий набор требований.

· Количество логических каналов (число слотов в кадре TDMA) — 8; оказывается, что это минимальное количество слотов, при котором оправдываются затраты на разделение каналов.

· Максимальный радиус ячейки (R) — 35 км; он обеспечивает достаточный уровень трафика в сельской местности.

· Частота — около 900 МГц; обычно именно такая частота выделяется для мобильных радиоприложений.

· Максимальная скорость движения (V_m) — 250 км/ч или 69,4 м/с, чтобы можно было пользоваться мобильными устройствами в скоростных поездах.

· Максимальная задержка кодирования — приблизительно 20 мс, чтобы не приводить к чрезмерным задержкам в стационарных сетях, в которых может использоваться спутниковая связь.

· Максимальный разброс задержек (Δ_m) — 10 с (в горных районах); эта задержка представляет собой разницу задержек распространения различных компонентов многолучевых сигналов, прибывающих на одну и ту же антенну.

· Ширина полосы частот не должна превышать 200 кГц, что соответствует 25 кГц на один канал (именно эта величина в настоящее время принята для европейских аналоговых сотовых систем с частотной модуляцией).

На рис. 2 приведены шаги, которые предлагается выполнить при проектировании слота системы TDMA. Кодер речи должен обеспечивать удовлетворительное качество речи при минимальной скорости передачи данных. Традиционным видом речевого кодирования, дающим поток цифровых битов, является импульсно-кодовая модуляция (РСМ), которая приводит к скорости передачи данных 64 Кбит/с. Эта скорость слишком высока для сотовой связи. Для имеющихся в настоящее время технологий разумно использовать скорость передачи данных около 12 Кбит/с, что дает хорошее качество воспроизведения речи.

Рис. 2. Проектирование слота для системы TDMA

Если ограничить задержку кодирования величиной 20 мс, тогда закодированную речь можно группировать блоками по 20 мс или выборками речи по 240 бит (V= 240 бит /20 мс = 12 Кбит/с). При скорости 12 Кбит/с данные группируются в 240-битовые блоки. Затем к этим блокам можно применять схемы исправления ошибок.

В цифровых системах второго поколения обычно используются сверточные коды коррекции ошибок со степенью кодирования ¹/₂. При таком кодировании число битов в блоке данных увеличивается до 480. Кроме того, к блоку данных нужно добавить восемь бит, чтобы учесть длину регистра сдвига. Таким образом, длина блока речи составит 488 битов.

При выбранных параметрах минимальная скорость передачи битов для восьмиканальной системы составит

8 каналов´488 бит/канал / 20´10^-3 c = 195,2Кбит/с.

В действительности потребуется несколько более высокая скорость передачи битов, что обусловлено другими соображениями, о которых мы поговорим ниже. Это означает, что в доступной полосе шириной 200 кГц придется обеспечивать скорость передачи данных выше, чем 200 Кбит/с. На практике таких скоростей передачи данных невозможно достигнуть без использования адаптивного выравнивания. Речь идет об обеспечении синхронизации фазы принятого несущего колебания и колебания гетеродина приемника (корреляционный прием).

Для осуществления адаптивного выравнивания в мобильной среде потребуется включать новую настроечную последовательность всякий раз, когда мобильное устройство переместится на расстояние, достаточное для изменения характеристик тракта передачи. Предположим, что настроечная последовательность включена в каждый слот. Грубый критерий состоит в том, что фаза несущего сигнала после настроечной последовательности не должна превышать 1/20 длины волны (т.е. π/10). При частоте 900 МГц длина волны составляет 0,333 м. Итак,

максимальная длительность передачи = = = 0,24мс,

здесь V_m= 250 км/ч ≈ 69,4 м/с – принятая максимальная скорость перемещения мобильного терминала (движение скоростных поездов в Европе).

Настроечную последовательность можно использовать более выгодно, если передавать 0,24 мс речи или данных до нее и после нее и использовать настроечную последовательность в сочетании с 0,48 мс данных.

Далее требуется определить длину настроечной последовательности. При проектировании эквалайзера для многолучевого сигнала, ширина полосы которого примерно равна скорости передачи битов (200 кГц, 200 Кбит/с), используют эвристическое правило: число отводов эквалайзера должно в шесть раз превышать число битов, передаваемых за максимальное время рассеивания ( Δ_m = 0,01 мс). Таким образом, для настроечной последовательности в слоте выделяется 0,06 мс.

Теперь предположим, что в конце каждого слота нужен защитный интервал. Его вводят из-за различия во времени задержек между разными мобильными устройствами и базовой станцией. Поскольку один и тот же кадр TDMA совместно используют восемь мобильных устройств, требуется синхронизировать передачу данных с мобильных устройств, чтобы данные с одного из них не приходились на чужие слоты. В функции базовой станции входит предоставление каждому мобильному устройству информации о синхронизации, что позволяет выравнивать относительные задержки и сохранять структуру кадра TDMA. Однако мобильные устройства могут двигаться и относительно базовой станции, и относительно друг друга, так что для учета этих отклонений после каждого слота вставляется защитный интервал.

Когда мобильное устройство впервые заказывает соединение базовой станции, базовая станция предоставляет мобильному устройству информацию о синхронизации, которая зависит от текущего времени задержки распространения сигнала между мобильным устройством и базовой станцией. Избежать частого обновления информации о синхронизации можно путем введения достаточного защитного времени.

Приведем пример расчета защитного интервала. Средний телефонный звонок занимает 130 с, так что радиальное расстояние до базовой станции, которое может покрыть мобильное устройство, составляет (130 с)´(69,4 м/с) = 9022 м. Изменение задержки распространения сигнала, обусловленное перемещением на такое расстояние, составляет 9022 / (3´10⁸ м/с) = 0,03 мс.

На рис. 3, а показана полученная схема слота. Следующий этап состоит в распределении закодированного блока данных между несколькими слотами, в которые также войдут настроечная последовательность и защитные биты. Максимальная длительность слота равна приблизительно 0,57 мс. Учитывая, что каждый кадр состоит из 8 слотов, получаем длину кадра 4,6 мс. Пусть данные нужно отправить с задержкой кодирования 20 мс, так что если длину кадра считать равной 4 мс, а длину каждого слота равной 0,5 мс, удобно будет отправить блоки речи в пяти последовательных слотах в одном и том же канале. Блок речи состоит из 488 бит, так что в каждый слот следует поместить 488/5 или около 98 бит данных. Это даст скорость передачи битов 98/0,4 = 245 Кбит/с. При такой скорости передачи данных минимальное количество требуемых настроечных битов составляет (0,06 мс)´(245 Кбит/с) = 14,7, что при округлении даст 15 бит. Подобным образом рассчитывается и минимальное количество защитных битов, которое оказывается равным (0,03 мс)´(245 Кбит/с) = 7,35, т.е. при округлении в большую сторону — 8 бит.

Рис. 3. Слот TDMA

Получившаяся в результате структура кадра показана на рис. 3, б. По каналу со скоростью передачи 242 Кбит/с передается 121 бит за 0,5 мс.

2. Глобальна система мобільного зв'язку GSM

До того как была разработана Глобальная система мобильной связи (GSM), в странах Европы использовалось множество разных несовместимых сотовых телефонных технологий первого поколения. Стандарт GSM был разработан для внедрения в Европе общей технологии второго поколения, чтобы одни и те же абонентские устройства можно было использовать по всему континенту. Эта технология оказалась весьма успешным и, возможно, самым популярным мировым стандартом для систем нового поколения. Впервые стандарт GSM появился в 1990 году в Европе. Теперь подобные системы внедрены в Северной и Южной Америке, Азии, Северной Африке, а также в Средней Азии и в Австралии.

Архитектура сети GSM

На рис. 4 показаны ключевые функциональные элементы системы GSM, Линии Um, Abis и А обозначают интерфейсы между функциональными элементами, которые стандартизированы в документации GSM. Таким образом, можно приобретать оборудование у разных поставщиков и ожидать, что оно будет успешно взаимодействовать. В стандарте GSM определены также дополнительные интерфейсы.

Рис. 4. Общая архитектура GSM