5. Технология радиодоступа

5.1. Общие сведения

Цель создания сотовых систем – обеспечение связью различных трафиков большого числа мобильных пользователей. Имеются два стандарта такой цифровой связи: GSM (используется временное разделение каналов) и CDMA (кодовое уплотнение каналов) [8].

Методы функционирования и организации названных видов связи одинаковы, а в основу их положен принцип повторного использования частот. Это экономит частотный ресурс за счет многократного использования в определенной зоне обслуживания.

Сотовая система связи строится в виде совокуп- ности территориальных ячеек (рис. 5.1), которые условно изображаются в виде правильных шестиугольников (сот). В каждой ячейке  базовая станция c ограниченной мощностью и определенным количеством каналов. Рабочие частоты станций разные (в примере  три). В соседних ячейках используются различные частоты. Эта группа сот называется кластером. Размер кластера – это количество используемых частот C (в примере  три, а может быть 4, 7, 12, 19). Повторное использование частот возможно только в несмежных сотах.

Базовые станции с одинаковой частотой удалены друг от друга на расстояние защитного интервала D.

Оценим общую полосу частот системы. Допустим, каждая базовая станция обслуживает n каналов (n = 8, 16, 32, …), размер кластера  С, каждый канал требует полосу часто F_k. Общая полоса частот, занимаемая системой, F_c = F_knC. Получается широкая полоса частот, разместить которую можно только в высокочастотной области (сотни, тысячи мегагерц).

Базовая станция – это многоканальный приемопередатчик, который служит интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации. В состав канала входят канал управления, по которому устанавливается соединение, и информационный канал для дуплексной связи с абонентом.

Частоты базовой (исходящей) и подвижной (восходящей) станций имеют разные значения.

Все базовые станции соединены с центром коммутации сотовой сети. Центр коммутации  это автоматическая телефонная станция (АТС), обеспечивающая управление сетью. Понятие управления очень емкое, оно включает в себя отслеживание абонента и передачу управления из сота в сот (хэндовер); переключение рабочих каналов при появлении помех; переключение абонента на городскую телефонную сеть и многое другое.

5.2. Сотовые системы связи стандарта gsm

Остановимся на некоторых теоретических особенностях сотовой сети стандарта GSM.

Модуляция. В стандарте применена гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Последовательность информационных битов первоначально проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой.Чтобы понять смысл этого преобразования сигнала, вспомним, какой спектр у сигнала классической частотной манипуляции (рис. 5.2). Спектр вокруг частот манипуляции при разносе, равном Δf, точно укладывается в пространство между частотами без перекрытия.

Если частоты сближать дальше, произойдет перекрытие спектров «чужих» посылок и появятся взаимные сильные помехи. Это наглядное графи-ческое отображение ограничения минимального разноса при классической манипуляции FSK.

Из графического представления сигнала частотной манипуляцииFSK на рис. 5.2 понятна основная идея для уменьшения разноса частот при той же скорости манипуляции и, как следствие, повышения эффективности самой FSK. Достаточно уменьшить (сузить) область основной энергии боковых частот вок-руг частот манипуляции, и это позволит уменьшить разнос. Данная идея реализуется через предварительную фильтрацию битового потока перед подачей на модулятор. Прямоугольный и сглаженный фильтром импульсы низкой частоты показаны на рис. 5.3, а на рис. 5.4 приведены их спектральные характеристики.

Для успешного применения манипуляции FSK широкое распространение получили фильтры Гаусса, они обеспечивают достаточно эффективное сужение полосы за счет сглаживания резких переходов напряжения манипуляции и хорошую управляемость параметрами. В принципе любой фильтр, сглаживающий резкие переходы, годен для этой цели, но фильтры Гаусса имеют лучшие характеристики, хотя они, ко-

нечно, не единственные. Таким образом, суженый спектр импульса позволит сузить спектр модулированного сигнала, сблизив несущие частоты (см. рис. 5.2).

Классическая FSK с предварительной фильтрацией напряжения манипуляции фильтром Гаусса получила название GFSK. Общая схема модулятора остается прежней, но битовый поток проходит через фильтр Гаусса.

СвойстваGMSK следующие:

неизменная огибающая сигнала позволяет использовать в передатчике усилители класса С. Это ключевой режим каскада с высоким КПД. За счет этого батарея питания работает в экономном режиме;

узкий спектр сигнала на выходе передатчика обеспечивает низкий уровень внеполосного излучения, что вызывает экономию частотного ресурса группового сигнала;

высокая помехоустойчивость.

Кодирование имеет свои особенности, связанные со спецификой радиоканала:

«мертвые» зоны, возникающие в городских условиях (влияние зданий на распространение радиоволн);

интерференция, т. е. поступление сигнала по нескольким путям в точку приема, импульсные помехи;

многолучевость.

Для устранения указанных недостатков применяются оптимальные помехозащищенные коды. При минимальной избыточности кода возможно построение канала хорошего качества без использования обратной связи. При декодировании применяют блочное и сверточное кодирование с алгоритмом Витербери. Эти методы были рассмотрены в разд. 1.

При замирании сигнала возникают ошибки высокой кратности (групповые), т. е. продолжительная последовательность битов принимается с ошибкой. Для исправления этого требуется значительная избыточность кода, не нужная при отсутствии замираний. Поэтому необходимо осуществлять операцию, при которой групповые ошибки (пакеты ошибок) преобразуются в одиночные. Кратность ошибок снижается, и исправить их можно достаточно простым кодом. Это преобразование называется перемежением.

Диагональное перемежение. Входная информация делится на блоки, а те, в свою очередь,  на субблоки. Блоки – это последовательность символов; субблоки – также последовательность из нескольких символов, вплоть до одного. Процесс формирования последовательности для передачи показан на рис. 5.5.

При пропадании сигнала с ошибкой принимаются соседние символы, например, a4 и b2, но это не двухкратная ошибка, а две однократных, так как эти биты принадлежат различным блокам. Рассредоточение через один символ в примере сравнительно небольшое, поэтому можно применять другие методы с большим количеством субблоков.

Мощным средством борьбы с замиранием являются скачки по частоте. Идея состоит в том, что каждый физический частотный канал периодически меняет частоту. Замирания сигнала являются частотно-селективными, поэтому высока вероятность того, что при смене частоты на 100 – 300 кГц их не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты, да еще и при перемежении, существенно снижается вероятность групповых ошибок.

Перейдем к изучению эфирного интерфейса, где реализуется принцип временного уплотнения TDMA. В стандарте GSM 900 для передачи от базисной станции (прямой канал) отводится полоса частот 935 – 960 МГц, а для обратного канала  890 – 915 МГц. Один прямой (или обратный) частотный канал занимает полосу в 200 кГц, а всего каналов с учетом защитных полос 124.

Суть методаTDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени, т. е. по очереди представляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. В одном частотном канале располагается несколько физических. Это положение иллюстрируется на рис. 5.6.

Разберем некоторые понятия цифровой передачи в сотовой сети. Физический канал в системе с множественным доступом TDMA  это временной слот с определенным номером.

Передача информации организуется кадрами, которые имеют длительность 4,516 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов по 577 мкс, каждый слот соответствует своему каналу речи.

Таким образом, в каждом кадре передается информация восьми речевых каналов (рис. 5.7).

Слоты бывают двух типов: слот трафика и слот управления. Форматы у них различны, но оба имеют разнообразную информационную «начинку». Для формата слота трафика эфирного интерфейса (см. рис. 5.7) назначение полей следующее: ED – закодированная информация (57 битов); TS – обучающая последовательность (26 битов); T – защитный интервал 1; S – признак «речь/управление»; G – защитный интервал 2.

При полноскоростном кодировании все последовательные кадры содержат информацию одних и тех же речевых каналов.

Существует два вида кадров: кадр трафика и кадр управления. Содержание их слотов различно при одинаковой длительности.

Дальнейшее временное объединение слотов в кадры идет с добавлением различной информации в сигнал по такой схеме:

кадры → мультикадры → суперкадры → гиперкадры.

Обратимся к теории. Основной трафик сотовой сети связи  это речь. Из рис. 5.7 следует, что данные о речи передаются через интервал в 4,516 мс, что соответствует частоте дискретизации f_d = 1/4,516 мс = 221 Гц. Однако если оценивать эту частоту с позиции теоремы отсчетов (Котельникова), в основу которой положены спектральные свойства речи, требуется, чтобы f_d составляло 8000 Гц. Таким образом, частоты дискретизации 221 Гц явно не достаточно. Необходимо кодировать речь не по частотным свойствам, а исходя из механизма речеобразования.

Вначале рассмотрим свойства речи, так как это основной трафик сотовой сети:

в соответствии с рекомендациями сигнал речи ограничивается интервалом частот 300 – 3400 Гц;

длительность звуков составляет в среднем 130 мс;

в задачах кодирования речь  квазистационарный гауссовский процесс, спектральные и корреляционные характеристики которого постоянны в интервале 20 – 30 мс.

Кодирование речи идет в два этапа (рис. 5.8).

На выходе АЦП с периодом дискретизации появляются двоичные коды. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна быть по крайней мере в два раза больше наивысшей частоты обрабатываемого сигнала речи. Общепринятой является частота f_д, равная 8 кГц. Число двоичных разрядов АЦП обычно восемь, включая знаковый разряд. В результате на выходе АЦП получается 8-битный поток, следующий с частотой 8 кГц, т. е. поток информации  64 кбит/с.

Кодер речи. Основная задача кодера – устранить избыточность речевого сигнала при сохранении приемлемого качества. В настоящее время в сотовых сетях применяется метод линейного предсказания.

Суть кодирования речи заключается в том, что передаются не параметры речевого сигнала, а параметры некоторого фильтра, эквивалентного в некотором смысле голосовому тракту, и параметры сигнала возбуждения этого фильтра. Фильтр – это фильтр линейного предсказания.

На передающем конце определяются параметры этого фильтра и параметры сигнала возбуждения, а на приемном конце сигнал возбуждения пропускается через фильтр.

Метод линейного предсказания заключается в том, что очередная выборка речевого сигнала предсказывается линейной комбинацией М предыдущих выборок:

, (5.1)

где М и а_i – порядок и коэффициенты предсказания;

Естественно, что при этом возникает ошибка

(5.2)

При удовлетворительном качестве сигнала порядок предсказания берется около 10, речь разбивается на сегменты по 20 мс, на этом интервале коэффициенты предсказания а_i постоянны.

Процедура кодирования речи в методе линейного предсказания сводится к следующему:

оцифрованный речевой сигнал «нарезается» на сегменты длительностью 20 мс (160 выборок по 8 битов);

для каждого сегмента оцениваются параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения;

параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются по определенному закону и передаются по каналу связи.

В приемнике происходит обратное преобразование. Данные действия показаны на рис. 5.9.

Процедура декодирования заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр, параметры которого переданы одновременно с сигналом возбуждения. Далее сигнал с выхода фильтра-синтезатора подается на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Все операции выполняются цифровым специализированным микропроцессором. Практические схемы кодеков очень сложны.