Wykład 12: GSM – wstęp. Kodowanie mowy w GSM. PG – Katedra Systemów Mikroelektronicznych ZASTOSOWANIE PROCESORÓW SYGNAŁOWYCH Marek Wroński Wykład 12: GSM – wstęp. Kodowanie mowy w GSM.

GSM jako system radiokomunikacji ruchomej (lądowej) – warunek konieczny: praca w tym samym kanale częstotliwościowym, – warunek wystarczający: możliwość nawiązania łączności w dowolnym punkcie zadanego (ograniczonego) obszaru → sieć pracuje tylko na pewnym obszarze!, – kanały muszą być tak zorganizowane tak, aby była możliwość odbioru sygnału na jednym kanale (lub kilku), a nadawania na drugim (lub kilku innych). Położenie + częstotliwość → struktura przestrzenno-spektralna (siatka)

GSM – Global System for Mobile Communikation. Wstęp Systemy komórkowe 1-szej generacji oparte na technologii analogowej nie dawały możliwości przetwarzania cyfrowego oraz kompresji sygnałów mowy, dominowały w latach 80-ych.Pomimo małej odporności na zakłócenia, łatwości podsłuchu rozmów, niedostatku transmisji danych, a także braku roamingu międzynarodowego, systemy te bardzo się rozwinęły. W roku 1991 do użytku weszła 2-ga generacja o nazwie GSM. Nie są one przystosowane do przesyłania danych cyfrowych (oparte na klasycznej koncepcji kumulacji kanałów typu telefonicznego).GSM to system tel.radiowej, w którym dokonują się cyfrowe przetwarzanie i kompresja sygnałów mowy do przepływności kanałowej 13 Kb/s, a dostęp do kanału radiowego następuje ze zwielokrotnieniem czasowym w ustalonym, dynamicznie zmiennym kanale częstot. Standardowa przepływność dla danych, w tego rodzaju sieciach to 9,6 Kb/s (max. 14,4 Kb/s). Przy korzystaniu z jednej szczeliny czasowej, przepływność ta jest barierą dla użytkowników tel.kom., usiłujących przekazać jakiekolwiek informacje tekstowe za pośrednictwem terminali mobilnych.System ten pracuje w częst. >800 MHz. Użytkownik komunikuje się ze stacją bazową w każdej komórce za pośrednictwem odrębnych kanałów dla nadawania i odbioru (uplink od cz. 935,2 MHz i downlink od 890,2 MHz). Kanały te mają szerokość 200 kHz. Komunikacja w każdym ze 124 kanałów odbywa się za pomocą ramek, posiadających 8 szczelin czasowych (slot), tj.jednocześnie do 992 użytk.(< bo interfer. z sąsied. kom.)przenosi głos i dane. Każda ze szczelin, reprezentuje indywidualny kanał użytk. powstający w wyniku multipleksow. ramki z podziałem czasu. Każda ramka ma szerokość 1250 bitów i zawiera 8-em 148-bit szczelin Każda szczelina ma114 bitów danych, a pozostałe służą jako nagłówek oraz do synchronizacji. Szybkość transmisji, w każdym z kanałów 9600 b/s. W wielu krajach jest system DCS – 1800 (Digital Communication System - 1800 MHz) o mniejszych obszarowo komórkach (na obszarach zurbanizowanych) tj. mniejsza moc nadajników

Rozwój technologii GSM Faza 1 w końcu lat 80-tych. Określono podstawowe cechy usług łączności bezprzewodowej: transmisji mowy i danych (kodowanie z przepływnością 13 Kb/s), współpracy z publiczną siecią pakietową (protokół X.25), realizacji połączeń alarmowych i usług dodatkowych (przenoszenie i blokowanie połączeń), kanał radiowy ze zwielokrotnieniem czasow.i ramką TDMA (Time Division Multiple Access), przesyłania krótkich komunikatów SMS (Short Message Service). Fazę 2 rok 1995, kiedy to rozbudowano komunikację głosową o: transmisję telefaksową i interfejs komputerowy oraz usługi dodatkowe (telekonferencje, wywołania grupowe, identyfikację abonenta wywołującego itp.). Zaimplementowano identyfikację abonenta za pomocą karty SIM(Subscriber Identity Module), oraz opcję 2-krot. podwyższ.efektywności z połówkowym kodow.mowy HR (Half Rate)5,3 Kb/s Faza 2+ 2000r. (HSCSD i GPRS). Funkcje dla przejście z systemu GSM do system.3-gen. jak: zaawansowane usługi połączeń głosowych (transm.rozsiewcze, wywoł.grupowe, priorytetow.p.), integrację sieci GSM z innymi: sieć t.b.DECT/RLL, amer.PCN, bezprz.centralą WPABX,s. sat., profilowanie usług użytk.(wspólne lub oddzielne numery z wielowariantową taryfikacją), współpracę z s.o odmiennej hierarchii architektury i strukturze wewn.(CDMA, WB-CDMA), rozszerzanie grupy usług związanych z pakietową transmisją danych, pracę terminali w 2-ch zakr.częstotliwości Dual Band lub w różnych trybach pracy Dual Mode, transmisję danych w trybie komutacji łączy typu HSCSD(High Speed Circuit Switched Data), nową generac.s.inteligentnychCAMEL(Customized Application for Mobile Enhanced Logic) pełną i wielowymiarową taryfikację połączeń, pakietową transmisję danych w kanale radiowym GPRS (General Packet Radio Services), usprawnienie koderów głosowych bezprzewodowej usługi telefonicznej.

Architektura systemu GSM

Opis schematu ideowego węzła Stacja ruchoma jest elementem (interfejs) bezpośredniego dostępu użytkownika do sieci (komórki). • przetwarzanie sygnału nadawanego i odbieranego (kodowanie i dekodowanie mowy, kodowanie i dekodowanie kanałowe, przeplot, wzmacnianie, filtracja), • funkcje pomocnicze związane z transmisją (hopping częstotl, regulacja mocy, pomiary jakości syg.), • funkcje interfejsu z użytkownikiem – do komunikowanie się z systemem(funkcje firmowe), • funkcje związane z transmisją danych (opcja). Zespół Stacji Bazowych składa się z: − stacji bazowych (BTS interf.radiowy), − sterownika (BSC). • wykrywanie zgłoszeń stacji ruchomych,• przetwarzanie sygnału w obu kierunkach, • szyfrowanie i deszyfrowanie sygnałów,• przesyłanie wyn.pomiarów własnych i stacji ruch.do BSC, • skakanie po częstotliwościach (synchronizacja z MS), Sterownik BSC steruje kilkoma lub kilkunastoma stacjami bazowymi i realizuje funkcje sterujące dla obsługi komórek, zarządza zasobami radiowymi, steruje przełączaniem kanałów. Głównym elementem bloku komutacyjno-sieciowego jest centrum przełączania ruchomych stacji (MSC - Mobile Switching Centre), korzystające z czterech baz danych: −HLR jest rejestrem stacji własnych, zawierającym dane dotyczące uprawnień abonenta w zakresie uprawnień dostępu do usług i ich rodzaju. Zawiera też zmieniające się dane o aktualn.położeniu, które pozwalają kierować przychodzące informacje bezpośrednio do odbiornika. −VLR jest rejestrem stacji obcych, gromadzącym dane o stacjach ruchomych w obszarze obsług. przez VLR. Są one wykorzystywane przez centrum przełączania (MCS) w realizacji połączeń. −AuC jest centrum identyfikacji zapewniającym abonentom niezbędną ochronę przed realizacją połączeń na cudzy koszt lub podsłuchem rozmów. Zawiera klucze, alg.szyfrowania i gener.losowe. −EIR jest rejestrem identyfikacji stacji ruchomych, w 3-ch grupach: stacji czynnych, stacji uszkodz. (chwilowo nieczynnych) i stacji zablokowanych (skradzionych, czy z nieuregulowaną płatnością).

Stacje bazowe • Budowa stacji: nadajniki sygn.radiowych, odbiorniki sygn.radiow., anteny, ukł.CPS. • Parametry elektryczne: klasy mocy, regulacja mocy wypromieniowanej, niepożądana emisja poza-pasmowa, stabilność częstotliwości, dokładność modulacji, zakres dynamiki.

Sieć GSM – transmisja i sygnalizacja

Hierarchiczna struktura sieci

System numeracji stosowany w sieci GSM Skomplikowany system numeracji związany jest z wielowarstwową strukturą sieci i złożonymi procedurami wymiany informacji pomiędzy jej poszczególnymi elementami: • oddzielenie numeracji abonenta od numeracji usług i sprzętu, • numer ≠ droga połączenia, • różne numery dla usług, • różne numery dla różnych grup użytkowników MSISDN – numer międzynarodowy abonenta sieci ISDN: MSISDN =kraj + operator + abonent • nr katal.użytk.,• rozumiany w całej sieci,• określa typ dostępnej usługi, a nie terminal, • w HLR numer MSISDN → MISI,• zgodny z numeracją w sieci ISDN. IMSI – numer międzynarodowy abonenta ruchomego ( użytk.): IMSI =kraj + operator + abonent • numer (używany) wew. w sieci,•przydzielony przez operat.,•zapisany w HLR, AuC, VLR i SIM MSRN – numer chwilowy stacji ruchomej (do zestaw.połącz.): MSRN =kraj + operator + abonent • generowana przez VLR (odpowiedź za zapytanie z HLR o położenie stacji (co do obsz. przywołań), TMSI – tymczasowy numer abonenta ruchomego• zakodowana wersja numeru MISI, • przesyłany od BTS do MS w trakcie przywołania (identyf.abon.),• przydzielany przy 1-m zgł.MS IDEI – międzyn. nr identyf. terminala IMEI =model + producent + urządzenie + dodatkowe • pozwala na śledzenie terminali, ich blokowanie i kontrolę dostępu,• na stałe w terminalach i w EIR LAI – numer (do identyf.) obszaru przywołań abonena LAI =kraj + operator + obszar przywołań • ruch w obszarze - bez aktualizacji w VLR. CGI – numer globalny (danego obsz.)komórki CGI =kraj + operator + obszar przywołań + komórka • rozpoznawanie odpowiadającego abonenta przez centralę, • również cele taryfikacyjne. BASIC – numer identyfikacyjny stacji bazowej BSIC =kraj + grupa komórek • używany przez MS do identyf.BS,• wykluczanie BS o silniejszym sygnale, ale dalej położonych, • „problemy graniczne”.

Wykorzystanie numerów w czasie zestawiania połączenia

Organizacja kanałów radiowych GSM 900 i E-GSM Każda aktywna stacja ruchoma w chwili nawiązania łączności otrzymuje dwa niezależne, stałe odcinki czasu (0,557 ms), tzw. szczeliny, w dwóch różnych kanałach radiowych z różnymi częst., odległymi od siebie o 45 MHz. Jedna szczelina służy do transmisji w kierunku do stacji bazowej a druga w kierunku odwrotnym – do stacji ruchomej. • zwiększona pojemność, • dodano 50 kanałów (10 MHz), • kanały „w górę”: 880-915 MHz, • kanały „w dół”: 925-960 MHz, • kanały „podstawowe” – jak w GSM 900, • odstęp dupleksowy 95 MHz, • szerokość kanału 200 kHz, • ARFCN – numer kanału radiowego, • w każdym kanale 8 szczelin czasowych. • kanały „w górę”: 890-915 MHz, • kanały „w dół”: 935-960 MHz, • częstotliwości nośne „w górę”: (890 + 0,2⋅i) MHz, • częstotliwości nośne „w dół”: (935 + 0,2⋅i) MHz, • odstęp dupleksowy 45 MHz, • szerokość kanału 200 kHz • 124 kanały, tj. i = 1, 2, … 124, • ARFCN – numer kanału radiowego, • w każdym kanale 8 szczelin czasowych.

GSM - podział czasowy i częstotliwościowy kanałów Dostęp do kanału transmisyjnego:
FDMA-(FrequencyDivisionMultipleAccess) wielodostęp z podziałem częstotliwości
TDMA-(TimeDivisionMultipleAccess) wielodostęp z podziałem czasowym
CDMA-(CodeDivisionMultipleAccess) wielodostęp z podziałem kodowym

Organizacja kanałów radiowych DCS 1800 • mniejsze komórki, • więcej kanałów: 374, • kanały „w górę”: 1710-1785 MHz, • kanały „w dół”: 1805-1880 MHz, • częstotliwości nośne „w górę”: (1710 + 0,2⋅(i–511)) MHz, i = 512, 513,… 885, • częstotliwości nośne „w dół”: (1805 + 0,2⋅(i–511)) MHz, i = 512, 513, …885, • odstęp dupleksowy 95 MHz, • szerokość kanału 200 kHz, • ARFCN – numer kanału radiowego, • w każdym kanale 8 szczelin czasowych.

Kanały fizyczne Kanał fizyczny – ciąg szczelin czasowych o tym samym numerze na jednej częstotliwości nośnej • każda częstotliwość – 8 szczelin czasowych, • czas trwania szczeliny – ok. 577 µs (15/26 ms), • wielodostęp TDMA/FDMA, • ramka TDMA = 8 szczelin czasowych → 4,615 ms, • częstotliwość powtarzania ramki: ok. 216,6 Hz, • przesunięcie numeracji szczelin na obu kierunkach transmisji, • niejednoczesne nadawanie i odbiór sygnałów (unikanie sprzężeń i prostrza konstr.) Transmisja impulsowa (zakłócenia!) (w pewnych przedz. czasu - w „swojej” szczelinie) Przez 7 szczelin nadaj. MS nieaktywny -częst.włącz.się nadajn ¼.615=216.5Hz włączenie/ wyłączenie 28ms zakres zmiany mocy 70 dB przesyłanie informacji 542.8ms

Pakiety komunikacyjne GSM (Burst) W każdej szczelinie czasowej jest transmitowany jeden pakiet komunikacyjny (burst-pęk).4 rodzaje: Pakiet podstawowy–podstawowe dane przenoszone przez logiczne kanały informacyjne i sterujące. Dane kanałów informacyj. zapisywane w dwóch grupach po 58 bitów rozdzielone 26 bit. sekwencją diagnostyczną testującą procedury synchronizacji transmisji i badania odpowiedzi kanału. Całość pakietu (142 b.)ograniczają 3-bit. marginesy (tails) o wartościach 0, na początku i na końcu pakietu; razem 148 bitów.Pakiet kończy ochronny interwał czasu(GP–Guard Period)odpowiadający 8,25bitu, co daje przedz. czasu =156,25 interwału trwania 1-go bitu danych, w szczelinie czasowej 0,577 ms. Pakiet korekcji częstotliwości jest generowany przez stację bazową w celu synchronizacji częstot. transmisji sygnału nośnego stacji ruchomej. Rozmiary jego są identyczne jak pakietu podstawowego. Pakiet synchronizacyjny również generowany przez stację bazową dla synchronizacji generatora sygnału podstawy czasu w stacji ruchomej.Pakiet zawiera kod identyfikacyjny stacji bazowej oraz nr transmit. ramki; w 2-ch grupach po 39 bit,przedzielonych 64-bit sekwencją danych synchronizacji. Pakiet dostępu jest generow. przez stację bazową i przekazywany do niezsynchronizowanej jeszcze stacji ruchomej. Jest to 1-szy pakiet nawiązywania łączności obu stacji. Brak informacji o odległości stacji ruchomej od stacji bazowej oznacza konieczność ustalenia maksymaln. wymiaru czasu trwania przedziału ochronnego w formie 68,25 bitów wypełniających. Jest to odpowiednik czasu nawiązyw. łączności między stacjami położonymi w odległości do 35 km.

Kanały logiczne rozsiewcze (Broadcast Channel) BTS->MS (korekcja cz.FCCH,synchron. ramkowa SCH i rozsiwcza BCCH, kod obsz. przywołań, operatora i inf. o cz. W sąsiednich kom.) -wspólne sygnaliz. (Common Control Chanel) (k. przywoł.tylko ”w dół” PCH (Paging CH) k.wielodost. RACH (Random Access CH) przydz.k. DCCH przy inicjow.od MS, k. przydz. Łącza AGCH (Access Grant CH), inf. od BTS o przydz.k. DCCH tylko „w dół” specjalne sygnaliz. (Dedicated Control CH) k. wydzielony SDCCH(Standalone Dedicated CCH) wolny pomocn. k.SACCH(Slow Associated CCH)-wyniki pom.mocy BTS,ster.mocą MS, wyprzedz szybki pomocn. k.FACCH( Fast A CCH)- związ. z k. rozmów do przełączania, zmiany znacznik.SF

Zasady obróbki sygnału Sygnał mowy 13-bit. DAC (1), próbkuje z szybk. 8 kHz (13 bit.x 8kcykli/s = 104kb/s ciągu danych) syg. analog. Strumień dzielony jest (2) na segmenty co 20 ms,tj.2080b/20 ms. W (3) próbki są kompresowane i kodowane (skrócenie strumienia do 13 kb/s).W (4) strumień dzielony jest na 2 klasy,różnej wagi. Pierwsze 182 bity (z 260) traktowane są najważniejsze.Do 2 klasy zaliczono pozostałe 78 bitów. Następnie w bloku (5), bity 1-klasy są obrabiane. Do pierwszych 50 bitów tego ciągu są dodawane trzy bity parzystości w kodzie cyklicznym a następnie dodawane są cztery bity marginesu. Otrzymany 189-bit.blok poddawany jest kodowaniu splotowemu, które wydłuża ciąg do 378 bitów. Wraz z 78 bit. 2-grupy uzyskujemy blok o długości 456 bitów (co 20 ms),czyli strumień 22,8 kb/s. Tak zabezpieczony ciąg danych zostaje zaszyfrowany i podzielony na ramki i uzupełn.sekwencjami testującymi. Blok (6) zawiera modulator fazowy GMSK – szybkiej modulacji Gaussa. W bloku (7) następuje przeniesienie i synteza zmodulowanego sygnału do kanału nadajnika radiow. Blok (8) jest wzmacniaczem (nadajnikiem) mocy.

Cyfrowe kodowanie sygnału mowy (hybrydowe) Przetwarzanie wstępne (preprocessing) ogranicza pasmo (4kHz) i po spróbk.w filt.preemfazy uwydatnia w.cz. Predykcja liniowa krótkoterminowa (LPC) dla 160 pr. obl.par.f.predykcyjn.: 8 wsp.odbicia zakodow.na 36 bit Sygnał mowy przechodzi przez f. inwersyjny LPC, czyli na wyjściu pojawia się 160 próbek błędu predykcji. Do dalszej analizy sygnał jest dzielony na 4 ramki po 40 próbek (5ms). Predykcja długoterminowa (LTP) dla każdej ramki 5 ms znajdowany jest w przeszłości (w odl. 40-120 próbek) Odcinek syg. Najbardziej skorelowany z daną ramką.Wart.opóżnienia (lag) zapisana na 7bit.a skala-wzmocn.2b. Przewidziany syg.jest odjęty od danej ramki, a do dalszej analizy idzie syg. różnicowy,o małej energii (jak szum) Analiza syg. pobudzającego (RPE) po f.DP syg.jest subsamplikowany tj.pobierana jest co 3 próbka, poczynając od 0,1,2,3. Z tych 4 syg. (13 pr.) wybieramy o max. energii i próbki kodujemy adaptacyjnie (każda na 3 bit.) – dodatkowo: wzmocnienie (6 bit.) i faza pobierana co trzeciej próbki (2 bity)

Tworzenie strumienia cyfrowego i dekodowanie mowy Tak powstałe „szczątkowe”próbki syg. z param.są multipleksowane w strumień cyfr. o przepływności 13 kb/s. Przy dekodow. najpierw 13 próbek jest wymnażanych przez wzmocnienie, „rozstawianych” równomiernie (RPE- Regular Pulse Excitation – regularne pobudzenie impulsowe) zgodnie z przesyłaną informacją o fazie i uzupełnianych próbkami zerowymi. Moduł LTP znajduje w zadanej odległości w przestrzeni odcinek sygnału,przemnaża go przez skalę podobieństwa i dodaje do bieżącej ramki. Po zgromadzeniu 4 ramek 40-próbk. w jedną 160-próbk., podawana jest ona na f. LPC o przesłanych parametr. Po deemfazie (procesie odwrotnym do preemfazy) sygnał podawany jest do wzmacniacza i słuchawki.

Predykcja liniowa LPC i długoterminowa LTP Predykcja rzędu k to przewidywanie kolejnej próbki w chwili n sygnału (mowy) x na podstawie k poprzednich próbek: Bieżąca próbka jest liniową kombinacją k próbek poprzednich: Współczynniki predykcji wyznacza się dla całego bloku sygnału, dlatego też przewidywane wartości obarczone są błędem: który minimalizujemy,np. stosując met. autokorelacyjną, tj. licząc k+1 próbek ciągu autokorelacji (dł.N) a następnie wyznaczając współczynniki predykcji z równania macierzowego: Do dalszej części systemu, oprócz błędu predykcji, przesyłane są współczynniki predykcji explicite lub wyliczane są współcz. odbicia (to stosunek sygnału odbitego do wejśc. - coś w rodzaju odbić na przejściach między pierścieniami reprezentującymi trakt głosowy na skutek niedopasowania falowego i interferencji z falą nadchodzącą. Na podstawie analizy większego fragmentu sygnału możemy dojść do wniosku,że bieżący odcinek sygnału jest zbliżony do pewnego odcinka w przeszłości.Znając odległość w czasie t od tego odcinka i skalę podobieństwa k, możemy więc bieżący segment o długości N „przewidzieć” w postaci: Jest to met. predykcji długoterminowej.

Alg. Schur’a i filtr kratowy (Schur recursion & lattice filter) Zaletą filtrów kratowych jest mniejsza wrażliwość na kwantowanie wsp. odbić (deformacja char-ki) oraz swoistego rodzaju „ortogonalność” (optymalny rząd filtra który może się zmieniać w czasie) Następnie transformacja wsp.odbić do wartości LAR (Logarithmic-Area-Ratios):

Kodowanie kanałowe sygnału mowy • zabezpieczenie transmitowanych informacji przed zakłóceniami wprowadzanymi przez kanał transmisyjny, • koder kanałowy dodaje bity do przesyłan.strumienia, • dodatkowe bity służą do wykryw. i usuwania błędów. Wykorzystano koder blokowy (50,53) i kod splotowy o sprawności 1/2 i dł.5. Koder mowy generuje w 50 ramek/sek, każda o dł.260 b. Przepływność strumienia Bitowego: 50*456=22.8 kbit/s

Przeplot • przeciwdziała „paczkom błędów”, • bitowy (kolumn) na ramce 456 bitowej • przeplot bitowy: „przemieszanie” bitów w paczki 57 bitowe, • przeplot blokowy: w 8 pakietach, • wprowadza duże opóźnienie (33 ms). Stopa błędów <12.5% (średnio <6%)

Modulacja GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) z ciągłą fazą

Efektywne gospodarowanie zasobami widmowymi

Skakanie po częstotliwościach (frequency hoping) • nośna zmienia się w sposób pseudolosowy, • sygnał zmodulow. ma charakter pseudoszumowy, • sygnał odporny na zakłócenia, • poprawia jakość transmisji, • ogranicza wpływ zakłóceń wspólnokanałowych, • opcjonalny dla komórek, • MS musi posiadać możliwość realizacji FH, • BSC przydziela grupę częstotliwości,alg.zmian i nr, • aspekty planowania: C↑, D↓,częste powtarzanie cz. Bez skakania

Sterowanie mocą • MS: najmniejszy poziom umożliw. łączność o wymaganej jakości, • zmniejsza interferencje wspólno- i sąsiednio-kanałowe, • wydłużenie czasu pracy, • regulacja krokowa: co 2 dB, • wymaga pomiarów jakości transmisji: BTS od MS, MS od BTS, decyduje BSC, • pierwsze zgłoszenie MS – wstępny poz. mocy.

Nadawanie z wyprzedzeniem • przeciwdziała nakładaniu się szczelin czasowych, • dla komórek o promieniu 35 km – wyprzedzenie = 0-233 µs.

Transmisja przerywana • aktywność abonenta: 40-50% czasu trwania połącz.choć łącza są zarezerwowane na całe połącz., • podczas braku aktywności przesyła się zredukowaną ilość pakietów (Discont.Transmissin DTX), • algorytm rozróżniający stan aktywny (Voice Activity Detection VAD + comfort noise).

Schemat blokowy stacji ruchomej (komórki) GSM

Praktyczna realizacja telefonu komórkowego przez AD

Budowa stacji bazowej