Wykład 12: GSM – wstęp. Kodowanie mowy w GSM.

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

2. 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)

3. 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 GSM – Global System for Mobile Communikation. Wstęp

4. 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. Rozwój technologii GSM

5. Architektura systemu GSM

6. 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). Opis schematu ideowego węzła

7. • 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. Stacje bazowe

8. Sieć GSM – transmisja i sygnalizacja

9. Hierarchiczna struktura sieci

10. 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”. System numeracji stosowany w sieci GSM

11. Wykorzystanie numerów w czasie zestawiania połączenia

12. 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. Organizacja kanałów radiowych GSM 900 i E-GSM • 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.

13. 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

14. • 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. Organizacja kanałów radiowych DCS 1800

15. 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.) Kanały fizyczne • 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

16. 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. Pakiety komunikacyjne GSM (Burst)

17. 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

18. 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.

19. 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)

20. 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. Tworzenie strumienia cyfrowego i dekodowanie mowy

21. 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 explicitelub 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 tod tego odcinka i skalę podobieństwa k, możemy więc bieżący segment o długości N „przewidzieć” w postaci: Jest to met. predykcji długoterminowej.

22. 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):

23. • 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 Kodowanie kanałowe sygnału mowy

24. 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%)

25. Modulacja GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) z ciągłą fazą

26. Efektywne gospodarowanie zasobami widmowymi

27. 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

28. • 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. Sterowanie mocą

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

30. 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).

31. Schemat blokowy stacji ruchomej (komórki) GSM

32. Praktyczna realizacja telefonu komórkowego przez AD

33. Budowa stacji bazowej