Conceptos celulares - Enlace de radio GSM

BTS y MS están conectados a través de enlaces de radio y esta interfaz aérea se llama Um. Una onda de radio está sujeta a atenuación, reflexión, desplazamiento Doppler e interferencia de otro transmisor. Estos efectos provocan una pérdida de intensidad de la señal y una distorsión que afecta la calidad de la voz o los datos. Para hacer frente a las duras condiciones, GSM hace uso de un procesamiento de señal eficiente y protector. El diseño celular adecuado debe garantizar que se proporcione suficiente cobertura de radio en el área.

La variación de la intensidad de la señal para móviles se debe a los diferentes tipos de desvanecimiento de la intensidad de la señal. Hay dos tipos de variaciones en la intensidad de la señal.

• Macroscopic Variations- Debido al contorno del terreno entre BTS y MS. El efecto de desvanecimiento es causado por el sombreado y la difracción (curvatura) de las ondas de radio.

• Microscopic variations- Debido al desvanecimiento por trayectos múltiples, a corto plazo o Rayleigh. A medida que la EM se mueve, se recibirán ondas de radio de muchas rutas diferentes.

Rayleigh Fading

El desvanecimiento de Rayleigh o las variaciones macroscópicas se pueden modelar como la adición de dos componentes que componen la pérdida de trayectoria entre el móvil y la estación base. El primer componente es el componente determinista (L) que agrega pérdida a la fuerza de la señal a medida que aumenta la distancia (R) entre la base y el móvil. Este componente se puede escribir como:

L = 1 / R ⁿ

Donde n es típicamente 4. El otro componente macroscópico es una variable aleatoria normal logarítmica que tiene en cuenta los efectos del desvanecimiento de la sombra causado por variaciones en el terreno y otras obstrucciones en la trayectoria de radio. Valor medio local de la pérdida de trayectoria = componente determinista + variable aleatoria logarítmica normal.

Las variaciones microscópicas o el desvanecimiento de Rayleigh se producen cuando el móvil se mueve en distancias cortas en comparación con la distancia entre el móvil y la base. Estas variaciones a corto plazo se deben a la dispersión de la señal en las proximidades de la unidad móvil, por ejemplo, por una colina, un edificio o el tráfico. Esto conduce a muchos caminos diferentes que se siguen entre el transmisor y el receptor (propagación multitrayecto). La onda reflejada se altera tanto en fase como en amplitud. La señal puede desaparecer efectivamente si la onda reflejada está desfasada 180 grados con la señal de ruta directa. Las relaciones de desfase parcial entre múltiples señales recibidas producen una reducción menor en la intensidad de la señal recibida.

Efectos del desvanecimiento de Rayleigh

La reflexión y la propagación por trayectos múltiples pueden tener efectos positivos y negativos.

Procesos de transmisión / recepción

Hay dos procesos principales involucrados en la transmisión y recepción de información a través de un enlace de radio digital, codificación y modulación.

Extensión de cobertura

La propagación por trayectos múltiples permite que las señales de radio lleguen detrás de colinas y edificios y en túneles. Constructive and destructive interference las señales recibidas a través de rutas múltiples pueden sumarse o destruirse entre sí.

Codificación

La codificación es el procesamiento de la información que implica preparar las señales de datos básicos para que estén protegidas y en una forma que el enlace de radio pueda manejar. Generalmente, el proceso de codificación incluye la lógica exclusiva OR (EXOR). La codificación está incluida en:

• Codificación de voz o codificación Trans
• Codificación de canal o codificación de corrección de errores hacia adelante
• Interleaving
• Encryption

Formato de ráfaga

El habla humana tiene una banda limitada entre 300 Hz y 3400 Hz y se somete a modulación de frecuencia en sistemas analógicos. En los sistemas digitales PSTN fijos, la banda de voz limitada se muestrea a una velocidad de 8 KHz y cada muestreo se codifica en 8 bits que conducen a 64 Kbps (PCM A-Law of encoding). La radio celular digital no puede manejar la alta tasa de bits utilizada para los sistemas PSTN. Se han desarrollado técnicas inteligentes de análisis y procesamiento de señales para reducir la tasa de bits.

Propiedades del habla

El habla humana se puede distinguir en sonidos elementales (fonemas). Dependiendo del idioma, hay de 30 a 50 fonemas diferentes. La voz humana puede producir hasta 10 fonemas por segundo, por lo que se requieren alrededor de 60 bit / s para transferir el habla. Sin embargo, todas las características y entonaciones individuales desaparecerían. Para preservar las características individuales, la cantidad real de información que se enviará es varias veces mayor, pero sigue siendo una fracción de los 64 Kbit / s utilizados para PCM.

Basándose en el mecanismo de producción de fonemas de los órganos humanos del habla, se puede hacer un modelo de producción de habla simple. Parece que durante un intervalo de tiempo corto de 10-30 ms, los parámetros del modelo como el período de tono, sonoro / sordo, ganancia de amplificación y parámetros de filtro permanecen estacionarios (cuasi estacionarios). La ventaja de este modelo es la simple determinación de los parámetros mediante predicción lineal.

Técnicas de codificación del habla

Hay 3 clases de técnicas de codificación de voz.

• Waveform Coding- El habla se transmite lo mejor posible en codificación de forma de onda. PCM es un ejemplo de codificación de formas de onda. La tasa de bits varía de 24 a 64 kbps y la calidad del habla es buena y se puede reconocer fácilmente al hablante.

• Parameter Coding- Solo se envía una cantidad muy limitada de información. Un decodificador construido según el modelo de producción de voz regenerará la voz en el receptor. Solo se requiere de 1 a 3 kbps para la transmisión de voz. El habla regenerada es inteligible pero sufre de ruido y, a menudo, no se puede reconocer al hablante.

• Hybrid Coding- La codificación híbrida es una combinación de codificación de formas de onda y codificación de parámetros. Combina los puntos fuertes de ambas técnicas y GSM utiliza una técnica de codificación híbrida llamada RPE-LTP (Predicción de pulso excitado regular a largo plazo) que da como resultado 13 Kbps por canal de voz.

Codificación de voz en GSM (transcodificación)

El PCM de 64 kbits / s transcodificado de la ley A estándar cuantificó 8 bits por muestra en un flujo de bits cuantificado linealmente de 13 bits por muestra que corresponde a una tasa de bits de 104 kbits / s. El flujo de 104 kbits / s se alimenta al codificador de voz RPE-LTP que toma las muestras de 13 bits en un bloque de 160 muestras (cada 20 ms). El codificador RPE-LTP produce 260 bits cada 20 ms, lo que da como resultado una velocidad de bits de 13 kbits / s. Esto proporciona una calidad de voz aceptable para la telefonía móvil y comparable con los teléfonos PSTN alámbricos. En GSM 13 Kbps, la codificación de voz se denomina codificadores de velocidad completa. Alternativamente, también se encuentran disponibles codificadores de media tasa (6.5 Kbps) para mejorar la capacidad.

Codificación de canales / codificación convolucional

La codificación de canal en GSM utiliza los 260 bits de la codificación de voz como entrada a la codificación de canal y genera 456 bits codificados. De los 260 bits producidos por el codificador de voz RPE-LTP, 182 se clasifican como bits importantes y 78 como bits no importantes. Nuevamente, 182 bits se dividen en 50 bits más importantes y se codifican en bloques en 53 bits y se agregan con 132 bits y 4 bits de cola, totalizando 189 bits antes de someterse a una codificación convolucional 1: 2, convirtiendo 189 bits en 378 bits. Estos 378 bits se agregan con 78 bits sin importancia que dan como resultado 456 bits.

Entrelazado - Primer nivel

El codificador de canal proporciona 456 bits por cada 20 ms de voz. Estos están intercalados, formando ocho bloques de 57 bits cada uno, como se muestra en la figura siguiente.

En una ráfaga normal, se pueden acomodar bloques de 57 bits y si se pierde 1 de dicha ráfaga, hay una BER del 25% para los 20 ms completos.

Entrelazado - Segundo nivel

Se ha introducido un segundo nivel de entrelazado para reducir aún más la posible BER al 12,5%. En lugar de enviar dos bloques de 57 bits de los mismos 20 ms de voz dentro de una ráfaga, se envían juntos un bloque de 20 ms y un bloque de la siguiente muestra de 20 ms. Se introduce un retraso en el sistema cuando la MS debe esperar los próximos 20 ms de conversación. Sin embargo, el sistema ahora puede permitirse perder una ráfaga completa, de las ocho, ya que la pérdida es solo del 12,5% del total de bits de cada trama de voz de 20 ms. 12,5% es el nivel máximo de pérdida que puede corregir un decodificador de canal.

Cifrado / cifrado

El propósito de Ciphering es codificar la ráfaga para que no pueda ser interpretada por ningún otro dispositivo que no sea el receptor. El algoritmo de cifrado en GSM se denomina algoritmo A5. No agrega bits a la ráfaga, lo que significa que la entrada y la salida del proceso de cifrado es la misma que la entrada: 456 bits por 20 ms. Los detalles sobre el cifrado están disponibles en las características especiales de GSM.

Multiplexación (formato de ráfaga)

Cada transmisión desde móvil / BTS debe incluir información adicional junto con datos básicos. En GSM, se agrega un total de 136 bits por bloque de 20 ms, lo que lleva el total general a 592 bits. También se agrega un período de guarda de 33 bits, lo que genera 625 bits por 20 ms.

Modulación

La modulación es el procesamiento que implica la preparación física de la señal para que la información se pueda transportar en una portadora de RF. GSM utiliza la técnica Gaussian Minimo Shift Keying (GMSK). La frecuencia portadora se desplaza en +/- B / 4, donde B = Tasa de bits. Sin embargo, al utilizar el filtro gaussiano, se reduce el ancho de banda a 0,3 en lugar de 0,5.

Características especiales de GSM

A continuación se enumeran las características especiales de GSM que analizaremos en las siguientes secciones:

• Authentication
• Encryption
• Intervalo de tiempo asombroso
• Avance de tiempo
• Transmisión discontinua
• Control de poder
• Ecualización adoptiva
• Salto de frecuencia lento

Autenticación

Dado que la interfaz aérea es vulnerable al acceso fraudulento, es necesario emplear la autenticación antes de extender los servicios a un abonado. La autenticación se basa en las siguientes nociones.

• La clave de autenticación (Ki) reside solo en dos lugares, la tarjeta SIM y el Centro de autenticación.

• La clave de autenticación (Ki) nunca se transmite por aire. Es prácticamente imposible que personas no autorizadas obtengan esta clave para hacerse pasar por un suscriptor móvil determinado.

Parámetros de autenticación

La MS es autenticada por el VLR con un proceso que usa tres parámetros:

• RAND que es un número completamente aleatorio.

• SRES, que es una respuesta firmada de autenticación. Se genera aplicando un algoritmo de autenticación (A3) a RAND y Ki.

• Kc que es clave cifrada. El parámetro Kc generado al aplicar el algoritmo de generación de claves de cifrado (A8) a RAND y Ki.

Estos parámetros (denominados triplete de autenticación) son generados por las AUC a petición del HLR al que pertenece el suscriptor. Los algoritmos A3 y A8, son definidos por el operador PLMN y son ejecutados por la SIM.

Pasos en la fase de autenticación

• El nuevo VLR envía una solicitud al HLR / AUC (Centro de autenticación) solicitando los "tripletes de autenticación" (RAND, SRES y Kc) disponibles para la IMSI especificada.

• El AUC que usa el IMSI, extrae la clave de autenticación del suscriptor (Ki). El AUC luego genera un número aleatorio (RAND), aplica el Ki y RAND tanto al algoritmo de autenticación (A3) como a la clave de cifrado, algoritmo de generación (A8) producir una respuesta firmada de autenticación (SRES) y una clave de cifrado (Kc). El AUC luego devuelve un triplete de autenticación: RAND, SRES y Kc al nuevo VLR.

• El MSC / VLR mantiene los dos parámetros Kc y SRES para su uso posterior y luego envía un mensaje a la MS. La MS lee su clave de autenticación (Ki) de la SIM, aplica el número aleatorio recibido (RAND) y Ki tanto a su algoritmo de autenticación (A3) como al algoritmo de generación de clave de cifrado (A8) para producir una respuesta firmada de autenticación (SRES) y cifrado tecla (Kc). La MS guarda Kc para más adelante y usará Kc cuando reciba el comando para cifrar el canal.

• La MS devuelve el SRES generado al MSC / VLR. El VLR compara el SRES devuelto por la MS con el SRES esperado recibido anteriormente de las AUC. Si es igual, el móvil pasa la autenticación. Si es desigual, todas las actividades de señalización serán abortadas. En este escenario, asumiremos que se pasa la autenticación.

Cifrado / cifrado

Los datos se cifran en el lado del transmisor en bloques de 114 bits tomando ráfagas de datos de texto sin formato de 114 bits y realizando una operación de función lógica EXOR (OR exclusivo) con un bloque de cifrado de 114 bits.

La función de descifrado en el lado del receptor se realiza tomando el bloque de datos cifrados de 114 bits y pasando por la misma operación de "O exclusivo" utilizando el mismo bloque de cifrado de 114 bits que se utilizó en el transmisor.

El bloque de cifrado utilizado por ambos extremos de la ruta de transmisión para una dirección de transmisión determinada se produce en el BSS y la MS mediante un algoritmo de cifrado denominado A5. El algoritmo A5 utiliza una clave de cifrado de 64 bits (Kc), producida durante el proceso de autenticación durante el establecimiento de la llamada y el número de trama TDMA de 22 bits (COUNT) que toma valores decimales de 0 a 2715647 y tiene un tiempo de repetición de 3,48 horas. (intervalo de hipercuadro). El algoritmo A5 en realidad produce dos bloques de cifrado durante cada período TDMA. Una ruta para la ruta de enlace ascendente y la otra para la ruta de enlace descendente.

Intervalo de tiempo asombroso

El escalonamiento del intervalo de tiempo es el principio de derivar la organización del intervalo de tiempo del enlace ascendente a partir de la organización del intervalo de tiempo del enlace descendente. Un intervalo de tiempo particular del enlace ascendente se deriva del enlace descendente cambiando el número del intervalo de tiempo del enlace descendente en tres.

Razón

Al cambiar tres intervalos de tiempo, la estación móvil evita los procesos de "transmisión y recepción" simultáneamente. Esto permite una implementación más sencilla de la estación móvil; el receptor de la estación móvil no necesita estar protegido del transmisor de la misma estación móvil. Normalmente, una estación móvil recibirá durante un intervalo de tiempo y luego cambia de frecuencia en 45 MHz para GSM-900 o 95 MHz para GSM-1800 para transmitir en algún momento posterior. Esto implica que hay una base de tiempo para el enlace descendente y otra para el enlace ascendente.

Avance de tiempo

El avance de tiempo es el proceso de transmitir la ráfaga al BTS (el avance de tiempo) antes, para compensar el retraso de propagación.

¿Por qué es necesario?

Es necesario debido al esquema de multiplexación por división de tiempo utilizado en la ruta de radio. El BTS recibe señales de diferentes estaciones móviles muy cercanas entre sí. Sin embargo, cuando una estación móvil está lejos de la BTS, la BTS debe lidiar con el retardo de propagación. Es fundamental que la ráfaga recibida en el BTS encaje correctamente en el intervalo de tiempo. De lo contrario, las ráfagas de las estaciones móviles que utilizan intervalos de tiempo adyacentes podrían superponerse, dando como resultado una transmisión deficiente o incluso una pérdida de comunicación.

Una vez que se ha establecido una conexión, la BTS mide continuamente el desfase de tiempo entre su propia programación de ráfagas y la programación de recepción de la ráfaga de la estación móvil. Sobre la base de estas mediciones, la BTS puede proporcionar a la estación móvil el avance de tiempo requerido a través del SACCH. Tenga en cuenta que el avance de tiempo se deriva de la medición de distancia que también se utiliza en el proceso de traspaso. La BTS envía un parámetro de avance de temporización de acuerdo con el avance de temporización percibido a cada estación móvil. Cada una de las estaciones móviles avanza entonces su temporización, con el resultado de que las señales de las diferentes estaciones móviles que llegan a la BTS y se compensan por el retardo de propagación.

Proceso de avance de tiempo

• Un número de 6 bits indica cuántos bits debe avanzar la MS en su transmisión. Este avance de tiempo es TA.

• El GP (período de guarda) de 68,25 bits de la ráfaga de acceso proporciona la flexibilidad necesaria para adelantar el tiempo de transmisión.

• El avance de tiempo TA puede tener un valor entre 0 y 63 bits de longitud, lo que corresponde a un retardo de 0 a 233 microsegundos. Por ejemplo, la MS a 10 km de la BTS debe comenzar a transmitir 66 microsegundos antes para compensar el retraso de ida y vuelta.

• El alcance móvil máximo de 35 km está más determinado por el valor de avance del tiempo que por la intensidad de la señal.