Тази тема запознава с основните методи за предаване на реч по радио-трасето. Тя дава общ поглед върху въздушния интерфейс, включително физическите и логическите канали.
При усвояване на материала трябва да се обърне внимание на следното:
4.1 Обработка на информацията преди предаване
За да се осъществи предаване на информация по радиотрасето между мобилния телефон и базовата станция, е необходимо да са налице:
При цифровите мобилни мрежи, освен горепосочените общи изисквания, трябва да се поставят и допълнителни изисквания, свързани с:
Фиг.4.1 илюстрира схематично функциите, реализирани с цел да се посрещнат горните изисквания. Моделът е най-подходящ за цифровите мобилни клетъчни мрежи.
Фиг.4.1 Основни операции, свързани с предаване на информация по радиоканала
4.1.1 Кодиране на речта и сигнализацията
Кодирането на речта е разгледано в тема 2. Това, което е най-важно, когато се изучава от гледна точка на предаване, е че от кодера за реч се получава поток от битове със скорост 13 kb/s – съответстващ на 260 бита за блок от 20 ms. По трафичните канали се пренася тази потребителска информация.
Сигнализацията по въздушния интерфейс се пренася по различни типове канали за контрол, описани в т.4.3.8. Сигнализацията обикновено отнема малко време от общия преносен капацитет по въздушния интерфейс.
4.1.2 Защита от грешки
Защитата от грешки в мобилните мрежи обхваща както трафичните канали, така и каналите за контрол и обикновено се реализира чрез откриване и отстраняване на грешки. Откриването на грешки се осъществява чрез “излишни” битове, добавени към информацията, която трябва да се предаде по радиоканала. Корекцията на грешките става или чрез препредаване, или чрез използване на някакъв код за откриване на грешки (последният изисква повече “излишни” битове от тези, използвани за откриване на грешки).
Следователно, за трафичните канали и за каналите за контрол се използват различни методи за защита от грешки.
Защита от грешки в каналите за контрол
В мобилните мрежи, които са цифрови канали за контрол, се използват сравнително по-нови методи за защита от грешки. В GSM откриването на грешки се основава на използване на контролни суми на полезния инфромационен поток от битове. Грешките се коригират по два различни начина: или чрез препредаване, или просто чрез отхвърляне на повредени сигнални съобщения.
Защита от грешки в цифровите трафични канали
Защитата от грешки е процес, включващ два етапа. На първия етап, наречен кодиране на канала, се добавят “излишни” битове към предаваната информация. На втория етап битовете се реорганизират по предварително определен начин (реорганизиране или разреждане).
По-голямата част от битовете, които се доставят от кодера на речта към кодера на канала са блоково кодирани, което означава, че към тях са добавени битове по четност с цел откриване на грешки. След това, с цел коригиране на грешки се добавят допълнителни битове (конволюционно кодиране). Оригиналният образец от 260 бита почти се удвоява по размер (456 бита).
Фиг.4.2 Защита от грешки на трафичните канали в GSM
Реорганизирането е метод, който може да реши този проблем. Процесът на реорганизиране се изпълнява на два етапа и при него не се добавят битове. Първият етап включва разделяне на 456-те бита на групи от по 57 бита, както е показано на фиг.4.3. Серията може да пренася само две такива групи (както е описано в т.4.3.4). Вторият етап образува серията като съставена от две групи от по 57 бита, всяка от които принадлежи на последователни блокове на речта. Този метод въвежда закъснения.
4.1.3 Шифроване
Шифроването се прави с цел засекретяване на информацията по радиоканала, за да не може да се подслушва. Шифроването не въвежда допълнителни битове.
4.3.4 Форматиране на серии
Целта на форматирането на серии е да се минимизира ефекта от серии с грешно приети битове. Стандартът GSM използва четири различни формата на серии, в зависимост от типа на логическия канал. Фиг. 4.3 показва формата, използван за повечето логически канали - нормална серия.
Фиг.4.3 Пример за формат на GSM серия (нормална серия)
Всяка серия от този вид може да пренася 2 х 57 = 114 шифровани битове полезен товар. “Трениращата последователност” от 26 бита, разположена в средата, се използва, за да се решат проблемите с отместването във времето и междусимволната интерференция, която може да се е появила. Чрез сравнение на познатите битове с приетата последователност от битове е възможно да се извади заключение за отместването във времето. Известният образец от битове, заедно с метода, наречен адаптивно изравняване, се използва за изчисляване на това, което действително е предадено.
4.2 Мултиплексиране на канали
4.2.1 Мултиплексиране на физически канали в TDMA
В цифровите системи, базирани на TDMA, като GSM и D-AMPS, проектирането на логическите върху физическите канали означава, че времеинтервал и честота са определени за даден логически канал (виж фиг.4.4).
Фиг.4.4 Мултиплексиране на канали
Всички съвременни мобилни системи са базирани на множествен достъп, което означава, че всички потребители имат едновременно достъп до радиосредата Това изисква множество от правила, за да се избегнат ситуации, в които “всички мобилни телефони говорят едновременно”. На фиг.4.5 е показан един от методите за мултиплексиране на канали, основан на множествения достъп с времеделение TDMA.
Фиг.4.5 Принципът на множествения достъп с времеделение на канали - TDMA
По-долу са описани два други метода, приложими към мултиплексирането на канали, използващи множествен достъп: FDMA и CDMA.
4.2.2 Мултиплексиране на физически канали в FDMA
Множественият достъп с честотно деление на канали (FDMA- Frequency Division Multiple Access) е метод, използван от аналоговите мобилни телефонни системи като NMT и AMPS. Този принцип на достъп е илюстриран на фиг. 4.6.
Честотният обхват, предназначен за клетката, се състои от лента за предаване в обратна посока (uplink) – предаване от мобилния телефон към базовата станция и лента за предаване в права посока (downlink) –предаване от базовата станция към мобилния телефон.
На свой ред всяка лента е разделена на еднакъв брой еднопосочни канали. Един канал трябва да бъде достатъчно широк (25-30 kHz), за да може да се предава реч с качество, подобно на телефонната услуга във фиксираните мрежи (около 3 kHz). Мобилните телефони трябва да имат достъп до един канал в права посока и един канал в обратна посока – два канала, комбинирани във формата на двойка трафични канали.
Фиг.4.6 Принципът на множествения достъп с честотно деление - FDMA
4.2.3 Физически канали в системите, основани на CDMA
Системите с множествен достъп с кодово деление на канали (CDMA – Code Division Multiple Access) не използват за множествен достъп честотно деление, нито пък времеделение на канали. Всички мобилни телефони могат да предават и приемат в цялата честотна лента. Вместо това се използва “трета размерност“ за разделяне на канали – кодиране (фиг. 4.7).
Фиг.4.7 Принципът на множествения достъп с кодово деление на канали - CDMA
Типично свойство на метода CDMA е, че за всеки мобилен телефон в мрежата се определя уникален код. Когато мобилният телефон предава потребителската информация като поток от битове, той замества всеки бит с неговия код или с кода на неговото отрицание. Уникалният код за всеки мобилен телефон е познат и на базовата станция, която го използва за декодиране на приетата последователност.
Фиг.4.8 Два мобилни телефона предават едновременно всеки два бита
4.3 Логически канали
Логическите канали са част от физически канали, които се използват за определени (логически) комуникационни цели.
Фиг. 4.9 Логически канали в GSM
4.3.1 Трафични канали
Трафичният канал (Traffic channel - TCH) може да пренася реч и данни. Има два основни вида трафични канали за реч: пълноскоростен (13 kb/s) и полускоростен (6.5 kb/s). Скоростта за данни при пълноскоростния канал е 9.6 kb/s.
Пълноскоростният трафичен канал (TCH/F) отделя един времеинтервал във всеки цикъл за физически канал между потребителя и клетъчната система. Полускоростният трафичен канал (TCH/H) отделя един времеинтервал във всеки два цикъла за физически канал между потребителя и клетъчната система.
4.3.2 Канали за контрол
Каналите за контрол се делят на три групи: разпръсквателни канали за контрол, канали за общ контрол и предназначени канали за контрол.
Разпръсквателни канали
Разпръсквателните канали (Broadcast Channels - BCH) са три вида логически канали, които са мултиплексирани в един физически канал, който непрекъснато се излъчва от базовата станция.
Канали за общ контрол
Каналите за общ контрол (Common Control Channels - CCCH) са група от логически канали, които подпомагат изграждането и поддържането на комуникационни връзки между мобилните телефони и базовите станции.
Предназначени канали за контрол
Предназначените канали за контрол (Dedicated Control Channels - DCCH) се използват за сигнализация между мобилния телефон и мрежата преди и по време на повикване.
4.4 Модулация
Модулацията, предаването и приемането са изпълняват в края на функционалната йерархия.
Модулацията е необходима, защото честотата, с която се генерира информацията, не е тази, която се използва за предаване по радиотрасето. Аналоговите системи използват честотна модулация, а в цифровите се прилага фазова манипулация.
4.5 Антени
Мобилните телефони са оборудвани с ненасочени антени, предназначени за използване в дадена честотна лента. Всеки мобилен телефон използва една и съща антена за предаване и приемане. Антената трябва да има широколентови характеристики, т.е. подобни кръгови диаграми на насоченост в целия честотен обхват за съответния стандарт (70 MHz между най-ниската и най-високата честоти за GSM).
Географското покритие на клетката определя типа на антената, с която трябва да бъде оборудвана базовата станция. Ненасочените антени се използват в несекторизирани клетки, а насочените антени (с или без разнесеност в пространството) се използват в секторизираните клетки. Понякога се използват различни антени за предаване (голяма мощност) и за приемане (малка мощност), но обикновено са монтирани на една и съща мачта. Ако се използва една и съща антена за предаване и приемане, тя трябва да се снабди с филтър за отделяне на права и обратна посока на предаване.