Обробка часового випередження
В системі GSM поряд з частотним розділенням каналів використовується множинний доступ з часовим розділенням каналів. Це дозволяє одночасне використання однієї частоти декількома мобільними станціями. Проте мобільна станція може передавати лише протягом чітко визначеного часового інтервалу. З іншої сторони базова станція в кожен інший часовий інтервал отримує пакет від іншої мобільної станції. Проблема виникає, коли мобільна станція перебуває на значній відстані від BS. В такому випадку час поширення пакета стає співрозмірний з тривалістю часового інтервалу, і як наслідок пакет прибуває на базову станцію з запізненням, що призводить до перекривання пакетів в сусідніх часових інтервалах, тобто до втрати інформації. Щоб запобігти накладанню пакетів в сусідніх часових інтервалів використовується часове випередження (англ. Timing Advance) - визначається час, на який мобільна станція повинна раніше почати передачу, щоб пакет дійшов до базової станції в потрібний часовий інтервал. Розрахунок часового випередження здійснює базова станція. При першому доступі мобільна станція передає пакет доступу по каналу RACH. Базова станція визначає запізнення пакету і передає значення часового випередження до MS по сигналізаційному каналу SACCH. Надалі базова станція буде посилати до MS числові значення в межах від 0 до 63, вказуючи мобільній станції кількість тактових синхроімпульсів (3.69 мкс), яка повинна бути перед часовим інтервалом, який виділений MS для передачі. Часове випередження може коливатись в межах від 0 до 233 мкс, що є достатнім для комірок, радіус яких не перевищує 35 км.
В деяких випадках є необхідність в розширенні меж покриття, наприклад для покриття трас, малозаселених районів і т.д. Стандарт GSM передбачає можливість подвоєння радіусу комірки, тобто часове випередження розширеної комірки буде становити 126 бітових інтервалів.
Мобільна станція може компенсувати часове випередження лише в 63 бітові інтервали. Щоб запобігти перекриванню пакетів в розширених комірках використовується об'єднання двох фізичних часових інтервалів в один СССН або ТСН канал (рис. 8.26).
Об'єднання часових інтервалів запобігає перекриванню пакетів, які надходять з запізненням, проте зменшує ємність мережі, оскільки об'єднання призводить до зменшення кількості розмовних каналів, тобто до зменшення кількості одночасних розмов.
Рис.8.26 Об’єднання часових інтервалів з метою прийому пакетів в розширених комірках
Перервна передача
Обробка розмовної інформації в стандарті GSM здійснюється в рамках прийнятої системи перервної передачі розмови DTX, яка забезпечує вмикання передавача тільки тоді, коли абонент починає розмову і відключає його в паузах і в кінці розмови. Структурна схема обробки розмовної інформації приведена на рис. 8.27.
Перервна передача може використовуватись як по каналу «вверх», так і по каналу «вниз». При використанні по каналу «вверх», тобто в мобільній станції, дана функція дозволяє суттєво понизити споживання енергії від акумуляторних батарей. При використанні на базовій станції, тобто по каналу «вниз», перервна передача дозволяє понизити інтерференційні завади, за рахунок переключення вільних каналів в пасивний режим (тобто відсутнє випромінювання). Для спрощення надалі розглядається реалізація перервної передачі в мобільній станції.
Рис.8.27 Структурна схема процесу обробки розмовної інформації
Основним пристроєм при реалізації перервної передачі є детектор активності розмови (VAD). Головна задача при проектуванні VAD - забезпечити надійну відмінність між умовою активного і пасивного каналів. Якщо канал вільний протягом певного часу, його можна заблокувати. Оскільки середня активність розмови абонента нижча 50% це може призвести до суттєвої економії енергії акумуляторної батареї.
До пристроїв VAD ставляться наступні основні вимоги:
- мінімальна ймовірність тривоги при дії лише шуму з високим рівнем;
- висока ймовірність правильного виявлення розмови низького рівня;
- висока швидкість розпізнавання розмови;
- мінімальний час затримки вмикання.
В стандарті GSM прийнята схема VAD з обробкою в частотній області. Структурна схема приведена на рис. 8.28.
Робота VAD базується на розрізненні спектральних характеристик розмови і шуму. Вважається, що фоновий шум є стаціонарний протягом відносно великого проміжку часу, його спектр також мало змінюється в часі. VAD визначає спектральні відхилення вхідного сигналу від спектру фонового шуму.
Рис.8.28 Структурна схема VAD
Ця операція здійснюється інверсним фільтром, коефіцієнти якого встановлюються відносно впливу на вході тільки фонового шуму. При наявності на вході розмови і шуму інверсний фільтр здійснює подавлення компонентів шуму і знижує його інтенсивність. Енергія суміші сигнал/шум на виході інверсного фільтра порівнюється з порогом, який встановлюється в період дії на вході лише шуму. Цей поріг перебуває вище рівня енергії шуму. Перевищення порогового рівня приймається за наявність на вході суміші (сигнал+шум). Коефіцієнти інверсного фільтра і рівень порогу змінюються в часі залежно від поточного значення рівня шуму при дії на вході лише шумового сигналу. Оскільки ці параметри (коефіцієнти і поріг) використовуються детектором VAD для виявлення розмови, сам VAD не може на цій же основі приймати рішення, коли їх змінювати. Це рішення приймається вторинним VAD на основі порівняння огинаючих спектрів в послідовні моменти часу. Якщо вони аналогічні протягом відносно тривалого проміжку часу, припускається, що має місце шум, і коефіцієнти фільтра та шумовий поріг можна змінити, тобто адаптувати під поточний рівень і спектральні характеристики вхідного шуму. VAD з обробкою в спектральній області вдало поєднується з мовним кодеком PRE/LPT-LPC, оскільки в процесі LPC аналізу вже визначається огинаюча спектру вхідного впливу, необхідна для роботи вторинного VAD.
В паузах під час розмови відбувається формування т.зв. комфортного шуму. Коли детектор активності мови в передавачі виявляє, що розмова відсутня, передавач залишається ввімкнутим ще протягом наступних п'яти розмовних кадрів. Під час перших чотирьох з них характеристики фонового шуму оцінюються шляхом усереднення коефіцієнтів підсилення і коефіцієнтів фільтра LPC аналізу. Ці усереднені значення передаються в наступному п'ятому кадрі, в якому міститься інформація про комфортний шум (SID кадр). В мовному декодері комфортний шум генерується на основі LPC аналізу SID кадра. Щоб виключити дратуючий вплив модуляції шуму, комфортний шум повинен відповідати по амплітуді і спектру реальному фоновому шуму в місці передачі. В умовах коміркового зв'язку фоновий шум може постійно змінюватись. Це означає, що характеристики шуму повинні передаватись не тільки в кінці кожного розмовного інтервалу, але і в паузах при розмові так, щоб між реальним і фоновим шумом в наступних кадрах не було б різких розузгоджень. Тому SID кадри посилаються кожні 480 ms під час пауз при розмові. Динамічна зміна характеристик комфортного шуму забезпечує натуральність відтворення розмовного повідомлення при використанні системи перервної обробки розмови.
Система перервної обробки розмовної інформації передбачає відновлення розмовної інформації, яка була з певних причин втрачена. Встановлено, що втрата одного розмовного кадру може бути значно компенсована шляхом повторення попереднього фрагменту. При значних по тривалості перервах в зв'язку попередній фрагмент більше не повторюється, і сигнал на виході розмовного декодера поступово заглушується, щоб вказати абоненту на розрив каналу. Це саме відбувається і з SID кадром. Якщо SID кадр втрачений під час розмовної паузи, то формується комфортний шум з параметрами попереднього SID кадру. Якщо втрачається ще один SID кадр, то комфортний шум поступово заглушується.
Вирівнювання
Вирівнювання - це метод, який використовується в вузькосмугових TDMA-системах коміркового зв'язку для компенсації між символьних спотворень. У випадку, коли передані сигнали, які відбиваються об'єктами далеко від приймальної антени, досягають антени пізніше, ніж вихідний сигнал, має місце часова дисперсія. Сигнали стають розсіяними в часі, і символи суміжних каналів накладаються один на одного. Вирівнювання - це процес, призначений для подолання часової дисперсії. Термін вирівнювання походить з англійської мови (equalizing - буквально вирівнювання), і в даному випадку під цим терміном розуміють компенсацію тієї різниці ходу між складовими променями при багатопроменевому поширенні, яка призводить до міжсимвольної інтерференції. Еквалайзер по своїй суті - це адаптивний фільтр, який настроюється таким чином, щоб сигнал на його виході був максимально очищений від міжсимвольних спотворень, які містяться в вхідному сигналі.
Блок вирівнювача (еквалайзера) входить в склад приймального тракту, але він не впливає на склад і форму представлення інформації, що передається по радіоінтерфейсу. Тому схема і характеристики не тільки не регламентуються ніякими стандартами, зокрема стандартом GSM, але і взагалі блок еквалайзера може не включатись в склад приймального тракту апаратури коміркового зв'язку. Іншими словами, як включення еквалайзера в склад апаратури, так і вибір його схеми є виключно справою компанії-виробника.
В системі GSM як правило використовується вирівнювач Вітербі, робота якого складається з двох етапів (рис. 8.29).
На першому етапі еквалайзер створює модель каналу. Необхідні для цього дані містяться в звичайних пакетах: всередині пакета є тренувальна послідовність відомого зразка з хорошими автокореляційними характеристиками. Саме на основі цієї послідовності еквалайзер створює модель каналу. Тренувальна послідовність відома в приймачі. При проходженні через канал зв'язку деякі біти можуть бути пошкоджені. На основі порівняння прийнятих і відомих тренувальних послідовностей еквалайзер обчислює модель каналу в різні моменти часу.
На другому етапі, після того, як модель каналу обчислена, пристрій порівняння визначає різницю між прийнятими і відомими інформаційними блоками (враховуючи модель каналу). Далі пристрій Вітербі шляхом перебору всіх відомих комбінацій інформаційних бітів вибирає пакет, який найбільше відповідає прийнятій послідовності, тобто пакет, для якого різниця на виході пристрою порівняння є мінімальна. Оскільки перебір всіх комбінацій (2 в 114 степені) на практиці не можна використовувати через обмежений час обробки прийнятого пакету, то використовується алгоритм Вітербі, який дозволяє обмежити кількість комбінацій, що перевіряються. Використання еквалайзера Вітербі дає змогу в приймачі одночасно виконувати і демодуляцію, і декодування.
а) створення моделі каналу; б) вибір послідовності
Рис.8.29 Принцип роботи вирівнювача Вітербі