Ефективне використання радіозасобів

В системі GSM існують високі вимоги на ефективне використання радіозасобів. Цій меті служать, з одного боку, описані раніше, точно підібраний алгоритм кодування мови та цифрова модуляція. Крім них, з іншого боку, в системі GSM використовуються також кілька інших спеціальних методів, які виконують подібні функції. Одним з них є процедура скакання по частотах (англ. frequency hopping), яка в принципі є одним з методів модуляції з розширеною смугою, але в системі GSM використовується з метою зменшення міжканальної інтерференції та підвищення рівня захищеності від завад. Наступним методом є керування потужністю рухомої станції (англ. power control). Це процедура, яка зменшує рівень радіосигналів в каналі. Слідуючим методом є, так звана, передача з випередженням (англ. timing advance). Метод дозволяє ефективно використовувати радіоканал майже весь час, під час тривання передачі і розташування окремих передавачів на різних відстанях від базової станції. Останнім методом є, так звана, переривчаста передача (англ. Discontinuous Transmission DTX ), яка дозволяє обмежувати трансмісію сигналу в моменти, коли абонент не є активним підчас триваючого з'єднання.

Скакання по частотах

Скакання по частотах (англ. Frequency Hopping FH ) є, поряд з системами з імпульсним кодуванням, одним з двох основних методів модуляції з розширеною смугою (англ. spread spectrum modulation). Метод скакання по частотах полягає в тому, що несуча частота модульованого сигналу циклічно змінюється і псевдовипадковим способом приймає одну з N можливих величин, причому типово N = 1000. В результаті отримують модульований сигнал, який займає дуже широку смугу, приблизно в N раз ширшу від смуги сигналів з модулядією амплітуди чи фази. Модульований сигнал таким чином набирає рис псевдошумового сигналу, його важко викрити, а також розшифрувати, він дуже завадостійкий. Можливо також одночасно передавати сигнали, які займають після модуляції той самий інтервал часу і ту саму смугу частоти. Такий спосіб називається кодовим розділення каналів CDMA.

В системі GSM метод скакання по частотах (FH) використано в іншому, менш тиловому застосуванні. Метою застосування методу FH було, з одного боку, зменшення залежності від якості трансмісії в окремому частотному каналі, а з іншого боку, зниження середнього рівня міжканальної інтерференції в сусідніх комірках. Скакання по частотах в версії, що використовується в системі GSM, може бути використане тільки в комірках, в яких використовується кілька частотних каналів (на практиці хоча б чотири). В такій ситуації фізичний канал організується за допомогою ряду часово-частотних інтервалів, які періодично повторюються, причому величина несучої частоти для даного фізичного каналу не є сталою, а змінюється циклічним способом в рамках певної групи частот. Переваги скакання по частотах видно, між іншим, в ситуації, коли в радіоканалі проявляються швидкі завмирання. Умови поширення в окремих частотних каналах можуть тоді значно відрізнятися одні від одних. Тоді і фізичний канал системи GSM, в якому застосовано скакання по частотах, використовує кожний з доступних частотних каналів. Отже статистичні характеристики поширення в фізичному каналі також можна усереднити, а якість трансмісії в окремих фізичних каналах є наближено однакова.

Іншою перевагою використання методу FH в системі GSM є обмеження впливу міжканальних завад, генерованих даною базовою станцією, на інші комірки, які використовують ті самі частоти. Розглянемо з цією метою схему, представлену на рис. 7.27, де показано дві комірки та позначено частоти, які використовуються в кожній. Вважатимемо, що перша комірка обслуговує відносно велике навантаження і має в своєму розпорядженні чотири частоти f_l, f₂ ,f₃ ,f₄, a друга комірка тільки одну частоту f_l. Комірки з рис. 7.27 використовують частково ті самі частотні канали, отже вони не є комірками, що межують між собою. Звернемо увагу на факт, що типово в кожній комірці (подібно як у всій мережі) значна кількість з'єднань не використовується. Для спрощення вважатимемо, що в даний момент в комірці №1 тільки частоти f_l і f₄ використовуються повністю (тобто 8 фізичних каналів), а решта частот не використовується. Якщо не буде використовуватись метод FH, то в канал f_l в комірці №2 будуть проникати дуже значні завади з каналу f_l комірки №1 (рис. 7.27а). Після застосування методу FH, всі частоти в комірці №1 будуть завантажені в рівній мірі, тобто на 50%, це означає, що як канал f_l так і f₂ в комірці №2 будуть в рівній мірі піддаватися впливу завад від комірки №1, з рівнем завад на 3 dB нижчим від максимального рівня. Отже, отримуємо середній (оптимальний) рівень міжканальних завад, що в контексті статистичних методів планування телекомунікаційних систем дає можливість понизити вимоги, що стосуються, наприклад, відстані між комірками, які використовують ті самі частоти і тим самим веде до збільшення ємності системи. Потрібно зауважити, що реальна ситуація в радіоканалі є набагато складнішою, наприклад, із-за застосування в обох комірках методу FH одночасно (для цього потрібно було б також кілька частотних каналів в комірці №2), але названі вище якісні показники, що стосуються обмеження впливу завад, залишаються правильними.

Скакання по частотах є визначене для кожної комірки, але не є обов'язковим для виконання кожною базовою станцією. Проте кожна рухома станція повинна мати можливість зміни своєї частоти на вимогу базової станції на основі отриманого від неї алгоритму. Такий наказ може бути виданий в результаті погіршення якості з'єднання, зауваженого блоком керування базовими станціями BSC. Тоді блок керування виділяє рухомій станції групу частот, в рамках якої вона буде змінювати несучу частоту для даного фізичного каналу та алгоритм змін. Існує кілька таких алгоритмів, вони понумеровані, а до рухомої станції передається номер алгоритму - HSN (англ. Hopping Sequence Number). Розрізняють циклічний алгоритм та псевдовипадкові алгоритми. Циклічний алгоритм полягає на виборі ряду частот з деякої групи: від першої до останньої, потім знову перша. Псевдовипадковий алгоритм полягає у виборі частоти на основі псевдовипадкового закону. Приклад утворення фізичного каналу при виконанні циклічного алгоритму скакання по частотах, для трьох частотних каналів, представлено на рис. 7.28.

Частота базової станції, на якій в нульовому часовому інтервалі передаються сигналізаційні канали FCCH, SCH і ВССН (англ. beacon frequency), завжди є сталою величиною. Ця частота використовується як спеціальна сигналізаційна частота для рухомих станцій і на основі неї рухомі станції проводять вимірювання потужності сигналу прийому, що надходить від сусідніх комірок та синхронізуються з системою.

Групи частот, в рамках яких рухома і базова станції змінюють свої частоти, можуть утворюватися незалежно для кожного часового інтервалу.

Використаний в системі GSM метод скакання по частотах дозволяє на практиці покращити приблизно на 2 dB співвідношення сигнал/шум. З іншого боку, метод FH вимагає використання в даній комірці кількох частот, тоді як в типових комірках на території з невеликим навантаженням руху базові станції укомплектовані часто тільки одним передавально-приймальним блоком TRX, який працює на одній, чітко визначеній частоті.

a) без скакання по частотах; b) із скаканням по частоті

Рис. 7.27 Застосування скакання по частоті для зменшення рівня спільно канальної інтерференції

Застосування скакання по частотах означає тоді необхідність монтажу в базовій станції додаткових передавально-приймальних блоків або доукомплектування базової станції блоком синтезу частот, який би змінював частоту роботи передавача при збереженні невеликої кількості фізичних каналів, що використовуються в даній комірці.

Керування потужністю

Процедури керування потужністю (англ. power control) дає можливість динамічно підстроювати потужність сигналу, який передається в радіоканалі, під відстань між передавачем і приймачем, що змінюється. Це відбувається за допомогою зміни рівня сигналу передачі, наприклад, рухомою станцією, в певних межах так, щоб в даний момент для даної довжини з'єднання і даного рівня спотворень в каналі це був найменший рівень, необхідний для одержання відповідної якості сигналу. Метою цієї процедури є зменшення інтерференції між фізичними каналами, що працюють на тій самій частоті в сусідніх комірках, а також на сусідніх частотах, та продовження тривалості життя батарей в рухомій станції.

В обох напрямках передачі регулювання рівня потужності відбувається покроково. Максимальна швидкість змін становить 2 dB на протязі 60 мс. Отже, відповідь на раптову зміну вимог щодо рівня потужності, наприклад, після переходу рухомої станції з комірки малих розмірів до комірки великих розмірів або при переміщенні рухомої станції в зону значного затухання сигналу, триває кількасот мілісекунд. Регулювання рівня потужності, яке виникає зі зміни величини затухання у вільному просторі (що є наслідком змін відстані від передавача до приймача) є відносно повільним і відбувається текучо.

В системі GSM межі змін потужності для з'єднання від рухомої до базової станції становлять від 20 dB до 30 dB, з кроком у 2 dB, в залежності від класу потужності рухомої станції. Межі змін для з'єднання від базової станції до рухомої залежать від виробника і не повинні перевищувати 30 dB, також з кроком у 2 dB. Застосування керування потужністю є визначене. Оператор системи вирішує, чи використовувати цю процедуру в обох напрямках, чи в одному, чи взагалі її не використовувати.

На рисунку 7.29 представлено приклад регулювання потужності передавача рухомої станції з класом потужності №2 при переході з великої комірки в малу. Рухома станція, що знаходиться на краю великої комірки, передає з максимальною потужністю. Після переходу в меншу комірку різко зменшується відстань між рухомою станцією і базовою, виникає необхідність зменшення рівня потужності рухомої станції. Потужність рухомої станції може бути регульована від максимальної величини (8 Вт для класу №2) до мінімальної 0.02 Вт (13 dBm). Регулювання потужності в обох напрямках відбувається незалежно один від одного. Подібно незалежно відбувається керування потужністю всіх рухомих станцій, що знаходяться в даній комірці.

Рис. 7.28 Утворення фізичного каналу при циклічному алгоритмі скакання по частотах на трьох частотних каналах

Процедура керування потужністю вимагає від рухомої і базової станцій виконання вимірювань якості передачі під час тривання з'єднання. Базова станція вимірює рівень потужності і рівень помилок прийнятого сигналу від даної рухомої станції, а рухома станція вимірює рівень потужності прийнятого сигналу з базової станції. На основі цього блок керування базової станції видає накази уточнення рівня сигналу передачі обох передавачів.

В перший момент появи рухомої станції в даній комірці або появи вимоги доступу, рухома станція передає з так званим вступним рівнем потужності (англ. initial power level). Величина вступного рівня потужності для даної комірки передається в каналі ВССН. Рухома станція, максимальний рівень потужності якої лежить нижче вступного рівня, передає зі своєю максимальною потужністю. Процес встановлення вступного рівня потужності та подальше управління потужністю показано на рис. 7.30.

Рис. 7.29 Приклад керування потужністю MS другого класу

Передача з випередженням

Застосування методу часового ущільнення каналів TDMA для організації доступу до радіоканалу в системі GSM приводить до того, що кожна рухома станція веде передачу імпульсним способом, тобто передає тільки в коротких, виділених їй часових інтервалах. Імпульсний спосіб роботи передавачів дозволяє уникнути взаємопроникнення до сусідніх часових інтервалів інших сигналів, що передаються на тій самій частоті. По мірі збільшення відстані між рухомою та базовою станціями інформація, що передається базовою станцією, надходить до рухомої станції з щораз більшим запізненням. Подібним є запізнення, з яким відповідь рухомої станції надходить до базової станції. Для прикладу, на рис. 7.31а представлено ситуацію, в якій рухома станція MS1 знаходиться далеко від базової станції BTS, а станція MS2 знаходиться дуже близько від базової станції. Легко зауважити, що синхронна передача інформації станціями MS1 і MS2 в своїх часових інтервалах приведе до накладання пакетів один на одного в базовій станції і неможливості їх розділу (рис. 7.31b). Щоб уникнути цих завад, пакет, генерований станцією MS1, потрібно передавати відповідно раніше, тобто з часовим випередженням (англ. timing advance) - рис. 7.31с. Потрібно додати, що віддалення станції MS від базової станції на кожні додаткові 1100 м приводить до того, що до приймача надходить сигнал з запізненням на один відступ модуляції. Воно дає уявлення про точність обчислення величини часового випередження, що вимагається.

Щоб обчислити величину часового випередження, яке вимагається, базова станція, приймаючи пакет доступу (логічний канал RACH), на початку процедури встановлення з'єднання вимірює часовий зсув між її власними пакетами і пакетом, прийнятим від рухомої станції і на цій основі обчислює на скільки часових інтервалів раніше рухома станція повинна передати свої пакети. Величина цього випередження передається рухомій станції в сигналізаційному каналі SACCH.

Часове випередження може коливатися в межах від 0 до 233 мкс. Цей діапазон є достатнім для комірок, радіус яких не перевищує 35 км.

Рис. 7.30 Приклад обміну повідомленнями, що пов’язані із процедурою керування потужністю рухомої станції

a) розташування рухомих станцій в комірці; b) передача без часового випередження; c) передача с часовим випередженням.

Рис. 7.31 Передача з часовим випередженням

Передача з перериванням

В системі GSM передача ведеться в повному дуплексі, тобто на час тривання з'єднання парі абонентів, що розмовляють, виділяються два однонаправлені канали. Ці канали використовуються неповністю, тому що типова передача сигналів мови заключається у змінній активності обох абонентів, тобто в моменти, коли абонент А є активним, абонент В є неактивним. Дослідження показали, що кожний з абонентів є активним в середньому на 40-50% від часу тривання з'єднання. Система GSM базується на комутації з'єднань і незалежно від активності абонентів з’єднання резервуються для них на весь час його тривання. Але є можливим зменшення кількості пакетів, що передаються в радіоканал в моменти, коли абонент є неактивним. Такий метод, що називається переривчастою передачею, або передачею з перериванням (англ. Discontinuous Transmission DTX). Це також дозволяє істотно обмежити інтерференцію в системі.

Введення переривчастої передачі DTX вимагає використання алгоритму, який би розрізняв активний стан від неактивного в сигналі мови даного абонента. Процедура викриття активності абонента (англ. Voice Activity Detection VAD) становить частину описаного в пункті 11.1.1 алгоритму кодування мови. В кожному циклі сигналу мови на виході кодера мови є один біт, який повідомляє чи цей цикл містить корисний сигнал мови, чи тільки шум фону (англ. comfort noice).

Принципи переривчастої трансмісії DTX представлено на рис. 7.32. В моменти активності абонента А передавач передає цикли сигналу мови з частотою 50 циклів/с. Якщо передавач сигналу розпізнає кілька циклів сигналу мови як такі, що містять шум, то він передасть тільки перший з них, а наступні тільки через кожні 480 мс, тобто приблизно два цикли/с, аж до моменту внесення активності абонентом А. Цикли, що містять параметри шуму фону, передаються в спеціальних циклах сигналу мови SID (англ. Silence Descriptor frames). Після прийняття циклу SID декодер мови в приймачі імітує тривалість з'єднання, генеруючи сигнал шуму. Це необхідно для того, щоб абонент В не мав враження, що з'єднання перервано в моменти, коли абонент А мовчить і на фоні шуму оточення почув би цілковиту тишу.

Контролер базових станцій