Interfata radio in sistemul GSM

Interfata radio in sistemul GSM

1. Introducere

Multe lucrari din literatura de specialitate ([JS96], [MP92]) afirma ca interfata radio este cea mai importanta dintre toate interfetele sistemului GSM. Aceasta deoarece proiectarea interfetei radio a trebuit sa tina cont de foarte multe cerinte, unele dintre ele contradictorii:

a) interfata radio trebuie sa asigure compatibilitatea intre echipamentele mobile p roduse de diversi fabricanti si retelele fixe gestionate de diversi operatori;

b) interfata radio trebuie sa asigure utilizarea maxima a spectrului radio disponibil (optimizarea numarului de celule ce acopera o zona geografica, precum si a dispunerii acestora pentru a deservi o cantitate cat mai mare de trafic);

c) solutiile tehnice aplicate pentru indeplinirea cerintelor de la pct. b) trebuie mentinute la un grad  de complexitate care sa tina cont de disponibilitatile tehnologice actuale, deoarece solutii sofisticate vor conduce la o crestere a costurilor sistemului si implicit la o crestere a costurilor serviciilor. De-a lungul anilor s-au efectuat numeroase cercetari, in special legate de rezolvarea cerintelor b) si c). Multe din solutiile teoretice de maximizare a utilizarii spectrului radio gasite sunt inca dificil de a fi transpuse in practica.

De asemenea, proiectarea interfetei radio a trebuit sa urmareasca si asigurarea unei calitati corespunzatoare a serviciului atat pentru comunicatiile telefonice clasice, cat si pentru noile servicii introduse de GSM. Nu trebuie neglijat si un alt aspect: terminalele mobile se alimenteaza de la baterii, deci este de dorit o autonomie cat mai crescuta a acestora. Aceasta va impune restrictii legate de controlul nivelului de putere emis. Controlul puterii emise insa trebuie realizat si dintr-un alt considerent: minimizarea interferentelor, aspect valabil in special in zonele urbane dens populate.

A fost necesara, de asemenea, identificarea unor metode de codare a canalului radio prin coduri detectoare si protectoare de erori, adaptate unui mediu cu coeficient ridicat de erori. Pe de alta parte, proiectarea dimensiunii temporale a cadrelor GSM a trebuit sa tina cont de proprietatea mediului radio de a introduce intarzieri mari de propagare.

Tehnica de acces la mediu este o tehnica de tip multiplu, care presupune divizarea benzii totale disponibile in canale fizice de 200 kHz, fiecare canal fiind divizat in 8 sloturi temporale (in sistemele GSM de generatie ulterioara se vor introduce 16 sloturi temporale/canal fizic). Pentru imbunatatirea utilizarii spectrului si cresterea calitatii serviciului s-a adaugat la tehnica de acces la mediu si posibilitatea modificarilor de frecventa (frequency hopping), pentru comunicatia mobil -> statie de baza.

Specificarile CCITT definesc un canal ca ,,portiunea bine precizata (delimitata) dintr-o interfata'. Un canal poate fi privit din doua puncte de vedere:

- functionalitatea sa: canalul indeplineste un rol in transmiterea unui tip de informatie - date, semnalizare etc.;

- structura sa: din punct de vedere al caracteristicilor de transmisie.

     Mai simplu spus, in sistemul GSM canalele radio se pot clasifica dupa doua criterii:

- criteriul functionalitatii, caz in care vom vorbi despre canale logice;

- criteriul structurii, cand ne referim la canale fizice (si implicit la organizarea informatiei pe mediul de transmisie) precum si legatura care exista intre canalele logice si cele fizice.

In ([XL95]), canalele logice sunt privite ca o interfata intre nivelul fizic si nivelele functionale superioare acestuia. Astfel, informatia preluata de la nivelul 2 (voce, date, semnalizari etc.) este directionata pe unul din canalele logice (in functie de natura informatiei, destinatar etc.). Deoarece, asa cum se va vedea, exista o mapare bine definita intre canalele logice si canalele fizice, se justifica considerarea canalelor logice ca o interfata a nivelului fizic cu nivelele superioare.

O alta clasificare ([JS96]), utilizeaza criteriul numarului de utilizatori ai unui canal radio si distinge doua categorii de canale:

- canale dedicate (individuale), care pot fi folosite in comun de una sau mai multe statii mobile dintr-o celula, atunci cand acestea sunt in cursul unei comunicatii;

- canale comune, care sunt receptionate sau pot fi folosite de oricare statie mobila (dintr-o celula), atunci cand aceasta nu se afla angajata intr-o comunicatie.

In ([JS96]) se disting doua stari posibile ale unui echipament mobil:

- starea activa - atunci cand mobilul este angajat intr-o comunicatie (voce, date etc.) in aceasta stare, mobilului i se aloca o portiune dintr-un canal radio;

- starea libera (idle state) - atunci cand mobilul nu este angajat in nici o comunicatie. in aceasta stare, mobilul receptioneaza canalele comune, dar nu are alocat un canal dedicat.

Asa cum aminteam intr-unul din paragrafele anterioare, fiecare canal radio este divizat in 8 sloturi temporale egale ca dimensiune.

In Specificatiile GSM un slot temporal este denumit ,,burst' iar continutul unui slot temporal (secventa de biti ce ocupa interfata radio in intervalul de timp corespunzator) este numit tot ,,burst', ceea ce creeaza pericolul unei confuzii ([MP921). in cele ce urmeaza ne vom referi la continutul unui slot temporal prin denumirea de slot informational, evitand astfel confuzia mentionata anterior.

In cele ce urmeaza ne propunem sa prezentam atat canalele logice cat si canalele fizice din sistemul GSM, precum si legatura canal logic <-> canal fizic. De asemenea vor fi prezentate si alte tehnici utilizate in GSM pentru optimizarea proiectarii interfetei radio, astfel incat sa se poata respecta cat mai multe din restrictiile mentionate anterior. Astfel vom detalia: procedura de modificare a frecventei de emisie, procedeul de transmisie discontinua, codarea canalului radio etc.

2. Canalele logice in sistemul GSM

Un canal logic defineste tipul de informatie transmisa intr-un slot sau grupuri de sloturi informationale. Canalele logice se pot imparti, in functie de modul de utilizare (unul sau mai multi, respectiv toti utilizatorii mobili dintr-o celula) astfel:

a) canale logice dedicate - sunt asociate unui grup de utilizatori mobili dintr-o celula;

b) canale logice comune - pot fi utilizate si sunt accesibile tuturor utilizatorilor mobili dintr-o celula.

               2.1. Canale logice dedicate (individuale)

Canalele logice dedicate (individuale) se impart la randul lor in:

- canale de trafic;

- canale de control.

In tabelul 1 sunt prezentate sintetic canalele logice individuale.

Tabelul  1.   Canale logice individuale GSM.

Canalele de trafic sunt canale bidirectionale utilizate pentru transmisia si receptia traficului util aferent utilizatorilor mobili. in sistemul GSM, canalele de trafic pot fi la randul lor canale de trafic cu rata intreaga, respectiv canale de trafic cu jumatate de rata.

Pe un canal TCH/F, rata utila de voce care poate fi transportata este de cca. 13 kb/s.

Canalele de control sunt canale bidirectionale asociate unui canal de trafic, destinate transmisiei informatiei aferente semnalizarilor, controlului de putere, controlului calitatii semnalului receptionat, handover etc. in sistemul GSM exista patru canale de control distincte:

. Canalul de control de sine statator (SDCCH) poate fi prezent sub doua forme: SDCCH/4 (cu 4 subcanale) sau SDCCH/8 (cu 8 subcanale). Acest canal este folosit pentru transportul informatiei ce identifica serviciul solicitat de un echipament mobil (pe sensul ascendent MS->BTS), respectiv pentru transportul informatiei raspuns a statiei de baza (sensul descendent BTS->MS). De asemenea, tot pe sensul descendent se comunica si alocarea unui canal de trafic statiei mobile;

. Canalul de control asociat lent (SACCH) este de asemenea bidirectional.

 Acesta este utilizat in urmatoarele scopuri:

- pe subcanalul ascendent, statia mobila comunica informatii privind diverse masuratori efectuate (de exemplu, nivelul semnalelor receptionate de la BTS-uri vecine), dar si nivelul puterii proprii;

-  pe subcanalul descendent, statia de baza (BTS) comanda statiei mobile nivelul de putere cu care aceasta din urma trebuie sa emita;

. Canalul de control asociat rapid (FACCH) este utilizat in ambele sensuri pentru controlul realocarilor de canale si gestionarea mecanismelor de transfer. Deoarece mecanismele de transfer trebuie executate cat mai rapid, pentru a evita intreruperea comunicatiei pe durata lor, canalele FACCH pot folosi, pentru cresterea ratei, si o parte din rata canalelor de trafic.

. Un canal asociat (SACCH) este alocat in conjunctie fie cu un canal de trafic (TCH), fie cu un canal de sine statator (SDCCH), astfel:

-   un canal de control asociat rapid (FACCH) este alocat in conjunctie (pe acelasi canal fizic) cu un canal de trafic cu rata intreaga sau cu un canal de trafic cu jumatate de rata (deci FACCH/H si TCH/H);

-   un canal de control lent (SACCH) poate fi alocat in conjunctie cu:

-   un canal de trafic cu rata intreaga TCH/F;

-   un canal de trafic cu jumatate de rata TCH/H;

In urmatoarele cazuri, SACCH este identificat prin SACCH/TF, respectiv SACCH/TH:

- un canal de sine statator cu 4 subsloturi SDCCH/4;

- un canal de sine statator cu 8 subsloturi SDCCH/8.

2.2. Canale logice comune

Sunt canale ce pot fi accesate/receptionate de oricare din mobilele aflate intr-o celula. Canalele logice comune sunt prezentate in tabelul 2:

Tabel 2. Canale logice comune.

Canalele logice comune se clasifica ([LG95]) in:

- Canalul logic comun cu difuzare (BCCH) - este unidirectional (numai pe cale descendenta) si are rolul de a transporta diverse tipuri de informatii de la statia de baza catre echipamentele mobile p entru: controlul si mentinerea sincronizarii in timp si frecventa a echipamentelor mobile cu BTS, mesaje de identificare a statiei de baza etc. El este implementat pe o frecventa purtatoare numita purtatoare de difuzare. El este rezultatul multiplexarii urmatoarelor canale logice:

- Canalul corector de frecventa (FCCH) este destinat facilitarii sincronizarii frecventei proprii echipamentului dupa frecventa BTS. Acest canal este necesar deoarece, inainte de inceperea unei comunicatii intre un mobil si BTS, este necesara resincronizarea acestuia dupa BTS;

- Canalul de sincronizare (SCH) permite sincronizarea la nivel de cadru intre mobil si statia de baza. Astfel BTS transmite pe acest canal logic numarul cadrului si identitatea sa (codul ,,colorat' al statiei de baza). Cand nu transporta informatii generale legate de sincronizare de tact sau de cadru, BCCH transporta alte informatii cum ar fi de exemplu numarul canalelor comune de control etc.;

- Canalul logic comun de control (CCCH) este un canal bidirectional de control pe care sunt multiplexate:

- RACCH (Random Access Control Channel) - canalul comun de acces este utilizat de echipamentele mobile p entru a solicita alocarea unui canal dedicat de semnalizare (SDCCH) sau trafic (TCH) si precede faza de stabilire a unui apel initiat de mobil. Accesul este realizat utilizand tehnica ALOHA sincron;

-  AGCCH (Access Grant Control Channel) - este utilizat de BTS pentru a comunica atribuirea unui canal dedicat unui mobil (de trafic - TCH sau de semnalizare - SDCCH), solicitat anterior de acesta, pe canalul RACCH;

- PCH (Paging Channel) - canal de paging (apel) este utilizat de BTS pentru avertizarea                         echipamentelor mobile asupra apelurilor sosite din retea.

3. Structura temporala a canalelor fizice in sistemul GSM

Asa cum s-a aratat in partea introductiva a acestui paragraf, unitatea de baza, in timp, folosita pentru a defini canalele fizice in sistemul GSM este slotul temporal. Sistemul GSM utilizeaza o metoda mixta de acces la interfata radio: acces in frecventa cu multiplexare in timp. Accesul este in frecventa deoarece spectrul radio alocat sistemului GSM este partajat in canale radio de largime egala cu purtatoarele spatiate la 200 kHz. Fiecare canal este impartit in doua subcanale: unul in banda ascendenta: 890 - 915 MHz (pentru comunicatia in sensul mobil -> statie de baza), celalalt in banda descendenta: 935 - 960 MHz (pentru comunicatia in sensul statie de baza -> mobil). Purtatoarele corespunzatoare celor doua subcanale sunt spatiate in frecventa la 45 MHz. Aceasta impartire a spectrului conduce la existenta unui numar de 124 canale duplex in sistemul GSM.

Pentru cresterea capacitatii sistemului exista posibilitatea maririi benzii totale de frecventa alocata sistemului prin adaugarea unei benzi suplimentare de 8 MHz in fiecare sub-banda ([MP92]). Noile domenii de frecventa alocate pentru banda ascendenta si respectiv descendenta devin:

- 882 - 915 MHz pentru banda ascendenta;

- 927 - 960 MHz pentru banda descendenta.

Specificatiile contin si o alta alocare de frecvente posibila pentru sistemul GSM, in banda de 1800 GHz. in acest caz domeniile de frecventa alocate sunt:

- 1710 - 1785 MHz pentru banda ascendenta;

- 1805 - 1880 MHz pentru banda descendenta.

Aceasta a doua varianta este cunoscuta sub numele de DCS1800.

Multiplexarea in timp, factor important de crestere a capacitatii sistemului, presupune definirea de sloturi temporale pe fiecare canal radio. in GSM, un slot temporal are durata de 577 ms sau, mai exact, 3/5200 s. Opt sloturi temporale consecutive formeaza un cadru TDMA (Time Division Multiple Access) care are durata de 4,6 ms sau, mai exact, 3/650 s. Astfel, tehnica de acces la interfata radio in sistemul GSM se poate caracteriza intr-o prima aproximatie astfel: spectrul de frecventa este partajat in benzi egale cu purtatoare spatiate la 200 KHz (aspectul legat de accesul in frecventa), iar transmisia pe fiecare canal radio este o succesiune de cadre TDMA (fig.1).

Avand in vedere principiul de acces la mediu utilizat in sistemul GSM, se impun cel putin doua precizari suplimentare.

In primul rand, organizarea informatiei pe interfata radio (fig.1) face posibila identificarea unui slot temporal dintr-un canal printr-un numar. Astfel, avand in vedere periodicitatea cadrului TDMA si lungimea sa de 8 sloturi temporale, rezulta ca pentru un slot temporal se va putea asocia un numar de forma 8p+k, unde:

Fig. 1. Principiul accesului mixt (diviziunea in frecventa si multiplexarea in timp)

in sistemul GSM.

- p este numarul cadrului TDMA din care face parte slotul temporal (unde se considera cadrele TDMA numerotate in ordinea aparitiei lor in timp);

- k este pozitia slotului temporal in cadrul TDMA. In Specificatii, k este denumit si numarul asociat slotului temporal (Time Slot Number). Tot in Specificatii numarul 8p+k, asociat unui slot temporal, este denumit tot numar asociat slotului temporal (Time Slot Number). Pentru a elimina aceste confuzii si pentru a facilita expunerea vom folosi urmatoarele conventii:

-   numarul asociat slotului temporal, reprezentat de valoarea k anterior mentionata, va fi numit numarul slotului temporal si prescurtat NST;

-   numarul asociat slotului temporal reprezentat de valoarea 8p+k va fi numit numarul extins al slotului temporal si prescurtat NEST.

In al doilea rand, datorita caracteristicilor propagarii pe mediul radio (traiectorii multiple, intarzieri. diferite (emisie si receptie) pentru sloturi informationale diferite) este necesara o sincronizare intre momentele de receptie in statia mobila (pe canalul descendent) si cele de emisie (pe canalul ascendent). Pentru compensarea efectului mediului de transmisie radio in GSM s-a ales solutia sincronizarii momentelor de emisie ale statiei mobile (pe cale ascendenta) dupa momentele de receptie (pe cale descendenta). Altfel spus, periodicitatea sloturilor temporale pe calea ascendenta urmareste periodicitatea sloturilor temporale pe calea descendenta. Distanta in timp intre un slot caracterizat de NEST pe calea descendenta si slotul caracterizat de acelasi NEST pe calea ascendenta este de 3 sloturi temporale. Acest mecanism este numit principiul separarii temporale intre canalele ascendent si descendent, iar functionarea sa este prezentata simplificat in figura 2.

Necesitatea definirii unei corespondente canal logic <-> canal fizic, precum si modul mai complex de definire (din punctul de vedere al transmisiei pe mediul fizic) al anumitor canale logice, a necesitat definirea structurilor de multicadru, supercadru si hipercadru. Succesiunea in timp a organizarii informatiei pe mediul radio in cadrul sistemului GSM este periodica, cu perioada egala cu lungimea unui hipercadru. Necesitatea introducerii structurilor de multicadru si supercadru va rezulta mai clar in subcapitolul urmator. In acest paragraf vom prezenta numai structura temporala a celor trei sisteme.

Fig. 2. Principiul separarii temporale intre canalele ascendent si descendent in statia mobila.

intre cele trei structuri exista urmatoarele relatii temporale:

 - 1 hipercadru = 2048 supercadre = 3h 28' 53' 760''                      (1)

      - 1 supercadru = 51 . 26 cadre TDMA = 6,12 s                             (2)
Un supercadru poate fi format din 51 de multicadre a cate 26 de cadre TDMA/multicadru sau din 26 multicadre a cate 51 cadre TDMA/ multicadru.

- 1 multicadru format din 26 cadre TDMA = multicadru 26<->120 ms (3)

- 1 multicadru format din 51 cadre TDMA = multicadru 51<->235ms  (4)

 In figura 3 este prezentata, simplificat, structura temporala a cadrelor GSM.

Fig. 3. Structura temporala a tipurilor de cadre GSM.

Structura temporala a cadrelor GSM este folosita numai pentru definirea unei corespondente canal logic <-> canal fizic si pentru stabilirea periodicitatii alocarii sloturilor temporale pentru diverse canale logice.

           

4. Maparea canalelor logice pe canale fizice

Prin notiunea de mapare a canalelor logice pe canale fizice se intelege modalitatea prin care, la un moment de timp, unui canal fizic ii sunt asociate o multime de canale logice. Cu alte cuvinte, acest subcapitol isi propune sa ofere o imagine asupra modului in care informatia corespunzatoare canalelor logice este transmisa pe canalele fizice. Desi chestiunea este aparent simpla, se va arata in continuare ca stabilirea corespondentelor canale logice <-> canale fizice trebuie sa tina cont de numeroase aspecte:

- mediul radio este un mediu cu un coeficient foarte ridicat de erori. Va fi necesara, deci, codarea informatiei transmise folosind coduri detectoare si corectoare de erori;

- necesitatea de optimizare a utilizarii spectrului disponibil implica o proiectare foarte atenta a organizarii canalelor logice destinate semnalizarilor. Ratele alocate acestor canale trebuie sa asigure pe de o parte transmisia tuturor tipurilor de informatii de semnalizare necesare, iar pe de alta parte trebuie sa consume cat mai putin din rata totala (capacitatea) disponibila.

Cele mentionate anterior determina anticiparea, inca de la inceputul acestui subcapitol, a unei mapari diferite a canalelor de trafic, comparativ cu maparea canalelor de semnalizare.

La inceputul acestui subcapitol am furnizat o definitie cu caracter mai general a canalului radio. Revenim pentru a da un corespondent mai evident al canalului radio in GSM. Astfel, asa cum am prezentat in sectiunea anterioara, pe fiecare frecventa se transmit cadre TDMA, fiecare cadru fiind compus din 8 sloturi temporale.

Se considera ca un canal fizic este structura obtinuta prin alocarea unui slot temporal, in fiecare cadru TDMA transmis pe o frecventa data. Pe scurt, putem scrie:

/ canal fizic/frecventa f <-> 1 slot/(fiecare cadru TDMA transmis pe aceeasi frecventa})   (5)

Aceasta definitie corespunde canalelor cu rata (debit) intreaga. Exista, asa cum s-a amintit si anterior, posibilitatea definirii decanale cu jumatate de rata. Pentru canale cu jumatate de rata corespondenta (5) devine:

/ canal fizic cu jumatate de rata/frecventa f <-> 1 slot/(in oricare doua cadre TDMA  transmise consecutiv pe frecventa f)                                                                                   (6)

Cele doua definitii anterioare sunt ilustrate si in figura 4.

Fig. 4.  Definirea canalelor fizice pe interfata radio GSM.

Un alt aspect al implementarii interfetei radio in GSM il constituie folosirea tehnicii saltului de frecventa (modificarea frecventei de transmisie a unui canal fizic). Denumita Slow Frequency Hopping (SFH) ([JS96]), aceasta tehnica consta in modificarea frecventei de transmisie a unui canal fizic, in fiecare cadru TDMA, dupa o secventa predefinita de frecvente. In fapt, daca un modul BTS dispune de N frecvente (f 1, f2,.fN), tehnica consta in a transmite un canal fizic pe frecvente diferite (dintre cele N) in cadre TDMA diferite.

De asemenea, trebuie subliniat ca pozitia slotului temporal din cadrul TDMA corespunzator canalului fizic nu se modifica, indiferent de frecventa pe care este transmis canalul fizic. Aceasta tehnica, ilustrata pentru un canal fizic in figura 5, se aplica numai in conditiile unei incarcari ridicate de trafic si are ca scop obtinerea unei imbunatatiri a performantelor sistemului (scaderea interferentelor, micsorarea efectului reflexiilor etc.)

Fig. 5. Canal fizic transmis cu tehnica salturilor de frecventa (SFH) - exemplu.

       Trebuie de asemenea mentionat ca secventele de modificare a frecventelor de transmisie sunt ortogonale (adica doua comunicatii ce se stabilesc initial pe frecvente diferite, dar in acelasi slot temporal, sa nu poata ajunge, in urma modificarilor frecventei de emisie, pe o aceeasi frecventa).

5. Transmiterea semnalelor vocale pe mediul radio

Semnalul vocal generat de utilizator in timpul convorbirii trebuie privit ca un semnal telefonic clasic: o functie x(t) (variabila in timp) spectru limitat la banda [300,3400] Hz. Acest semnal este partajat in portiuni de cate 20 ms, pentru fiecare dintre ele codorul vocal furnizand o secventa de iesire de 260 biti, care poarta numele de trafic vocal neprotejat (sau secventa de voce neprotejata) la erori. Desigur, termenul de portiune a unui semnal nu este riguros; poate un termen mai inspirat ar fi fost cel de cadru, insa am evitat aceasta denumire din dorinta de a evita eventualele confuzii cu structurile de cadre prezentate in sectiunea anterioara. Pentru protectia la erorile mediului radio, aceasta secventa (de 260 biti) este trecuta prin codorul de canal care adauga inca 196 biti, rezultand un total de 456 biti pentru fiecare secventa de 20 ms voce. Cei 456 biti sunt grupati in 8 grupe de 57 biti fiecare si distribuiti pe 4 cadre TDMA (1 slot/cadru).

Astfel, deoarece durata unui cadru TDMA este de aproximativ 5 ms, rezulta ca transmisia completa a secventei de 260 de biti se incheie dupa aproximativ 20 ms (durata a 4 cadre TDMA).

Succesiunea de operatii pentru transmiterea unei secvente de 20 ms voce este ilustrata in figura 6:

Fig.  Succesiunea de operatii pentru transmiterea unei secvente de 20 ms voce

(in principiu)

 Tehnica salturilor (modificarilor) de frecventa (SFH)

            Aceasta tehnica, specifica sistemului GSM, este destinata reducerii efectului de ,,fading' pe canalul radio si implicit imbunatatirii calitatii serviciului asigurat. Principiul acestei tehnici este foarte simplu: oricare doua sloturi informationale consecutive, corespunzatoare aceluiasi canal fizic, sunt transmise pe frecvente (purtatoare) radio diferite. In acest fel, daca o purtatoare (frecventa) radio este afectata de fading, un anumit canal fizic este afectat doar pe durata unui slot informatio­nal. In plus, putem vorbi despre o ,,imprastiere' a efectului de ,,fading' pe mai multe canale fizice (canalele transmise pe purtatoarea afectata). Pentru implementarea acestei tehnici trebuie respectate urmatoarele restrictii:

            - frecventele (purtatoarele) radio utilizate sunt cele care fac parte din multimea de frecvente alocate statiei de baza;

            - secventele de salt trebuie sa fie ortogonale (doua canale fizice plasate pe un acelasi slot temporal trebuie sa fie, in orice moment, transmise pe purtatoare diferite).

            In continuare, vom lua in considerare o celula deservita de o statie de baza careia i-au fost alocate N frecvente. Exista doua variante de implementare a tehnicii SFH:

a)      Circulara, in acest caz, cele N frecvente sunt parcurse succesiv, rezultand o periodicitate

de N in frecventa de transmisie utilizata pentru un canal fizic (adica sloturile informationale 1, N+l, 2N+1,, apartinand aceluiasi canal fizic sunt transmise pe o aceeasi frecventa fl; similar, sloturile informationale 2, N-t-2,, sunt transmise pe o aceeasi frecventa f'2 etc.Evident, este necesar ca fl, f2, sa fie incluse in multimea de frecvente alocate statiei de baza);

            b). Pseudo-aleatoare; in acest caz, periodicitatea frecventei de transmisie a unui canal fizic este mai mare decat N.

            Vom enumera in continuare parametrii necesari implementarii tehnicii SFH si vom descrie algoritmul SFH circular. Astfel, pentru tehnica SFH se utilizeaza parametrii:

            - FN (Frame Number) cu componentele sale Tl, T2, T3, receptionate pe canalul de control SCH;

            - MAIO (Mobile Allocation Index Offset) - offset de alocare;

      - HSN (Hopping Sequence Generator Number) - numar auxiliar pentru generarea secvente­lor de modificare a frecventei de transmisie.

            In urma aplicarii unui algoritm SFH specific (a sau b) se obtine parametrul MAI (Mobile Allocation Index), care reprezinta identitatea urmatoarei frecvente utilizate pentru transmiterea unui canal fizic. Pentru algoritmul pseudo-aleator se utilizeaza, in calculul lui MAI, parametrii Tl, T2,T3.

            In continuare vom exemplifica calculul lui MAI pentru cazul utilizarii unui algoritm SFH circular (in acest caz HSN = 0). Astfel, pentru calculul lui MAI se utilizeaza relatia MAI = (FN+MAIO) . mod N, unde a mod b este restul impartirii lui a la b. Aplicarea operatiei mod N este necesara pentru mentinerea MAI in domeniul 0 ¸ N-1 (adica frecventa rezultata sa apartina multi­mii de frecvente alocate statiei de baza). Reamintim faptul ca frecventele alocate statiei de baza au fost notate generic 0, 1,, N-1. In plus, algoritmul prezentat este independent de la o celula la alta (nu exista o corelatie intre secventele rezultate in celule diferite). Algoritmul SFH pseudo-aleator poate fi consultat din [RS94] si nu va mai fi prezentat in aceasta lucrare.

            Mai trebuie mentionat ca, desi modificarile relative ale frecventei in urma aplicarii tehnicii SFH sunt relativ mici (putem avea o modificare relativa maxima egala cu » 25MHz/ 900 MHz » 3% - 25 MHz = banda pe caile ascendenta respectiv descendenta), imbunatatirile vis-a-vis de calitatea semnalului receptionat (mai ales in mediile afectate de fading) sunt sensibile mai ales pentru mobile cu viteza mica de deplasare. Acest efect este explicabil: fara utilizarea tehnicii SFH, in conditii de fading ridicat, semnalul receptionat de un mobil lent ar fi afectat pe o perioada mare, intrucat acesta se indeparteaza greu (datorita vitezei mici de deplasare) din zona afectata. Modul in care se imple­men­­teaza tehnica SFH ramane la latitudinea operatorului.

7. Transmisia si receptia pe mediul radio

            In opinia autorilor, este oportun ca in finalul paragrafului dedicat organizarii interfetei radio in sistemul GSM sa fie prezentate principalele caracteristici ale transmisiei si receptiei pe mediul radio. Vom face pentru inceput cateva precizari de natura a justifica organizarea si prezentarea notiunilor ce vor fi expuse in continuare: toate mecanismele utilizate pe interfata radio GSM (modulare, demodulare, egalizare, transmisia/receptia discontinua etc.) sunt justificate printr-un formalism matematic sofisticat, care este prezentat detaliat in diferite lucrari de specialitate (de exemplu [RS94]). Atentia noastra se va indrepta insa in mod exclusiv spre algoritmi, pentru a nu conditiona intelegerea notiunilor de cunostintele matematice ale cititorilor.

            Vom prezenta totusi anumite concluzii, obtinute in urma aplicarii formalismelor matematice amintite anterior. Structurarea materialului din acest subcapitol va urmari o prezentare graduala a notiunilor; vom apela insa si la notiuni prezentate in paragrafele anterioare.In cele ce urmeaza vor fi prezentate lantul complet de transmisie si respectiv de receptie pe interfata radio GSM, tehnica de modulatie, algoritmul de egalizare, precum si tehnicile de trans­misie/receptie discontinua.

8. Lantul de transmisie si lantul de receptie

            Prin lant de transmisie vom intelege multimea de blocuri functionale pe care le parcurge semnalul de la generarea sa (voce, date sau informatii de control) pana la transmisia in eter (pe mediul radio). Parcurgerea unui bloc functional va atrage, evident, efectuarea unor prelucrari specifice asupra semnalului. Prin lant de receptie vom intelege multimea de blocuri functionale pe care le parcurge semnalul de la preluarea (receptia) sa de pe mediul radio pana la decodificarea sa completa (adica pana cand semnalul receptionat este reconstituit complet - cazul traficului de voce si date - sau pana cand poate indeplini functiile de control specifice - cazul semnalelor de control - trafic de semnali­zare). O parte din lantul de transmisie, precum si lantul de receptie, sunt prezentate in fig 7. Legatura intre lantul de transmisie si cel de receptie este realizata prin intermediul canalului radio. Trebuie precizat ca, in acest caz, prin canal radio se intelege multimea tuturor canalelor (trafic si semnalizare) prin intermediul carora comunica entitatile emitator si receptor.

Asa cum s-a explicat in paragrafele anterioare, orice semnal care urmeaza a fi transmis pe mediul radio este intai codat cu un cod de comprimare (pentru a reduce cantitatea de informatie ce trebuie transmisa), apoi codat cu un cod detector si corector la erori (codare de canal), iar cuvantul rezultat este impartit in 4 sau 8 grupe de 57 biti, care se vor distribui pe sloturi informationale dife­rite, conform regulilor descrise in paragrafele anterioare. In lantul de transmisie este de asemenea necesara o functie de construire propriu-zisa a sloturilor informationale (adaugarea bitilor de delimitare, gestionarea perioadei de separare intre sloturile informationale etc.) Urmeaza in lantul de transmisie un bloc care asigura (optional) criptarea informatiei transmise (pentru asigurarea confidentialitatii comunicatiei) conform algoritmului descris. Apoi, semnalul este modulat si transmis pe mediul radio. Tehnica de modulatie aleasa pentru sistemul GSM este GMSK (Gaussian-filtered MSK), derivata din tehnicile de modulatie MSK. Pentru MSK (Minimum Shift Keying) faza semnalului transmis variaza liniar pe durata timpului de bit T_b a semnalului modulator b(t).

           

Fig. 7.  Lantul de transmisie si lantul de receptie GSM (arhitectura generica)

Astfel, pentru t I semnalul emis se poate pune sub forma:

Semnul ± este ales dupa cum bitul transmis este 0 sau 1.