Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи. Учебное пособие

Введение

Одним из наиболее динамично развивающихся видов связи является связь сподвижными объектами, значительно расширяющая рамки традиционной услуги телефонной связи. Применение радиосвязи на абонентском участке позволяет иметь доступ к каналу связи при перемещениях в пространстве. При этом сохраняется возможность соединения с подвижным абонентом по его неизменному номеру.

Радиотелефонная связь с подвижными объектами в районах с относительно высокой плотностью населения реализуется посредством наземных систем подвижной радиосвязи (СПРС). Однако в районах с низкой плотностью населения естественно применять системыперсональной спутниковой связи (СПСС) – различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами на орбитах разного типа, работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального терминала – как правило, вне зоны действия СПРС.

Основной тенденцией развития систем подвижной радиосвязи в целом является использование цифровых методов передачи. Наиболее привлекательные стороны цифровых методов передачи состоят в том, что они более эффективны в условиях сильных помех, обеспечивают рациональное использование радиочастотного ресурса и, кроме того, цифровая техника характеризуется высокими темпами улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности.

Успехи технологии сверхвысокого порядка интеграции элементов сделали цифровую обработку сигналов связи и их цифровую передачу по радиоканалам более эффективной, нежели аналоговая обработка и аналоговые методы передачи. К наиболее эффективным методам цифровой обработки и передачи речевых сигналов относятся:

  • преобразование и кодирование (кодирование источника), позволяющие эффективно устранить избыточность в таких сигналах, благодаря чему в несколько раз уменьшить скорость передаваемого цифрового потока по сравнению с методами ИКМ;
  • помехоустойчивое кодирование канала – кодирование с исправлением ошибок, представляющее собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности их передачи по цифровым каналам за счет специально вводимой избыточности;
  • методы цифровой модуляции, которые позволяют повысить эффективность использования радиочастотного ресурса по сравнению с аналоговыми методами.

Использование цифровых методов передачи и временного разделения каналов (ВРК) в системах подвижной радиосвязи позволяет обеспечить: повышенную скорость передачи сообщений; одновременную передачу в стандартном формате речевых сообщений и данных; совместную передачу информационных сообщений и сигналов управления без взаимного мешающего влияния; стабильно высокий уровень разборчивости передаваемых речевых сообщений в условиях всего диапазона дальности связи; надежную и технически несложную защиту передаваемых сообщений; непрерывный контроль качества функционирования каналов связи.

Ведущее положение на рынке систем связи с подвижными объектами занимают:

  • профессиональные СПРС – транковая (транкинговая) связь;
  • системы сотовой подвижной радиосвязи – сотовая связь;
  • системы персонального радиовызова – пейджинговая связь;
  • системы беспроводных телефонов.

Профессиональные СПРС, как правило, имеют радиальную или радиально-зоновую структуру сети и, в отличие от сотовых систем, не обеспечивают непрерывности связи при пересечении абонентами границ зон радиопокрытия (передача обслуживания -handover) и не имеют автоматического роуминга – автоматической регистрации и поддержания связи при перемещении в другую зону обслуживания.

Основные усилия при разработке новых СПРС сосредоточены на обеспечении высоких показателей в части помехоустойчивости и пропускной способности системы передачи, эффективности использования выделенного спектра частот (частотной эффективности).

В этом отношении наиболее перспективными признаны сотовые системы подвижной связи (ССПС) – системы связи с пространственно-разнесенным повторным использованием частот, когда выделенные частотные каналы многократно используются абонентами в ячейках, разнесенных друг от друга на необходимое защитное расстояние.

В настоящее время внедрены три стандарта цифровых ССПС второго поколения. Они разработаны и приняты в разных странах, отличаются своими характеристиками, но построены на единых принципах – используют макросотовую топологию сети с радиусом сот до 35 км, ВРК и отвечают требованиям современных информационных технологий. Это: общеевропейский стандарт GSM; американский стандарт ADC (D-AMPS) и японский стандарт JDC (PDC). Основные характеристики указанных стандартов приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1.

 Характеристики стандарта

GSM

D-AMPS

PDC

1

Метод доступа

ВРК

ВРК

ВРК

2

Разнос частот, кГц

200

30

25

3

Общая полоса частот, МГц

25

25

25

4

Эквивалентная полоса частот на речевой канал, кГц

25

10

8,3

5

Число речевых каналов связи

1000

2500

3000

6

Число каналов на соту

500

357

750

7

Скорость преобразования речи, кбит/с

13

8

11,2

8

Алгоритм преобразования речи

RPE-LTP

VSELP

VSELP

9

Общая скорость передачи, кбит/с

270

48

42

10

Вид модуляции

0,3 GMSK

DQPSK

DQPSK

11

Радиус соты, км

0,5…35

0,5…20

0,5…20

12

Частотный диапазон, МГц

900

800

800…1500

В настоящее время в мире доминирует общеевропейский стандарт GSM. В рамках этого стандарта абонент может воспользоваться более чем 60 услугами, среди которых наиболее востребованы: глобальный роуминг, определитель номера, короткие текстовые сообщения (SMS), система голосовых сообщений, улучшенное полноскоростное кодирование речи и ряд других.

Одним из последних достижений техники подвижной радиосвязи является технология пакетной передачи данных по радиоканалу GPRS. Основные преимущества этой технологии: весьма высокая скорость передачи данных (до 171,2 кбит/с), аппарат постоянно подключен к сети Интернет, а оплата осуществляется не за время работы в глобальной сети, а за объем переданных данных.

Дальнейшее развитие систем сотовой подвижной связи осуществляется в рамках проекта ССПС третьего поколения (IMT-2000) под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ). В настоящее время определились три основных направления развития систем третьего поколения: эволюция систем на базе технологии ВРК (GSM, IS-136) и технологии IS-95 (проект cdma2000), а также проекты новых стандартов на основе технологии широкополосной W-CDMA.

Универсальная система подвижной связи 3-го поколения будет обладать качественно новыми возможностями. В результате для многих пользователей мобильный абонентский терминал (АТ) или портативное абонентское устройство станет единственным универсальным устройством доступа к услугам связи.

Современный рынок услуг подвижной связи характеризуется высокими темпами развития систем персонального радиовызова (СПРВ), обеспечивающих передачу сообщений ограниченного объема в пределах обслуживаемой зоны. Эти системы гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных, как по ценовым показателям, так и по разнообразию требуемых пользователю услуг мобильной связи.

Требования к функциональному развитию сетей СПРВ, увеличению скорости передачи сообщений, а также интеграции национальных сетей СПРВ в транснациональные привели к созданию в 1992 г. общеевропейского стандарта ERMES. Фирма Motorola разработала свой протокол передачи сигналов СПРВ, получивший наименование FLEX, основными достоинствами которого являются повышенная скорость передачи сообщений (до 6400 бит/с), большая емкость системы и обеспечение экономичного режима работы пейджера.

Системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony) общего пользования, обеспечивающим своим абонентам выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), составляют значительную конкуренцию сотовым системам связи. Внедрение систем беспроводных телефонов рассматривается в рамках реализации концепции персональной связи, предусматривающей предоставление услуг “всегда и в любом месте” при использовании легких малогабаритных АТ в рамках микро- и пикосотовых сетей связи.

Размышления по поводу будущих систем связи привели к появлению концепции универсальной персональной связи (UPT). Согласно этой концепции несколько коммуникационных сетей – фиксированные сети, системы наземной подвижной связи и спутниковые сети подвижной связи – будут взаимодействовать друг с другом, образуя интегрированную систему, поддерживающую широкий спектр персональных услуг.

Системы персональной спутниковой связи (СПСС) играют важную роль в концепции UPT. Эти системы нацелены на обеспечение доступа к телекоммуникационной сети из любой точки Земли, особенно из районов, не охваченных другими системами связи, такими, как сеть ТфОП или системы наземной подвижной связи.

По сравнению с наземными системами подвижной радиосвязи системы СПСС в своем развитии задержались. Это объясняется тем, что энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить АТ до размеров телефонной трубки.

Однако применение спутников на низких орбитах создает энергетические преимущества перед геостационарными спутниками и дает возможность организовать сети СПСС с персональными телефонами с ненаправленными антеннами. На вес и размеры АТ не всегда накладываются жесткие ограничения, свойственные сотовому телефону.

Поэтому под СПСС понимаются различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной круговой (GEO) – высотой около 36 тыс. км, средневысотных круговых (MEO) – высотой порядка 10 тыс. км, низких круговых (LEO)

– высотой 700…1500 км и вытянутых высокоэллиптических орбитах (HEO), работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального терминала (портативного, мобильного, стационарного) – как правило, вне зоны действия наземных сотовых систем.

В основу классификации таких систем положены два основных признака: информационная скорость в абонентской линии и тип орбиты КА. Наибольшее распространение нашли низкоскоростныеСПСС (информационная скорость передачи от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с) и высокоскоростные СПСС (64 кбит/с и выше).

Низкоскоростные СПСС предназначены как для передачи данных, так и для организации персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Наиболее известными системами данного класса являются системы Iridium и Globalstar.

Отличительными особенностями таких систем радиотелефонной связи являются: совместимость с наземными сетями сотовой телефонной связи; передача данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с, в том числе передача коротких однопакетных сообщений типа пейджинговых; определение координат подвижного объекта (с помощью приемника глобальной навигационной системы – GPS); возможность обеспечения связи в любое время суток в режиме реального времени; обеспечение глобального покрытия земной поверхности без мертвых зон в наиболее обжитых районах мира.

К высокоскоростным СПСС относятся глобальные системы широкополосной связи, использующие все типы орбит и предназначенные для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедиа, организации конференц-связи, доступа в Интернет, интерактивной связи.

Читайте про операторов:  как узнать пин код на телефоне мегафон

. Оценка качества передачи речи

Поскольку человек как получатель информации является ключевым элементом любой телекоммуникационной системы, качество сигнала оценивается по его субъективному восприятию речи. К основным показателям качества принимаемой речи относят: разборчивость (понятность), громкость и натуральность.

Понятность речи – определяющая характеристика тракта передачи речи, так как если тракт не обеспечивает полной понятности речи, то никакие другие его преимущества не имеют значения – он не пригоден к эксплуатации. Для непосредственного определения этой качественной характеристики есть только один метод – субъективно-статистические испытания (ССИ), требующий большого количества речевого материала, обработанного кодеками и трактом передачи, и привлечения группы экспертов (тренированных слушателей и дикторов).

Громкость речи определяет желательный уровень принимаемых сигналов, при котором разборчивость (понятность) речи достигается без напряжения слухового аппарата со стороны принимающего. Натуральность речиоценивает способность системы воспроизводить не только смысл передаваемой речи, но и ее тембр и индивидуальные особенности голосов говорящих, т.е. способность обеспечить узнаваемость говорящего по голосу.

Наиболее распространенным объективным методом оценки качества передачи речи является метод артикуляции. Он основан на оценке степени выполнения главного требования, предъявляемого к разговорным трактам, – обеспечения разборчивой передачи речи.

Для измерений разборчивости разработаны специальные (артикуляционные) таблицы слогов, звукосочетаний и слов с учетом их встречаемости в русской речи (аналогичные таблицы есть и для других языков). Звуковых таблиц нет, так как звуки, кроме гласных, отдельно не произносятся, а для измерений звуковой разборчивости пользуются слоговыми таблицами или таблицами звукосочетаний.

Пусть, например, в процессе измерения было передано 1200 слогов, из них правильно принято 840 и искажено 360. Тогда слоговая разборчивость составит S = 840´100/1200 = 70%. Из всех типов артикуляционных таблиц (слоговых, словесных, фразовых) практическое применение находят первые две.

Измеряют разборчивость экспериментально (в соответствии с ГОСТ 16600-73) с помощью артикуляционной бригады – группы тренированных слушателей и дикторов – молодых людей без нарушений слуха и речи. Ограничение влияния субъективных факторов достигается путем строгой регламентации артикуляционных измерений.

В табл. 14.1 приведены градации понятности речи и соответствующие им величины разборчивости. Словесная разборчивость ниже 75% оценивается как “срыв связи”.

Таблица 14.1

Понятность

Разборчивость, %

слоговая

словесная

Предельно допустимая

25…40

75…87

Удовлетворительная

40…50

87…93

Хорошая

50…80

93…98

Отличная

80 и выше

98 и выше

Эти данные были получены для широкого словаря, т.е. при передаче самой разнообразной информации. В тех же случаях, когда идет обмен информацией с гораздо меньшим объемом (т.е. при ограниченном словаре), понятность речи будет лучше, чем в общем случае при той же разборчивости речи.

Так, для диспетчерской связи 40%-ная слоговая разборчивость уже соответствует полной понятности речи, хотя в общем случае она соответствует удовлетворительной понятности. Для передачи цифрами полная понятность достигается при 30% слоговой разборчивости.

По результатам проведения артикуляционных испытаний разборчивости различают классы качества речевых трактов по процентам правильно принятых элементов речи: слабое, удовлетворительное, хорошее и отличное (табл. 14.2).

Таблица 14.2

Вид разборчи- вости

Качество речевых трактов, %

Слабое

Удовлетворительное

Хорошее

Отличное

Звуковая

25. ..40

40.. .55

55. ..80

>80

Слоговая

64.. .75

75. ..82

82. ..90

>90

Словесная

75. ..87

87.. .93

93. ..98

>98

Фразовая

90. ..95

87.. .93

97.. .99

>99

При оценке качества кодирования и сопоставлении различных кодеков оцениваются разборчивость речи и качество синтеза (качество звучания) речи. За рубежом для оценки разборчивости речи используется метод DRT (диагностический рифмованный тест).

В этом методе подбираются пары близких по звучанию слов, отличающихся отдельными согласными в начале слова (типа “дот – тот”, “кол – гол”), которые многократно произносятся рядом дикторов, и по результатам испытаний оценивается доля искажений. Метод позволяет получить как оценку разборчивости отдельных согласных, так и общую оценку разборчивости речи.

Для оценки качества звучания используется критерий DAM (диагностическая мера приемлемости). Испытания заключаются в чтении несколькими дикторами, мужчинами и женщинами, ряда специально подобранных фраз (12 фонетически сбалансированных 6-слоговых предложений), которые прослушиваются на выходе тракта связи рядом экспертов-слушателей, выставляющих свои оценки по 5-балльной шкале MOS (средняя субъективная оценка или средняя оценка мнений) в соответствии с данными табл. 14.3.

Затем результаты усредняются. Хотя этот метод является субъективным по своей сути (аналог ССИ), его результаты по сопоставлению различных типов кодеков при проведении испытаний одними и теми же группами дикторов и экспертов-слушателей являются достаточно объективными, и на них основываются практически все выводы и решения.

Экспериментальные субъективно-статистические способы определения оценок качества чрезмерно громоздки и дают достоверные результаты лишь при большом объеме обработанного речевого материала. Поэтому весьма актуально создание объективного метода оценки качества с меньшими затратами труда и времени.

Так, при исследовании речевых кодеков (а в последние годы эти исследования стали проводиться с помощью ЭВМ) желательно использовать объективные (формализованные) критерии качества, отличающиеся оперативностью и не требующие привлечения экспертов. Однако существующие объективные критерии качества слабо отражают свойства слухового восприятия.

Поэтому критерий качества, используемый для оценивания кодеков одного типа, может оказаться некорректным для кодеков иного типа. Например, такой широко используемый критерий, как отношение сигнал-шум квантования (ОСШК), вполне удовлетворительно оценивающий качество неадаптивных, инвариантных к спектру передаваемого сигнала кодеков, становится некорректным при сравнении адаптивных дифференциальных речевых кодеков. Это связано с различием в характере искажений сигналов.

Таблица 14.3.

В табл.14.4 представлена сводная информация о наиболее распространенных способах кодирования речи. Здесь оценка различных методов кодирования связана с восприятием речи человеком, т.е. со средними субъективными оценками по шкале MOS.

Таблица 14.4.

Метод кодирования РС

Стандарт / Год принятия

Цифровая скорость, кбит/с

Оценка качества по шкале MOS

ИКМ (PCM)

ITU-T G.711/1960

64

4,1…4,5

АДИКМ (ADPCM)

ITU-T G.726/1984

32/64

3,8 / 4,6

IMBE

INMARSAT-M/1990

6,4

3,1

LD-CELP

ITU-T G.728/1992

16

3,8

RPE-LTP

ETSI GSM/1992

13

3,6

VSELP

EIA/TIA IS54/1992

8

3,45

CELP

FS-1016 (США)

4,8

3,15

MP-MLQ

ITU-T G.723.1/1996

6,4

3,9

ACELP

ETSI TETRA/1996

4,8

3,4

MELP

США/1998

2,4

3,5

LPC-10

ANSI

2,4

2,9

Так, при точном квантовании в ИКМ шум можно считать стационарным процессом с равномерной спектральной плотностью мощности (СПМ). В то же время при адаптивном квантовании, когда шаг квантования изменяется в соответствии с дисперсией нестационарного РС, дисперсия ошибки квантования оказывается с ней связанной, т.е. шум квантования становится также нестационарным.

Обычно ОСШК не учитывает ни спектральных соотношений сигнала и шума, ни их нестационарного характера. При субъективном же восприятии важно соотношение не только дисперсий, но и СПМ РС и шума. Поэтому за основу объективного критерия, учитывающего свойства слухового восприятия, должны быть приняты оценки кратковременныхСПМ РС и ошибки квантования.

Объективная оценка качества РС может производиться как во временной области, так и в частотной области. Во временной области критерием качества является ОСШК. В адаптивных речевых кодеках шаг квантования изменяется в соответствии с дисперсией РС, поэтому дисперсия ошибки квантования зависит от дисперсии РС.

При исследованиях таких кодеков важны значения кратковременных ОСШК, вычисленных на коротких сегментах РС длительностью 10…30 мс. Такое сегментное ОСШКучитывает сегментный характер слухового восприятия элементов речи и является лучшей мерой искажений, при которой паузы в РС не учитываются. Однако чтобы их игнорировать, они должны быть обнаружены.

При кодировании с адаптивным предсказанием параметры предсказателя изменяются в соответствии с кратковременной СПМ РС, что делает необходимым учет сегментно-спектрального характера слухового восприятия в пределах временного сегмента РС. Так как область слышимых частот разделяется на критические полоски, то в каждой из них установлено оптимальное для слухового восприятия соотношение спектральных мощностей сигнала и ошибки квантования.

С точки зрения простоты вычислений, длительности необходимого для анализа речевого материала (около 3 с, т.е. одна – две фразы), а также хорошей корреляцией с объективными оценками качества показатель качества на основе сегментного ОСШК может рассматриваться как весьма эффективный инструмент при исследованиях кодеков различных типов.

В частотной области критерием качества является степень искажения спектральной огибающей. Было установлено, что использование критерия качества в частотной области в большей степени соответствует субъективным оценкам, чем критериям во временной области.

Так, при оценке качества звучания сигнала в вокодерных методах передачи, где форма реализаций речевых сигналов в дискретном времени на входе кодера xt и выходе декодера xt* может существенно различаться, основным показателем является близость оценок СПМ xt и x*t.

Существует множество показателей, контролирующих эту близость. В частности, определение критерия качества в частотной области базируется на LPC кепстральном расстоянии (CD). (Термин “кепстр” был введен в США в начале 60-ых годов и является в настоящее время общепринятым для обозначения обратного преобразования Фурье логарифма спектра мощности сигнала).

Этот метод используют для оценки качества РС в системе линейного предсказания. Он незначительно отличается от субъективного метода MOS (коэффициент корреляции между этими методами около 0,96) – чем больше кепстральное расстояние CD, тем ниже средняя оценка мнений MOS. Такая зависимость справедлива не только для систем LPC, но и ИКМ, АДИКМ и других систем.

Читайте про операторов:  Тарифы Йота для планшета на безлимитный интернет

. Вопросы совершенствования обработки информации в СПРС

Важнейшей проблемой на пути создания высокоэффективных систем передачи информации является проблема согласования модемов и кодеков с учётом статистических свойств непрерывного канала. Кодирование и модуляцию необходимо рассматривать как единый процесс формирования наилучшего сигнала, а демодуляцию и декодирование — как процесс наилучшей обработки сигналов.

В технике цифровой связи методы модуляции играют весьма значимую роль. Помимо своей основной функции — преобразования символ – сигнал, т.е. выполнения функции интерфейса между дискретным и непрерывным каналами — процесс модуляции является составной частью общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала.

Многопозиционные сигналы с плотной упаковкой (например, ФМ и КАМ) обеспечивают высокую удельную скорость за счёт снижения энергетической эффективности. С другой стороны, корректирующие коды позволяют повысить энергетическую эффективность при определённом снижении удельной скорости.

Каждый из этих способов даёт выигрыш по одному показателю в обмен на ухудшение другого. Для того чтобы получить одновременно наилучшую энергетическую и частотную эффективность, используется кодированная модуляция или – в другой терминологии – определенные сигнально-кодовые конструкции (СКК), сочетающие в единой конструкции многопозиционные сигналы и корректирующие коды.

Создание сигнально-кодовых конструкций с целью обеспечения наилучшего качества передачи данных по каналу осуществляется в рамках многоуровневого кодирования. На практике это означает обеспечение максимальной защиты тех бит ФМ модуляции, которые наиболее подвержены ошибкам.

Различные уровни защиты реализуются с помощью различных компонентов свёрточных кодов с индивидуальными скоростями Rp = m/n. Эти компоненты образуются в кодере путем выкалываниясимволов в первичном (материнском) коде, характеризуемом скоростью R = 1/n.

В результате выкалывания формируется перфорированный код, скорость которого, в рамках конкретного блока кода, может изменяться в широких пределах, например от R = 8/9 до R = 1/4. При этом входной байт информационных символов (m = 8) остается неизменным, а выкалыванием варьируется количество избыточных (поверочных) символов.

Тем самым меняется уровень защиты информационных бит в конкретном блоке кода – от самого низкого, когда добавляется только один поверочный бит (код (n-1)/n), до максимального, которому соответствуют три поверочных бита на каждый информационный.

В качестве примера совершенствования обработки информации в СПРС при адаптации пропускной способности системы, рассмотрим отдельные аспекты расширения GSM / GPRS, связанные с увеличением скорости передачи данных в рамках технологии, известной под названием EDGE.

Введение услуги пакетной радиопередачи данных GPRS стало значительным улучшением и расширением стандартной системы GSM. Причин для ее возникновения много. Скорости передачи данных в существующих сетях подвижной связи были недостаточными, а время установления соединения – слишком большим.

Передача данных по сети с коммутацией каналов не соответствовала пакетному и асимметричному характеру трафика, что приводило к неэффективному использованию существующих ресурсов системы. В конечном итоге было принято решение о применении передачи данных с коммутацией пакетов.

В результате в таком режиме абоненты получили возможность задействовать одни и те же физические каналы, а системные ресурсы распределяются более эффективно благодаря статистическому мультиплексированию. Последствием применения пакетной коммутации является принцип оплаты за услугу, базирующийся на количестве переданных пакетов данных.

Физический уровень системы GPRS похож на физический уровень стандартной системы GSM. Тем не менее, пакетная передача и асимметрия трафика потребовали внесения в него некоторых изменений и дополнений. Так, система GPRS позволяет, при необходимости, передавать пакетные данные в режиме коммутации пакетов с использованием более одного временного слота(до восьми временных слотов) в кадре, если это возможно с точки зрения системных ресурсов.

Однако скорость такой передачи данных не очень высока по сравнению с проводным подключением к сети Internet. Удовлетворить потребность в более высоких скоростях удалось в рамках новой технологии повышения скорости передачи данных EDGE.

В системе EDGE для GSM (т.н. система EDGEClassic) используются некоторые усовершенствования, которые позволяют передавать пакеты данных с более высокими скоростями, чем в стандартных системах GSM или GPRS.

Среди этих усовершенствований: применение модуляции ФМ-8 (8-PSK) в высокоскоростных режимах (в низкоскоростных режимах по-прежнему используется GMSK-модуляция); медленная скачкообразная перестройка частоты, которая представляет собой опцию в стандартной системе GSM; контроль качества радиоканала.

Рис. 17.1. Импульсная характеристика фильтра формирования импульсов в модуляторе сигналов ФМ-8 системы EDGE

Модуляция ФМ-8, по определению, позволяет обеспечить в три раза большую скорость передачи данных по сравнению со стандартной системой GSM при условии использования тех же символьной скорости и полосы частот. Это обусловлено тем, что при ФМ-8 каждый информационный символ представляется тремя битами.

Побитовое соответствие блоков символам подчиняется правилу Грея. Помимо фазового сдвига, определяемого информационными битами, фаза дополнительно сдвигается на Зπ/8 на каждый период передачи одного символа. Это позволяет избежать низких уровней огибающей, что негативно сказывается на нелинейном режиме усиления таких сигналов.

Для того чтобы привести сигнал в соответствие с шириной спектра канала и сохранить форму GMSK-спектра, используется модулирующий импульс p(t) (рис. 17.1), форма которого похожа на гауссовскую кривую и рассчитана при помощи численных методов.

Важнейшее свойство системы EDGE – контроль качества радиоканала. Подвижные станции передают на базовые станции информацию о качестве канала. На основании этой информации принимается решение о том, какую комбинацию модуляции и канального кодирования следует использовать.

В системе EDGE могут применяться два типа модуляции (GMSK и ФМ-8) и девять скоростей кодирования. Каждая комбинация имеет свою характеристику, выражаемую в зависимости пропускной способности (на один временной слот) от отношения сигнал/шум.

Переключение между комбинациями кодирования и модуляции позволяет максимизировать пропускную способность. Принцип адаптации к качеству канала радиосвязи иллюстрируется на рис. 17.2. Максимальная скорость передачи данных на одну несущую (когда используются все временные слоты)

составляет 556,8 кбит/с для ФМ-8 и 185,6 кбит/с для GMSK. Максимальная доступная пользователю скорость передачи данных будет меньше из-за использования канального кодирования со скоростями в диапазоне от R = 0,38 доR = 1.

Контроль качества радиоканала, реализованный в системе EDGE при помощи адаптивного выбора модуляции и кодирования, подтверждается теорией информации. Так, можно показать, что для достижения максимальной пропускной способности скорость передачи данных должна быть высокой при хорошем качестве радиоканала (при больших отношениях сигнал-шум) и низкой при временном снижении качества канала.

Радиоблок данных (РБД) – это наименьший элемент передаваемых в рамках системы EDGE данных. Каждый РБД содержит один или два блока пакетных данных (PDU). Количество PDU в радиоблоке зависит от выбранной схемы модуляции и кодирования.

Рис. 17.2. Пропускная способность на один временной слот для различных комбинаций кодирования и модуляции

Передача информационных последовательностей, дополненных CRC-блоками для обнаружения ошибок, часто применяется в системах передачи данных, включая системы подвижной связи. В этом случае необходимо создать канал обратной связи, по которому будет передаваться информация о том, был переданный информационный блок принят или отвергнут.

Если такой канал не может быть реализован (например, из-за чрезмерных задержек в сети), то остается единственный способ увеличения производительности передачи данных – применение достаточно строгой упреждающей коррекции ошибок (FEC), т.е. канального кодирования.

На рис. 17.3 представлена схема передачи данных при использовании канала обратной связи. Основной поток данных передается с передатчика на приемник по основному каналу. В основе стандартного метода ARQ лежит добавление CRC-битов четности, вычисленных передатчиком, к концу блока данных.

В приемнике CRC-биты заново рассчитываются по принятому блоку данных. Если вычисленные биты совпадают с принятыми, то приемник посылает подтверждение приема (АСК), и передатчик начинает передавать следующий блок. Если рассчитанные приемником CRC-биты не совпадают с принятыми, то весь блок отбрасывается и подлежит повторной передаче.

Таблица 17.1.

Схема

Модуляция

Максимальная скорость, кбит/с

Скорость кода

PDU / 20 мс

Размер PDU,

байтов

MSC-9

ФМ-8

473

1,0

2

74

MSC-8

ФМ-8

435

0,92

2

68

MSC-7

ФМ-8

358

0,76

2

56

MSC-6

ФМ-8

234

0,49

1

74

MSC-5

ФМ-8

179,2

0,37

1

56

MSC-4

GMSK

141

1,0

1

44

MSC-3

GMSK

119

0,80

1

37

MSC-2

GMSK

90

0,66

1

28

MSC-1

GMSK

70,4

0,53

1

22

В основе метода IRARQ лежит повторное использование ошибочного блока для детектирования ошибок. В процессе кодирования на выходе сверточного кодера применяется перфорирование по двум или трем различным схемам (Р1, Р2 или РЗ).

Вначале передается кодированный блок, подвергнутый перфорированию по схеме Р1. Если в нем обнаружены ошибки, то передаются биты, полученные при перфорировании по схеме Р2, которые добавляются к ранее переданному блоку. Затем этот блок снова декодируется.

При этом возрастает количество битов четности (избыточности), и декодирование целого блока приводит к гораздо лучшей коррекции ошибок. Если были получены все биты, рассчитанные по всем схемам перфорирования, а ошибки не были устранены, то повторяется весь процесс передачи блока.

Рис. 17.3. Система передачи данных с повтором блоков и каналом обратной связи

Благодаря высоким скоростям передачи данных, достижимых в системе EDGE, она сегодня рассматривается как одно из возможных предложений к реализации систем третьего поколения (3G). В ближайшем будущем станет ясно, насколько введение EDGE в сети GSM повлияет на распространение системы UMTS.

Приложение

Основные сокращения и определения

Сокращения

АБГШ

аддитивный белый гауссовский шум (A)

АДИКМ

адаптивная дифференциальная ИКМ (ADPCM)

АП

адаптивное предсказание

АТ

абонентский терминал, подвижная станция, подвижный терминал (MS- Mobile Station; MT- Mobile Terminal)

АЦПаналого-цифровой преобразователь
АЧХамплитудно-частотная характеристика
БПФбыстрое преобразование Фурье (FFT)
БСприемо-передающая базовая станция (BTS –Base Transceiver Station)
БЧХБоуза-Чоудхури-Хоквингема – корректирующий код (BCH)
ВПИвнеполосное излучение
ВРКвременное разделение каналов (TDM – Time Division Multiple)
ДИКМ

дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM)

ДМ

дельта-модуляция (DM)

ДН

диаграмма направленности

ДСК

дискретный (двоичный) симметричный канал

ЖКД

жидкокристаллический дисплей

ИКМ

импульсно-кодовая модуляция (PCM – Рulse Сode Мodulation)

КАМ

квадратурная амплитудная модуляция (QAM)

КП

кодовая последовательность

КС

кодовое слово

КФС

кодирование формы сигнала

ЛП

линейное предсказание

МДКР

многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)

МК

мгновенное компандирование

МСЭ

Международный союз электросвязи (ITU)

ОСШ

отношение сигнал-шум

ОСШК

отношение сигнал-шум квантования

ОТ

основной тон

ОФМ

относительная фазовая модуляция (манипуляция)

ПО

подвижный объект

ПСП

псевдослучайная (двоичная) последовательность (PRBS)

РС

речевой сигнал

РЧС

радиочастотный спектр

СБИС

сверхбольшая интегральная схема (чип) (VLSI)

СК

сверточный (древовидный) корректирующий код

СКК

сигнально-кодовая конструкция

СКО

среднеквадратическое отклонение

СПРС

сотовая подвижная радиосвязь

СПСС

системы персональной спутниковой связи

ССИ

субъективно-статистические испытания

ССПС

сотовые системы подвижной связи (Cellular Radio Systems)

ТФ

телефон, телефонный

ТфОП

телефонная сеть общего пользования

ФЛП

фильтр линейного предсказания

ФМ

фазовая модуляция (манипуляция)

ФНЧ

фильтр нижних частот

ФЧХ

фазочастотная характеристика

ЦАП

цифроаналоговый преобразователь

ЧМ

частотная модуляция (FM)

ЧММС

частотная модуляция минимальным сдвигом

ЧРК

частотное разделение каналов (FDM – Frequency Division Multiple)

ЭВК

энергетический выигрыш кодирования

 

* * *

ACELP

Algebraic Code Excited Linear Prediction – линейное предсказание с возбуждением алгебраическим кодом

APC

Adaptive predictive codingадаптивное кодирование с предсказанием

ARQ

Automatic-Repeat-Request – автоматический запрос на повторение

BER

Bit Error Rate – вероятность ошибки на бит

CDMA

Code Division Multiple Access – многостанционный доступ с кодовым разделением каналов

CELP

Code-excited linear prediction – линейное предсказание с кодовым возбуждением

CRC

Cycling Redundancy Check – контроль с помощью циклического избыточного кода (помехоустойчивый код)

CT

Cordless Telephony – системы беспроводных телефонов

D-AMPS

Digital Advanced Mobile Phone Service – цифровая усовершенствованная мобильная телефонная служба (стандарт сотовой связи)

DECT

Digital European Cordless Telecommunications -общеевропейская система беспроводных телефонов

DQPSK

Differentially Quadrature Phase Shift Keying – дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (ОФМ-4)

DSP

Digital Signal Processing – цифровой процессор обработки сигналов (сигнальный процессор)

EDGE

Enhanced Data rate for Global Evolution – технология повышения скорости передачи данных для глобальной эволюции

EFR

Enhanced Full Rate – расширенное кодирование речи с полной скоростью

FEC

Forward Error Correction (coding) – (помехоустойчивое) кодирование канала с упреждающей коррекцией ошибок или обнаружение ошибок

FM

Frequency Modulation – частотная модуляция (ЧМ)

FR

Full Rate – кодирование речи с полной скоростью

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying – гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом

GPRS

General Packet Radio Service – услуга пакетной передачи данных по радиоканалу

GSM

Global System for Mobile Communications – глобальная система мобильной связи

GPS

Global Positioning System – система глобального позиционирования (определения координат)

HEO

Highly Elliptical Orbit – высокоэллиптическая орбита

HR

Half Rate – кодирование речи с половинной скоростью

HVXC

Harmonic Vector eXcitation Coding – кодирование (речи) с векторным гармоническим возбуждением

ITU

International Telecommunication Union – – Международный Союз Электросвязи (МСЭ)

LAR

Logarithmic Area Ratio – логарифмические отношения площадей

LD-CELP

Low delay CELP – линейное предсказание с кодовым возбуждением и малой задержкой

LPC

Linear Predictive Coding – кодирование (речи) методом линейного предсказания

LTP

Long term prediction – долговременное предсказание

LTP-LPC

Long Term Predictor LPC – линейное предсказание с долговременным предсказанием

MBE

Multi Band Excitation – многополосное возбуждение

MELP

Mixed Exitation Linear Prediction – линейное предсказание со смешанным возбуждением

MIPS

Millions of Instructions Per Second – единица измерений в миллионах инструкций в секунду

MOS

Mean opinion score – средняя оценка мнений; средняя субъективная оценка

MPE

Multipulse excited – многоимпульсное возбуждение

MPE-LPC

Multi Pulse Excitation LPC – линейное предсказание с многоимпульсным возбуждением

MP-MLQ

Multi Pulse Maximum Likelihood Quantization – метод квантования по максимуму правдоподобия

PCN

Personal Communications Network – сеть персональной связи

PDU

Packet Data Unit – блок пакетных данных

RELP

Residual Excited Linear Prediction – линейное предсказание с возбуждением от остатка предсказания

RPE

Regular pulse excited – возбуждение регулярной последовательностью импульсов

RPE-LPC

Regular Pulse Excitation LPC – линейное предсказание с регулярным импульсным возбуждением

RPE-LTP

Regular Pulse Excitation — Long Term Prediction – метод возбуждения регулярной последовательностью импульсов с долговременным предсказанием

SIM

Subscriber Identity Module – модуль идентификации абонента (SIM – карта)

SMS

Short Message Service – услуга передачи и приема коротких сообщений

STP

Short term prediction – кратковременное предсказание

UMTS

Universal Mobile Telesystem – универсальная система подвижной электросвязи

UPT

Universal Personal Telecommunications – универсальная персональная связь

VLSI

Very Large Scale Integration – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)

VSELP

Vector sum excited linear prediction – линейное предсказание с возбуждением векторной суммой

p/4-shift DQPSK

p/4shiftDifferential Quadrature Phase Shift Keying – дифференциальная квадратурная манипуляция фазы со скачком p/4

 

* * *

Определения
Аутентификация

– процедура подтверждения подлинности (действительности, законности) абонента системы подвижной связи

Временной слот

– временной интервал заданной длины. Последовательность временных слотов, которые передаются на выбранной несущей частоте, в системе GSM называют физическим каналом

Децимация отсчетов– прореживание последовательности импульсов
Дуплексный режим– режим, при котором передача возможна одновременно в обоих направлениях канала электросвязи
Защитное расстояние– расстояние (защитный интервал) между центрами сот, при котором обеспечивается заданный уровень взаимных помех
Идентификация

– процедура отождествления подвижной станции (абонентского терминала), т.е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками

Канальный эквалай-зинг

– средство борьбы с межсимвольными искажениями в канале связи, реализуемое на основе применения адаптивных фильтров

Линейная интерполяция

– процедура, при которой допускают, что приращение функции пропорционально приращению аргумента

Многостанционный (множественный) доступ

– технология связи, обеспечивающая возможность обращения (доступа) нескольких источников информации к среде передачи (к одному радиопередатчику), при котором все источники могут передавать свои сигналы одновременно

Огибающая спектра

– линия, соединяющая концы ординат частотных составляющих, называется огибающей спектра

Окно (“оконная” функция)

– применяется с целью уменьшения паразитного обогащения спектра оценки (ценой снижения разрешающей способности анализа): анализируемый отрезок входного сигнала умножается на “оконную” функцию, обеспечивающую спадание его к нулю по краям. Обычно выбирается компромисс между шириной главного лепестка и уровнем подавления боковых лепестков. Самый узкий главный лепесток (и самый высокий уровень боковых лепестков) имеет частотная характеристика прямоугольного окна. Окно Ханна – это окно типа “косинус квадрат” (его часто называют “приподнятый косинус”, хотя это синоним окна Хэмминга)

Пик-фактор

– отношение максимальной мощности сигнала к его средней мощности. Для случайных сигналов, например для звуковых сигналов, пик-фактором называют разность между квазимаксимальным и усредненным за длительный промежуток времени уровнями

Поколение (оборудования)

– интегральная характеристика техники (технологии), системы или оборудования, отражающая определенный уровень развития. В электросвязи обычно характеризует вид системы передачи (аналог-цифра), объем и номенклатуру услуг, массо-габаритные параметры, энергетическую и частотную эффективность, пропускную способность и другое

Помехоустойчивость канала передачи информации

– характеризует способность системы передачи противостоять воздействию разного рода помех

Правило Грея

– предполагает такое использование манипуляционного кода при задании М информационных бит возможными фазами сигнала, при котором соседние фазы соответствуют информационным двоичным блокам, различающимся в одном разряде

Цифровые потоки I и Q

– параллельные потоки данных I(t) и Q(t), используемые для модуляции соответственно синфазного и квадратурного гармонических колебаний, т.е. колебаний, отличающихся начальным фазовым сдвигом, равным π/2

Частотная эффективность

– характеризует эффективность использования выделенного спектра частот

Энергетический баланс

– баланс между ресурсами передачи и приема, между источниками усиления и потерь передаваемого сигнала, это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи информации по каналу связи

 

* * *

Global Roaming

– глобальный роуминг – обеспечение глобальной (общемировой) мобильности абонента, т.е. процедура предоставления услуг мобильной связи абоненту одного оператора

Handover

– передача обслуживания (“эстафетная передача”) абонента из соты в соту в режиме разговора. При удалении от БС, во время перемещения АТ, снижается уровень сигнала и, следовательно, качество передачи. На границе сот возникает необходимость смены БС. Решение о переключении вызова принимается сетью по результатам измерения уровня сигнала в АТ

IMT-2000IMT-2000 (InternationalMobileTelecommunications) – Международная подвижная электросвязь, где число 2000 символически указывает используемый частотный диапазон (2000 МГц) и предполагаемый год внедрения
    

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Adblock
detector