Mobilní komunikace Semestrální práce Rádiové rozhraní GSM fáze 1 Martin Klinger 22.5.2007
V průběhu 80.let Evropa zaznamenává prudký nárůst analogových celuárních systémů, bohužel každá země provozuje svůj vlastní systém. To se ukazuje pro budoucnost zcela nepoužitelné, proto v roce 1982 vzniká standardizační skupina GSM (Groupe Spécial Mobile), která měla za úkol vytvořit kompatibilní digitální systém. V roce 1990 vzniká specifikace fáze 1 sítě GSM, která je prohlášena za standard. Komerční provoz první GSM sítě byl zahájen v roce 1991. Systém GSM je buňková síť, jednotlivé mobilní stanice se připojují do sítě skrze nejbližší buňku. Existuje několik funkčních druhů buněk, které se liší oblastí pokrytí. Makro buňky jsou ty, jejichž anténa je umístěna na budovách či stožárech. Za mikro buňku označujeme ty případy, kdy jsou antény umístěny pod úrovní střech. Antény pro piko buňky se nacházejí uvnitř budov či v prostorách metra. Posledním typem jsou deštníkové buňky, které vykrývají prostor stínu a mezer mezi buňkami, příkladem mohou být mobilní BTS stanice. GSM síť funguje na třech radiových frekvencích. V Evropě to jsou 900 a 1800 MHz, v Severní Americe je to pásmo 1900 MHz. Systém GSM 900 MHz má vyhrazena dvě rádiová pásma o šířce 25 MHz, přičemž platí, že pro uplink (vzestupná trasa, vysílá mobilní stanice) jsou frekvence v pásmu 890 až 915 MHz a pro downlink (sestupná trasa, vysílá základnová stanice) 935 až 960 MHz. Pro propojení do sítě se používá kombinovaný přístup s frekvenčním dělením FDMA a s časovým dělením TDMA. Odstup nosných vln v daném pásmu (uplink/downlink) je 200 khz, tedy celkem jich je 125. Tyto kanály označujeme tzv. ARFCN (Absolut Radio Frequency Channel Number), přičemž pro potřeby hovoru slouží 124 kanálů, ten zbývající je kanálem oddělovacím.
Jelikož se tato kapacita ukázala jako nedostatečná, bylo rozhodnuto o použití dalších kmitočtových pásem. GSM 1800 MHz pracuje v pásmu 1710 až 1785 / 1805 až 1880 MHz, které poskytuje 375 rádiových kanálů, tj. rozpětí ARFCN je od 512 až 885. Z uvedeného vyplývá šířka přiděleného pásma 75 MHz a s duplexním odstupem 95 MHz. Systému GSM 1900 MHz je přidělen rozsah 1850 až 1910 / 1930 až 1990 MHz, tedy s šířkou pásma 60 MHz a duplexním odstupem 80 MHz. Lze použít 300 rádiových kanálů, tj. rozpětí ARFCDN je od 512 až 810. Existuje i novější varianta GSM, označovaná jako E-GSM, neboli Extended GSM, která rozšiřuje frekvenční pásmo na 880 až 915 / 925 až 960 MHz. ARFCN jako u původní GSM je rozšířeno o 975 až 1023. Pro úplnost lze uvést také variantu GSM Railway, tedy sytém, primárně určen pro účely železnice. Pásmo je zde stanoveno na 876 až 880 / 921 až 925 MHz, což odpovídá ARFCN 995 až 974. Krom kapacitních problému přineslo zavedení sítě GSM 1800 také možnost lepšího plánování, neboť dostáváme větší pásmo a tedy více přenosových kanálů. Nevýhodou je horší šíření a nedostačující průnik do budov. Jak bylo zmíněno výše, pracuje systém GSM na kombinování časového a frekvenčního dělení. Na každé nosné je metodou TDMA vytvořeno 8 časových slotů, kde každý interval představuje uživatelský kanál. Z tohoto vyplývá, že pro GSM 900 je k dispozici 8 x 124 = 992 duplexních kanálů, pro GSM 1800 jich je 3000. Tyto údaje platí při zdrojovém kódování plnou rychlostí tzv. full rate. Zavedením účinnějších způsobů lze docílit až 16 přenosových kanálů na nosnou frekvenci.
Každý digitalizovaný hovorový kanál má po zakódování v kodéru zdroje přenosovou rychlost 13 kbit/s. Tato rychlost se po přidání ochranných bitů, prováděném při kanálovém kódování, zvýší na 22,8 kbit/s. Jestliže sdružíme 8 takovýchto kanálů a přidáme pomocné a signalizační bity, vyjde nám celková přenosová rychlosti signálu připadajícího na jednu frekvenci 270,883 kbit/s. Tomu odpovídající perioda jednoho bitu je 3,692 µs. Časová délka jednoho rámce je 4,615 ms a z tohoto vyplývající délka jednoho slotu 576,9 µs. Hodnota prokládání (maximálního zpoždění) byla stanovena na 40 ms. Algoritmů pro kódování řeči je několik, RPE/LTP, CELP/VSELP, ACELP, AMR. Nejvíce používaná je první metoda, tzv. parametrické zdrojové kódování RPE/LTP (Regular Pulse Excitation / Lon Time Prediction), která umožňuje redukovat rychlost nezakódovaného hovorového signálu z 64 na 13 kbit/s. Jako optimální modulační metoda byla vybrána pro systém GSM gaussovská modulace MSK, tj. GMSK s normovanou šířkou pásma předmodulační gaussovské dolní propusti B x T = 0,3, kdy je dosaženo zlepšení spektrální účinnosti. Odolnost proti selektivnímu úniku je zajištěna tzv. ekvalizací. Ta kompenzuje intersymbolové interference, které vznikají mnohacestným šířením v časově disperzních kanálech. Základem ekvalizéru v přijímači je inverzní frekvenční filtr, který kompenzuje amplitudové a fázové zkreslení rádiového kanálu. Ekvalizér musí být adaptivní, neboť parametry rádiového rozhraní se neustále mění. K jejich odhadu se do datového signálu periodicky vkládá známá tréningová bitová sekvence, jejímž vyhodnocováním se získávají potřebné informace, umožňující adaptivně nastavovat koeficienty ekvalizačního filtru. Použitá ekvalizace spolu se strukturou rámců umožňuje používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km/h, což je i maximální rychlost pro úspěšný handover. Mobilní stanice neustále sleduje kvalitu rádiových kanálů nejen z hlediska intenzity signálu ale také z hlediska bitové chybovosti BER. Měří se až 6 sousedních základnových stanic a na základě těchto údajů BSC nebo MSC rozhoduje o handoveru. Maximální výkony BTS stanic jsou do 320 W, výkon vysílačů mobilní stanice se udává maximálně do 20 W.
Zdroje: http://tomas.richtr.cz/mobil http://radio.feld.cvut.cz/personal/mikulak/mk/radioverozhranigsmprakticky.pdf http://www.wikipedia.org a přednášky předmětu 37MK, docent Václav Žalud