РЕФЕРАТ
Расчётно-пояснительная записка: 49с., 21 рисунок.
Цель работы:
В данной работе необходимо рассчитать основные параметры ихарактеристики проектированных сетей стандарта GSM. Исследовать обработкуречевого сигнала в стандарте GSM на примере одиночной фонемы, указанной в техническом задании. Провестикачественное сравнение основных характеристик аналоговой системы связи NMT и цифровой системы GSM, и прийти к заключению,какая из сетей является наиболее эффективной. Найти статистическиехарактеристики фонемы «К» при кодировании и декодировании.
Содержание
Введение
1 Стандартсотовой связи GSM
1.1 Историястандарта GSM
1.2 Общиехарактеристики стандарта GSM
1.3Основные характеристики стандарта GSM
1.4 Принципработы
1.5Технические характеристики стандарта GSM
1.5.1Компоненты сети
1.5.2 Базыданных, используемые в GSM
1.5.2 Таблицатипов сот
1.5.4Механизмы защиты
1.6 Услуги,предоставляемые GSM
1.7Обработка речи в стандарте GSM
1.7.1 Общееописание процессов обработки речи
1.7.2 Выборречевого кодека для стандарта GSM
1.7.3 Детекторактивности речи
1.7.4Формирование комфортного шума
1.7.5Экстраполяция потерянного речевого кадра
2Генерирование случайного процесса, нахождение оценок статистическиххарактеристик сгенерированного процесса
3Статистические характеристики фонемы «К»
3.1Кодирование фонемы «К»
3.2 Декодированиефонемы «К»
4 Расчетосновных характеристик проектированных сетей стандарта GSM и NMT, и их сравнение
4.1Характеристики проектированной сети
4.2 Расчетосновных характеристик сетей стандарта GSM
4.3 Расчетосновных характеристик сетей стандарта NMT
Заключение
Списокиспользованных источников
Введение
В ходе курсовой работы необходимо рассчитать основныехарактеристики проектированных сетей стандарта сотовой связи GSM. Сотовая связь — один извидов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключеваяособенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки(соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Сотычастично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и беззастройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтомусоставленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).
Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики,работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование,позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов иобеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действияодного приёмопередатчика в зону действия другого.
Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны ибазовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках.Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовойстанции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационныйкод. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодическиобмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговомупротоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции, онналаживает связь с другой (англ. handover).
Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта,что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.
Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также состационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делатьзвонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и состационарных на мобильные.
Операторы разных стран могут заключать договоры роуминга.Благодаря таким договорам абонент, находясь за границей, может совершать ипринимать звонки через сеть другого.
Итак, рассмотрим характеристики стандарта G
1 Стандарт сотовой связи GSM
1.1 История стандарта GSM
Разработка нового общеевропейского стандарта цифровой сотовойсвязи началась в 1985 году. Специально для этого было создана специальнаягруппа — Group Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Позднее GSM, благодаря ее широкомураспространению, стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications. К настоящему временисистема GSM развилась в глобальный стандарт второго поколения, занимающийлидирующие позиции в мире, как по площади покрытия, так и по числу абонентов.
1.2 Общие характеристики стандарта GSM
В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временнымразделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.
Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщенийприменяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышениеэффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещенияподвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи соскоростью 217 скачков в секунду.
Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов,вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, ваппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравниваниеимпульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16мкс.
Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютноговремени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальностисвязи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.
В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотнымсдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системыпрерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличииречевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. Вкачестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярнымимпульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативнымкодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала — 13кбит/с. В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений;осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).
В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ееиспользование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкийдиапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачиречевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться ктелефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям синтеграцией служб (ISDN).
1.3 Основные характеристики стандарта GSM
-Частоты передачи подвижной станции приема базовой станции, МГц.890-915;
-Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц935-960;
-Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц …………....45;
-Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с…………...270, 833;
-Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с ………………..13;
-Ширина полосы канала связи, кГц ……………………………..….200;
-Максимальное количество каналов связи …………………….......124;
-Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции
…………………………………………………………………..…...16-20;
-Вид модуляции …………………………………………………....GMSK;
-Индекс модуляции ВТ ……………………….………………..……..0,3;
-Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц
…………………………………………………………………….…….81,2;
-Количество скачков по частоте в секунду ……………………........217;
-Временное разнесение в интервалах ТDМА кадра (передача/прием
для подвижной станции………………………………………….……….2;
-Вид речевого кодека ………………………………………….....RPE/LTP;
-Максимальный радиус соты, км до ………………..……………......35;
-Схема организации каналов комбинированная ……...TDMA/FDMA;
1.4 Принцип работы
Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядоминтерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют всоответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7).
Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот иобеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работыподвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс междуфиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизациювызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функциикоммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», впроцессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижнойстанции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлениипомех или неисправностях.
Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных впределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурамиустановления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функциисигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии стребованиями конкретного проекта.
MSC формируетданные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи,накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов(биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроляработы и оптимизации сети.
MSCподдерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступамик радиоканалам.
MSC не толькоучаствует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрацииместоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистемебазовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима дляобеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентовтелефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедурапередачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведениеразговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания вдругую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовыхстанций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями,управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотреныпроцедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутацииосуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистрыположения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижнойстанции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международныйидентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется дляопознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).
Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанныхв сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а такжепараметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация омаршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента,включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.
К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеютсянесколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтомукаждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети обабонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонентав сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другимсетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.
Второе основное устройство, обеспечивающее контроль запередвижением подвижной станции из зоны в зону, — регистр перемещения VLR. С его помощью достигаетсяфункционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессеперемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллерабазовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация ономере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Длясохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этихрегистров.
VLR содержиттакие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, покаабонент находится в зоне, контролируемой VLR.
В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваиваетсясвой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонентперемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются вVLR. Еслистарая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после ихкопирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.
VLRобеспечивает также присвоение номера «блуждающей» подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станцияпринимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовымстанциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.
VLR такжераспределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределениемновых TMSI и передает их в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности во времяобработки вызова. По решению оператора TMSI может периодическиизменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базеданных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собойлокальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент,что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время наобслуживание вызовов.
Для исключения несанкционированного использования ресурсов системысвязи вводятся механизмы аутентификации — удостоверения подлинности абонента.Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмыаутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляетсяего доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации иопределяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных,сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR — Equipment Identification Register).
Каждый подвижный абонент на время пользования системой связиполучает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит:международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключаутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью записанной в SIM информации в результатевзаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полныйцикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.
Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуетсяследующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. Наней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES),
т.е. SRES = Ki * [ RAND]
Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяетзначение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижнаястанция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается,и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Дляобеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработкев модуле SIM.
EIR — регистридентификации оборудования, содержит централизованную базу данных дляподтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудованияподвижной станции (1МЕ1). Эта база данных относится исключительно к оборудованиюподвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров 1МЕ1, организованных следующимобразом:
БЕЛЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1, о которых есть сведения, чтоони закреплены за санкционированными подвижными станциями.
ЧЕРНЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1 подвижных станций, которыеукрадены или которым отказано в обслуживании по другой причине.
СЕРЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1 подвижных станций, у которыхсуществуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что неявляется основанием для внесения в «черный список».
К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.
Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определеннымигруппами 1МЕ1. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера 1МЕ1 возвращаетадрес EIR, управляющий соответствующей частью базы данных об оборудовании.
IWF — межсетевой функциональный стык, является одной из составных частей MSC. Он обеспечивает абонентамдоступ к средствам преобразования протокола и скорости передачи данных так,чтобы можно было передавать их между его терминальным оборудованием (DIE) сети GSM и обычным терминальнымоборудованием фиксированной сети. Межсетевой функциональный стык также«выделяет» модем из своего банка оборудования для сопряжения ссоответствующим модемом фиксированной сети. IWF также обеспечиваетинтерфейсы типа прямого соединения для оборудования, поставляемого клиентам,например, для пакетной передачи данных PAD по протоколу Х.25.
ЕС — эхоподавитель, используется в MSC со стороны PSTN для всех телефонных каналов(независимо от их протяженности) из-за физических задержек в трактахраспространения, включая радиоканал, сетей GSM. Типовой эхоподавительможет обеспечивать подавление в интервале 68 миллисекунд на участке междувыходом ЕС и телефоном фиксированной телефонной сети. Общая задержка в канале GSM при распространении впрямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала,кодированием/декодированием речи, канальным кодированием и т.д., составляетоколо 180 мс. Эта задержка была бы незаметна подвижному абоненту, если бы втелефонный канал не был включен гибридный трансформатор с преобразованиемтракта с двухпроводного на четырехпроводный режим, установка которогонеобходима в MSC, так как стандартное соединение с PSTN является двухпроводным. Присоединении двух абонентов фиксированной сети эхо-сигналы отсутствуют. Безвключения ЕС задержка от распространения сигналов в тракте GSM будет вызывать раздражение уабонентов, прерывать речь и отвлекать внимание.
ОМС — центр эксплуатации и технического обслуживания, являетсяцентральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентамисети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сетиGSM по каналампакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийныхсигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, ирегистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. Взависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранениеавтоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечитьпроверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции.ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективногоуправления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлыи вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управлениеизменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементовсети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС вдругие элементы сети или из них в ОМС.
NMC — центруправления сетью, позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управлениесетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание науровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управлениерегиональными сетями. NMC обеспечивает управление трафиком во всей сети и обеспечиваетдиспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как например,выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояниеустройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, иотражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторамконтролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощьОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети иможет дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональнойпроблемы.
NMCконцентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединениях между узлами стем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети.Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежаниераспространений условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросыуправления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевогооборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуацияхмогут задействовать такие процедуры управления, как «приоритетныйдоступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы)могут получить доступ к системе.
NMC можетбрать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС являетсянеобслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторовфункциями, аналогичными функциям ОМС.
NMC являетсятакже важным инструментом планирования сети, так как NMC контролирует сеть и ееработу на сетевом уровне, а, следовательно, обеспечивает планировщиков сетиданными, определяющими ее оптимальное развитие.
BSS — оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемо-передающихбазовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькимиприемо-передающими блоками. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения,регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой,модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений,кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова,определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.
BSS совместнос MSC, HLR, VLR выполняет некоторыефункции, например: освобождение канала, главным образом, под контролем MSC, но MSC может запросить базовуюстанцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-зарадиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации длянекоторых категорий подвижных станций.
ТСЕ- транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналовканала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии сэтими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме,составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется«полноскоростным». Стандартом предусматривается в перспективе использованиеполускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).
Снижение скорости передачи обеспечивается применением специальногоречепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование(LPC),долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE — иногда называется RELP).
Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровыхсообщений в направлении к контроллеру базовых станций — BSC ведется с добавлением кпотоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) доскорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение скратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определеннаяРекомендациями GSM З0-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевыхканалов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), «временное окно», выделяетсяотдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом канале (64кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25 МККТТ.
Таким образом, результирующая скорость передачи по указанномуинтерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.
MS — подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организациидоступа абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамкахстандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса свыходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, допортативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт (табл. 1.1). Припередаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощностипередатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.
Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как ужеотмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на егоинтеллектуальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны,например, в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станциитакже присваивается свой международный идентификационный номер (1МЕ1). Этотномер используется для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции илистанции без полномочий.
1.5 Технические характеристики стандарта GSM
1.5.1 Компоненты сети
-мобильная станция ;
-базовая передающая станция, служит как интерфейс с мобильнойстанцией ;
-контроллер базовых станций — координирует работу несколькихбазовых станций ;
-центр коммутации, в котором, собственно, все и происходит.
Мощность трубок для GSM-900:
Существует 5 классов мощности: 1-й — 20 Вт, 2-й — 8Вт, 3-й — 5 Вт,4-й — 2 Вт и 5-й — 0.8 Вт. По всей видимости, носимые/мобильные аппараты имеютне более чем 2 Вт мощности.
Максимальное удаление от базовой станции без ухищрений — 35 км,связано это с самой технологией TDMA — каждой мобильной станции выделяется тайм-слот в 0.577миллисекунд (15/26 если быть точным), за это время мобильная станция должнауспеть ответить, а скорость распространения радиоволн не так уж велика — всего300 тыс. км/сек Под «ухищрениями» в данном контексте понимаетсяиспользование коммутатора и, возможно, базовых станций поддерживающего такойспециальный режим, который позволяет увеличить время отклика мобильной станции.Такое «железо» производят некоторые фирмы, используется ли этогде-либо на практике неизвестно. Для GSM-1800 максимальный радиус соты составляет 10 км.
1.5.2 Базы данных, используемые в GSM.
— Home Location Register (HLR) — хранит информацию о подписчиках и текущем положенииподписчика.
— Visitor's Location Register (VLR) — динамическая информация о мобильных станциях в их зонах,отображает HLR на положение мобильных станций.
— Authentication Centre (AUC) — хранит IMSI абонентов, ключи идентификации подписчиков, алгоритмы кодирования
— Equipment Identify Register (EIR) — содержит список типов допустимых мобильных аппаратов, содержитсписок украденных аппаратов.
Таблица №1 Характеристики типов соттипы сот радиус когда используется пикосота до 100 м дома, в магазинах микросота 50-300 м в городе макросота 1-20 км вдоль дорог гиперсота больше 20 км вне города
1.5.3Механизмы защиты
Механизмы защиты состоят из следующих частей: аутентификация(проверка подлинности) абонента, секретность передачи данных, секретностьабонента, секретность направления вызова. Для шифрования данных используется алгоритмRSA. Дляаутентификации абонента используется хранящаяся на SIM-карте информация: IMSI абонента, индивидуальныйключ аутентификации Ki, алгоритм аутентификации A3.
Для обеспечения секретности передаваемый разговор подвергаетсяшифрованию, причем алгоритм генерации ключей А8 также хранится на SIM-карте. Собственно алгоритмшифрования именуется А5.
В последнее время в прессе муссируется информация о клонировании SIM-карт. Однако для подобногоклонирования требуется либо иметь на руках клонируемую карту, либо перехватитьдостаточно большой объем трафика «карты» в пределах одной базовойстанции. На практике же, даже если карту удается клонировать, работать в сетидва аппарата не будут и скорее всего оба будут заблокированы. По некоторым соображениям,клону удастся совершить как максимум один звонок да и то, в том случае, еслиоригинал не сделает звонка первым после клонирования: это связано с тем, что впределах некоторой зоны расположения абоненту присваивается временныйидентификатор — TMSI (Time Mobile Subscriber Identity).
Handover HANDOVER — это смена харакетирстик связи мобильной станции (трубки) ссетью во время разговора. Хэндоверы бывают двух типов:
— внутренний — когда во время разговора меняется каналприема/передачи.
— внешний — когда меняется базовая стенция, через которую идетсвзяь с сетью GSM Кроме этого различают также хэндоверы в рамках одного бэнда(только 900 или только 1800) или между ними — с 900 на 1800 и наоборот.
Обычно хэндовер происходит в том случае, если сигнал по другомуканалу или от другой базовой станции более эффективен для работы. Подэффективностью тут понимается как слышимость МС сигнала с базовой, так инаоборот. Часто это происходит при движении абонента, ведущего разговор.
Отличия GSM-1800 и GSM-1900 от GSM-900Фактически — только рабочими частотами. Предоставляемый сервисзависит больше от оператора, чем от диапазона. Однако здесь есть ряд интересныхмоментов:
— из-за более высокой частоты уменьшается максимально возможныйрадиус соты, а точнее — максимальное удаление абонента от базовой станции.Напомним, что для 900-го диапазона это расстояние равно 35 км. Для 1800 — около10 км.
— на частотах 1800-2000 МГц радиоволны имеют несколько иныепроникающие свойства. Лучше это или хуже 900 МГц сказать сложно, но естьподозрение, что хуже.
— резкий плюс — куда больший частотный ресурс, кроме этого вдиапазонах 1800 и 1900 частотное планирование выполняется более гибко.
1.6 GSMобеспечивает поддержку следующих услуг
С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимостьсетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union — Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлятьследующие типы услуг:
— услуги по переносу информации (bearer services);
— услуги предоставления связи (teleservices);
— дополнительные услуги (supplementary services).
Когда в 1991 г. появились первые сети GSM, главное внимание уделялосьобеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению ссуществовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самогоначала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которыенезамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей.Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемойинформации и роуминга по всей Европе. Это означает что в отличие отфиксированных сетей, где абонентский терминал проводами подключен кцентральному офису, абонент сети GSM может перемещаться в пределах национальной сети и за ееграницами. Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер,называемый номером подвижного абонента цифровой сети с интеграцией служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такой номер содержит кодстраны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данногоабонента. Первые несколько цифр номера идентифицируют опорный регистрместонахождения (HLR Home Location Register) абонента в его сети подвижной связи.
Входящий вызов подвижного абонента направляется для обработкишлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основном выполняет функции коммутатора, запрашивающего HLR абонента о получениинеобходимых данных и о маршрутизации, и поэтому содержит таблицу соединенияномеров MSISDN с соответствующими им HLR. Номер роуминга подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number) полностью определяетмаршрутизацию, относится к географическому плану нумерации и никак не связан сабонентами. В то же время в базовой области голосовой связи GSM предложила две группыдополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.
Самым известным направлением деятельности GSM является телефония. Так какGSM посуществу является цифровой системой передачи данных, речь кодируется ипередается в виде цифрового потока. Еще одним примером предоставляемого сервисаявляется оказание экстренной помощи, когда ближайший поставщик такого родауслуги уведомляется при помощи набора трех цифр (например, 911). Кроме того,предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обменинформацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, и сетейсвязи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа,например, X.25 или X.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых прииспользовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальнойвозможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, являетсядвунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service), (до 160 байт), передаваемыхв режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющемуся абонентом SMS, может быть посланосообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении.Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того,чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе.
— Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными,в том числе пакетная передача данных — GPRS). Данные услуги негарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачуинформации к ним и от них.
— Передача речевой информации;
— Передача коротких сообщений (SMS);
— Передача факсимильных сообщений.
Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:
— Определение вызывающего номера и ограничение такого определения;
— Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер;
— Ожидание и удержание вызова;
— Конференцсвязь (одновременная речевая связь между тремя и болееподвижными станциями).
— Запрет на определенные пользователем услуги (международныезвонки, роуминговые звонки и др.);
— Голосовая почта.
1.7 Обработка речи в стандарте GSM
1.7.1 Общее описание процессов обработки речи
Процессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечениевысокого качества передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисныхвозможностей и повышение потребительских качеств абонентских терминалов.
Обработка речи осуществляется в рамках принятой системыпрерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включениепередатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает егов паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечиваетобнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже втех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системыпрерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортногошума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчикотключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходеприемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижаетразборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считаетсянеобходимым. DTX процесс з приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи,потерянных из-за ошибок в канале.
1.7.2 Выбор речевого кодека для стандарта GSM
Рабочей группой по разработке стандарта GSM были предъявлены следующиеосновные требования к речевому кодеку :
— высокое качество речи, не уступающее качеству передачи речи влучших существующих аналоговых сотовых системах связи;
— низкая скорость передачи речи, обеспечивающая возможностьэффективного канального кодирования и результирующую скорость передачи в каналесвязи не выше 16 кбит/с,
— малую задержку сообщения в процессе преобразования речи;
— устойчивость к ошибкам в канале передачи;
— возможность работы в широком динамическом диапазоне входныхвоздействий как сигнала, так и шума;
— большой динамический диапазон выходных сигналов;
— незначительное снижение качества речи при каскадном соединениикодеков:
— прозрачность для сигналов данных;
— прямое сопряжение со смежными устройствами терминалов;
— простота реализации;
— малое потребление;
— низкая стоимость.
Для выбора речевого кодека GSM был организован конкурс проектов. Первоначально для рассмотрениябыло предложено 20 различных кодеков от 9 европейских стран. Послемеждународного формального тестирования это количество было сокращено до 6 из 6стран. На следующем этапе два из четырех подполосных (SBC) кодеков (норвежский иитальянский) были сняты с рассмотрения, к окончательному этапу конкурсаосталось два SBC кодека и два кодека в предикативным кодированием.
RPE-LPC — Regular-Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips) -кодек с регулярнымимпульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием;
MPE-LTP — Multi-Pulse Excitation/Long-Term Prediction (Франция, IBM) -кодек с многоимпульснымвозбуждением и долговременным предсказанием:
На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамическогодиапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждыйсегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. Впринципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода.
Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления Ь. Периодвычисления этих параметров равен 5 мс.
Восемь коэффициентов r (i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются ипередаются со скоростью 3,6 кбит/с.
Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигналпропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3-4 кГц.
Окончательно периодическая последовательность фрагментовпередается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6+9,4= 13 кбит/с.
В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликампоследовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатымсинтезирующим фильтром, как показано на рис. 4.3.
При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемойпо ISDN, ипревосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.
Теоретически время задержки речевого сигнала в кодекс равнодлительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки, с учетомопераций канального кодирования и перемежения, а также физического выполнениярассматриваемых операций, составляет 70-80 мс.
1.7.3 Детектор активности речи
Детектор активности речи (VAD) играет решающую роль вснижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентскихтерминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключениясвободных каналов в пассивный режим. Реализация VAD зависит от типаприменяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании VAD — обеспечить надежноеотличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на мгновениесвободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящегониже 50%, то это может привести к существенной экономии энергии аккумуляторнойбатареи. К устройствам VAD предъявляются следующие основные требования:
— минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии толькошума с высоким уровнем;
— высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;
— высокое быстродействие распознавания речи, для исключениязадержек включения:
— минимальное время задержки выключения. В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотнойобласти. Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума.Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительнобольшого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральныеотклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операцияосуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаютсяприменительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входеречи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и, вцелом, снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнал+шум на выходе инверсногофильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия навходе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала.Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации(сигнал+шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются вовремени в зависимости от текущего значения уровня шума при воздействии на входетолько шума. Поскольку эти параметры (коэффициенты и порог) используютсядетектором VAD для обнаружения речи, сам VAD не может на этой же основепринимать решение, когда их изменять. Это решение принимается вторичным VAD на основе сравненияогибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны дляотносительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум,и
коэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, то естьадаптировать под текущий уровень и спектральные характеристики входного шума.
VAD собработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC кодеком, так как в процессеLPC анализауже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работывторичного VAD.
1.7.4 Формирование комфортного шума
Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активнойречи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит,что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течениеследующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристикифонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления икоэффициентов фильтра LPC анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятомкадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID кадр).
В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID кадра. Чтобы исключитьраздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать поамплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условияхподвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, чтохарактеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемнуюсторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так,чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований вследующих речевых кадрах. По этой причине SID кадры посылаются каждые 480мс в течение речевых пауз.
Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечиваетнатуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системыпрерывистой передачи речи.
1.7.5 Экстраполяция потерянного речевого кадра
В условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагментымогут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключенияраздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяциюречевого кадра.
Было установлено, что потеря одного речевого кадра может бытьзначительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. Призначительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент большене повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается,чтобы указать пользователю на разрушение канала.
То же самое происходит и с SID кадром. Если SID кадр потерян во времяречевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян ещеодин SID кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.
Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формированиеплавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупностис полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению ссуществующими аналоговыми сотовыми системами связи.
2 Генерирование случайного процесса, нахождение оценокстатистических характеристик сгенерированного процесса
Исходя из технического задания,параметры спектра генерированного сигнала следующие: />210 Гц, />20 Гц, Т=0,001 с.
Кодирование речи в стандарте GSM основано на синтезе моделиавторегрессии (АР) речевого сигнала с полюсной передаточной функцией.Применение метода LPC-LTP-RPE- линейного предсказания с возбуждением от регулярных импульсов сдолговременным и кратковременным предсказанием позволило, применяя модель АРневысокого порядка, добиться высокого качества передачи речи. Модель АРописывается разностным уравнением вида:
/>,
где /> и /> – параметры модели АР,соответственно коэффициенты и порядок АР;/>– ошибки предсказания,представляющие собой некоррелированные случайные отсчеты. Сущность модели АРсостоит в том, что текущий отсчет /> может быть спрогнозирован попредшествующим отсчетам с точностью до непрогнозируемого абсолютно случайногоотсчета /> типабелого шума.
Для второго порядка уравнение АР имеетвид:
/>
Произведем расчет коэффициентов АР />и />по следующимформулам :
/> ; -2= 0.4671;
/> ; -1= — 0.8819;
Построим спектральную плотность помощности (СПМ) процесса
АР.Оценку СПМ произведем исходя изследующей формулы:
/>
На рис.2.1 представлен график СПМпроцесса АР построенный на основе расчетных коэффициентов АР:
/>
Рисунок 2.1 График СПМ процесса АР
Сгенерируем случайный процесс белого шума (БШ) график которогоизображен на рис. 2.2:
/>
Рисунок 2.2 –График гауссовского случайного процесса типа белыйшум
Построим коррелированный процесс АРграфик которого изображен на рис.2.3 :
/>
Рисунок 2.3-График коррелированного процесса АР
Из графика видно, что коррелированныйпроцесс имеет некоторую периодическую закономерность в отличии от процесса типаБШ.
Построим корреляционную функциюслучайного процесса типа БШ
/>
График корреляционной функции показан нарис.2.4 :
/>
Рисунок 2.4-График корреляционной функции случайного процесса БШ
Для белого шума корреляционная функция должна быть дельта — функцией (в идеальном случае), в реальном случае же будут наблюдаться некоторыеколебания функции относительно нуля.
Коэффициенты /> рассчитываются по значениямкоэффициентов корреляции с помощью уравнений Юла – Уокера или по методуЛевинсона – Дарбина. Порядок /> оценивается с использованиемнекоторого критерия. По критерию Барлетта можно полагать, что истинный порядокмодели АР равен />, если коэффициент /> модели АР />-го порядкаменьше величины />. За порядок модели АР можнопринимать значение />, начиная с которого функциякорреляции ошибок предсказания близка к нулю. АР модель обладает свойством минимизироватьдисперсию ошибки предсказания. Поэтому за порядок модели можно принять такое />, начиная скоторого дальнейшее увеличение порядка не приводит к существенному уменьшениюдисперсии ошибки предсказания.
Для белого шума корреляционная функциядолжна быть дельта — функцией (в идеальном случае), но реальном случае наблюдаемнекоторые колебания функции относительно нуля.
Построим график корреляционной функции длякоррелированного процесса АР, который представлен на рис.2.5:
/>Рисунок 2.5-График корреляционной функции длякоррелированного процесса АР
Для белого шума корреляционная функция должна быть дельта — функцией (в идеальном случае), в реальном случае же будут наблюдаться некоторыеколебания функции относительно нуля.Если порядок модели АР выбранне точно, или как в методе LPC – LTP –RPE, порядок модели выбирается одинаковым для любого участкаречи, процесс /> на выходе фильтра будет слабокоррелирован, и его можно использовать в качестве порождающего в синтезатореречи.
Рассчитаем выборочные значениякоэффициентов АР из системы уравнений :
/>; /> = 0.4911;
/>; />=-0.8650 ;
Произведем оценку СПМ используявыборочные значения коэффициентов АР :
/>;
График выборочного СПМ процесса АР изображенна рис.2.7:
/>
Рисунок 2.7- График выборочного СПМ процесса АР
Рассчитаем дисперсию длякоррелированного процесса и процесса типа БШ :
/>; />=1.0078;
/> />=4.3660;
Сравнив графики на рис.2.1и на рис.2.7видим, что теоретический СПМ и выборочный СПМ совпадают, следовательно расчетпроизведен верно.
3 Нахождение статистических характеристик фонемы «К» в процессе еекодирования и декодирования
3.1 Кодирование фонемы «К»
Кодирование фонемы осуществляется, припомощи программы «Кодер GSM», написанной в среде объектного программирования DELPHI. В программе реализованупрощенный алгоритм кодирования речи методом LPC – LTP – RPE(метод регулярногоимпульсного возбуждения – линейного долговременного предсказания – линейногокодирования с предсказанием), который применен в стандарте GSM. Исходный файл звуказаписан в формате wav. Далее построим графики: выборки фонемы, корреляционные функциифонемы на входе кодера и после блоков LPC,LTP и для параметрической спектральной плотности мощности. На входкадра речи поступают, дискритизированные с частотой 8 кГц, отсчеты речи />, разбитые насегменты по 20 мс. На рис.3.1изображен график сигнала на входе кодера:
/>
Рисунок 3.1-График сигнал на входе кодера
Далее на рис 3.2 представлен вид спектра сигнала на входе кодера.
/>
На рис.3.2 изображен график спектра сигнала на входе кодера и дляпараметрической спектральной плотности мощности
Построим корреляционную функцию сигнала,поступающего на вход кодера [рис. 3.3].
/>
Рисунок 3.3-График корреляционной функции на входе кодера
Итак, на рис 3.4 представлен вид сигнала, прошедшего кодер LPC:
/>
Рисунок 3.4-График сигнала на выходе блока LPC
Далее на рисунке 3.5 представлен вид спектра сигнала на выходекодера LPC:
/>
Рисунок 3.5-Графикспектрасигнала на выходе блока LPC
На рис 3.6 продемонстрируем вид корреляционной функции сигнала навыходе LPC:
/>
Рисунок 3.6-Графиккорреляционной функциисигнала на выходеблока LPC
Выделенные оценки /> из />, блоком LPC, преобразуются в />и подаются намультиплексор. Полученные оценки /> поступают на анализирующий РФ иформируют необходимую передаточную функцию />. После пропускания /> через этот РФ остатоккраткосрочного предсказания /> поступает на LTP анализатор. Для работыдолговременного предсказателя производятся оценки основного тона икоэффициентов отражения /> РФ третьего порядка по остаткампредсказания />.
Далее пронаблюдаем, какой вид имеетсигнал, а так же его параметры на выходе LTP.
Вид сигнала на выходе LTP представлен на рис 3.7:
/>
Рисунок 3.7-График сигнала на выходе блока LTP
Изменения сигнала не заметныпосле прохождения блока LTP. Так как это блок долговременного предсказания.
Спектр сигнала на выходе LTP будет иметь вид представленный на рис.3.8:
/>
Рисунок 3.8-График спектрасигнала на выходе блока LTP
Корреляционная функция сигнала на выходеLTPпредставлена на рис. 3.9:
/>
Рисунок 3.9-Графиккорреляционной функциисигнала на выходеблока LTP
3.2 Декодирование фонемы «К»
Для декодирования используем файл к.cod. Из канала связи данные спомощью демультиплексора распределяются по различным блокам декодера. На RPE декодер поступают номерпоследовательности />, максимальное значение импульса /> выборки />,представляющей собой прореженный остаток предсказания. Здесь отсчеты выборкимасштабируются и дополняются нулями. Восстановленная таким образом выборка /> подается на LTP – синтезатор.
Итак, сигнал на входе блока LTP:
/>
Рисунок 3.10-График сигнала на входе блока LTP
Спектр сигнала на входе LTP имеет вид:
/>
Рисунок 3.11-График спектра сигнала на входе LTP
Корреляционная функция сигнала на входе LTP изображена на рис.3.12:
/>
Рисунок 3.12-График корреляционной функции сигнала на входе LTP
Далее коэффициенты отражения на этот РФпоступают с демультиплексора через преобразователь коэффициента логарифмаплощади /> в/> поформуле:
/>.
Все коэффициенты отражения (для LPC и LTP) должны полностью совпадатьс коэффициентами рассчитанными для кодера. Сигнал /> с выхода LPC – синтезатора дляуменьшения шумов квантования поступает на пост-фильтр, на выходе которогополучают декодированный речевой сигнал />.
Итак, вид сигнала, полученного на выходедекодера имеет, следующий вид [рис.3.13]:
/>
Рисунок 3.13-График сигнала на выходе декодера
Спектр сигнала на выходе декодера изображен на рис.3.14:
/>
Рисунок 3.14-График спектра сигнала на выходе декодера и дляпараметрической спектральной плотности мощности
Корреляционная функция сигнала на выходе кодера представлена нарис .3.15:
/>
Рисунок 3.15-График корреляционной функции сигнала на выходедекодера
Подводя итог, можно сделать вывод: Сравнив рис.3.1 и рис.3.13увидим, что сигнал на входе кодера и на выходе декодера имеет существенныесходства, следовательно процесс кодирования и декодирования был проведенуспешно.
4 Расчет основных характеристик проектируемых сетей стандарта
GSM-1800 и NMT-900 и их сравнение
4.1 Характеристики проектированной сети
-площадь />800 км2 ;
-количество абонентов />90 000;
-активность абонента /> 0.023Эрл;
-вероятность блокировки />0.12;
-полоса частот /> 8 МГц;
-полоса частот занимаемая однимчастотным каналом Fk=200 кГц(GSM) и
Fk=25 кГц(NMT);
-число абонентов на 1 частотный канал nа=8(GSM) и nа=1(NMT);
-высота антенны />20 м;
-усиление антенны />12дБ;
-мощность передатчика />=1 Вт;
-защитное отношение С/Ш />9дБ;
-время в течении которого С/Ш на входеприемника будет меньше />10%;
-уровень случайных флуктуаций /> 10 дБ;
4.2 Расчет основных характеристик сетей стандарта GSM-1800
Вычислим общее число частотных каналов всети по формуле:
/>
Из формулы: /> где i и j — целые числа, причем i />j
i=4; j=0
находим размерность кластера К=16 иантенны на БС с 120-градусными ДН (М=3;l=2). При этом относительное расстояниеповторного использования частотных каналов равно: />;
Рассчитываем коэффициенты />, определяющие медианное значениезатухания радиоволн на i-й трассе распространения помехи.В данном случае:
/>;
/>
Определяем величины />,/>,/>:
/>;
/>
/>;
/>
/>;
/>
Определяем среднее отношениесигнал/помеха на входе приемника:
/>;
/>
Величина нижнего предела интеграла :
/>;
/>
Используя таблицы, находим процентвремени, в течение которого отношение сигнал/помеха на входе приемника МС будетнаходиться ниже защитного отношения />9дБ при выбранной размерностикластера (К=9)
/>;
/>
Поскольку неравенство :
/>,
поэтому оставляем данную размерность ипродолжаем расчет параметров
Итак, далее рассчитаем количество радиочастот для обслуживанияабонентов в одном секторе ячейки:
/>
Общее число каналов />
Поскольку
/> ; />
то допустимая величина телефонной нагрузки в одном секторе однойсоты:
/>;
/>Эрл
Число абонентов, обслуживаемых одной БС, при М=3 равно:
/>;
/>
Число БС на обслуживаемой территорииопределяется по формуле :
/>;
/>
Радиус соты в проектируемой ССПР :
/>;
/>км
Находим уровень мощности сигнала навходе приемника мобильной станции
/>
/> дБВт
4.3 Расчет основных характеристик сетей стандарта NMT
Определяем общее число частотных каналовдля проектируемой ССПР:
/>
Из формулы: /> где i и j — целые числа, причем i />j
i=3; j=1 находим размерность кластера К=13 и />
Для базовых станций выбираем секторныеантенны с 60-ти градусной ДН, при этом М=6 и l=1.
Коэффициент />находим следующим образом:
/>
Определяем величины />,/>,/>:
/>
/>;
/>
/>
/>
Определяем среднее значение отношениясигнал/помеха на входе приемника:
/>
Находим величину нижнего пределаинтеграла в выражении по формуле :
/>
Далее находим значение Q-функции :
/>
и процент времени
/>
При размерности кластера К=16,неравенство /> выполняется,поэтому оставляем данную размерность и продолжаем расчет параметров.
Итак, далее рассчитаем количестворадиочастот для обслуживания абонентов в одном секторе ячейки:
/>
Общее число каналов n0=ns*na=2*1=2.
Поскольку:
/>
то допустимая величина телефоннойнагрузки в одном секторе одной соты:
/>Эрл
Число абонентов, обслуживаемых одной БС,при М=6 равно:
/>
Число БС на обслуживаемой территории :
/>
Радиус соты в проектируемой ССПР :
/>км
Находим уровень мощности сигнала навходе приемника мобильной станции:
/>/>дБВт
По итогам расчетов сравнивая полученныехарактеристики спроектированных сетей сотовой связи стандартов GSM-1800 и NMT-900, можно заметить, что применение цифровой стандарт GSM обладает, более высокой, чем NMТ, помехоустойчивостью, позволяет построить ССПР с гораздо меньшимчислом базовых станций (126 и 288).Каждая БС стандарта GSM обслуживает большееколичество абонентов (711 и 312). Отсюда следует, что для заданных параметровсети, затраты на строительство ССПР GSM окажутся несколько меньшими, чем затраты на строительство NMT.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсовой работы былирассмотрены характеристики сети стандарта GSM. Также была рассмотрена ееструктура, принцип работы и услуги, которые система поддерживает. Былопроизведено генерирование случайного процесса, и построены графики,характеризующие спектры, авторегрессию и корреляционные функции процессов.Далее было рассмотрено кодирование и декодирование фонемы «K» в системе GSM, были приведенысоответствующие графики, демонстрирующие вид сигнала и его характеристик восновных блоках схемы кодирования/декодирования. Далее была произведенасравнительная оценка эффективности систем GSM и NMT, в результате которой пришлик выводу, что затраты на строительство ССПР GSM окажутся несколькоменьшими, чем затраты на строительство NMT.Так как в аналоговомстандарте сотовой связи NMT необходимо большее число БС. Главным преимуществом ССС GSM по сравнению с NMT является более широкаяабонентская база, так как емкость системы подвижной радиосвязи являетсяважнейшей характеристикой.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Ю.А.Громаков. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM. «Электросвязь». N 10. 1993. с. 9-12.
2.M.Mouly, M.B.Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992. p.p. 702.
3.A. Mehrotra. Cellular Radio: Analog and Digital Systems. Artech House,Boston-London. 1994.p.p.460.
4. Ю.А.Громаков. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM.«Электросвязь».N10.1993.с.9-12.
5.W. Heger. GSM vs. CDMA. GSM Global System for Mobile Communications.Proceedings of the GSM Promotion Seminar 1994 GSM MoU Group in Cooperation withETSI GSM Members. 15 December 1994. p.p. 3.1-1 — 3.1-18.
6.СукачевЭ.А. Сотовые сети радиосвязи с подвижными объектами: Учебн пособие. — Изд. 2-е,испр. и дополн. — Одесса: УГАС, 2000. — 119с
7. Ю.А.Громаков. Сотовые системы подвижной радиосвязи. Технологииэлектронныхкоммуникаций. Том 48. «Эко-Трендз». Москва. 1994.