Системы мобильной связи Лекция 10 Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM, принцип работы. Перемежение в стандарте GSM. Методы кодирования речи, блок схема речевого кодека RPE-LTR стандарта GSM. Совершенствование GSM технологиями GPRS и HSCSD. Тема:

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Ко́дер устройство, способное выполнять преобразование данных или сигнала. Кодеры используются для кодирования сигнала, а для декодирования используются декодеры.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Свёрточные коды представляют собой очень важный класс кодов с коррекцией ошибок. Они все чаще используются в цифровых системах связи. Одно из их основных преимуществ - это простота процедуры кодирования и хорошо известные технологии декодирования, как с мягким, так и с жестким решением. В терминах теории логических цепей кодер свёрточных кодов (далее - свёрточный кодер) представляет собой автомат. Он обладает определенным числом состояний, в которые переходит в зависимости от входных информационных битов, рассматривающихся в качестве управляющих сигналов. Выходной сигнал, представляющий собой кодовое слово, - результат перехода кодера из текущего состояния в соседнее.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Рассмотрим простой пример свёрточного кодера. 1.Кодер имеет две ячейки памяти. 2.Выходной сигнал кодера представляет собой результат сложения по модулю 2 входного бита и выбранных битов, содержащихся в ячейках памяти. 3.Переключатель периодически посылает биты с последовательных выходов логических цепей прямо на выход кодера.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Рассмотрим простой пример свёрточного кодера. Стандартный способ описания работы кодера - это построение диаграммы состояний. Состояние кодера определяется содержимым ячеек памяти. В случае свёрточных кодов, наиболее удобно описывать работу кодера при помощи решётчатой диаграммы (англ, trellis diagram).

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Рассмотрим простой пример свёрточного кодера. 1.Эта разновидность диаграмм описывает возможные переходы кодера из состояний в n-й момент времени в состояния в n + 1-й момент времени. 2.Блоки битов на выходе, соответствующие конкретным переходам между состояниями, изображены над линиями со стрелками, символизирующими эти переходы. 3.Возбуждения, служащие причинами перехода между состояниями, изображены непрерывными линиями в случае нулевого входного сигнала и прерывистыми линиями в случае входного сигнала, равного логической единице.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Рассмотрим простой пример свёрточного кодера. Обратим внимание на то, что в рассматриваемом кодере со свёрточным кодом каждому биту на входе соответствуют три бита на выходе, т.е. для данного кода коэффициент кодирования составляет R = k/n = 1/3. Можно легко представить всю цепочку переходов, начиная с исходного момента времени и заканчивая текущим. Таким образом, работа кодера может быть представлена блужданием между последовательными состояниями по определенному пути на решетчатой диаграмме.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Характеристика алгоритма декодирования Витерби. Эффективный метод выбора декодированного кодового слова предложил в 1967 г. Эндрю Витерби (Andrew Viterbi).

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Характеристика алгоритма декодирования Витерби. Эффективный метод выбора декодированного кодового слова предложил в 1967 г. Эндрю Витерби (Andrew Viterbi).

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Характеристика алгоритма декодирования Витерби. Алгоритм Витерби ищет оптимальную кодовую последовательность, которая ассоциируется с "кратчайшим" путем (в терминах выбранной меры расстояния) на решетчатой диаграмме. Этот путь выбирается при помощи продолжения путей, начинающихся из известного начального состояния, до каждого допустимого в текущий (n-й) момент состояния в решетке. Каждому переходу между состояниями на решетчатой диаграмме ставится в соответствие определенная величина - расстояние между кодовой последовательностью, соответствующей данному переходу, и принятой последовательностью. Ключевой момент алгоритма заключается в том, что путь в i-е состояние в n-й момент состоит из перехода из одного из возможных в (n 1)-й момент состояния (например, k-го), из которого достижимо i-е состояние, и из кратчайшего пути к k-му состоянию в (n - 1)-й момент.

Структурная схема свёрточного кодера стандарта GSM Характеристика алгоритма декодирования Виберти.

Перемежение в стандарте GSM Использование перемещения в передатчике на выходе из FEC-кодера и деперемежения в приемнике перед декодером увеличивает производительность большинства алгоритмов декодирования блочных и сверточных кодов. Смысл перемежения заключается в том, что идущие друг за другом биты кодовой последовательности передаются по каналу не в том порядке, в котором они были сгенерированы. Такая модифицированная последовательность может быть искажена пакетами ошибок, обусловленными особенностями передачи данных в канале подвижной связи. В приемнике принятые биты переставляются; таким образом, в случае появления ошибок, исходная кодовая последовательность может быть восстановлена. Как мы видим, операции перемещения и деперемежения комплементарны друг другу. На практике деперемежение выделяет пакеты ошибок и рассеивает их по всему обрабатываемому блоку.

Блочное перемежение В блочном перемежителе биты с выхода кодера записываются в виде двумерной матрицы в заранее определенном порядке. Самый простой способ - записать биты в виде последовательных строк. После заполнения всей матрицы входными битами начинается фаза считывания. При этом биты считываются из матрицы в порядке, отличном от порядка записи. Обычно считывание производится по последовательным столбцам. В приемнике входящие биты сохраняются в точно такой же двумерной матрице в том порядке, в котором они были считаны в передатчике. По заполнении матрицы принятыми битами они считываются в том же порядке, в котором были записаны в матрицу перемежителя.

Блочное перемежение

Диагональное перемежение При данной схеме перемежения блочная перестановка битов дополняется диагональным перемежением. Его особенностью является то, что оно производится одновременно для нескольких последовательных блоков, т. е. может осуществляться перестановка битов из одного блока в другой. Количество блоков, участвующих в перемежении, (N), может быть равным 1, 4 или 8 (N=1 - вырожденный случай, при котором перемежение осуществляется в пределах одного блока). При этом в результате перемежения образуется M+N-1 блоков по где M - целое число, т. е. процедура перемежения по N блокам может увеличивать общее количество информационных блоков. Таким образом, при перемежении по N блокам преобразование входной информации производится в 2 этапа: 1- й этап - диагональное перемежение с увеличением общего количества блоков, 2-й этап - блочное перемежение в каждом из полученных блоков.

Диагональное перемежение Блочно – диагональная схема, в которой участвуют 2 смежных 20 мс сегмента. Входная информация записывается побитно по строкам в матрицу с числом строк k = 10 и числом столбцов N = 26. При этом чётные столбцы берутся из текущего сегмента, нечётные – из предыдущего. Выдача информации производится по столбам. При приёме схема перемежения восстанавливает исходный порядок следования символов. После объединения речи и управляющей информации объём 20 мс сегмента составляет 324 бита. Цифровой сигнал подаётся на схему модулятор. При декодировании информации речи всё происходит в обратном порядке.

Кодирование речи. Речевой кодек RPE-LTR В 1990 г. предполагалось ввести в эксплуатацию Европейскую цифровую подвижную систему радиосвязи, в которой будет использоваться кодирование речевого сигнала со скоростью 16 кбит/с. Разработка кодера производилась в 7 Европейских странах, а также в США и Канаде. Были разработаны следующие системы: адаптивное дифференцирование ИКМ – ADPCM; адаптивное кодирование преобразованием – APC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от остатка RELP–LPC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от регулярных импульсов – RPE-LPC; кодирование с линейным предсказанием с многоимпульсным возбуждением – MPE-LPC ; субполюсное кодирование –SBC –APCM ; В конце разработки были проведены сравнительные испытания всех кодеров. Испытания проводились на 7 языках. В результате испытаний были отобраны два кодера: RPE (Regular–Pulse Excitation) - линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов с долговременным предиктором LTP (Long Term Predictor) MPE–LTP -линейное предсказание с многоимпульсным возбуждением с долговременным предиктором LTP.

Кодирование речи. Речевой кодек RPE-LTR RPE– алгоритм предполагает, что сигнал остатка в линейном предсказании представляется последовательностью прореженных регулярных импульсов, но с большим числом импульсов в кадре, чем в многоимпульсном возбуждении MPE. RPE кодеры менее сложные, однако качество речи при их использовании недостаточно хорошее из-за наличия в сигнале тонального шума, который получается в речевом сигнале в процессе высокочастотной регенерации. В противоположность RPE – кодеру, кодер с многоимпульсным возбуждением MPE создает отличное качество речи, но является достаточно сложным. Компромиссом между этими двумя вариантами является RPE–LTP кодер, т. е. линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов и с долговременным предиктором - LTP. Кодер RPE-LTP-LPC обеспечивает высокое качество речи, которое незначительно снижается при 5% ошибок в канале связи и при отношениях сигнал/помеха 26 и 18 дБ; Кодер может быть реализован на одном цифровом процессоре типа TMS320C25 с внешней памятью.

Кодирование речи. Речевой кодек RPE-LTR В передающей части кодера производится кратковременный LPC анализ, долговременный LTP анализ и кодирование регулярных импульсов RPE – кодером

Кодирование речи. Речевой кодек RPE-LTR Коэффициенты отражения кратковременного предсказания получают по методу Берга для РФ 8-го порядка. В кратковременном LPC анализе производится выделение коэффициентов отражения ki, преобразование их в коэффициенты логарифма площади gi (log-area-ratios), кодирование и передача их на прием.

Кодирование речи. Речевой кодек RPE-LTR Коэффициенты gi квантуют следующим образом: при i равном 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8 число бит на коэффициент соответственно равно 6; 5; 4; 2. Итого, на 8 коэффициентов gi отводится 36 бит в кадре длительностью 20 мс.

Пути совершенствования сетей GSM

Пакетная передача GPRS Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. При этом, что именно является приоритетом передачи голосовой трафик или передача данных выбирается оператором связи. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных, теоретический максимум при всех занятых таймслотах TDMA составляет 171,2 кбит/c. Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом.

Пакетная передача GPRS Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных, теоретический максимум при всех занятых таймслотах TDMA составляет 171,2 кбит/c. Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом. Передача данных разделяется по направлениям «вниз» (downlink; DL) от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) от абонента к сети. Мобильные телефоны разделяются на классы по количеству одновременно используемых таймслотов для передачи и приёма данных. На июнь 2006 года телефоны поддерживали до 4- x таймслотов одновременно для приёма по линии «вниз» (то есть могут принимать 85 кбит/с по кодовой схеме CS-4), и до 2-х для передачи по линии «вверх» (class 10 или 4+2). Новейшие телефоны поддерживают class 12 (или 4+4).

Пакетная передача GPRS Абоненту, подключенному к GPRS, предоставляется виртуальный канал, который на время передачи пакета становится реальным, а в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей. Поскольку один канал могут использовать несколько абонентов, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, и, как следствие, задержка связи. Например, современная версия программного обеспечения контроллеров базовых станций допускает одновременное использование одного таймслота шестнадцатью абонентами в разное.

Пакетная передача GPRS Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радиоэфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала. По той же схеме и используя то же самое оборудование, работает и технология EDGE. Но внутри таймслота EDGE используется другая, более плотная, упаковка информации (модуляция 8PSK).

Высокоскоростная технология HSCSD HSCSD - это аббревиатура, означающая протокол высокоскоростной передачи данных по сетям с коммутацией каналов, расшифровывается как High Speed Circuit Switched Data. Она применяется на базе сетей GSM для обмена данных с мобильного терминала. HSCSD рассчитан на скорость передачи до 57,6 кбит/с. При переходе к сетям 3G, подразумевающим обмен на скорости до 2 Мбит/с, этот стандарт занимает промежуточное положение, являясь предшественником стандарта GPRS.

Высокоскоростная технология HSCSD Так как сети GSM относятся к классу сетей с временным разделением каналов, то скорость обмена в HSCSD прямо пропорциональна количеству слотов, отведенных под данные. Таким образом, при использовании одного временного слота с данными, сжатых посредством HSCSD, обеспечивается 14.4 кбит/с (при удовлетворительном качестве эфира). А при использовании 4-х слотов достигается максимальная скорость в 57,6 кбит/с. Но уже на скорости в 28,8 кбит/с можно обмениваться видео и аудио информацией. Применение HSCSD на существующих сетях GSM не несет никакой аппаратной модернизации, за исключением абонентского оборудования. На базовых станциях и узлах коммутации меняется только программное обеспечение. Поминутная оплата.