Структура TDMA-кадров и формирование сигналов

В стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров пока­зана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Структура временных кадров

Длина периода последовательности (гиперкадра) в этой структуре равна

Тг = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр де­лится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Тс = 12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных ка­налов связи и управления в стандарте GSM используются два вида муль­тикадров:

- 26-позиционные TDMA-кадры мультикадра;

- 51-позиционные TDMA-кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 мультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответст­венно:

- Тм = 6120/51 = 120 мс;

- Тм = 6120/26 = 235,385 мс .

Длительность каждого TDMA-кадра Тк= 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс.

В периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой по­рядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где NPmax = (26 х 51 х 2048) -1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA-кадров.

Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требова­ниями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA-кадр делится на 8 временных позиций с периодом

То = 4,615/8 = 576,9 мкс = 0,577 мс.

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются ок­нами, - время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому со­общению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последова­тельность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоро­стью 270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бита. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу, длитель­ностью 1/4 бита, присвоен номер 156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстрой­ки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA-кадра используется 5 видов временных интервалов (окон):

- NB (Normal Burst) - нормальный временной интервал;

- FB (Frequency Correction Burst) - интервал подстройки частоты;

- SB(Synchronization Burst) - интервал временной синхронизации;

- DB (Dummy Burst) - установочный интервал;

- АВ (Access Burst) - интервал доступа.

NB применяется для передачи информации по каналам связи и управления (за исключением канала доступа RACH). Он содержит 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) длительностью 30,46 мкс (8,25 бита). Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между со­бой обучающей последовательностью в 26 бит. Кроме этого, в состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат призна­ком передачи речевой информации или сообщений сигнализации. Обучающая последовательность (26 бит) предназначена для:

- оценки частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательно­стей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, при­нятый для оценки качества связи, который используется при вхож­дении в связь, при выполнении процедуры «эстафетной передачи» и при оценке зоны покрытия радиосвязью;

- оценки импульсной характеристики радиоканала на интервале пе­редачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера;

- определения задержек распространения сигнала между базовой и мобильной станциями для оценки дальности связи. Эта информа­ция необходима для исключения наложения пакетов данных мо­бильных станций, удаленных на различные расстояния, при их приеме базовой станцией. Удаленные на большее расстояние мо­бильные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.

FB предназначен для синхронизации мобильной станции по частоте. Все 142 бита в этом временном интервале нулевые. Это соответствует немодулированному излучению на частоте выше номинального значения несущей на 1625/24 кГц. FB используется для проверки работы приемо­передающего тракта при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц). FB содержит защитный интервал 8,25 бита так же, как и NB. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образу­ют канал установки частоты(FCCH).

SB используется для синхронизации по времени базовой и мобиль­ной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита. SB содержит информацию о номере TDMA-кадра и идентификаци­онный код базовой станции. SB передается вместе с FB. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют канал синхронизации(SCH).

DBобеспечивает установление и тестирование канала связи. По сво­ей структуре DB совпадает с NB и содержит установоч­ную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

АВ обеспечивает доступ мобильной станции к новой базовой стан­ции. АВ передается мобильной станцией при запросе капала сигнализа­ции, когда время прохождения сигнала еще неизвестно. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбина­ция 8 бит, затем – последовательность синхронизации для базовой стан ции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. АВ содержит большой за­щитный интервал (68,25 бита, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от расстояния до базовой станции) достаточное временное разнесение с пакетами других мобильных станций. Защитный интервал определяет максимально допустимые размеры соты с радиусом 35 км (время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлении 233,3 мкс).

В GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала испектральная характеристика сигнала. Временная маска оги­бающей для сигналов, излучаемых на интервале АВ полного TDMA-кадра, показана на рисунке 3.4, а маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB полного TDMA-кадра на рисунке 3.5.

Рисунок 3.4 - Временная маска огибающей сигналов на интервале АВ

Рисунок 3.5 - Временная маска огибающей сигналов на интервалах NB, FB, DB и SB

Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA-кадра (148 бит). Нормы на спек­тральную характеристику излучаемого сигнала показаны на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Нормы на спектральную характеристику сигнала

Особенностью формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте (Slow Frequency Hopping -SFH) в процессе сеанса связи для обеспечения частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распро­странения радиоволн. SFH повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций.

3.1.7 Организация каналов в стан­дарте GSM

Схема организации каналов в стандарте GSM с использованием частотного и временного разделения каналов показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - TDMA/FDMA - схема организации каналов в стандарте GSM