1. Obecné schéma radiokomunikač ního systému, popis jednotlivých bloků, základní vztahy. Obecné schéma radiokomunikačního systému

1. Obecné schéma radiokomunikač ního systému, popis jednotlivých bloků, základní vztahy Obecné schéma radiokomunikačního systému

Popis jednotlivých bloků Vysílač: →

→ →

kodér zdroje: je snížena (resp. odstráněna) redundance („nadbytečnost“) a irelevance („zbytečnost“) vstupního signálu, což se projeví ve snížení jeho přenosové rychlosti. V případě, že výstupní signál ze zdroje signálu je analogový, bývá součástí kodéru zdroje i A/D převodník. kodér kanálu: v něm je signál zabezpečen proti chybám při přenosu (záměrným zvýšením redundance, což má za následek nepatrné zvýšení přenosové rychlosti). modulátor: signál z kodéru zdroje je vhodnou digitální modulací namodulován na nosnou (nejčastěji se používá fázové a frekvenční klíčování: PSK, FSK). Pozn.: vícestavové modulace ⇒ vyšší přenosová rychlost signálu, za cenu složitějšího demodulátoru. Modulovaný signál je veden do vf výkonového stupně a vysílací anténou je vyzářen do volného prostoru.

Přijímač: Signál přicházející z přijímací antény je zesílen ve vf zesilovači a dále veden do demodulátoru, dekodéru kanálu a dekodéru zdroje ⇒ inverzními postupy se získá signál původní, který je přiváděn do koncového stupně. Základní vztahy:

S  Přenosová kapacita systému (Shannonův – Hartleyův vztah): C = B. log 2 1 +  N 

[bit / s ]

C …. je maximální dosažitelná rychlost bezchybného přenosu informace idealizovaným radiokomunikačním systémem při použití optimálního kódování a modulace B .…. je šířka pásma radiokomunikačního kanálu S .…. je střední hodnota výkonu signálu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijímače N .… je střední hodnota výkonu šumu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijímače

1

S S B0 . N 0 B0 1  C = B. log 2 1 +  ⇒ N = B.N 0 ⇒ S = B0 .N 0 ⇒ = = = B N N B.N 0 B  B0 S ….. střední hodnota výkonu signálu N …. střední hodnoty výkonu šumu N0 … spektrální výkonová hustota šumu S B0 … šířka pásma radiokomunikačního kanálu, při které je =1 N Normovaný tvar Shannonova – Hartleyova vztahu:

 C B B  1  = x. log 2 1 +  = . log 2 1 + B0 B0 x   B0 

C ……... normovaná přenosová kapacita B0 x=

B … normovaná (poměrná) šířka pásma B0

Radiokomunikační rovnice: G P  λ  Pt Gt   Lϕ L p r = r k .T0 N 0  4.π .d  2

→ umožňuje ze zadaných parametrů výpočet ostatních parametrů Pt …. celkový střední výkon vysílače (měřený v napájecím bodě antény) Gt … zisk vysílací antény λ ….. délka vlny d ….. vzdálenost mezi přijímací a vysílací anténou Lϕ … ztráty nepřesným zaměřením antény

L p … polarizační ztráty Gr … zisk přijímací antény T0 … celková šumová teplota přijímacího systému Pr … střední výkon na výstupu přijímací antény N0 = k.T0 …. spektrální hustota šumu na vstupu přijímače Efektivní izotropický vyzařovaný výkon EIRP: Pt .Gt Jakostní číslo přijímače:

Gr G = T0 T

Systémový zisk: G s yst _ dB [dB ] = Pt [dBm] − Pr min [dBm] nebo G syst [−] =

Pt Pr min Pr min je určitý minimální výkon nutný pro správnou činnost navrhovaného systému (musí platit: Pr min < Pr ) Systémový zisk G syst _ dB musí být vždy větší (minimálně rovný) než součet všech ztrát zmenšený o zisky přijímací a vysílací antény. 2

2. Zdrojové kódování tvaru vlny, hybridní zdrojové kódování Zdrojové kódování: Úkolem zdrojového kodéru je redukce redundance a irelevance na co nejmenší míru. Používá se hlavně při zpracování hovorových, zvukových a obrazových signálů. Výsledkem je snížení přenosové rychlosti signálu (tj. sníží se potřebná šířka přenosového kanálu). Kompresní poměr (Compress Ratio): CR =

Rvst Rvýst

[−]

kde Rvst a Rvýst [bit / s ] jsou přenosové rychlosti na vstupu a na výstupu kodéru. Pozn.: redundance (nadbytečnost): větší množství dat, než je množství nezbytně nutné pro přenos dané informace vzhledem ke ztrátám v komunikačním kanálu; redukce redundance je vratný proces. irelevance (zbytečnost): nepodstatná složka informace, příjemcem na přijímací straně nemůže být vnímána; redukce irelevance je nevratný proces, představující ztrátu informace. Zdrojové kódování hovorových (řečových) signálů (fmez = 4 kHz):

→ zdrojové kódování tvaru vlny (Waveform Coders): cílem je, aby se časový průběh analogového signálu na výstupu dekodéru co nejvíce shodoval s časovým průběhem na vstupu kodéru → parametrické zdrojové kódování (Vocoders, Voice Coders): není přenášen původní signál, ale pouze jeho charakteristické parametry ⇒ syntetická řeč → hybridní zdrojové kódování Zdrojové kódování tvaru vlny: → impulzová kódová modulace PCM (Pulse Code Modulation): převod A/D ve třech krocích – vzorkování, kvantování, kódování; vzorkovací kmitočet 8000 Hz (uvažujeme signály od 300 do 3400 Hz), 256 kvantovacích hladin = 8000.8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s. → diferenční impulzová kodová modulace DPCM (Differential Pulse Code Modulation): přenáší se informace pouze o rozdílu kvantovaného vzorku a jeho predikované (předpokládané) hodnoty, odvozené obvykle z jednoho, případně několika předchozích vzorků. Rozdílový signál je ve srovnání s predikovanou hodnotou vzorku daleko menší; predikovaná hodnota vzorku představuje redundantní formu signálu a nepřenáší se.

3

→ modulace delta DM (Delta Modulation): rozdíl kvantovaného vzorku a vzorku předchozího je kvantován pouze do dvou kvantovacích úrovní, které jsou kvantovány jediným bitem; nevýhody: zkreslení přetížením strmosti (rekonstruovaný signál nesleduje prudké změny velikosti vstupního signálu) a granulační šum („skákání“ u signálu s konstantní úrovní); LDM = lineární delta modulace (kvantizační krok je konstantní).

Modulace delta DM

→ adaptivní modulace delta ADM: kvantizační krok se mění podle velikosti signálu. → adaptivní diferenciální impulzová kódová modulace ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation): používá adaptivní kvantování AQ i adaptivní predikci AP; adaptivní algoritmy jsou jednoduché neboť změny parametrů hovorových signálů jsou pomalé; kodeky (kodér + dekodér) jsou standardizované a používají se hlavně u systémů CT2 a DECT; přenosová rychlost = 32 kbit/s (kvalita srovnatelná s PCM). Hybridní zdrojové kódování: Spojuje přednosti zdrojového kódování tvaru vlny a parametrického zdrojového kódování. Součástí kodéru je i dekodér (stejný jako na přijímací straně), který již na vysílací straně vytváří syntetizovaný signál jež se odečítá od signálu vstupního. Vzniklá chyba se minimalizuje na základě smyslového (percerptuálního) vnímání. Podle způsobu buzení (minimalizace chyby) se rozlišují systémy:

→ Multiimpulzní buzení MPE (Multi Pulse Excitation): vzájemná poloha i velikost budících impulsů se určují po jednom (8 až 16 kbit/s). → Regulární buzení RPE (Regular Pulse Excitation): vzájemná poloha impulsů je přesně stanovena, určuje se tedy pouze poloha prvního impulzu a velikost všech impulsů (8 až 16 kbit/s). → Kódové buzení CELP (Code Excited Linear Prediction): jednotlivé posloupnosti budících impulsů jsou uloženy v paměti (kódové knize), na přijímací stranu se přenáší pouze adresa příslušné posloupnosti (4 kbit/s a menší). Pozn.: kodéry s plnou rychlostí FR (Full Rate) …8 kbit/s kodéry s poloviční rychlostí HR (Half Rate) …4 kbit/s

4

3. Parametrické zdrojové kódování Využívá poznatků o lidském hlasu a hlasovém traktu. Lidská řeč se skládá ze znělých hlásek ( ⇒ kvazipriodický charakter signálu) a neznělých hlásek ( ⇒ pseudonáhodný charakter signálu) a mezer. Základním parametrem lidského hlasu je perioda základního tónu T0 −1 ( T0 = kmitočet základního tónu (pitch)). Elektrický model pro syntézu řeči je základem vokodérů s lineárním prediktivním kódováním LPC (Linear Predictive Coding): zpracování signálů v časové oblasti.

Vysílač: Hovorový analogový signál je v A/D převodníku převeden na digitální signál. Následuje segmentování signálu (jeho rozdělení na časové úseky o délce 10 až 13 ms – po tuto dobu lze považovat vlastnosti hlasového traktu za konstantní). Dalším krokem je stanovení znělosti resp. neznělosti hlásky Z-N, periody základního tónu hlasu T0, velikosti úrovně signálu G a určení několika parametrů filtru PF. Komunikačním kanálem se nepřenáší hovorový signál, ale pouze nejdůležitější parametry získané jeho analýzou. Přijímač: Skládá se ze šumového generátoru ( ⇒ neznělé hlásky) a impulzového generátoru ( ⇒ znělé hlásky; na jeho výstupu je impulzový signál s opakovací periodou T0, která je typická pro mluvící osobu), filtru, zesilovače a reproduktoru. Výsledkem zdrojového kódování je výrazné snížení přenosové rychlosti hovorového signálu (méně než 4 kbit/s); reprodukovaná řeč ovšem není přirozená a má syntetický charakter.

5

4. Zdrojové kódování akustických signálů Využívá maskovacího jevu lidského sluchu, při kterým je užitečným signálem maskován kvantizační šum. Člověk vnímá zvuky pouze v kmitočtové oblasti od cca. 16 Hz do cca. 16 kHz. Práh slyšitelnosti = kmitočtová závislost akustického tlaku P, při níž lidský sluch přestává vnímat sinusový akustický signál. Práh bolesti = nevnímáme zvuk, ale jen bolest.

P [dB] , P0 = 20µPa P0 Při současném (simultánním) vnímání několika různých zvukových signálů delších než 200 ms může jeden signál potlačovat slyšitelnost jiného signálu, i když jejich kmitočty jsou různé (při určité určité úrovni akustického tlaku jej maskuje). Úroveň (hladina) tlaku: L = 20. log

→ maskování v kmitočtové oblasti ( ⇒ simultánní maskování):

Maskované signály není třeba přenášet – na přijímací straně stejně by nebyly vnímány. Průběhy křivek maskovacích prahů byly získány na základě výsledků testů prováděných na velkém počtu posluchačů.

→ maskování v časové oblasti ( ⇒ nesimultánní maskování): 1. případ: když maskovaný signál určité hladiny přichází až po ukončení maskujícího signálu vyšší hladiny, v době do 10 ms. 2. případ: následuje-li maskující signál po maskovaném signálu do 5 ms. 6

Protože průběhy maskovacích prahů jsou závislé na kmitočtu, je výhodné zpracovávat akustický signál odděleně v dílčích kmitočtových pásmech neboli subpásmech ⇒ subpásmové kódování SBC (SubBand Coding), obvykle stejné šířky pásma. Podle nejsilnějších složek zvukového signálu a jím odpovídajícím průběhům maskovacích prahů lze stanovit pro každé subpásmo maximální úroveň kvantizačního šumu, který bude užitečným signálem maskován a z ní určit počet bitů potřebných pro kvantování signálu.

MPEG 1 – úroveň 1 Nejjednodušší zdrojové kódování. Analogový akustický signál se nejdříve pomocí PCM převádí na signál digitální. Výsledná přenosová rychlost pro monofonní signál: fvz = 48 kHz, 216 kvantovacích hladin = 48000.216 = 768 kbit/s. V kodéru je signál rozdělen do skupin po 384 vzorcích, tedy po 384.16 = 6122 bitech, každá skupina má dobu trvání 384.(1/48000) = = 8 ms a nazývá se rámec dat. Každý rámec je transformován z časové do kmitočtové oblasti a vzniklé spektrum je rozdělen do 32 stejně širokých úseků – subpásem. Šířka každého subpásma je 750 Hz. Kmitočtové spektrum se vzorkuje s kmitočtem 48000/32 = 1,5 kHz („podvzorkování“ spektra). Ve 32 subpásmech je celkem 12.32 = 384 vzorků. Po dobu 8 ms je tedy v každém subpásmu 12 kmitočtových vzorků různé velikosti, z nichž se vybere jeden, který má největší velikost a podle něj kodér určí tzv. měřítko (scale factor) – blok „výběr měřítka“. Psychoakustický model: pomocí něj je modelováno lidské sluchové vnímání – porovnávají se činitelé měřítka s hodnotami stanovenými statisticky a stanoví se v něm hladina ještě maskovaného kvantizačního šumu. Podle přípustné hladiny kvantizačního šumu je každému subpásmu přidělen určitý počet bitů pro kvantování (od 2 do 15 bitů). Přenosová rychlost: od 448 kbit/s do 32 kbit/s. 7

8

5. Zdrojové kódování obrazových signálů Snímání barevných obrazů ve kvalitě dopovídající běžnému televiznímu vysílání se vytváří: analogový jasový signál 0 ÷ 6 MHz (vzorkovací kmitočet 13,5 MHz) a dvě chrominanční signály 0 ÷ 1,6 MHz (vzorkovací kmitočet 6,75 MHz). Po digitalizaci pomocí PCM vznikne datový tok (počet kvantovacích hladin je 28): (13,5.106+6,75.106+6,75.106) .8 = 216 Mbit / s . Redukce bitového toku při statických obrazů: transformační kódování při pohyblivých obrazů: navíc se využívá i vektory pohybu a predikce snímků nebo půlsnímků

Kódování statických obrazů: Před transformací jsou jednotlivé matice obrazových bodů pro jasový a dva chrominanční signály (u systému JPEG má jasová matice 720 sloupců a 576 řádků, obě chrominanční matice mají počet řádků i sloupců poloviční) rozděleny do bloky 8 × 8 (celkem 64 pixelů). Rozměry bloků jsou stanoveny jako kompromis mezi kvalitou rekonstruovaného obrazu a složitostí resp. dobou výpočtu. Bloky jasového i chrominančního signálu se zpracovávají stejným způsobem, avšak odděleně. Jednotlivé vzorky bloku jsou reprezentovány koeficienty (hodnota jasu nebo chrominance) v časové oblasti, které jsou transformovány (přepočítány) na jiné koeficienty v kmitočtové oblasti. Původní vzájemnost jednotlivých koeficientů (v důsledku korelace parametrů obrazových bodů) je transformací odstraněna, přičemž počet nových koeficientů (nenulových) je menší než počet koeficientů původních. Nejčastěji se používá diskrétní kosinová transformace DCT (Discrete Cosine Transform): Frekvenční koeficient v pozici (0,0) představuje ss složku (střední hodnotu) transformovaného signálu. Velikost koeficientů se po transformaci upravuje kvantováním, tj. dělí se čísly v tzv. kvantizační matici (ta je na základě statistických výsledků pozorování experimentálně zvolena tak, aby koeficienty vyšších kmitočtů byly více zmenšeny než koeficienty nižších kmiotčtů); výsledek se zaokrouhluje na celé číslo, malé koeficienty se zanedbávají. Tato úprava signálu je ztrátová. Kvantizační tabulky pro jasový a chrominanční signál jsou různé a jejich obsahem lze měnit kvalitu rekonstruovaného obrazu, resp. komprimační poměr. Pozn.: Huffmanovo kódování (entropické kódování, kódování s proměnnou délkou slova VLC – Variable Lenght Coding).

9

Pro přenos signálu lze použít dva způsoby: 1. sekvenční mód: všechny koeficienty jednoho bloku se snímají postupně za sebou 2. mód progresivního kódování: používá se při prohlížení obrazů, kdy pro hrubou orientaci je výhodné zobrazit obraz bez podrobností (nejprve se přenášejí ze všech bloků stejnosměrné koeficienty, poté první střídavé koeficienty zase ze všech bloků, potom druhé sřídavé koeficienty atd. – obraz se postupně obohacuje o podrobnosti). Využití tohoto módu: např. Internet.

Kódování pohyblivých obrazů: U standardu MPEG se jasový signál sestavuje do makrobloků ( 16 × 16 vzorků), každý makroblok obsahuje čtyři jasové složky a je doplněn jedním blokem každého chrominančního signálu. K dekodéru je přenášena pouze rozdílový signál (DPCM = DIFFERENTIAL Pulse Code Modulation). Plynulý sled snímků je na vstupu kodéru rozdělen na skupiny snímků GOP (Group of Pictures), které se opakují po 12 snímcích (cca. 0,5 s). Na začátku každé skupiny je přenášena referenční snímek I (Intra Frame). Ostatní snímky skupiny mohou být snímky P (Predict Frame) ⇒ jednosměrná predikce („předpověd“ snímku podle předcházejícího I nebo P), nebo snímky B (Bidirectional Frame) ⇒ obousměrná predikce („předpověd“ snímku podle předcházejícího I nebo P a následujícího snímku I nebo P – přenos rozdílových signálů v jiném sledu než odpovídá sekvenci původních snímků). Kódování pohyblivých obrazů využitím DPCM s podporou vektorů pohybu: Myšlenka: sousední snímky jsou si značně podobné a obsahují prakticky stejné objekty, ale posunuté do jiných poloh. Zkoumá se, zda se bloky svým obsahem shodují. Pokud ano, je určen vektor pohybu a jeho souřadnice x,y jsou přenášeny v záhlaví makrobloku. Statický obraz: vektory pohybu jsou nulové. V případě, že není nalezen přesně stejný makroblok, je povolena určitá nepřesnost a přenáší se pouze souřadnice vektoru pohybu. Je-li tato nepřesnost překročena, vytváří se rozdílový makroblok, který se bežně zpracuje (FDCT, atd.).

10

6. Kanálové kódování (detekč ní kódy, konvoluční kódy) Kanálové kódování: Cílem kanálového kódování je zabezpečit signál proti chybám vznikajícím při přenosu v komunikačním kanálu. Chyby signálu mohou být způsobeny: šumem, různými druhy rušení, únikem signálu, odrazy, přepnutím signálu při handoveru, atd. Mohou být ojedninělé nebo se mohou vyskytovat ve skupinách. Podstatou zabezpečení signálu je mírné, úmyslné a kontrolované zvýšení jeho redundance (např. přidáním kontrolníh bitů). To má za následek nepatrné zvýšení přenosové rychlosti (a tím i šířky kmitočtového pásma kanálu) při výrazném snížení chybovosti signálu BER (Bit Error Rate). K tomuto účelu slouží zabezpečovací neboli bezpečnostní kódy umožňující chybu nejen detekovat, ale i opravit. Pozn.: maximální přípustné hodnoty BER: přenos hovorového signálu BER = 10-3 přenos televizního obrazového signálu s velkou rozlišovací schopností HDTV (High Definiton TeleVision) BER = 10-10 přenos dat mezi počítači: ještě přísnější požadavky

→ Detekční (zjišťovací kódy): zpětný kanál, ve kterém se přenáší automaticky žádost o opakování přenosu ARQ (Automatic Request Repetition). → Korekční (opravné) kódy (neboli samoopravné kódy): nepotřebují zpětný kanál – dopředná korekce chyb FEC (Forward Error Correction): • konvoluční kódy • blokové kódy Zisk kódování (Coding Gain) [dB ] : udává, kolikrát je možné při použitém kódování zmenšit poměr S/N oproti stavu bez kódování při zachování chybovosti BER. Detekční kódy s paritními bity: Doplnění jednotlivých kódových skupin jedním paritním (kontrolním) bitem – na začátku nebo na konci kódové skupiny. Sudá parita – sudý počet jedniček; lichá parita – lichý počet jedniček. Příklad: máme kódovou skupinu 1010101, zabezpečujeme je sudou paritou, potom na konec nebo na začátek skupiny připíšeme nulu, tedy např.: 10101010 máme kódovou skupinu 1010101, zabezpečujeme je lichou paritou, potom na konec nebo na začátek skupiny připíšeme jedničku, tedy např.: 10101011 11

Kontrola sudé nebo liché parity se na přijímací straně provádí nejčastěji sčítáním modulo 2 (0+0=1; 0+1=1; 1+1=0), tj. sudá parita ⇒ výsledek je 0, lichá parita ⇒ výsledek je 1. Správný výsledek však dostaneme i při sudém počtu chyb. Konvoluční kódy: Přídavná redundance se vkládá tím, že se nad původním a zpožděným bitovým tokem provádí podle známých pravidel jisté matematické operace. Důsledkem je zvýšení přenosové rychlosti signálu, aniž by k původnímu signálu byly přidány nějaké kontrolní bity. Konvoluční kódy lze považovat za konvoluci impulzní odezvy kodéru a vstupního signálu. Konvoluční kodéry se označují symbolem K(n,m), kde n je rámec výstupních bitů a m je rámec vstupních bitů, přičemž platí m < n. Vstupní signál je rozdělen do m cest a přiváděn do posuvného registru. Po provedení matematických operací (součtové členy vykonávají sčítání modulo 2) jsou signály na n výstupech sestavěny opět do jednoho bitového toku. Poměr rámce vstupních bitů m a rámce výstupních bitů n (m/n) udává kódový poměr R (kódovací rychlost). Je-li původní hodnota přensové rychlosti Rp, potom po konvolučním kódování se zvýší na hodnotu Rp/R. Délka působení kódu K = (S+1).m; S … počet posuvných registrů v kodéru. Pro konkrétní příklad platí: rámec vstupních bitů ... m = 1 rámec výstupních bitů n = 2 m 1 kódový poměr……….. R = = = 0,5 n 2 délka registru ……….. S = 4 kapacita paměti……… S.m = 4.1 = 4 bity délka působení………. K = (S+1).m = (4+1).1 = 5

Dekódování konvolučních kódů: Viterbiho algoritmus nebo algoritmus sekvenčního dekódování.

12

7. Kanálové kódování (blokové kódy), prokládání Blokové kódy Vstupní bitový tok se rozděluje do m-bitových bloků a ke každému bloku je přidán (obvykle na konec) podle jistých pravidel určitý počet paritních bitů reprezentující přídavnou redundanci. Označíme-li počet bitů výsledného bloku n, potom počet paritních bitů je n-m. Přidáním paritních bitů se opět zvýší původní přenosová rychlost Rp na hodnotu Rp/R, kde R = m/n je kódový poměr. Kódová vzdálenost d (Code Distance): počet bitů v nichž se líší dvě požívané kódové skupiny (v případě binárních čísel se označuje jako Hammingova vzdálenost). Příklad: jedna kódová skupina: 11001010 druhá kódová skupina: 10001000 ⇒ Hammingova vzdálenost je 2. Váha kódu w (Code Weight): počet nenulových prvků v kódové skupině. Počet chyb, který může být v kódové skupině opraven: t =

d min − 1 2

Pozn.: lineární blokový kód (je-li výsledek součtu dvou kódových skupin opět kódovou skupinou příslušného kódu) nelineární blokový kód (opačný případ) Nejužívanější blokové kódy: Fireho kódy: informační bity se doplňují určitým počtem bitů, získaných podle určitých pravidel. Používá se v systémech pagingu a pro zabezpečení signalizace v systému GSM. Cyklické kódy: generují se pomocí upraveného posuvného registru se zpětnou vazbou. Pro cyklický kód (n,m) je registr tvořen n-m klopnými obvody, mezi nimiž jsou zapojeny sčítací členy modulo 2. Používá se v systému GSM.

Reedovy – Solomonovy kódy RS Patří mezi nebinární cyklické kódy. Používají se předev-ším k opravám skupinových chyb. Kódování se neprovádí nad jednotlivými bity, ale nad byty (symboly). Tyto kódy se označují RS(N,M), kde N je počet bytů výstupního slova, M je počet bytů vstupního (zdrojového) slova a N-M = K je počet kontrolních bytů. RS kódy jsou schopny opravit T = (N-M)/2 = K/2 bytů a přitom jsou schopny opravit skupinovou chybu délky až B = J.(N-M)/2 = J.K/2 bitů (nezáleží na tom, kolik chybných bitů obsahuje jeden byte, ale pouze na tom, zda je byte chybný či nikoliv), kde J je počet bitů jednoho bytu přičemž platí N = 2J –1. RS kódy jsou neefektivní pro opravu nezávilsých, ojedinělých chyb (pokud je v každém opraveném bytu pouze jeden chybný bit, opravý RS kód pouze tolik chybných bitů, kolik opravil chybných bytů) ⇒ řešením je zřetězené kódování: dva kodéry zapojené v kaskádě: v prvním (vnějším) je bitový tok nejdříve kódován RS kódem a zabezpečen tak proti skupinovým chybám, v druhém (vnitřním) je bitový tok zabezpečen proti ojedinělým chybám.

13

Příklad: Je používán RS (255, 223). Jak velkou skupinovou chybu je schopen opravit? Kolik opraví nezávislých chyb?

Řešení: N = 255 (proto J = 8) M = 223 K = N – M = 255 – 223 = 32 Kód může opravit T = K/2 = 32/2 = 16 bytů, tedy B = J.K/2 = 8.32/2 = 128 bitů. Odpověď: Pomocí kódu RS (255, 223) je možné opravit skupinovou chybu délky až 128 bitů. V případě ojedinělých chyb (uvažujme v každém bytu jednu chybu) opraví maximálně 16 bitů. Postup kódování a dekódování signálu RS kódem:

Prokládání Ochrana proti skupinovým chybám (shluku chyb): shlukovou chybu rozprostříme na bitové chyby a ty už opravíme příslušnými algoritmy.

→ hloubka prokládání: čím je větší hloubka prokládání, tím větší skupinovou chybu dokáže prokládací stupeň rozprostřít → rámec vnějšího kódu: počet bitů, po kterých se budou opakovat vzniklé ojedinelé chyby

14

Řetězové kódování:

15

8.1. Základní parametry digitálních modulací Digitální modulace Definice modulace: Modulace je proces, při kterém dochází k ovlivňování některého parametru nosného signálu v závislosti na okamžité hodnotě modulačního signálu. U radiokomunikačních systémů je nosným signálem harmonický signál se třemi parametry: amplitudou, kmitočtem a počáteční fází. U digitálních radiokomunikačních systémů je modulačním signálem digitální signál, který může nabývat hodnot pouze logická 0 nebo 1. Proto se podle okamžité hodnoty modulačního signálu mění parametry nosné vlny skokem (digitální modulace). Tři základní typy digitálních modulací: → ASK (Amplitude Shift Keying)

→ FSK (Frequency Shift Keying)

→ PSK (Phase Shift Keying)

Dvoustavové modulace ⇒ každému bitu modulačního signálu je přirazen jeden stav nosné vlny. Vícestavové modulace ⇒ M stavů nosné vyjadřuje n bitů (kombinaci jedniček a nul) dle vztahu M = 2n (např.: chceme, aby n=3, potom potřebujeme osmistavovou modulaci M=23).

16

Konstelační (stavový) diagram ⇒ grafické znázornění digitálních modulací (I-Q diagram). Lepší využití konstelačního diagramu ⇒ modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – modulační signál klíčuje nejen fázi, ale také amplitudu nosné.

Výhoda vícestavových modulací: při stejné přenosové rychlosti se snižuje symbolová rychlost vůči základním dvojstavovým modulacím. Nevýhoda: zvyšujícím se počtem stavů se snižují vzájemné rozdíly mezi stavy modulované nosné vlny, tj. klesá odolnost vůči rušení v přenosovém kanále. Základní parametry digitálních modulací přenosová (bitová) rychlostmodulačního signálu: fb (kolik bitů za sekundu?) doba trvání jednoho bitu : Tb = 1/fb u M – stavové modulace reprezentuje každý stav nosné skupinu o počtu bitů: n = log2M doba trvání jednoho stavu nosné (symbolu): Ts = n.Tb Symbolovou rychlost (jak rychle změní vektor svou polohu – viz konstelační diagramy) uvažované M – stavové modulace: fs =

f fb 1 1 = = b = Ts n.Tb n log 2 M

[baud ].

Bitová chybovost BER (Bit Error Rate): poměr průměrného počtu chybných bitů ku celkovému počtu bitů, přenesených za určitou dobu. Symbolová chybovost SER (Symbol Error Rate): poměr průměrného počtu chybných symbolů ku celkovému počtu symbolů, přenesených za určitou dobu. Pro danou modulaci je chybovost závilsá především na poměru signál – šum C/N (Carrier to Noise), vztaženému ke vstupu demodulátoru přijímače (zde je C/N v celém komunikačním řetězci nejmenší). Pozn.: Chceme-li dosáhnout stejnou chybovost ve více zašuměném komunikačním kanálu, musíme použít míňstavovou (případně dvoustavovou) modulaci. Energetická účinnost (Energetic Efficiency) je definována pro určitou chybovost BER (referenční hodnota se volí obvykle BER = 10-5):

ηe =

Eb N0

[−]

nebo η edB = 10. log

Eb N0

[dB]

kde Eb … střední energie modulovaného signálu na 1 bit: Eb = C.Tb = C/fb N0 … šumová výkonová spektrální hustota: N0 = N/Bš (Bš … šumová šířka pásma). 17

Spektrální účinnost (Spectral Efficiency):

ηs =

f b  bit 1  Bvf  s Hz 

kde Bvf … šířka pásma rádiového kanálu.

18

8.2. Modulace π

/4 – DQPSK (Differential QPSK)

U demodulací QPSK a O-QPSK byly informace o dibitech vyjádřeny fázovými úhly mezi vektory nosné a kladným směrem osy I. U modulaci π/4 – DQPSK jsou jednotlivým dibitům přirazeny fázové změny vektoru nosné.

Na přijímací straně lze provést demodulaci signálu π/4 – DQPSK buď složitější koherentní demodulací (musí být obnoven nosný signál) nebo může být využita mnohem jednodušší nekoherentní demodulace, při které se zjišťuje fázový rozdíl modulovaných signálů odpovídající dvěma po sobě následujícím stavům. Vektorový diagram modulace π/4 – DQPSK: z libovolného stavu je možné se dostatpouze do některého ze čtyř stavů (změnou fáze nosné vlny o ± 45° nebo ± 135° ). Parazitní AM u modulace π/4 – DQPSK je menší než u QPSK, ale větší než u O-QPSK.

Vstupní signál je rozdělen ve splitteru (sériově – paralelním převodníku) do dvou kanálů I a Q. Na vstupy kodéru přichází signály s poloviční bitovou rychlostí . Na výstupu kodéru jsou signály I* a Q*, které mají stejnou přenosovou rychlost jako signály I a Q, avšak jejich úroveň může nabývat jedné z pěti hodnot -1; -0,707; 0; 0,707; 1. Dvojici signálů vytváří kodér na základě předchozího stavu nosné a fázové změny odpovídající dibitu, který je právě na jeho vstupu.

19

9. Modulace (a demodulace) QPSK a O-QPSK QPSK Modulace QPSK:

Vstupní digitální signál s přenosovou rychlostí fb přichází do obvodu splitter. V tomto obvodu dochází k rozdělení jednotlivých bitů (liché a sudé bity) do dvou větví I (In-phase) a Q (Quadrature) – viz další obrázek. Výsledné bitové toky „lichých“ a „sudých“ bitů, každý s poloviční přenosovou rychlostí fb/2, jsou vedeny přes DP na součinové modulátory DSBSC. Nosné vlny obou modulátorů mají stejný kmitočet, jsou však vzájemně posunuty o 90°. Po sečtení signálů a pásmové filtraci dostáváme signál QPSK.

Demodulace QPSK – pomocí koherentního demodulátoru:

20

Problémy s QPSK: Vektorový diagram – Při změnách stavů, kdy se v dibitu mění současně oba bity (např.: 01→10 nebo 00→11, atd.) , posune se fáze signálu o 180°; při změnách stavů, kdy se v dibitu mění pouze jediný bit (např.: 11→01 nebo 10→00, atd.), posune se fáze signálu o 90°. Doba přechodu je velice krátká (řádově ns), přesto vzniká v obou případech v modulovaném signálu parazitní amplitudová modulace. Průchodem signálu QPSK přes nelineární obvod (např. koncový stupeň vysílače pracující v třídě C), dochází k obohacení spektra signálu.

Modulace O-QPSK (Offset - QPSK): Od QPSK se líší tím, že nemůže dojít v dibitu ke současně změně obou bitů (např.: 01→10 nebo 00→11, atd.): dosáhne se toho zařazením zpožďovacího členu s dobou zpoždění Tb do kanálu Q. Při změně stavu mění nosná svoji fázi vždy pouze o 90°, parazitní AM proto může mít u O-QPSK hloubku modulace nejvýše cca. 30% (při změně fáze o 180° by dosáhla hloubka parazitní amplitudové modulace 100% - jak to je u modulace QPSK) ⇒ v nelineárních obvodech vzniká míň nežádoucích spektrálních produktů ve srovnání s QPSK. Nevýhoda O-QPSK vůči QPSK: větší šířka kmitočtového pásma pro přenos.

21

22

10. Modulace MSK a GMSK Modulace MSK Dvojstavová modulace FSK (Frequency Shift Keying): v závislosti na vstupním digitálním signálu mění skokově kmitočet nosné (signalizační kmitočty f1 a f2). Důsledkem těchto skokových změn fáze se výrazně rozšiřuje spektrum modulovaného signálu. Modulace, u kterých je při změnách signalizačních kmitočtů zajištěna plynulá změna fáze signálu, se nazývají modulace FSK se spojitou fází a označují se CPFSK (Continuous Phase FSK). Pro signalizační kmitočty u FSK platí vztahy: f1 = f c − ∆f

f 2 = f c + ∆f

a

(12.1a,b)

kde fc je kmitočet nosné a ∆f je kmitočtový zdvih (kmitočtová deviace). Index modulace (normovaný kmitočtový zdvih, deviační poměr): h=

f − f1 ∆f = 2 fb / 2 fb

(12.2)

kde fb je bitová rychlost digitálního signálu. Šířka kmitočtového pásma, potřebná pro přenos modulovaných signálů FSK (přibližný vztah):

f  B2 FSK ≅ 2. b + ∆f   2  B BMFSK = 2 FSK log 2 M

pro 2-stavovou FSK modulaci: pro M-stavovou FSK modulaci:

⇒

(12.3a) vícestavová modulace – menší šířka pásma

(12.3b)

Dvojstavové kmitočtové klíčování s minimálním zdvihem MSK (Minimum Shift Keying) patří do kategorie digitálních modulací CPFSK. Bitová perioda modulačního digitálního signálu je Tb je přesně rovna celistvému násobku polovin period T1 a T2 obou signalizačních signálů: Tb = n

f T1 ⇒ f1 = n b 2 2

Tb = (n + 1)

T2 2

(12.4a)

⇒ f 2 = (n + 1)

fb 2

(12.4b)

Dosazením (12.4a) a (12.4b) do (12.2) lze odvodit:

h = 0,5 a ∆f =

fb 4

(12.5a,b)

Dosazením (12.5a,b) do (12.1a,b) lze napsát: f1 = f c −

fb 4

a

f2 = fc +

fb 4

(12.6a,b)

Rozdíl posuvů fáze signalizačních signálů za dobu t = Tb lze pomocí (12.1a,b) a (12.5a,b) vyjádřit jako: 23

∆ϕ 21 = ϕ 2 − ϕ1 =

f f − f1 2π 2π Tb − Tb = 2 = ∆f = b = 2πTb ( f 2 − f1 ) = π T2 T1 2 4

(12.7)

Stejným způsobem se určí pomocí (12.1a,b) a (12.6a,b) fázový posuv každého z obou signalizačních signálů vůči nosné za dobu t = Tb:

(12.8a, b)

Časový průběh modulovaného signálu MSK lze vyjádřit vztahem: (12.9)

kde sk = 1 pro bit 1, sk = -1 pro bit 0

⇒ modulátor MSK lze realizovat jako modulátor s oscilátorem VCO, který je skokově přelaďován z jednoho signalizačního kmitočtu na druhý (nevýhoda: malá stabilita a přesnost signalizačních kmitočtů – protože nemůžeme použít krystalem řízený oscilátor: ten by se nedalo rozlaďovat v takové míře, abychom dostali potřebný kmitočtový zdvih). Pomocí goniometrického vztahu cos(α + β ) = cos α . cos β − sin α . sin β lze pro časový průběh modulovaného signálu MSK také napsát: (12.10)

⇒ další způsob realizace modulátoru MSK: signál MSK se vytváří jako součet dvou modulovaných signálů jejichž fáze nosné se liší o 90° (tzv. kvadraturní modulátory neboli modulátory IQ).

(12.11)

tyto dva signály jsou fixní – pro jejich vytvoření už můžeme použít krystalem řízený oscilátor; změníme parametry I(t) a Q(t)

24

kde I (t ) ≈ s k = ±1 platí pro liché bity s dobou trvání 2.Tb a Q(t ) ≈ s k = ±1 pro sudé bity s dobou trvání 2.Tb (přičemž Sc = 1).

Modulace GMSK (Gaussian-filtered MSK) Je variantou modulace MSK. Před modulátor MSK je zařazena Gaussovská dolní propust, která kmitočtově omezí spektrum vstupního digitálního signálu (nepoužijeme klasický filtr, protože ten by se nestíhal rychle přelaďovat – cca. až 1500-krát za sekundu: frequency hopping (abychom předišli interferenci signálů při telefonování)). Modulátor GMSK se tedy skládá z Gaussovské DP, zajišťující speciální předmodulační filtraci signálu, a z modulátoru MSK. Základním parametrem modulace GMSK je poměrná šířka pásma: b = B.Tb

(12.12)

kde B je šířka pásma Gaussova filtru pro pokles o 3 dB a Tb je bitová perioda modulačního signálu. Volba parametru b je kompromisem mezi dostatečně potlačenými postranními laloky spektra a přijatelnými mezisymbolovými interferencemi ISI (b je velká ⇒ málo potlačené postranní laloky a nízká ISI; b je malá ⇒ více potlačené postranní laloky, ale značná ISI).

25

11. Modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Odražené signály (terénní pĜekážky, budovy, apod.) mají rĤzná þasová zpoždČní, amplitudy, fáze Interference pĜímého a odraženého signálu (ISI Inter Symbol Interference ĺ BER Bit Error Rate) Prodloužení TB - odražené signály s velkou amplitudou a malou dobou zpoždČní neovlivní sousední bity Velký poþet paralelních cest (2k, 8k) – mapování do symbolĤ vhodných pro následné modulace QPSK, QAM

8

Blokové schéma modulátoru OFDM

Spektrum signálu u klasického systému

Spektrum signálu u ortogonálního systému

9

26

Jednotlivé subnosné jsou od sebe vzdáleny o celoþíselný násobek pĜevrácené hodnoty délky symbolu TS - podmínka ortogonality. V praxi se modulace OFDM realizuje pomocí IFFT a FFT v signálovém procesoru

10

27

12. Kmitoč tový multiplex FDM Systémy s mnohonásobným přístupem a metody multiplexování Metody mnohonásobného přístupu umožňují sdílení rádiového prostředí mnoha účastníkům. Čtyři základní metody mnohonásobného přístupu do systému: → FDMA (Frequency Division Multiple Acces) → TDMA (Time Division Multiple Acces) → CDMA (Code Division Multiple Acces) → ALOHA – stochastický (náhodný přístup) protokol s opakovaným náhodným přístupem protokol s náhodným přístupem s rezervací U systémů s jednorozměrnou topologií a terminálovým řízením se používají metody multiplexování: → FDM (Frequency Division Multiplex) → TDM (Time Division Multiplex) → CDM (Code Division Multiplex)

Kmitočtový multiplex FDM Každý účastnický kanál je definován svým číslem, středním kmitočtem a šířkou kmitočtového pásma. Jeden z kanálů může být vyhrazen pro řídící účely a přenáší se v něm například informace o volných kanálech, aj. Vstupní signály jsou nejprve kmitočtově omezeny, potom jsou modulovány na pomocné nosné vlny (subnosné) tak, aby se jednotlivé kanály kmitočtově nepřekrývaly; SCPC (Single Channel Per Carrier) – jeden kanál na jednu nosnou: každý signál má svoji samostatnou nosnou vlnu MCPC (Multi Channel Per Carrier) – více kanálů na jednu nosnou: vytvořený multiplexní signál je ještě namodulován na hlavní nosnou vlnu a teprve přenášen.

28

29

13. Časový multiplex TDM Systémy s TDM se převážně používají pro přenos digitálních sigálů (při přenosu analogových signálů se ty nejprve musí převést na diskrétní vzorky).

Jednotlivé signály se přenáší v určitých časových intervalech (time slot) opakujících pro daný signál po určitém čase (tzv. rámec TDMA):

Časové sdružování (multiplexování) se může provádět až na čtyřech úrovních, lišících se bitovou rychlostí (telefonní signál: fvz = 8 kHz, 28 kvantovacích úrovní (8 - bitové slovo) → 64 kbit/s):

30

14. Kódový multiplex (CDMA) → systémy s rozprostřeným spektrem SS (Spread Spectrum) → jsou funkčně i obvodově složité (náročná synchronizace a časování)

Bitová rychlost PNP (čipová rychlost – chip rate) je úmyslně volena o několik řádů vyšší než bitová rychlost modulačního signálu ⇒ dochází k rozprostření spektra. PNP je pseudonáhodný binární signál o délce 107 až 1033 taktů (čipů). Ideální PNP musí mít impulzní autokorelační funkci RX(τ) (předpokládám to znamená, že signál nemá v čase konstantní charakter) a nulovou vzájemnou korelační funkci RXY(τ) (a to zase, že dvě posloupnosti PNP se vůbec nepodobají). Používají se především Walshovy kódy. Poznámka: Uvažujme dva účastníky systému CDMA, označené A a B.

31

32

Způsoby rozšíření spektra: 1. s přímou modulací kódovou posloupností DS (Direct Sequence): nosná je přímo modulovaná digitálním signálem, který má bitovou rychlost větší než informační signál. 2. s kmitočtovým skákáním FH (Frequency Hopping): kmitočet nosné se mění skokem podle PNP 3. hybridní DS-FH Systémy s CDMA jsou velice odolné proti rušení úzkopásmového i širokopásmového charakteru (na korelátoru se rušivý signál rozprostří). Díky nízké výkonové hustotě je možné činnost systému v uvažovaném kmitočtovém pásmu utajit a použitím PNP, specifické pro každého uživatele, je zajištěno utajení i přenášené informace. Existují i kombinované systémy, např.: FDMA-TDMA nebo FDMA-CDMA.

33

15. Způsoby př enosu a buňková struktura systémů Způsoby přenosu Podle směru komunikace mezi dvěma účastníky A, B: → simplexní přenos, simplex (komunikace pouze v jednom směru; např.: televizní a rozhlasové vysílání, radiový paging). → poloduplexní přenos, poloduplex (pro komunikaci je využit jeden kanál oběma směry, které ne nutné přepínat; např.: policie, taxislužba) → plněduplexní přenos, duplex (komunikace probíhá mezi účastníky současně oběma směry; např.: radiotelefonní systémy). Podle oddělení směru přenosu: a) kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) – duplexní pár, vysílač + přijímač (transceiver), společná anténa (ta je připojena ke vstupu přijímače a vysílače přes filtr nazvaný duplexer – kmitočtově odděluje směry přenosu) uplink = směr přenosu od MS k BTS downlink = směr přenosu od BTS k MS b) časový duplex TDD (Time Division Duplex) – časový úsek (time slot), přenos má pulsní charakter: menší příkon, životnost zdrojů, menší hmotnost celé účastnícké stanice; nevýhoda: dopravní zpoždění Buňková struktura systémů Typy radiových spojení: → spojení bod-bod PP (Point to Point) → spojení bod-několik bodů PM (Point to Multipoint) → buňková (celulární) struktura: Požadované území je rozděleno na velký počet malých území, buněk. Uprostřed každé buňky je základnová stanice BTS (Base Transceiver Station), která zajišťuje spojení mobilních účastníků v dané buňce se systémem. Typy buněk: pikobuňka (poloměr do 50 m) mikrobuňka (poloměr do 1 km) makrobuňky buňky deštníkového typu (umbrella cells) – vykrývají nepokryté části území mezi menšími pikobuňkami nebo mikrobuňkami Svazek buňek řídí základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controller). Jednotlivé BSC jsou koordinovaně řízeny z jednoho nebo několika málo center, radiotelefonních ústředen MSC (Mobile Switching Centre), které zajišťují spojení s jinými radiokomunikačními sítěmi. roaming = funkce umožňující najít mobilní stanici v síti handover = přepínání spojení mezi jednotlivými BTS

34

16. Možnosti využití kmitoč tového pásma systému (s buňkovou strukturou) - efektivní hospodaření s kmitočtovým spektrem (mnohonásobné opakování jednoho a téhož kmitočtu v obsluhované oblasti – takhle lze pokrýt s omezeným kmitočtovým pásmem nekonečně rozlehlé území) - pevné přidělování kanálů FCA (Fixed Channel Allocation) - zvýšení kapacity sítě: sektorizace buněk (každá buňka se rozdělí na 3 nebo 6 sektorů – zvýší se počet kanálů jedné buňky na trojnásobek resp. šestinásobek) překrývání buněk (do přetížené buňky je přidána další BTS využívající kanály sousedních buněk – výkon vysílače této BTS-ky je omezen, takže svým signálem pokrývá pouze část území původní buňky a nedochází k interferencím se signály sousedních buněk).

- nevýhoda pevného přidělování kanálů je nevyužití radiových kanálů s maximální efektivitou (může se nastat případ, kdy v jedné buňce bude nedostatek volných kanálů a v druhé buňce bude využit pouze nepatrný počet radiových kanálů): tento problém řeší dynamické přidělování kanálů DCA, DCS (Dynamic Channel Allocation, Selection) – každá BTS má přístup ke všem kanálům svazku.

35

17. Typy handoverů a typy spojování Typy handoverů handover = přepnutí spojení MS a BTS během komunikace z jednoho kanálu na jiný kanál. Dochází k němu v případě, kdy systém vyhodnotí nový kanál jako kvalitnější. Typy handoveru podle průběhu přepínacího procesu: → tvrdý handover – systém nejdřívě odpojí MS z původního kanálu a teprve potom ji připojí na nový kanál (krátké přerušení spoje – cca. do 100 ms; synchronizace základnových stanic (BTS-ek)) → bezešvý (seamless) handover – nejdřívě se vytvoří spojení v novém kanále a teprve potom je původní kanál odpojen (tj. po určitou krátkou dobu existuje paralelní spojení na dvou kanálech) → měkký handover – MS je spojena se všechny dostupné základnové stanice (minimálně 2) a spojení se uskutečňuje paralelně po všech kanálech (- větší nároky na kapacitu sítě); použití např. v systémech UMTS Rozdělení handoverů podle toho, která část systému provádí měření kvality spojení, rozhoduje o handoveru a řídí jej: → sítí řízený handover NCHO (Network Controlled Handover) – měrení kvality spojení, rozhodnutí o handoveru a přepojení provádí BTS; použití: v analogových systémech → handover řízený mobilní stanicí MCHO (Mobile Controlled Handover) – měření kvality kanálů (všech) provádí MS i BTS. Rozhodnutí o přepnutí provádí MS, předá je do systému a ten zajistí provedení přepnutí; použití: DECT → sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice MAHO (Mobile Assisted Handover) – MS neustále měří velikost signálu sousedných BTS a výsledky předává základnové stanici, ke které je právě připojena. Současně MS i BTS provádí měření kvality probíhajícího spojení a podle naměřených údajů se systém rozhoduje o přepnutí a uskutečňuí je. Typy spojování komutované spojování: spojení s přepínáním okruhů. Při využití pro přenos digitálních signálů se používá tzv. synchronní přenosový mód STM (Synchronous Transfer Mode), při kterém je přenosová rychlost signálu konstantní. paketové spojování (tok dat je rozdělen do menších částí): → služba bez spojení (datagramová služba) – vhodná pro přenos kratších zpráv → služba se spojením – první (vyhledávací) paket vyznačí tzv. virtuální okruh a rezervuje v každém přepojovacím uzlu dostatečnou paměť pro celou zprávu. Tento způsob spojování je vhodný pro přenos velkého objemu dat. Paketový způsob přenosu umožňuje velice efektivní využití přenosové kapacity sítě. Nevýhodou jsou určité problémy vznikající při vzájemné komunikaci v reálném čase. Výrazné zvyšování rychlosti paketového přenosu umožnilo zavedení asynchronního přenosového módu ATM (Asynchronous Transfer Mode).

36

18. Diverzitní př

íjem

únik (fading) = kolísání úrovně signálu v ístě příjmu (způsobeno terénními překážkami, postupnými změnami ionosféry, mnohocestným šířením signálu – dojde v každém bodě terénu k vektorovému sčítání přímé a odražených vln: vytvářejí se lokální maxima a minima signálu). diverzitní (výběrový) příjem: slouží pro omezení, případně potlačení uvedených jevů. Podstata diverzitního příjmu je vytvoření několika nezávislých přenosových kanálů mezi vysílačem a přijímačem, ve kterých je přenášen stejný informační signál. (Pozn.: důležitou podmínkou je minimální vzájemná korelace úniků v jednotlivých kanálech – – tj., aby úniky měli odlišný charakter.) makroskopické diverzitný systémy: používají se k omezení vlivu pomalých úniků, způsobených zastíněním MS relativně velkým objektem nebo překážkou (realizace MS si vybere BTS, kterou bude mít nejlepší spojení) mikroskopické diverzitní systémy: pro omezení rychlých (Rayleighových) úniků, způsobených mnohocestným šířením signálu i pohybem mobilní stanice - kmitočtové skákání nosné (Frequency Hopping) Způsoby vytváření nezávislých radiových kanálů: → diverzitní systém s prostorovým výběrem: na přijímací straně je určitý počet samostatných antén, vzájemně vzdálených o několik vlnových délek → diverzitní systém s úhlovým výběrem: používají se směrové antény, které jsou nastaveny do různých směrů → diverzitní systém s polarizačním výběrem: vyžaduje úpravu vysílače – dvě různé antény s horizontální a vertikální polarizací → diverzitní systém s kmitočtovým výběrem: odstup jednotlivých kmitočtů by měl být 2-4 % kmitočtu nosné vlny. Tyto systémy mohou používat jednu vysílací a jednu přijímací anténu, avšak počet vysílačů a přijímačů je dán počtem použitých kmitočtů → diverzitní systémy s časovým výběrem: prakticky systémy s TDM

37

5 Radiotelefonní systémy

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

jeden multirámec. Dalším spojením 51 multirámcĤ vznikne jeden superrámec a koneþnČ spojením 2048 superrámcĤ vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny, 28 minut, 53 sekund a 760 ms. V pĜípadČ, že v TDMA rámcích jsou pĜenášeny signalizaþní signály (kanály), potom jeden multirámec vznikne spojením 51 TDMA rámcĤ. Spojením 26 tČchto multirámcĤ vznikne jeden superrámec. Hierarchie rámcĤ v systému GSM je pĜehlednČ znázornČna na obr. 5.20. Uvedená struktura všech rámcĤ spolu s použitou ekvalizací, dovolují používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km/hod. Po této úpravČ signálu následuje modulace GMSK ( BTb 0,3 ).

19. Architektura systému GSM Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavĜený, ale aby umožĖoval pĜístup i do jiných sítí. Lze jej rozdČlit na tĜi základní subsystémy, jak je naznaþeno na obr. 5.21. x Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Sub-System) neboli rádiový subsystém, se kterým prostĜednictvím rádiového rozhraní U m pĜímo komunikují mobilní stanice MS (Mobile Stations). x SíĢový a spínací (pĜepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) oznaþovaný nČkdy jako radiotelefonní ústĜedna s rozšíĜenými úkoly a funkcemi. x Operaþní subsystém OSS (Operation Support Subsystem) zajišĢuje servis a koordinuje funkce celého systému (provoz, údržba, opravy poruch, atd.). BTS BSC MSC HLR VLR AuC EIR IMEI

OMC

NMC ADC

(Base Transceiver Station) základnová rádiová stanice (Base Station Controller) základnová Ĝídící jednotka (Mobile Switching Centre) mobilní radiotelefonní ústĜedna (Home Location Register) domovský lokaþní registr (Visitor Location Register) návštČvnický lokaþní registr (Authentication Centre) centrum autentiþnosti (Equipment Identity Register) registr mobilních stanic (International Mobile Equipment Identity) mezinárodní identifikace (þíslo) registrované MS (Operational and Maintenance Centre) provozní a servisní centrum (Network Management Centre) centrum managementu sítČ (Administrative Centre) administrativní centrum

Obr. 5.21. Architektura systému GSM

PĜi plnČní základních funkcí kooperuje systém GSM se tĜemi externími složkami: x Uživatelé systému se svými mobilními stanicemi. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

90 38

5 Radiotelefonní systémy

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

x OperátoĜi, což jsou spoleþnosti angažující se v oblasti telekomunikací, kteĜí Ĝídí systém z hlediska finanþního, ekonomického a þásteþnČ i provozního (úþtují služby, evidence, tarifování, vydávají SIM karty, atd.). x Externí telekomunikaþní sítČ, pĜedevším veĜejné komutované telefonní sítČ PSTN (Public Switching Telecommunication Network), digitální sítČ ISDN (Integrated Services Digital Network), veĜejné datové sítČ, atd. Mezi jednotlivými þástmi systému jsou pĜesnČ definovaná rozhraní. Mezi MS a BTS je tzv. rádiové rozhraní oznaþované U m , jehož popis byl uveden v pĜedchozím textu, a to dostateþnČ podrobnČ. Mezi základnovou stanicí BTS a Ĝídící jednotkou BSC je tzv. rozhraní A  bis . Zde má signál pĜenosovou rychlost 16 kbit / s . Signál s touto rychlostí vznikne z hovorového signálu s rychlostí 13 kbit / s nebo z datových signálĤ s nižšími rychlostmi, pĜidáním dalších signalizaþních a synchronizaþních bitĤ pro rozlišení pĜenosu hovoru nebo dat. Na výstupu Ĝídící jednotky BSC bývá zapojena transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit), která mČní pĜenosovou rychlost signálu na hodnotu 64 kbit / s , která je nutná pro komunikaci mezi Ĝídící jednotkou BSC a mobilní ústĜednou MSC na rozhraní A . Jednotka TRAU mĤže však být také použita ke slouþení (multiplexování) þtyĜ signálĤ s rychlostmi 16 kbit / s do výsledného signálu s rychlostí 64 kbit / s . Na rozhraní A se používá signalizaþní systém SS 7 . Ten využívá zvláštních kanálĤ pro pĜenos signalizaþních signálĤ a podporuje komunikaci nejen mezi BSS a MSC, ale i pĜenos síĢových informací mezi MS a MSC. Plošná struktura systému GSM je symbolicky naznaþena na obr. 5.22. Nejvyšším þlánkem plošné struktury je území všech státĤ používajících systém GSM. Nižším þlánkem je území pod kontrolou operátora PLMN (jeden nebo nČkolik ve státČ), obr. 5.22.a. Dále je to území pod kontrolou jedné mobilní radiotelefonní ústĜedny MSC, obr. 5.22.b. V pĜípadČ, že ústĜedna umožĖuje komunikaci s externími sítČmi, oznaþuje se GMSC (Gateway MSC). Dalšími þlánky jsou oblasti LA (Location Areas) a buĖky (Cells).

a)

b) Obr. 5.22. Plošná struktura systému GSM

Základnová stanice BTS v každé buĖce je oznaþena šestibitovým kódem BSIC, jak je uvedeno v tab. 5.7. PodobnČ každá oblast v systému GSM je oznaþena pomocí identifikaþního kódu oblasti LAI (Location Area Identity), který má následující strukturu.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

39

91

Zdrojové kódování

20. Systém GSM zdrojové a kanálové kodování

• PĜi výbČru celkem 20 návrhĤ z 9 zemí Evropy • ZávČreþné hodnocení se zúžilo na 4 kodeky - kvalita výsledného hovorového signálu a schopnost transkódování • Testování pro sedm evropských jazykĤ, pĜi tĜech rĤzných úrovních signálĤ (12 dB, 22 dB a 32 dB pod maximální úrovní), zkoumal se vliv BER (0, 10-4 , 10-2 ) a vliv šumového prostĜedí

MOS ( 1 ~ špatný 5 ~ výborný ) RPE - LPC 3,54 MPE - LTP 3,27 SBC - APCM 3,14 SBC - ADPCM 2,92 Analogová FM 1,95 Kódování

Poþet pásem 1 1 16 8 -

PĜenosová Poþet matemat. Výrobce rychlost operací [mil./s] [kbit/s] 14,77 1,5 Philips, Germany 13,20 4,9 IBM, France 13,0 1,5 Ellemtel, Sweden 15,0 1,9 Britisch Telecom Research -

• Analogový hovorový signál v pásmu 300 - 3400 Hz je po filtraci vzorkován s kmitoþtem 8 kHz a segmentován do þasových rámcĤ 20 ms • V Aý pĜevodníku se vytvoĜí v každém þasovém rámci 160 vzorkĤ, z nichž každý je kódován 13 bity, tj. do 8192 úrovní. Bitová rychlost signálu na vstupu kodéru je tedy (160 . 13) / 20.10-3 = 104 kbit/s

2

40

• PĜedzpracování signálu - odstranČní stejnosmČrné složky a provedení preemfáze • Analýzy LPC – výsledkem je 8 filtraþních koeficientĤ (tzv. koeficientĤ odrazu) kvantovaných a vyjádĜených v logaritmické míĜe • Krátkodobá analýza a filtrace – výsledkem je filtrovaný signál (160 vzorkĤ) a filtraþní koeficienty. Filtr lze považovat za digitální imitaci lidského hlasového traktu, kde koeficienty pĜedstavují vliv jeho ostatních þástí (zuby, jazyk, hltan, atd.) • Kódování RPE - hovorový rámec 160 filtrovaných vzorkĤ je rozdČlen do 4 blokĤ po 40 vzorcích (5 ms). První blok obsahuje vzorky 1, 5, 9, 13, ...... 157, druhý 2, 6, 10, 14, ..... 158, atd. Z tČchto blokĤ je vybrán blok s nejvČtším signálem • Analýza LTP - smyþka LTP používá z rekonstruovaného excitaþního signálu

47 .4

k

výpoþtu

odhadu

rozdílového

signálu

188 •

Výsledkem zdrojového kódování je 47 . 4 = 188 bitĤ excitaþního signálu a 4 . 9 + 36 = 72 bitĤ reprezentujících koeficienty LTP filtru a LPC analýzy

• Celkem 260 bitĤ za 20 ms pĜedstavuje výstupní pĜenosovou (half rate coder 6,5 kbit/s )

rychlost signálu 13 kbit/s

4

41

Kanálové kódování • 260 bitĤ je rozdČleno na tĜi þásti, tzv. tĜída 1a (50 bitĤ), tĜída 1b (132 bitĤ), tĜída 2 (78 bitĤ) • NejdĤležitČjších 50 bitĤ tĜídy 1a je zabezpeþeno tĜemi paritními bity v blokovém kodéru (pĜi chybČ je ignorován celý blok dat)

• Ke 132 bitĤm tĜídy 1b jsou pĜidány 4 koncové nulové bity. • Celkový poþet bitĤ tĜídy 1, tj. (50+3) + (132+4) = 189 bitĤ, je podrobeno konvoluþnímu kódování s kódovým pomČrem R = ½ a délkou pĤsobení K = 5 • Na výstupu konvoluþního kodéru je 2 . 189 = 378 bitĤ

5

• Zbylých 78 bitĤ tĜídy 2 se pĜenáší bez zabezpeþení • Výsledkem kanálového kódování je blok dat s délkou 2. [ (50+3) + (132+4) ] + 78 = 456 bitĤ • PĜenosová rychlost signálu po kanálovém kódování je 456 / 20.10-3 = 22,8 kbit/s

• PodobnČ se kódují i datové signály s rychlostí 2,4 kbit/s až 9,6 kbit/s • PĜenosová rychlost po kanálovém kódování je opČt 22,8 kbit/s

6

42

21 Systém GSM Prokládání (Interleaving) a vytvaranie burstov • Každý blok s délkou 456 bitĤ se rozdČlí na 8 skupin po 57 bitech • Základní myšlenka prokládacího procesu

7

• Detail prokládacího procesu

8

43

VytváĜení burstĤ • Po doplnČní dvou 57 bitový skupin hovorového signálu o 26 bitĤ tzv. tréninkové sekvence, dále o 2 bity Ĝídící, dvČ trojice koncových (okrajových) bitĤ a 8,25 bitĤ ochranných, dostáváme základní jednotku pĜenosu v systému GSM oznaþovanou názvem burst (normální burst – celkem se používá 5 rĤzných druhĤ burstĤ) • Burst obsahuje celkem 156,25 bitĤ a jeho doba trvání je 0,577 ms (pĜesnČ 15/26 ms)

9

fbC

• PĜenosová rychlost signálu v rádiovém kanálu

156,25 15 .103 26

270,833 kbit / s

• Na jeden úþastnický kanál vychází teoretická pĜenosová rychlost signálu 33,864 kbit/s • Oznaþení pozice bitu v burstu - BN (Bit Number). První bit je oznaþen BN0, poslední bit (þtvrtinový) je oznaþen BN156. DvČ trojice koncových (okrajových) bitĤ TB (Tail Bits) jsou na pozicích BN0, BN1, BN2, resp. BN145, BN146, BN147 a obsahují vždy pouze 0 • ěídící bity SF (Stealing Flag) • Tréninková sekvence 26 bitĤ

ýíslo kódu (þíslo TS)

Tréninková sekvence 26 bitĤ

0 1 2 3 4 5 6 7

00100101110000100010010111 00101101110111100010110111 01000011101110100100001110 01000111101101000100011110 00011010111001000001101011 01001110101100000100111010 10100111110110001010011111 11101111000100101110111100

1

44

22.System GSM struktura a použitý jednotlivých burstov

• Ochranné bity reprezentují tzv. ochrannou dobu GP (Guard Period) - zpoždČní signálu pĜi pohybu mobilní stanice bČhem komunikace • Bitová perioda signálu v rádiovém kanálu je Tb = 3,692 Ps • Okrajové bity tedy reprezentují ochrannou dobu 8.25 . 3,692 = 30,459 Ps. PĜi rychlosti šíĜení signálu v = 3.108 m/s, odpovídá ochranné dobČ zmČna vzdálenosti mezi MS a BTS o d = 9,14 km • Ochranná doba je nutná i pro rychlý nárĤst a pokles výkonu vysílaþe - toleranþní výkonový diagram (Power Ramping Time Mask)

11

• Burst pro kmitoþtovou korekci

• Odpovídá nemodulovanému signálu s kmitoþtovým posuvem 'f = fb / 4 = 67,7 kHz nad nosnou (horní signalizaþní kmitoþet)

12

45

• Synchronizaþní burst

• Vysílá se vždy tČsnČ za burstem pro kmitoþtovou korekci • RozšíĜená tréninková sekvence na pozicích BN42, BN43, ........ BN105, ve tvaru 1011100101 1000100000 0100000011 1100101101 0100010101 1101100001 1011

13

• Zakódovaných 78 bitĤ nese informaci o poĜadí TDMA rámce, kódu operátora PLMN (Public Land Mobile Network), kódu základnové stanice a další informace

Kód operátora Kód BS PLMN 3 bity 3 bity BSIC (BTS Identification Code) 6 bitĤ

T1 þíslo superrámce

T2 þíslo multirámce

T3 þíslo rámce

11 bitĤ 5 bitĤ 3 bity RFN (Reduced TDMA Frame Number) 19 bitĤ

• Prázdný burst – má stejnou strukturu jako normální burst, ale nenese žádnou informaci (pouze známé sekvence 0 a 1)

14

46

• PĜístupový burst – náhodný pĜístup do systému (zapnutí MS)

• RozšíĜené okrajové bity na pozicích BN0, BN1, ...., BN7, resp. BN85, BN86 a BN87 • Synchronizaþní sekvence složená z 41 bitĤ je na pozicích BN8, ...., BN48

15

• Ochranný interval tvoĜí 60 + 8,25 = 68,25 bitĤ (ochranná doba 68,25 . 3,692 = 252 Ps) • Pro nastavení þasového posuvu (Timing Advance) se využívá pouze 63 bitĤ (šestibitové slovo) • Pro 63 bitĤ (63 þasových posuvĤ) je ochranná doba 63 . 3,692 = 232,6 Ps (odpovídající vzdálenost 232,6 . 10-6 . 3 . 108 = 69780 m = 69,78 km, tj. cca 70 km) • Systém GSM je navržen na maximální polomČr buĖky 35 km

47

23. Systém GSM Zabezpeþení informací proti zneužití autentifikace,šifrovanie signalu • Systém GSM poskytuje þtyĜi základní zpĤsoby zabezpeþení informací : -

použití SIM karty anonymitu, TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) ovČĜení totožnosti ochranu signalizaþních a hovorových dat šifrováním

• K tomu používá následující algoritmy : - A3 pro ovČĜení totožnosti úþastníka (mĤže být definován operátorem) - A5 pro šifrování a dešifrování dat (algoritmus je normalizovaný pro všechny sítČ GSM) - A8 pro generování šifrovacího klíþe (mĤže být definován operátorem) 5.1.5.1 SIM karta • ýtyĜmístné þíslo PIN - lze je libovolnČ þasto mČnit • PĜi zablokování MS se používá PUK (Personal Unblocking Key) • Na SIM kartČ jsou dĤležité, tajné údaje - proto se nedoporuþuje SIM kartu pĤjþovat (na rozdíl od mobilní stanice) 5.1.5.2 Anonymita • Každý úþastník je v síti GSM jednoznaþnČ identifikován þíslem IMSI. • Doþasná identifikaci TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identification). ýíslo TMSI je uloženo na SIM kartČ a v registru VLR mobilní ústĜedny • Pokud se úþastník s mobilní stanicí pĜesune na území pod kontrolou jiné ústĜedny, je mu novou ústĜednou zasláno nové þíslo TMSI (pĜedchozí þíslo je zrušeno, jak v pamČti SIM karty, tak i ve VLR pĜedchozí ústĜedny) • Hlášení do systému po zapnutí MS – pĜenos IMSI

2

OvČĜení totožnosti • OvČĜení totožnosti úþastníka mĤže být provedeno až tehdy, když systém zná IMSI (TMSI) • Okamžitá kontrola totožnosti úþastníka, se provádí technikou nazývanou „Výzva a odezva“ (Challenge and Response) • V AuC je generováno 128 bitové náhodné þíslo RAND (0 až 2128 - 1) o výpoþet odezvy SRES (Signed Response)

• Úþastnický (individuální) tajný ovČĜovací klíþ Ki , náhodné þíslo RAND, algoritmus A3 • Výsledkem ovČĜovacího procesu je 32 bitové þíslo SRES • OvČĜení se provádí pro volajícího i volaného (pro rádiovou cestu) stejným zpĤsobem, liší se þíslem RAND

3

48

• Celý proces ovČĜení totožnosti zaþíná požadavkem VLR-MSC zaslaným do AuC na generaci tripletu • Požadavek z VLR mĤže vzejít na základČ žádosti úþastníka o komunikaci nebo na základČ žádosti ústĜedny, která s úþastníkem chce komunikovat (volá ho jiný úþastník) • Po generaci je triplet uložen do HLR • Z nČj se na pokyn VLR zasílá þíslo RAND k úþastníkovi a odezva SRES spolu s šifrovacím klíþem se zasílá do VLR • Ve VLR se provádí srovnání obou þísel SRES a v pĜípadČ shody je šifrovací klíþ zaslán do základnové stanice BTS • Lokaþní registr VLR tedy zahajuje ovČĜovací proces a rovnČž kontroluje i jeho výsledek

KC KC

Šifrování • Šifrování digitálního signálu je proces, pĜi kterém je série bitĤ transformována matematickými a logickými operacemi na jinou sérii bitĤ - poþet transformaþních operací je urþen šifrovacím klíþem • Zabezpeþení soukromých informací úþastníka • Kryptografické metody umožĖují dosáhnout výborné úrovnČ ochrany, a to jednodušším zpĤsobem než pĜi šifrování analogového signálu

• PĜi šifrování dat v MS pomocí slova SU , je tím stejným slovem signál v BTS dešifrován SU SUD KC

• PonČvadž každý následující rámec má jiné þíslo, mČní se s každým rámcem i generovaná slova SU a SD • Pokud je bČhem šifrování signálu proveden handover, šifrovací klíþ KC se nemČní

• Signál se zabezpeþuje šifrováním pouze pĜi pĜenosu v rádiovém prostĜedí (rozhoduje operátor) • Šifrování se provádí mezi blokem prokládání (Interleaving) a modulátorem GMSK • Dešifrování se provádí mezi demodulátorem a blokem zpČtného prokládání (Deinterleaving) • Šifrování se provádí pouze nad hovorovými nebo datovými signály úþastníka a nad nČkterými signalizaþními signály, tedy nad 2 . 57 = 114 bity každého burstu • PĜi každé nové komunikaci mezi MS a systémem se mČní i šifrovací klíþ • Šifrovací algoritmus je synchronní s rámci TDMA

49

6

24. Systém GSM - přenos datových signálů pomocí GPRS a EDGE. GPRS (General Packet Radio Service) • Pomocí systému GPRS, je stávající systém GSM rozšířen a umožňuje přenos datových paketů přes rádiové rozhraní s teoretickou přenosovou rychlostí až 171,2 kbit/s • Aplikace technologie GPRS, založené na paketovém přenosu dat pomocí protokolu IP, umožňuje mobilní přístup do sítě Internet • Poněvadž stávající GSM systém neumožňuje paketový přenos dat, je nutné doplnění, jak mobilní stanice, tak i dalších částí systému GSM, o nové bloky. Přenosová rychlost se má z počáteční hodnoty 28,8 kbit/s postupně zvyšovat na 56 kbit/s a dále na 112 kbit/s • Náhodný přístup do systému (ALOHA – Research Project of the University of Hawaii). Kolize paketů mohou být buď neúplné (odstraníme je synchronizací) nebo úplné – opakování pokusu o přístup

•

50

Při přenosu dat v rámci sítě GSM je spojení sestaveno obdobným způsobem, avšak datový signál není směrován do telefonní sítě, nýbrž do jednotky IWU (Inter-Working Unit), obsahující standardní analogové i digitální modemy, které určují přenosovou rychlost a parametry datového přenosu, běžně 9,6 kbit/s

• •

• •

•

• •

51

V případě paketového přenosu pomocí systému GPRS je spojení opět navázáno mezi MS a BTS, avšak v BSC jsou pakety vedeny do jednotky PCU (Packet Controller Unit) - identifikace a řízení paketového provozu na rádiovém rozhraní Přes rozhraní Gb je jednotka PCU spojena s datovým uzlem SGSN (Serving GPRS Support Node), který je schopen komunikovat s rádiovou částí sítě GPRS a s druhým datovým uzlem GGSN (Gateway GPRS Support Node) – mohou být propojeny páteřní sítí

SGSN provádí šifrování dat a kompresi podle doporučení RFC 1144 a V.42 bis. S tímto blokem komunikuje MS (handover). Je vyhrazený pro omezené území (srovnatelné s územím MSC) GGSN je standardní směrovač a jeho úkolem je komunikovat s paketovými datovými sítěmi, např. sítí Internet

Pro GPRS se mobilní stanice rozdělují do tří různých tříd (kategorií): • Třída A: Mobilní stanice může současně vykonávat komutované spojování a přenos GPRS • Třída B: Mobilní stanice může sledovat (kontrolovat) komutované spojování a GPRS služby, ale nemůže s nimi pracovat současně • Třída C: Mobilní stanice může vykonávat buď komutované spojování nebo GPRS přenos Pro kódování signálu na rádiovém rozhraní specifikovala ETSI pro GPRS čtyři různé kódovací schémata CS (Coding Scheme) Kódovací schéma CS1 představuje nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém rozhraní. Použití kódu s velkou redundancí má však za následek nízkou výslednou přenosovou rychlost

• • •

•

Naproti tomu kódovací schémata CS2 - CS4 jsou z pohledu odolnosti vůči chybám nejméně bezpečné, avšak umožňují dosáhnout nejvyšších přenosových rychlostí Při využití všech 8 timeslotů jednoho rádiového kanálu, lze pro kódovací systém CS4 stanovit teoretickou přenosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS na 21,4 . 8 = 171,2 kbit/s Uživatelská rychlost je vždy nižší než přenosová rychlost (neuvažuje přenos dodatečných informací použitých přenosových protokolů fyzické vrstvy). Pro kódovací systém CS4 lze stanovit uživatelskou rychlost GPRS na 16,7 . 8 = 133,6 kbit/s (v praxi 3 – 4 timesloty)

Mobilní stanice musí „zpracovat“ všechna kódovací schémata (v downlinku), zatímco systém vyžaduje pouze podporu kódovacího schématu CS1. Výběr CS provádí systém

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) • Standard EDGE (Ericsson) umožňuje zvýšit přenosovou rychlost systému GSM při alokování všech 8 timeslotů až na hodnotu 384 kbit/s • Dříve také označován GSM 384 • Podporuje paketový přenos dat a přenosová rychlost signálu v jednom timeslotu je 48 kbit/s • Používá modulaci 8 PSK (Eight Phase Shift Keying) - zásah do hardwarového (nověji pouze do softwarového) řešení BTS i MS

52

25. Systémy pro bezšňůrové telefony, standard DECT, spojení DECT-GSM. Standard DECT • Digitální standard DECT se používá pro přenos hovorových i datových signálů • Má vyhrazeno kmitočtové pásmo 1880 až 1900 MHz, ale již nyní se uvažuje o jeho rozšíření až na 1920 MHz • Používá kombinovaný přístup FDMA-TDMA a časový duplex TDD • V přiděleném kmitočtovém pásmu je 10 rádiových kanálů s odstupem nosných 1,728 MHz • Do jednoho rádiového kanálu je metodou TDMA vloženo 12 účastnických kanálů, které používají časový duplex TDD • Jeden rámec TDMA trvá 10 ms a je rozdělen na 24 časových úseků (štěrbin) neboli timeslotů, jež mají dobu trvání 0,417 ms a obsahují 480 bitů • K redukci bitové rychlosti účastnického hovorového signálu je použito kódování ADPCM. Přenosová rychlost signálu na výstupu kodéru je 32 kbit/s

• • •

• • • • • •

53

V základním, nechráněném formátu je v každém timeslotu přenášeno celkem 480 bitů Prvních 16 bitů, tzv. preambule, se využívá pro bitovou synchronizaci a dalších 16 bitů pro rámcovou synchronizaci přijímače. Těchto 32 bitů je součástí tzv. pole S Dalších 64 bitů (pole A) přenáší signalizační informace. Jsou složeny z 8 bitů záhlaví, 40 bitů vlastních signalizačních dat a 16 bitů kontrolních CRC (Cyclic Redundancy Code). V případě výskytu chyby v řídícím slově, dochází k jeho opakování V poli B je přenášeno 320 bitů účastnického signálu. Posledních 64 bitů se využívá jednak ke kontrole paritou (4 bity, pole X4) + ochrana Pomocí paritních bitů se pouze zjišťují chyby v poli B, ale jejich korekce se neprovádí. Pole (A+B+X4) se označují jako datové pole D. Každý rámec obsahuje celkem 480 . 24 = 11520 bitů Poněvadž doba jeho trvání je 10 ms, vychází přenosová rychlost signálu v rádiovém kanálu 11520 : 0,01 = 1,152 Mbit/s Spektrální účinnost je 1,152 Mbit/s : 1,728 MHz = 0,667 bit/s/Hz Složením 16 rámců DECT se vytváří jeden multirámec DECT s dobou trvání 160 ms Výsledný signál je přiváděn do modulátoru GMSK, který pracuje s normovanou šířkou pásma b = 0,5 (dříve používal systém DECT modulaci GFSK)

•

Kromě nechráněného formátu lze u systému DECT použít i přenos s chráněným formátem dat, u kterého je 320 bitů pole B rozděleno na 4 bloky po 64 bitech. Každý blok je doplněn 16 bity CRC pro kontrolu chyb.

Architektura systému DECT • Bezšňůrové mobilní stanice PP (Portable Part) se skládají z rádiové části PT (Portable Terminal) a koncového zařízení systému ES (End System) • V případě mobilních stanic určených pro telefonní provoz (Handset) je koncovým zařízením nízkofrekvenční část s mikrofonem a reproduktorem • V případě přenosných stanic může být koncovým zařízením fax, monitor, aj. • Maximální výkon mobilních stanic je 250 mW, střední výkon je přibližně 10 mW • Mobilní stanice komunikují se základnovými fixními rádiovými stanicemi RFP (Radio Fixed Part) • Několik stanic RFP je řízeno fixní centrální řídící jednotkou CCFP (Central Control Fixed Part) • K propojení jednotky CCFP s externími sítěmi se používá mezioperační jednotka IWU (Inter Working Unit), upravující signál do příslušných formátů • V obsluhovaných oblastech má systém DECT mikrobuňkovou a pikobuňkovou strukturu. Průměr buněk je od 30 do 150 metrů a uprostřed každé buňky je stanice RFP používající přijímač s prostorovou diverzitou. Pro spojení se proto vystačí s malými vysílacími výkony, což snižuje vznik interferencí v rádiovém prostředí • Používá se dynamického přidělování kanálů DCA (Dynamic Channel Allocation) a bezešvý handover MCHO Spojení GSM – DECT • Základní myšlenkou spojení systémů GSM a DECT bylo využití a sloučení výhod obou systémů • Za největší výhody systému GSM lze považovat vyšší efektivitu využití kmitočtového pásma, širší sortiment nabízených služeb, odolnost proti vlivům mnohacestného šíření a interferencím a vysoký stupeň ochrany proti odposlechu • K jeho nevýhodám patří malá provozní kapacita, složitost systému, nižší rychlost přenosu dat 9,6 kbit/s a horší kvalita přenosu hovorových signálů • Mezi největší výhody systému DECT patří vysoká provozní kapacita, dobrá kvalita přenosu hovorových signálů (srovnatelná s pevnou telefonní sítí), přenos dat rychlostí 32 kbit/s, odolnost vůči interferencím, nízké pořizovací a provozní náklady a jednoduchá koncepce. Sloučením všech 12 timeslotů jednoho rámce DECT lze dosáhnout přenosové rychlosti signálu až 12 . 32 = 384 kbit/s • Nevýhodou je pouze lokální pokrytí a omezená rychlost pohybu účastníků

54

Parametr

GSM

DECT

Kmitočtové pásmo pro uplink [MHz] Kmitočtové pásmo pro downlink [MHz] Digitální modulace Kódování hovorových signálů Přenosová rychlost dat Počet komunikujících účastníků na 1 km2 Odolnost vůči interferencím Ekonomická náročnost

890 - 915 935 - 960 GMSK ( b = 0,3 ) RPE-LTP 9,6 kbit/s až asi 5000 střední velká

1880 – 1900 1880 – 1900 GMSK ( b = 0,5 ) ADPCM 32 kbit/s až asi 50 000 velká menší

• • • • • •

55

Přímá spolupráce obou systémů není možná vzhledem k rozdílným technickým parametrům signálů na rádiovém rozhraní (rozdílné kmitočty a kódování) Spolupráce je však možná na úrovni BS neboť zde jsou signály zpracovávány v základním pásmu V buňce systému GSM jsou v oblastech se zvýšeným provozem vytvořeny mikrobuňky nebo pikobuňky systému DECT a do jejich středu jsou umístěny základnové stanice DECT RFP Přijímač dvojmódové mobilní stanice GSM-DECT je koncipován jako superheterodyn s dvojím směšováním a přepínáním vstupních dílů Směšovače v obou vstupních dílech transponují signály v různých kmitočtových pásmech na signál se shodným 1. mezifrekvenčním kmitočtem fmf1 . Jeho hodnota bývá 100 až 400 MHz Druhý mezifrekvenční kmitočet fmf2 bývá 10,7 MHz nebo 21 MHz, pro dosažení potřebné blízké selektivity

-1-

Rádiový paging Paging: Systémy pro vyhledávání osob (přenos krátkých zpráv) – simplexní přenos Zprávu je možné zaslat ve formě tónového signálu, numerické informac, alfanumerické informace

Pagingová řídící ústředna systému - v databázi centrální pagingové řídící jednotky PNC ( Paging Network Controller) jsou uloženy základní informace o účastníkovi, například jméno a adresa atd.Dále jsou v databázi uloženy systémové informace o konfiguraci sítě, jejím provozním zatížení, atd •Používá se kmitočtové klíčování 2FSK a 4FSK •Výstupní výkony vysílačů základnových stanic bývají desítky až stovky wattů.

26. Pagingový systém RDS Systém RDS je určen k přenosu doplňkových informací rozhlasových programů FM, vysílaných v pásmu VKV 87,5 až 108 MHz

Spolu s rozhlasovým programem je vysíláno 16 různých typů informací, jako například název programu PS, identifikace dopravního hlášení TP, atd. Tyto informace se zobrazují na displeji rozhlasového přijímače. Jedním z 16 typů přenášených informací je i rádiový paging RP. Digitální signál RDS je v modulátoru DSBSC modulován na pomocnou nosnou 56

-2-

s kmitočtem 57 kHz. Po modulaci má signál RDS šířku kmitočtového pásma 4,8 kHz. Pomocná nosná 57 kHz se také využívá k přenosu dopravního rozhlasu ARI firmy Blaupunkt, který je rozšířen ve střední Evropě. Signál ARI je modulován na pomocnou nosnou amplitudovou modulací AM. Aby nedocházelo k vzájemnému rušení systémů ° ARI a RDS, je pomocná nosná systému RDS otočena o 90 vůči nosné systému ARI. Digitální signál RDS je sestaven do tzv. grup. Jedna grupa obsahuje 104 bitů a je tvořena 4 bloky po 26 bitech. Každý blok se skládá z 16 bitů informačních a 10 bitů kontrolních, používaných pro zabezpečení přenášené informace a synchronizaci. Přenosová rychlost signálu je 1187,5 bit/s. Datový informační signál je podroben diferenciálnímu kódování (signál úrovně 1 na vstupu kodéru způsobí na výstupu kodéru změnu úrovně proti předchozímu stavu, signál úrovně 0 na vstupu kodéru, ponechá výstupní úroveň signálu beze změny) Z důvodů synchronizace celého systému RDS je diferenciálně kódovaný signál podroben dvoufázovému kódování. • Před modulací prochází signál dolní propustí • Následuje amplitudová modulace s potlačenou nosnou Modulovaný signál RDS je sloučen s monofonním a stereofonním signálem (případně i signálem ARI) a vytváří modulační signál pro hlavní modulátor, ve kterém se uskutečňuje kmitočtová modulace na hlavní nosnou v pásmu VKV

Blokové schéma kodéru

57

-3-

Tvorba, distribuce a vysílání signálu RDS

Blokové schéma dekodéru • • •

Na přijímací straně je FM signál zpracován běžným způsobem Signál RDS se nejdříve v synchronním demodulátoru amplitudově demoduluje a z výsledného signálu se oddělí synchronizační signál s přenosovou rychlostí 1187,5 bit/s Následuje zpracování signálu v mikroprocesorovém systému, který přenášenou zprávu zobrazí na displeji ve formě čísla nebo alfanumerického textu 58

-4-

charakteristika RDS: • umožňuje použít všechny druhy pagingových služeb, tj. tónovou, numerickou a alfanumerickou. • přenosová rychlost signálu je 1187,5 bit/s • přijímač RDS je poměrně složitý • využívá bez nejmenších problémů stávající sítě VKV vysílačů • kapacita 100.000 účastníků • možnost mezinárodního nasazení

59

-1-

27. Paginový systém ERMES • • • • • • • • • • • •

• • • •

Pagingový systém ERMES byl doporučen ITU jako evropský standard pro celoplošné pagingové systémy umožňující i mezinárodní roaming. V naší republice je zaváděn od roku 1997 (hlavně Praha + velká města) Systém má přidělené kmitočtové pásmo 169,4125 až 169,8125 MHz, ve kterém je vytvořeno 16 rádiových kanálů s odstupem nosných 25 kHz fn = 169,400 + n . 0,025 [MHz] Používá modulace 4FSK (4PAM/FM) a přenosová rychlost signálu je 6,25 kbit/s Přenos je zabezpečen kanálovým kódování a prokládáním. Prokládání se provádí s hloubkou devíti kódových slov vysílaný datový tok rozdělen do 16 časových rámců (batches) s celkovou dobou trvání 12 s, které se periodicky opakují Každá dávka s dobou trvání 0,75 s obsahuje (kromě poslední) 154 kódových slov o délce 30 bitů K 18 informačním bitům je přidáno 12 bitů ochranných, což umožňuje korigovat až 2 chybně přenesené bity Na začátku každé dávky jsou synchronizační bity, potom následují systémové informace (kód země, kód operátora, atd.), adresa příjemce a nakonec datové pole, kde je přenášena vlastní zpráva Každému pagingovému přijímači je přidělen pouze jeden ze 16 rámců, na kterém může přijímat svůj individuální rádiový identifikační kód RIC (Radio Identification Code). Kód je trvale uložen v paměti pagingového přijímače i v centrální pagingové jednotce PNC. Obsahuje celkem 35 bitů, z nichž prvních 13 bitů obsahuje kódy oblasti, země a operátora, u kterého je účastník přihlášen. Dalších 18 bitů obsahuje adresu konkrétního pagingového přijímače a poslední 4 bity určují číslo datového rámce, v němž daný přijímač může přijímat svůj identifikační kód RIC Příjem je synchronní, přijímač je aktivní pouze v době, kdy mu může být zaslána zpráva. Tím se šetří energie akumulátorů, provozní doba až několik měsíců Pagingový přijímač může být typu superheterodynu nebo může být použit přijímač s př ímou konverzí (homodyn) Vysokofrekvenční část přijímače musí mít velkou citlivost a minimální příkon Digitální signál je zpracován v mikroprocesorové části, která zajišťuje bitovou a rámcovou synchronizaci, kódování a př-ípadnou opravu dat, uložení zpráv do paměti (až 10 zpráv) a ovládání výstupů (reproduktor, bzučák, displej)

60

-2-

Charakteristika systému ERMES: • • • • • • •

vysoká kapacita, až 4,2 miliónů adres na jednoho národního provozovatele při využití 2 rádiových kanálů mezinárodní použití všechny druhy pagingových služeb (tónová, numerická a alfanumerická) tónový paging definuje až 8 tónů numerický paging umožňuje vyslat více než 20 numerických nebo speciálních znaků textový paging umožňuje vyslat více než 400 textových znaků mód úspory napájecích článků pageru

61

28. UMTS - Architektura systému Architekturu systému UMTS je možné znázornit pomocí různých modelů, z nichž každý popisuje systém z jiného pohledu. Základní obecnou architekturu systému UMTS znázorňuje model nakreslený na obr. 1.2.

Obr. 1.2. Základní architektura systému UMTS

e zjednodušeném pohledu je možné strukturu sítě UMTS rozdělit na 2 hlavní části. Základem je pevná páteřní síť CN (Core Network), která řídí provoz a spojení v systému. Její součástí je servisní řídící síť SCN (Service Control Network) zajišťující řízení, zpracování a uchování dat a síť telekomunikačního managementu TMN (Telecommunications Management Network). Směrem k účastníkovi následuje rádiová přístupová síť RNS (Radio Network System), která plní přenosové a přepojovací funkce. Využívá rádiového rozhraní UTRA, ke kterému mají přístup všichni uživatelé. Rádiovou přístupovou síť tvoří bloky RNS (Radio Network Subsystem) obsahující základnové stanice v jedné nebo více buňkách, které jsou vzájemně propojeny s řídící jednotkou RNC (Radio Network Controller). Základnová stanice se u systémů 3G označuje Node B. Mezi RNS a dílčími subsystémy (doménami) páteřní sítě (CS – Domain, BC – Domain, PS – Domain) jsou přesně definovaná rozhraní, umožňující páteřní síti využívat i jiné rádiové přístupové technologie. Tato rozhraní se označují Iu-CS (Circuit Switched), Iu-BC (BroadCast) a Iu-PS (Packet Switched). Páteřní síť má podobnou konfiguraci jako systém GSM a je složena ze dvou hlavních provozních částí (subsystémů, domén) určených pro různé druhy provozu. V subsystému s označením CS – Domain je soustředěn pouze komutovaný provoz neboli provoz s přepínáním okruhů (obdoba hlasové komunikace v systému GSM). Naopak v subsystému označeném PS – Domain je soustředěn pouze paketový provoz neboli provoz s přepínáním paketů (obdoba datové komunikace v systému GPRS). Obě domény využívají společně ostatních částí systému (HLR, EIR, aj.), které jsou důležité pro identifikaci uživatele, roaming mobilní stanice MS (Mobile Station) – obecně uživatelského zařízení UE (User Equipment), a další služby. Doména CS zajišťuje nastavení všech částí páteřní sítě pro komutovaný přenos včetně potřebné signalizace. Obsahuje MSC, GMSC, VLR a provádí i všechny potřebné funkce směrem k sítím PSTN (Public Switched Telephone Network), resp. ISDN (Integrated Services Digital Network). Obdobně doména PS provádí nastavení všech potřebných částí CN pro paketový přenos. Obsahuje SGSN, GGSN a zajišťuje všechny potřebné funkce směrem k paketovým 62

sítím PDN (Packet Data Network), např. k síti Internet. Kromě uvedených hlavních domén je součástí CN i doména BC (BroadCast) obsahující centrum pro koordinaci vysílání v jednotlivých buňkách CNC (Cell Broadcast Center).

Obr. 1.3. Model systému UMTS z pohledu jeho jednotlivých částí

Jiný pohled na systém UMTS ukazuje model na obr. 1.3. Jednotlivé části systému jsou propojeny pomocí přesně definovaných rozhraní Cu, Uu, Iu, Yu a Zu. Tato „modulární“ struktura systému UMTS z něj tvoří tzv. otevřený systém, který může být v budoucnu jednoduše modifikován a upravován podle aplikací jež v současné době ještě nelze předvídat. Hlavní části tohoto modelu tvoří uživatelské zařízení a infrastruktura, oddělené rádiovým rozhraním UMTS s označením Uu. Uživatelské zařízení je tvořeno mobilní stanicí (terminálem), do kterého se vkládá karta označovaná USIM (User Service Identity Module, UMTS Subscriber Identity Module). Část s názvem infrastruktura lze dále rozdělit na rádiovou přístupovou síť a páteřní síť. Jejich vzájemné propojení přes rozhraní Iu závisí na druhu provozu (komutovaný - paketový), jak již bylo uvedeno. Rádiová přístupová síť obsahuje všechna potřebná zařízení pro rádiové spojení s mobilní stanicí i pro spojení s páteřní sítí. Páteřní síť CN zajišťuje veškeré funkce nezbytné pro přenos účastnického signálu (přepínání, generace informací pro uživatele, apod.), účastnické služby i přenos signalizace. Dělí se na obsluhující část (MSC, SGSN), přenosovou část (GMSC, GGSN) a HLR. Obsluhující část CN zajišťuje připojení účastníka do sítě včetně jeho identifikace, směrování spojení, transport dat ze zdroje do místa určení i udržování komunikace při pohybu účastníka v síti. Přenosová část CN zajišťuje spojení mezi obsluhující částí CN a externími sítěmi. HLR obsahuje všechny potřebné informace každého uživatele bez ohledu na jejich okamžitou polohu v síti. Při zavádění systému UMTS bylo třeba respektovat již užívaný a velice rozšířený systém GSM i s jeho implementovanými standardy GPRS a EDGE. Tato koexistence „starého“ systému GSM a „nového“ systému UMTS je znázorněna modelem nakresleným na obr. 1.4. Pro lepší přehlednost obrázku zde není nakresleno rozhraní Iu-BC. Všechna rozhraní páteřní sítě (B, C, D, … a Gc, Gn …) jsou stejná jako rozhraní páteřní sítě GSM / GPRS.

63

Obr. 1.4. Model koexistence systémů UMTS a GSM

64

29. UMTS - Zpracování a přenos signálů Základní a nejdůležitější operace používané při zpracování signálů v systému UMTS jsou kódování kanálů (Channelization) a skramblování (Scrambling). Při obou operacích se používají speciální kódy a většinou při nich dochází k rozprostření spektra signálu, což závisí na vzájemném vztahu bitové rychlosti datového signálu a chipové rychlosti rozprostíracího kódu. Při výběru vhodné skupiny kódů jsou důležité především jejich korelační vlastnosti. Pro vzájemné rozlišení jednotlivých kódů je třeba, aby jejich vzájemná korelační funkce byla co nejmenší, v ideálním případě nulová. Naopak autokorelační funkce by měla mít impulsní průběh. Obě uvedené vlastnosti však nelze splnit současně. Pro kódování kanálů se proto používají ortogonální rozprostírací kódy nazývané Walshovy kódy nebo Walshovy sekvence, zatímco při skramblování se používají pseudonáhodné kódy PN (Pseudo-Noise codes, Pseudorandom codes) nebo pseudonáhodné sekvence.

65

30 Walshovy funkce a sekvence • Přiřadíme-li okamžitým hodnotám Walshových funkcí logické úrovně, dostáváme Walshovy sekvence +1

log 0

-1

log 1

Index j

Index (binárně)

Walshovy sekvence řádu 8 = 23

0

000

W0 = 0 0 0 0 0 0 0 0

1

001

W1 = 0 0 0 0 1 1 1 1

2

010

W2 = 0 0 1 1 1 1 0 0

3

011

W3 = 0 0 1 1 0 0 1 1

4

100

W4 = 0 1 1 0 0 1 1 0

5

101

W5 = 0 1 1 0 1 0 0 1

6

110

W6 = 0 1 0 1 1 0 1 0

7

111

W7 = 0 1 0 1 0 1 0 1

13

• Generování Walshových funkcí - nejčastěji s využitím symetrických vlastností Walshových funkcí, s použitím Rademacherových funkcí nebo s použitím Hadamardových funkcí • Příklad pro W13 (16. řád), index (13)10 = (1101)2 • Sekvence začínají vždy 0, funkce vždy 1 • 0 = sudá symetrie, 1 = lichá symetrie

• Příklad pro W13 = 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 (16. řád)

66

14

Cch,1,0 = 1

⎡Cch ,2,0 ⎤ ⎡Cch ,1,0 ⎢C ⎥=⎢ ⎣ ch ,2,1 ⎦ ⎣Cch ,1,0

Cch ,1,0 ⎤ ⎡1 1 ⎤ = − Cch ,1,0 ⎥⎦ ⎢⎣1 − 1⎥⎦

Cch ,2n ,0 ⎤ ⎡ Cch ,2(n +1) ,0 ⎤ ⎡ Cch ,2n ,0 ⎥ ⎢ C ⎢ C Cch ,2n ,0 ⎥⎥ − ch ,2( n +1) ,1 ⎥ ⎢ ch ,2n ,0 ⎢ ⎥ ⎢ C n ⎢ C (n +1) Cch ,2n ,1 ⎥ ch ,2 ,2 ⎥ ⎥ ⎢ ch ,2 ,1 ⎢ C C Cch ,2n ,1 ⎥ − ⎥ ⎢ ch ,2n ,1 ⎢ ch ,2( n +1) ,3 = ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ ... ... ... ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ ... ... ... ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢C ⎢C Cch ,2n ,2n −1 ⎥ ⎥ ⎢ ch ,2(n +1) ,2(n +1) − 2 ⎥ ⎢ ch ,2n ,2n −1 ⎢Cch ,2(n +1) ,2(n +1) −1 ⎥ ⎢Cch ,2n ,2n −1 − Cch ,2n ,2n −1 ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎣

15

6.3.2 Pseudonáhodné sekvence • V systému UMTS se používají sekvence při procesu skramblování, kdy se před vlastním přenosem změní datová sekvence původního signálu • Stejná pseudonáhodná sekvence potom slouží na přijímací straně k obnovení původního signálu • Uvedený proces skramblování může být například realizován sčítáním modulo-2 Vysílací strana:

Původní datová sekvence 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 … Pseudonáhodná sekvence 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 … Vysílaná sekvence 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 … Přijímací strana:

Přijímaná sekvence 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 … Pseudonáhodná sekvence 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 … Původní datová sekvence 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 … • Požadavky na PN sekvenci: a) musí být reprodukovatelná v přijímači b) musí být v synchronizmu se stejnou PN sekvencí na vysílací straně

67

16

• Nejpoužívanější metoda generování využívá LFSR (Linear Feedback Shift Register) • Parametry: počet stupňů n, počáteční podmínky (0!), zapojení (generující polynom) • Po určitém počtu hodinových impulsů generuje stejnou sekvenci (periodičnost) – maximální počet stavů registru je 2n-1 (sekvence s maximální délkou, m-sekvence, PN sekvence)

• Základní vlastnosti m-sekvencí (vyvážený počet jedniček a nul, definovaný počet běhů jedniček a nul, výhodné autokorelační vlastnosti) • Pro n = 5 na obrázku je S = 0000 1010 1110 1100 0111 1100 1101 001 S(4) = 1010 1110 1100 0111 1100 1101 0010 000

délka 2n-1 = 31

S + S(4) = 1010 0100 0010 1011 1011 0001 1111 001 • Autokorelace se stanoví jako rozdíl celkového počtu shod (0) – celkový počet neshod (1) [S, S(4)] = -1, platí obecně i pro posunutí od 1 do 30

17

6.3.3 Rozprostírání signálu • Příklad použití ortogonálních kódů, SF = 4

• Rozlišovat funkce (-1,1 – násobení) a sekvence (0,1 – exclusivní součet)

68

+1

log 0

-1

log 1

18

6.3.4 Derozprostírání signálu

• Rozlišovat funkce (-1,1 – násobení) a sekvence (0,1 – exclusivní součet) +1

log 0

-1

log 1

19

• Větší účinnosti derozprostíracího procesu se dosáhne použitím korelačního přijímače Použití správného kódu

69

20

Použití nevhodného kódu

21

• Odolnost vůči interferencím pro různé SF

• C/I (Carrier to Interference) závisí na SF

70

22

6.3.5 Autokorelační vlastnosti používaných kódů • Vzájemná korelace nízká (ideálně nulová) pro zajištění minimalizace interferencí • Autokorelační funkce musí mít impulzní charakter pro zajištění dobré synchronizace

sekvence

sekvence

chip

chip +1

+1 PN kód

t

-1

C8,4

+1

+1

PN kód

t

-1 Autokorelace ( t=0)

t

-1

= +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 = 11

C8,4

t

-1

Autokorelace = +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 = 8 ( t=0) +8

+11

0

t

+1

t

-1

a)

-8

b)

23

71

31.System WPAN • Systém Bluetooth je urþen pro bezdrátový pĜenos signálu na kratší vzdálenosti. Jeho typickými aplikacemi jsou bezdrátová propojení PC, PDA nebo mobilního telefonu s rĤznými periferiemi, napĜ. tiskárnou, klávesnicí, skenerem, myší, sluchátkem, apod. • Výhodami systému jsou nízký vysílaný výkon, bezpeþnost a robustnost pĜenosu a nízká spotĜeba terminálĤ

Vývoj jednotlivých verzí systému Bluetooth Bluetooth 1.0 a 1,0b ……….. Bluetooth 1.1

………..

723,2 kbit/s pro DL, 57,6 kbit/s pro UL

1 Mbit/s, oprava chyb, indikátor síly pĜijímaného signálu

Bluetooth 1.2

………..

1 Mbit/s, používá AFH (adaptive FH), odolný vĤþi rušení od WiFi

Bluetooth 2.0

………..

2,1 Mbit/s, snížená spotĜeba energie, zlepšení BER

Bluetooth 2.1

………..

EDR, S/4-DQPSK, 3 Mbit/s, podpora NFC (Near Field Communication)

22

Kmitoþtová pásma WPAN • Rádiový pĜenos mezi jednotlivými terminály se uskuteþĖuje v kmitoþtovém pásmu ISM (Industrial, Scientific, Medical), vyhrazeném pro prĤmyslové, vČdecké a lékaĜské aplikace. Na provoz v tomto pásmu 2,4 GHz není tĜeba žádné povolení • ŠíĜka kmitoþtového pásma pro zaĜízení Bluetooth je 2,4 až 2,4835 GHz

Stát

Kmitoþtový rozsah [MHz]

Kmitoþet nosné [MHz]

ýíslo kanálu

Evropa a USA Francie ŠpanČlsko Japonsko

2400 – 2483,5 2446,5 – 2483,5 2445 - 2475 2471 - 2497

f = 2402 + k f = 2454 + k f = 2449 + k f = 2473 + k

k = 0 ... 78 k = 0 ... 22 k = 0 ... 22 k = 0 ... 22

• V EvropČ se používá 79 rádiových kanálĤ s šíĜkou 1 MHz. Jsou definována ochranná pásma – dolní má šíĜku 2 MHz, horní 3,5 MHz • Druhá varianta systému Bluetooth používá kmitoþtové pásmo 2,4465 – 2,4835 GHz a pro jednotlivé nosné platí vztah f = 2042 + k [MHz], kde k = 0, +, 2, … 22

23

72

Blokové schéma terminálu WPAN • Každé mobilní nebo pevné elektronické zaĜízení, které je souþástí sítČ pikonet, obsahuje malý terminál v nČmž je umístČn rádiový vysílaþ a pĜijímaþ (transceiver) vþetnČ procesoru základního pásma • Pokud je souþástí sítČ pikonet i mobilní telefon, je možný pĜístup i do celulární sítČ • Pomocí pĜístupového bodu obsahujícího malý terminál, je možný i pĜístup do místní sítČ LAN

• Procesor základního pásma Ĝídí þinnost rádiové þásti, komunikaci v síti i komunikaci s hostitelským zaĜízením • Terminály se rozdČlují do tĜíd podle výkonu a tedy i dosahu komunikace: ¾ Class 1, výkonová úroveĖ 20 dBm ……………. dosah do 100 metrĤ ¾ Class 2, výkonová úroveĖ 4 dBm ……………. dosah do 10 metrĤ ¾ Class 3, výkonová úroveĖ 0 dBm ……………. dosah do 1 metru

25

Topologie sítČ WPAN • Systém Bluetooth vytváĜí malé síĢové struktury oznaþované názvem pikonet (pikosíĢ) – v základní verzi max. 8 vzájemnČ komunikujících zaĜízení (Master a Slaves) • Využívá tzv. topologie „ad hoc“ komunikace bod-bod (point to point), komunikace bod-více bodĤ (point to multipoint)

M

S M

M

S S

S

S

M

S

S

S

M/S

S

S S

Topologie „ad hoc“

Topologie „scatter ad hoc“

• Jednotlivé terminály jsou si rovnocenné a neexistuje mezi nimi žádná hierarchie • Avšak terminál, který první iniciuje sestavení sítČ, se stává Ĝídící jednotkou (master) a plní Ĝídící funkci spoþívající v identifikaci úþastníkĤ, zajištČní jejich vzájemné synchronizace, atd. Ostatní terminály (úþastníci) se stávají podĜízenými jednotkami (slave) • Tyto funkce jsou však doþasné a zanikají s ukonþením spojení. PĜi následující komunikaci mĤže funkci Ĝídící jednotky plnit jiný terminál

73

24

Zpracování signálu WPAN • Pro snížení vzájemného rušení s rádiovými systémy, které toto pásmo rovnČž využívají (bezpeþnostní systémy, mikrovlnné trouby, atd.), používá systém Bluetooth pĜenos s rozprostĜeným spektrem, a to variantu s kmitoþtovým skákáním nosné vlny FH-SS (Frequency Hopping – Spread Spectrum) • Každá síĢ má svoji vlastní pseudonáhodnou sekvenci, která je dána Ĝídící jednotkou (Master). Proto i fáze pseudonáhodného signálu je dána hodinovým signálem Ĝídící jednotky • Poþet pĜeskokĤ za jednu sekundu je fFH = 1600 s-1 , takže doba trvání vysílání na jedné nosné je TFH = 1 / fFH = 625 Ps . • Každý rádiový kanál je rozdČlen na þasové úseky (time slot) délky 625 Ps . Timesloty jsou þíslování podle hodinového signálu Ĝídící jednotky. Rozsah þíslování je od 0 do 227 - 1, takže jeden cyklus má délku 227 timeslotĤ • Pro komunikaci mezi terminály se používá þasový duplex TDD. ěídící jednotka vysílá pouze v každém sudém timeslotu, zatímco podĜízená jednotka vysílá pouze v každém lichém timeslotu

26

32. Systém WLAN Fyzické vrstvy První specifikace standardu 802.11 (1997) definovala tĜi fyzické vrstvy: ¾ FH-SS ¾ DS-SS ¾ IR, Infraþervené záĜení (300-428 THz), rychlost 1 Mbit/s a 2 Mbit/s PĜi revizi standardu byly v roce 1999 a 2003 tyto vrstvy doplnČny o: ¾ OFDM (802.11a, 802.11g) ¾ HR / DS-SS, High Rate Direct Sequence Spread Spectrum (802.11b) Je tedy používána technika rozprostĜeného spektra FH-SS Podle pseudonáhodné sekvence se mČní nosná vysílaného signálu. ŠíĜka pásma rádiového kanálu je obvykle 1 MHz. Doba vysílání na jedné nosné je max. 400 ms (za 30s se vystĜídá 75 nosných). Výhodou je vČtší poþet systémĤ pracujících souþasnČ v pásmu 2,4 GHz (teoreticky 26, prakticky 15 pĜístupových bodĤ AP). Metoda FH-SS byla z novČjších standardĤ vyĜazena DS-SS PĜímé rozprostĜení signálu pseudonáhodnou sekvencí na šíĜku pásma 20 MHz. PĤvodní standard 802.11 definuje fyzickou vrstvu DS-SS o rychlosti 2 Mbit/s, standard 802.11b pak pĜináší zvýšení rychlosti až do 11 Mbit/s (HR / DS-SS) OFDM Spektrum je rozdČleno na velké množství úzkých kanálĤ, ve kterých se signál pĜenáší relativnČ pomalu. CelkovČ je pĜenosová rychlost dána souþtem rychlostí ve všech kanálech. Používá IEEE 802.11a (5 GHz) a od roku 2003 i 802.11g (rychlost až 54 Mbit/s)

74

14

Kmitoþtová pásma WLAN ¾ Standard IEEE 802.11b a IEEE 802.11g využívají pásmo 2,4 GHz oznaþované ISM (Industrial, Scientific, Medical), standard IEEE 802.11a využívá pásmo 5 GHz.

¾ Jedná se o nelicencovaná kmitoþtová pásma u nichž se k provozu zaĜízení nevyžaduje povolení (ýTÚ). PonČvadž v tČchto pásmech pracují i jiné systémy a zaĜízení (napĜ. mikrovlnné trouby), je pĜedepsán maximální vyzáĜený výkon EIRP = 100 mW a maximální spektrální hustota 10 dBm/1MHz ¾ Pro standard IEEE 802.11 se ve svČtČ používají následující kanály

ZemČ

Kanály

Kmitoþet nosné [GHz]

Evropa (mimo Francie a ŠpanČlska)

1 - 13

2,412 - 2,472

Francie

10 - 13

2,457 - 2,472

ŠpanČlsko

10 - 11

2,457 - 2,462

USA a Kanada

1 - 11

2,412 - 2,462

14

2,484

Japonsko

16

PĜedcházení kolizím WLAN ¾ Urþitým omezením WLAN je problém skrytého uzlu - omezuje komunikaci v síti až o 40% !! ¾ ZaĜízení A detekuje volné pĜenosové médium ve svém okolí (tj. zjistí zda vysílá B), ale to neznamená, že pĜenosové médium je volné u pĜístupového bodu. Ve stejném okamžiku se mĤže o komunikaci s pĜístupovým bodem pokoušet zaĜízení C, které není v dosahu A. ZaĜízení A a C tedy neví, kdy které z nich vysílá. ZaĜízení C je skrytý uzel pro zaĜízení A

AP

C

A B

19

75

Pro minimalizaci kolizí se používá CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - pĜístup pomocí paketĤ RTS (Request To Send) a CTS (Clear To Send) Používají se þtyĜi rámce ¾ ¾ ¾ ¾

RTS CTS ACK (Acknowledge) NAC (Network Allocation Vector)

RTS (Request To Send) CTS (Clear To Send)

Access Point

PC Station

Data ACK (Acknowledge)

20

Formát PLCP rámce (Physical Layer Convergence Protocol) Wlan PLCP hlaviþka

PLCP preambule

16 bitĤ - SFD

Data – promČnlivá délka

128 bitĤ - synchronizace 8 bitĤ – datová rychlost

16 bitĤ - HEC 16 bitĤ - délka 8 bitĤ – vyhrazeno

¾ Jsou definovány dvČ struktury podvrstvy PLCP – dlouhá a krátká preambule. Dlouhou musí obsahovat všechny standardy, krátká je urþena pro zvýšení propustnosti sítČ pĜi pĜenášení speciálních typĤ dat (hlas, videopĜenosy) ¾ PLCP preambule – synchronizaþní pole obsahuje 128 bitĤ (dlouhá) nebo 56 bitĤ (krátká) ¾ OddČlovaþ zaþátku rámce SFD (Start Frame Delimiter) ¾ PLCP hlaviþka: 8 bitĤ DR (Data Rate field), 8 bitĤ pro budoucí použití, 16 bitĤ oznaþuje délku pĜenášených dat, 16 bitĤ CRC kontrola, nČkdy znaþena HEC (Header Error Check) ¾ Celý PLCP rámec se pĜenáší se základní rychlostí 1 Mbit/s, modulací BPSK (z dĤvodĤ zpČtné kompatibility). Potom je teprve pĜenášen samotný datový paket (85% rychlosti fyzické vrstvy)

76

18

33. WiMAX Architektura sítČ ¾ Odpovídá nové generaci struktury bezdrátových sítí na bázi protokolu IP ¾ ZmČna struktury sítČ smČrem k vyšší inteligenci základnové stanice

Laptop

Základnová stanice s IP Ĝadiþem (IP Router) tvoĜí nový prvek sítČ – Radio Router

MIP

63250 / 0/ 0/ 1

2

4 7

*

3

5

6

8

9

0

#

Radio Router

Modem

SíĢový manager HA (Home Agent) – Ĝídí pĜenos dat v rámci jádra sítČ

Radio Router Radio Router

HA

Server AAA (Authentication, Authorization, Accounting) – zpracování uživatelských dat podle nabízené služby

Switch

IP network

GW

AAA

4

10.4 Specifikace fyzické vrstvy ¾

Podle použití existují tĜi základní specifikace fyzické vrstvy • • •

Single Carrier (SC) Modulation – WirelessMAN SCa Multiple Carrier Modulation (256-FTT) – WirelessMAN OFDM Multiple Carrier Access Scheme (2048-FFT) – WirelessMAN OFDMA

ŠíĜka pásma [MHz]

Symbolová rychlost [MSym/s]

20 25 28

16 20 22,4

QPSK Bitová rychlost [Mbit/s] 32 40 44,8

16QAM Bitová rychlost [Mbit/s] 64 80 89,6

64QAM Bitová rychlost [Mbit/s] 96 120 134,4

10.4.1 Single Carrier (SC) Modulation – WirelessMAN SCa ¾ ¾ ¾

Vhodné pro sítČ NLOS v pásmu 2 – 11 GHz, B > 1,25 MHz Používá modulace BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM a 256QAM Podporuje TDD i FDD, pĜístup TDMA

5

77

¾ Definuje rádiový pĜístup tzv. poslední míle (alternativa xDSL, aj.) ¾ Použití pĜedevším ve venkovských oblastech ¾ Podporuje protokoly IPv4, IPv6, ATM, Ethernet, apod. ¾ Spektrální úþinnost až 5 b/s/Hz

¾ Modulaci systém mČní podle odstupu signálu od šumu SNR, což závisí na vzdálenosti uživatele od BS

34 Vývojové trendy v mobilních komunikacích

13.1 Zpracování signálĤ • Robustní modulace odolnČjší vĤþi selektivnímu úniku – modulace s nČkolika nosnými vþetnČ OFDM nebo jednoduché modulace s ekvalizací • Rychlé TPC (Transmitter power Control) • Použití FH (Frequency Hopping) • Vysoce úþinná FEC (Forward Error Correction) – turbo kódy, diverzita, atd.

13.2 ŠíĜení rádiových vln • Rozbor šíĜení signálu s velkou pĜenosovou rychlostí (~20 Mbit/s) uvnitĜ budov (nČkolikanásobné odrazy) • Vliv útlumu atmosféry na šíĜení vln (déšĢ, sníh), atd.

13.3 Softwarové rádio • Snaha posunout digitální zpracování signálu ke vstupu pĜijímaþe • Digitální zpracování signálu – DSP • Jedno z Ĝešení problémĤ koexistence nČkolika mobilních systémĤ (jeden terminál pro nČkolik systémĤ), atd.

30

78

13.4 Antény • Potlaþení interferencí signálĤ • Tvarování vyzaĜovacích charakteristik pomocí adaptivních algoritmĤ pro þasovČ – prostorové zpracování signálĤ • Sledování požadovaného signálu, atd.

vysílající uživatel interferenþní signál uživatelé

20 ° 120 °

dynamicky tvarovaný vyzaĜovací diagram antény

31

13.5 Obvodové Ĝešení • Vysoce úþinné výkonové zesilovaþe • Vstupní nízkošumové zesilovaþe, teplotnČ nezávislé, atd.

13.6 EMC • Hodnocení elektromagnetické kompatibility • Vliv pĤsobení signálĤ cm a mm vln na lidský organismus, atd.

13.7 Trendy ve vývoji systémĤ • PĜechod k systémĤm ryze paketovým (UMTS využívá PS i CS) využívajících IP (MIP) • ZmČna struktury sítČ smČrem k vyšší inteligenci základnové stanice. Základnová stanice s IP Ĝadiþem (IP Router) tvoĜí nový prvek sítČ – Radio Router • Vývoj datového provozu bude pĜevážnČ asymetrický (využívání TDD i FDD s vyšší kapacitou pro downlink) • Kmitoþtová pásma systémĤ se posouvají k vyšším kmitoþtĤm (vČtší šíĜka pásma, problémy se šíĜením signálu) • Využívání pĜístupu pomocí OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), MC-CDMA (Multi Carrier Code Division Multiple Access), MC-DS-CDMA (MC-Direct SequenceCDMA) , aj. Výhody:

Nevýhody:

79

- výborná spektrální úþinnost - odolnost vĤþi impulsnímu rušení - lepší vlastnosti pĜi mnohocestném šíĜení signálu

- modulovaný signál nemá konstantní obálku (použití lineárních výkonových zesilovaþĤ – nízká úþinnost)

32