Zpracování signálu v GSM

Myslím, že by nebylo na škodu, kdyby majitelé mobilních telefonů měli alespoň hrubou představu o tom jak jejich zázračný přístroj funguje.

Pro ty kteří ji zatím nemají, ale mají zájem, je tu následující článek, který volně navazuje a někde dál rozvíjí informace z článku Principy fungování sítě GSM uvedený také v této rubrice. Ve stručnosti si uvedeme základní principy zpracování signálu v telefonech GSM, - zdrojové kódování, kódování kanálu, šifrování a možnost odposlechu , modulaci atd., zkrátka co všechno se děje se signálem na cestě z vašich úst do ucha příjemce.

Na následujícím obrázku vidíte základní blokové schéma GSM telefonu.

obrázek 1 - základní blokové schéma telefonu GSM

Cestu našeho signálu začneme sledovat v mikrofonu. Zde jsou zvukové vlny přeměněny na spojitý elektrický signál (až potud nic nového, že :)

Kódování zdroje

Technický zázrak začíná pomalu vznikat v následující části, kterou je tzv. kodér zdroje, nebo-li kodér řeči. Zde je spojitý signál převeden na nespojitý (číslicový) a co je nejdůležitější dochází na číslicové straně k odstranění zbytečné informace (kmitočtů) které jsou obsaženy v naší řeči, ale které už nejsou nezbytně důležité k tomu aby vám někdo rozuměl, je vám zkrátka rozuměno celkem dobře i bez nich. Hlavním důvodem tohoto odstranění je snížení datového toku nesoucího informaci o naší řeči na minimum.

Metoda která se k tomu používá je metoda parametrická (tzn. přenášejí se jen parametry signálu místo přímého kódování samotného tvaru signálu) a označuje se zkratkou RPE - LTP (Regular (někdy Residual) Pulse Excitation - Long Term Prediction, v češtině snad kódování s dlouhodobým odhadem). Není to zrovna metoda jednoduchá a proto si zde uvedeme jen základní princip (možná časem i něco víc). Takže jdeme na to :

Vstupní spojitý signál je v kodéru nejprve rozdělen na 20 ms úseky, následuje lineární prediktivní kódování v číslicovém LPC filtru jehož přenosová funkce je vypočítávána ze souběžně probíhající analýzy signálu. Poté přichází na řadu filtr LTP ve kterém se sčítá signál z filtru LPC s jeho správně zpožděným a vynásobeným obrazem. Tato operace se nazývá dlouhodobý odhad . Výsledný signál se potom skládá ze

• 188 bitů nesoucích informaci samotného hovoru
• 36 bitů nesoucích informaci o přenosové funkci číslicového filtru LPC
• 36 bitů nesoucích informaci o přenosové funkci číslicového filtru LTP

Ty jsou v multiplexoru sdružovány a tvoří dohromady tzv. hovorové rámce o délce 260 bitů.

To znamená, že do jedné sekundy se vejde těchto rámců 50, odtud tedy bitová rychlost 13 kbit/s. (toto platí pro tzv. Fullrate (FR) a Enhandced Fullrate (EFR), u Halfrate (HR) je rychlost po zakódování poloviční - 6,5 kbit/s).

Putujeme dále: když signál ve zdraví přežije odtučňovací kůru v kodéru zdroje, čeká ho další kódování tentokrát s opačným účinkem signál nabyde na velikosti.

Kódování kanálu

Kvalitu přenosu elektromagnetického signálu ovlivňuje řada jevů, např. rozptyl a lom signálu, Dopplerův efekt, rušení jiným zdrojem signálu. Abychom těmto nežádoucím jevům co nejvíce zabránili, používá se tzv. kódování kanálu které v principu vypadá následovně :

do části hovorového rámce jsou přidány bity, tj. určitá informace navíc, kterých je potom v dekodéru kanálu přijímače použito k odstranění nebo alespoň snížení výskytu chyb.

Velký význam mají v GSM blokové konvoluční kódy které se používají při přenosu hovoru i dat. Jsou účinné při odstraňování rozptýlených chybných bitů, nehodí se však pro více chybových bitů vedle sebe. Princip spočívá v opakovaném vysílání informačních bitů jako část kombinace s jinými bity. Bitová rychlost se sice zvýší, ale na druhou stranu je možné v dekodéru přijímače díky znalosti kombinačních pravidel případné chyby

Uvedeme si princip algoritmu používaného pro kódování kanálu nesoucí řeč. (pro kódování dat se používá odlišný postup) :

Už víte že na výstupu zdrojového kodéru jsou každých 20ms hovorové rámce o velikosti 260 bitů. Tyto bity jsou podle jejich funkce a významu rozděleny těchto tříd :

• Třída 1a - 50 bitů nejvýznamnějších
• Třída 1b - 132 bitů méně významných
• Třída 2 - 78 bitů nejméně významných

Bity Třídy 1a mají ochranný 3bitový CRC kód (cyklický redundantní kód). Je-li zde detekována chyba, je celý rámec posouzen jako příliš poškozený na to aby s ním bylo dále pracováno a je odstraněn. Na jeho místo je vložena upravená (nevím jakým způsobem, víte-li někdo, napište) verze předchozího správně přijatého rámce. Těchto 53 bitů spolu s 132 bity Třídy 1b a 4 okrajovými bity, tedy celkem 189 bitů, přichází na vstup konvolučního kodéru s účinností 1/2 (poměr vstupního a výstupního signálu). To znamená, že každý vstupní bit je zakódován do 2 bitů výstupních na základě určité kombinace 4 vstupních bitů. Zbylých 78 bitů Třídy 2 se již nekóduje.

Na výstupu konvolučního kodéru je 378 + 78 bitů.

Konvolučním kódováním je tedy vstupní signál o rychlosti 13 kbit/s (hovorový rámec 260 bit / 20 ms), zvětšen a urychlen na velikost 22,8 kbit/s (kódové bloky 456 bitů / 20 ms)

V sítích GSM se podle druhu přenášeného signálu používají i tyto druhy kódů:

• paritní kódy - používají se spolu s předchozím kódováním např., při synchronizaci. Princip je jednoduchý - jednotlivé bloky bitů se doplní tzv. paritním bitem na sudou nebo lichou paritu. Nesouhlasí-li při příjmu parita udána paritním bitem, nastala chyba. (pozn. sudá parita - sudý počet 1)

• binární blokové kódy - např. Fireho kód, používá se při signalizaci, je účinnější při odstraňování shluků chyb. Princip spočívá v přidání bitů získaných operací EX-OR na informační bity

Prokládání

Po této zvětšovací kůře signál dále putuje do části ve které dochází k jeho tzv. prokládání (interleaving). Tím je ještě více zvýšena odolnost signálu proti shlukům chyb. Ve stručnosti vypadá to takto :

Na vstup přicházejí každých 20 ms kódové bloky o velikosti 456 bitů, které jsou následně rozděleny do 8 skupin, každá o velikosti 57 bitů. Ty jsou potom prokládány se 4 posledními skupinami předchozího kódového bloku a 4 prvními následujícího bloku . Tímto proložením se zabraňuje vzniku shluku chybových bitů, jestliže v totiž nějakém okamžiku dojde např. k zarušení signálu a k vzniku více chybných bitů pohromadě, je potom tento shluk chyb opačnou operací rozředěn (odborně se tomu říká restituce prokládání - deinterleaving) zpět do bitových skupin a s těmito rozptýlenými chybnými bity si konvoluční dekodér už umí poradit. (horší je když restitucí prokládání naopak vznikne shluk chyb, ale tato pravděpodobnost je velmi malá:)

2 sousední proložené skupiny o 57 bitech tvoří tzv. burst o délce 114 bitů. Burst je doplněn ještě tréninkovou sekvencí o délce 26 bitů dále okrajovými a ochrannými bity, a to vše dohromady tvoří známý normal burst (nebo také time slot) o délce trvání cca 0.577ms (přesně15/26 ms). 8 normal burstů tvoří TDMA rámec 26 TDMA rámců tvoří multirámec, viz následující obrázek

obrázek 2 - normal burst, TDMA rámec, mulirámec

Takže teď máme signál v číslicové podobě, ze zdrojového kodéru zeštíhlený na 13 kbit/s a z kodéru kanálu naopak zvětšený a rychleji kmitající na 22,8kbit/s a navíc proložený mezi sebou samým.

Ekvalizace

Tréninková sekvence zmiňovaná výše je vkládána proto, poněvadž pomocí ní je přijímač schopný nastavit vnitřní obvody tak aby přijatý signál byl co nejméně zkreslený a s co nejmenší chybovostí. Tyto nežádoucí jevy jsou následkem šíření elektromagnetických vln v pásmu kolem 900 MHz (odrazy ,rozptyly, atd.)

Někdo chytrý totiž přišel na to, že na frekvenční kanál je možné se dívat jako na časově proměnný filtr, který přenášený signál různě zkresluje tj. mění se v čase jeho přenosová funkce.

Přijímač v pravidelných intervalech odhaduje přenosovou funkci frekvenčního kanálu právě pomocí tréninkové sekvence vyslanou uprostřed každého normal burstu (time slotu) a porovnává jí s referenční hodnotou uloženou v paměti. Výsledkem tohoto porovnání je nastavení parametrů tzv. korekčního adaptivního filtru tak, aby jeho přenosová funkce byla v každém okamžiku inverzní k přenosové funkci frekvenčního kanálu. Tím je dosaženo co nejmenšího zkreslení.

Šifrování

Šifrování je používáno k ochraně dat před nežádoucím odposlechem. Používá se tzv. proudové šifrování. Jakmile dojde k autentizaci mobilní stanice v síti, je vypočten na straně MS a sitě GSM tajný klíč Kc o délce 64b. Tento klíč Kc a číslo TDMA rámce o délce 22 bitů jsou vstupy pro pro algotimus A5 (obsažen v telefonu, ne na SIM kartě) který na výstupu generuje pseudonáhodnou posloupnost.

Na tuto posloupnost a 114 bitové bursty je použita operace XOR čímž dojde k zašifrování přenášených dat. A5 je velmi rychlý, musí totiž stihnout vyrobit během trvání TDMA rámce (4,615ms) 228 bitů posloupnosti (hesla), protože oba směry přenosu jsou šifrovány a dešifrovány jiným heslem.

(pozn. Existují již nejméně 3 teoretické útoky na algoritmus A5 se složotostí 2 ⁴⁵, 2 ⁴⁴, a 2 ⁴⁰ , které dokázali že A5 je prolomitelný. Hlavním nedostatkem A5 je příliš krátký klíč Kc a slabiny má i samotný A5). Je-li k dispozici potřebné technické vybavení dá se váš hovor rozšifrovat, postupy jsou už známé .

Modulace nosné vlny

Sledujeme signál dále , teď je třeba ho namodulovat na nosnou vlnu. Jako způsob modulace nosné pro GSM byla zvolena tzv. modulace GMSK (Gussovská modulace s minimálním zdvihem - Gaussian Minimum Shift Keying), která patří mezi skupinu modulací nazývaných Nelinaární digitální modulace s pamětí (tzn. že počet stavů modulátoru je větší než 1).

Modulace GMSK je speciálním případem modulace CPM (modulace se spojitou fází - Continuous Phase Modulation) která je zobecněním modulace CPFSK (frekvenční klíčování se spojitou fází - Continuous Phase Frequency Shift Keying) jejíž základem je modulace FSK (frekvenční klíčování) :-)

Shrnuto a zjednodušeno - jedná se o 2 stavovou modulaci, jejíž základní podstatou je klíčování frekvenčním zdvihem (posuvem), tedy změní-li se vstupní signál z 0 na 1 dojde k posunutí (zdvihu) kmitočtu nosné vlny. Na tomto kmitočtu nosná zůstane do doby než se znovu změní logické úrovně na vstupu modulátoru. Ve skutečnosti jde o mnohem složitější proces, např. musí být zamezeno skokovým změnám fáze při změnách logických úrovní vstupního signálu, které způsobují nežádoucí zvýšení výkonové spektrální hustoty postraních laloků. To se dosahuje tím, že bity přicházejí na vstup modulátoru v okamžiku kdy nosná vlna prochází nulou a jsou navíc ještě v tzv. dolní propusti gaussovského typu zaobleny, tím se prodlouží jejich doba náběhu a nosná vlna se může mezitím plynule přelaďovat na danou frekvenci.

obrázek 3 - blokové schéma GMSK

Pomalé frekvenční skoky nosné vlny

V této chvíli náš hlas už putuje namodulovaný na nosné vlně prostorem k BTSce. Jak už asi víte, v GSM jsou nosné vlny od sebe vzdáleny 200 kHz a na jednu nosnou se vejde celkem 8 hovorů časově za sebou poskládaných v TDMA rámci trvajícím 4,615 ms (přesněji 120/26 ms :).

Mobilní telefon a BTS během hovoru nekomunikují stále na stejných nosných vlnách, ale společně přeskakují na jiné nosné a to přibližně 217 krát za 1s (4,615 ms ^-1 =216,684), jinak řečeno během trvání 1 TDMA se přelaďují (přeskakují) mezi vysílacím, přijímacím a monitorovacím time slotem, které se pokaždé nachází na různých frekvencích. Tato činnost se nazývá tzv. pomalé frekvenční skoky (SFH - Slow Frequency Hoping) a algoritmus které to vše řídí je vysílán na kontrolním kanálu (Broadcast Control Channel ). Toto opatření snižuje nebezpečí ztráty spojení a také vede k lepšímu využití frekvenčních kanálů .

Nekontinuální vysílání - DTX

Náš signál teď přeskakuje po nosných vlnách. Je zde další zajímavost a tím je funkce označovaná jako nespojité vysílaní nebo-li DTX (Discontinuous Transmission).

Jeho základem je poznatek, že člověk běžně mluví do mikrofonu méně než 40% času stráveného telefonováním a ve zbylém čase poslouchá a dělá pauzy. Proto je zbytečné, aby byly vnitřní obvody telefonu neustále napájeny na maximum. V přestávkách kdy nehovoříme je tedy napájení telefonu sníženo, čímž se prodlužuje životnost akumulátorů a co je z hlediska sítě důležitější, je snížení interferencí mezi kanály.

Tento proces řídí tzv. detektor hlasové aktivity (VAD - Voice Activity Detection) který na vstupu musí na šumovém pozadí rozeznat kdy hovoříme a kdy ne.

Když je náš hlas špatně interpretován jako šum (což se mě stalo když mi volal někdo s auta), vysílač sníží svůj výkon a na druhém konci je slyšet nepříjemné praskání (někdy nazývané anglicky clipping) nebo v krajním případě je na přijímací straně slyšet jen ticho. To může navodit dojem, že spojení bylo přerušeno, proto přijímač vytváří minimální šum nazývaný jako comfort noise aby jste náhodou předčasně neukončily hovor. Nastane-li opačný případ, tj. VAD považuje šum za hlas, účinnost DTX je velmi snížena, což vede k rychlejšímu vybití akumulátorů.

Nekontinuální příjem - DRX

Vedle DTX existuje i funkce DRX - nespojitý příjem (Discontinuous Receive), díky které telefon ví v jakých časových intervalech má očekávat další část hovoru a v těchto intervalech opět snížit napájení svých obvodů.

Řízení vysílacího výkonu

Další funkcí šetřící baterie, ale především omezující vzájemné rušení jednotlivých kanálů je řízení vysílacího výkonu. Telefon i BTS navzájem komunikují s nejmenším možným výkonem zaručujícím určitou kvalitu (chybovost) spojení . Výkon lze na vzestupné trase (od telefonu k BTS) měnit v 2dB krocích v rozsahu 20 - 30dB podle výkonové třídy telefonu. V opačném směru také po 2dB krocích v rozsahu až 30 dB .

Tak to by bylo ve stručnosti vše co se děje, máte-li nějaké dotazy nebo připomínky, pište, pište , pište .