Umts-cellular-concepts-gsm-radio-link
セルラーコンセプト-GSM無線リンク
BTSとMSは無線リンクを介して接続され、このエアインターフェイスはUmと呼ばれます。 電波は減衰、反射、ドップラーシフト、および他の送信機からの干渉を受けます。 これらの影響により、信号強度と歪みが失われ、音声またはデータの品質に影響を与えます。 厳しい条件に対処するために、GSMは効率的で保護された信号処理を利用しています。 適切なセルラー設計により、エリア内で十分な無線カバレッジが提供されるようにする必要があります。
モバイルの信号強度の変動は、信号強度のフェージングの種類が異なるためです。 信号強度には2つのタイプがあります。
- 巨視的変動-BTSとMSの間の地形の輪郭による。 フェーディング効果は、電波のシャドーイングと回折（曲げ）によって引き起こされます。
- 微視的変動-マルチパス、短期またはレイリーフェージングによる。 MSが移動すると、さまざまなパスからの電波が受信されます。
レイリーフェージング
レイリーフェージングまたは巨視的変動は、モバイルと基地局間の経路損失を構成する2つのコンポーネントの追加としてモデル化できます。 最初のコンポーネントは、ベースとモバイル間の距離（R）が増加するにつれて信号強度に損失を追加する決定論的コンポーネント（L）です。 このコンポーネントは次のように書くことができます-
L = 1/R ^ n ^
nは通常4です。 もう1つの巨視的なコンポーネントは、地形の変動や無線経路の他の障害物によって引き起こされるシャドウフェーディングの影響を考慮した対数正規ランダム変数です。 経路損失の局所平均値=確定的成分+対数正規確率変数。
微視的な変動またはレイリーフェージングは、モバイルとベース間の距離に比べてモバイルが短距離を移動するときに発生します。 これらの短期的な変動は、丘、建物、または交通などのモバイルユニットの近くでの信号散乱によって引き起こされます。 これは、送信機と受信機の間でたどられる多くの異なる経路につながります（マルチパス伝搬）。 反射波は位相と振幅の両方で変化します。 反射波の位相がダイレクトパス信号と180度ずれている場合、信号は事実上消失する可能性があります。 複数の受信信号間の部分的な位相のずれの関係により、受信信号強度の減少が小さくなります。
レイリーフェージングの影響
反射とマルチパスの伝播は、正と負の効果を引き起こす可能性があります。
送信/受信プロセス
デジタル無線リンクを介した情報の送受信、コーディング、および変調には、2つの主要なプロセスが関係しています。
カバレッジ拡張
マルチパス伝搬により、無線信号は丘や建物の後ろからトンネルに到達できます。 *建設的および破壊的干渉*マルチパスを介して受信した信号は、互いに加算または破壊される場合があります。
コーディング
コーディングとは、基本的なデータ信号を準備し、それらを保護し、無線リンクが処理できる形式にするための情報処理です。 通常、コーディングプロセスには論理排他的OR（EXOR）が含まれます。 コーディングはに含まれています-
- 音声コーディングまたはトランスコーディング
- チャネルコーディングまたは前方誤り訂正コーディング
- インターリーブ
- 暗号化
バーストフォーマット
人間の音声は300Hz〜3400Hzの帯域に制限されており、アナログシステムで周波数変調を受けます。 デジタル固定PSTNシステムでは、帯域制限された音声が8KHzのレートでサンプリングされ、サンプリングされたそれぞれが64ビット（PCM A-Law of encoding）につながる8ビットにエンコードされます。 デジタルセルラー無線は、PSTNシステムに使用される高ビットレートを処理できません。 ビットレートを削減するために、信号解析と処理のスマートな手法が開発されました。
スピーチのプロパティ
人間の音声は基本音（音素）で区別できます。 言語に応じて、30〜50の異なる音素があります。 人間の声は1秒あたり最大10個の音素を生成できるため、音声を転送するには約60ビット/秒が必要です。 ただし、個々の機能とイントネーションはすべて消えます。 個々の機能を保持するために、送信される情報の実際の量は何倍も高くなりますが、PCMに使用される64 Kbit/sの一部です。
音声の人間の器官の音素生成メカニズムに基づいて、簡単な音声生成モデルを作成できます。 10〜30ミリ秒の短い時間間隔の間、ピッチ周期、有声/無声、増幅ゲイン、およびフィルターパラメーターなどのモデルパラメーターは、定常（準定常）のままです。 このようなモデルの利点は、線形予測によるパラメーターの簡単な決定です。
音声コーディング技術
音声コーディング技術には3つのクラスがあります
- 波形コーディング-音声は波形コーディングで可能な限り良好に送信されます。 PCMは、波形コーディングの例です。 ビットレートの範囲は24〜64kbpsで、音声の品質は良好であり、話者は簡単に認識できます。
- パラメータのコーディング-非常に限られた量の情報のみが送信されます。 音声生成モデルに従って構築されたデコーダーは、受信機で音声を再生成します。 音声伝送には1〜3kbpsのみが必要です。 再生された音声はわかりやすいですが、ノイズに悩まされ、多くの場合、話者を認識できません。
- ハイブリッドコーディング-ハイブリッドコーディングは、波形コーディングとパラメータコーディングを組み合わせたものです。 両方の手法の長所を組み合わせ、GSMはRPE-LTP（レギュラーパルス励起長期予測）と呼ばれるハイブリッドコーディング手法を使用して、音声チャネルあたり13Kbpsを実現します。
GSMの音声コーディング（トランスコーディング）
標準のA-lawからサンプルごとに8ビットを量子化した64 kbits/s PCMは、サンプルストリームあたり104 kbits/sのビットレートに対応する線形に量子化された13ビットにトランスコードされました。 104kbits/sストリームはRPE-LTPスピーチエンコーダーに送られ、160サンプルのブロック内の13ビットサンプル（20msごと）を取得します。 RPE-LTPエンコーダーは20ミリ秒ごとに260ビットを生成するため、ビットレートは13 kbits/sになります。 これにより、モバイルテレフォニーに適した音声品質が提供され、有線PSTN電話に匹敵します。 GSM 13Kbpsでは、音声コーディングはフルレートコーダーと呼ばれます。 また、容量を強化するためにハーフレートコーダー（6.5Kbps）も利用できます。
チャネルコーディング/畳み込みコーディング
GSMのチャネルコーディングは、チャネルコーディングへの入力として音声コーディングの260ビットを使用し、456エンコードビットを出力します。 RPE-LTP音声コーダーによって生成される260ビットのうち、182は重要なビットとして、78は重要でないビットとして分類されます。 ここでも、182ビットが50の最も重要なビットに分割され、53ビットにブロックコーディングされ、132ビットと4テールビットが追加され、合計189ビットになり、1：2の畳み込みコーディングが行われ、189ビットが378ビットに変換されます これらの378ビットに重要でない78ビットが追加され、456ビットになります。
インターリーブ-最初のレベル
チャネルコーダーは、20msの音声ごとに456ビットを提供します。 これらはインターリーブされ、下図に示すように、それぞれ57ビットの8つのブロックを形成します。
57ビットのブロックへの通常のバーストでは対応でき、1つのバーストが失われた場合、20ミリ秒全体で25％のBERがあります。
インターリーブ-第2レベル
可能なBERをさらに12.5％に減らすために、第2レベルのインターリーブが導入されました。 1つのバースト内で同じ20ミリ秒の音声から57ビットの2つのブロックを送信する代わりに、1つの20ミリ秒からのブロックと20ミリ秒の次のサンプルからのブロックが一緒に送信されます。 MSが次の20msの音声を待つ必要がある場合、システムに遅延が発生します。 ただし、損失は各20ms音声フレームの合計ビットの12.5％に過ぎないため、システムは8つのうちバースト全体を失う余裕があります。 12.5％は、チャネルデコーダーが修正できる最大損失レベルです。
暗号化/暗号化
暗号化の目的は、受信者以外のデバイスによって解釈されないようにバーストをエンコードすることです。 GSMの暗号化アルゴリズムは、A5アルゴリズムと呼ばれます。 バーストにビットを追加しません。つまり、暗号化プロセスへの入力と出力は入力と同じで、20ミリ秒あたり456ビットです。 暗号化の詳細は、GSMの特別な機能で利用できます。
多重化（バーストフォーマット）
モバイル/BTSからのすべての送信には、基本データとともにいくつかの追加情報が含まれている必要があります。 GSMでは、20msのブロックごとに合計136ビットが追加され、全体の合計は592ビットになります。 33ビットのガード期間も追加され、20ミリ秒あたり625ビットになります。
変調
変調とは、信号を物理的に準備し、RFキャリアで情報を転送できるようにする処理です。 GSMは、ガウス最小シフトキーイング手法（GMSK）を使用します。 キャリア周波数は+/- B/4だけシフトされます。ここで、B =ビットレートです。 ただし、ガウスフィルターを使用すると、帯域幅は0.5ではなく0.3に減少します。
GSMの特別な機能
以下にリストされているのは、次のセクションで説明するGSMの特別な機能です-
- 認証
- 暗号化
- タイムスロットスタガリング
- タイミングアドバンス
- 不連続送信
- パワーコントロール
- 養子イコライゼーション
- 低速ホッピング
認証
エアインターフェイスは不正アクセスに対して脆弱であるため、サービスを加入者に拡張する前に認証を使用する必要があります。 認証は、次の概念に基づいて構築されています。
- 認証キー（Ki）は、SIMカードと認証センターの2つの場所にのみ存在します。
- 認証キー（Ki）は無線で送信されることはありません。 権限のない個人がこのキーを取得して、特定のモバイル加入者になりすますことは事実上不可能です。
認証パラメータ
MSは、3つのパラメータを使用するプロセスでVLRによって認証されています-
- 完全に乱数であるRAND。
- 認証署名付き応答であるSRES。 認証アルゴリズム（A3）をRANDとKiに適用することで生成されます。
- 暗号鍵であるKc。 暗号鍵生成アルゴリズム（A8）をRANDおよびKiに適用することにより生成されるKcパラメーター。
これらのパラメーター（認証トリプレットと呼ばれる）は、加入者が属するHLRの要求でAUCによって生成されます。 アルゴリズムA3およびA8は、PLMNオペレーターによって定義され、SIMによって実行されます。
認証フェーズの手順
- 新しいVLRは、指定されたIMSIで利用可能な「認証トリプレット」（RAND、SRES、およびKc）を要求する要求をHLR/AUC（認証センター）に送信します。
- IMSIを使用するAUCは、加入者認証キー（Ki）を抽出します。次に、AUCは乱数（RAND）を生成し、認証アルゴリズム（A3）と暗号鍵、生成アルゴリズム（A8）の両方にKiとRANDを適用します。認証署名付き応答（SRES）および暗号鍵（Kc）を生成します。 次に、AUCは、新しいトリプレットであるRAND、SRES、およびKcを新しいVLRに返します。
- MSC/VLRは、後で使用するために2つのパラメーターKcとSRESを保持し、MSにメッセージを送信します。 MSはSIMから認証キー（Ki）を読み取り、受信した乱数（RAND）とKiを認証アルゴリズム（A3）と暗号鍵生成アルゴリズム（A8）の両方に適用して、認証署名応答（SRES）と暗号を生成しますキー（Kc）。 MSは後で使用するためにKcを保存し、チャネルを暗号化するコマンドを受信するときにKcを使用します。
- MSは、生成されたSRESをMSC/VLRに返します。 VLRは、MSから返されたSRESと、AUCから以前に受信した予想SRESを比較します。 等しい場合、モバイルは認証に合格します。 等しくない場合、すべてのシグナリングアクティビティが中止されます。 このシナリオでは、認証に合格したと想定します。
暗号化/暗号化
データは、114ビットのプレーンテキストデータバーストを取得し、114ビット暗号ブロックでEXOR（排他的OR）論理関数操作を実行することにより、トランスミッタ側で114ビットのブロックで暗号化されます。
受信側の復号化機能は、114ビットの暗号化されたデータブロックを取得し、送信側で使用された同じ114ビット暗号ブロックを使用して同じ「排他的OR」操作を実行することによって実行されます。
特定の伝送方向の伝送パスの両端で使用される暗号ブロックは、A5と呼ばれる暗号化アルゴリズムによってBSSとMSで生成されます。 A5アルゴリズムは、コールセットアップ中の認証プロセス中に生成される64ビット暗号キー（Kc）と、0〜2715647の10進数値を取り、3.48時間の繰り返し時間を持つ22ビットTDMAフレーム番号（COUNT）を使用します。 （ハイパーフレーム間隔）。A5アルゴリズムは、実際には各TDMA期間中に2つの暗号ブロックを生成します。 アップリンクパスの1つのパスとダウンリンクパスのもう1つのパス。
タイムスロットスタガリング
タイムスロットスタガリングは、ダウンリンクのタイムスロット編成からアップリンクのタイムスロット編成を導出する原理です。 アップリンクの特定のタイムスロットは、ダウンリンクのタイムスロット番号を3シフトすることでダウンリンクから導出されます。
理由
3つのタイムスロットをシフトすることにより、モバイルステーションは「送信と受信」プロセスを同時に回避します。 これにより、モバイルステーションの実装が容易になります。移動局の受信機を同じ移動局の送信機から保護する必要はありません。 通常、モバイルステーションは1つのタイムスロットで受信し、GSM-900の場合は45 MHz、GSM-1800の場合は95 MHz周波数をシフトして、後で送信します。 これは、ダウンリンクとアップリンクにそれぞれ1つのタイムベースがあることを意味します。
タイミングアドバンス
タイミングアドバンスは、伝播遅延を補正するために、バーストをBTSに早期に送信するプロセス（タイミングアドバンス）です。
なぜ必要なのですか？
無線パスで使用される時分割多重化スキームのために必要です。 BTSは、互いに非常に近い異なる移動局から信号を受信します。 ただし、移動局がBTSから遠く離れている場合、BTSは伝搬遅延を処理する必要があります。 BTSで受信したバーストがタイムスロットに正しく収まることが重要です。 そうしないと、隣接するタイムスロットを使用するモバイルステーションからのバーストが重複する可能性があり、その結果、伝送が低下したり、通信が失われたりする可能性があります。
接続が確立されると、BTSは自身のバーストスケジュールとモバイルステーションバーストの受信スケジュールの間の時間オフセットを継続的に測定します。 これらの測定に基づいて、BTSはSACCHを介して必要なタイミングアドバンスを移動局に提供できます。 タイミングアドバンスは、ハンドオーバプロセスでも使用される距離測定から導出されることに注意してください。 ＢＴＳは、知覚されたタイミングアドバンスに従ってタイミングアドバンスパラメータを各移動局に送信する。 その後、各移動局はタイミングを進め、その結果、異なる移動局からの信号がBTSに到着し、伝搬遅延が補償されます。
タイムアドバンスプロセス
- 6ビットの数値は、MSが送信を進める必要があるビット数を示します。 今回はTAです。
- アクセスバーストの68.25ビット長のGP（ガード期間）は、送信時間を進めるために必要な柔軟性を提供します。
- タイムアドバンスTAは、0〜233マイクロ秒の遅延に対応する0〜63ビット長の値を持つことができます。 たとえば、BTSから10 km離れたMSは、往復遅延を補償するために66マイクロ秒早く送信を開始する必要があります。
- 35Kmの最大移動範囲は、信号強度ではなく、タイミングアドバンス値によって決定されます。
