Cellular Concepts – GSM Radio Link

BTS dan MS terhubung melalui tautan radio dan antarmuka udara ini disebut Um. Gelombang radio tunduk pada pelemahan, refleksi, pergeseran Doppler, dan gangguan dari pemancar lainnya. Efek ini menyebabkan hilangnya kekuatan sinyal dan distorsi yang berdampak pada kualitas suara atau data. Untuk mengatasi kondisi yang keras, GSM memanfaatkan pemrosesan sinyal yang efisien dan protektif. Desain seluler yang tepat harus memastikan bahwa jangkauan radio yang memadai disediakan di daerah tersebut.

Variasi kekuatan sinyal untuk ponsel disebabkan oleh berbagai jenis kekuatan sinyal yang memudar. Ada dua jenis variasi kekuatan sinyal.

Variasi Makroskopik – Karena kontur medan antara BTS dan MS. Efek fading disebabkan oleh pembayangan dan difraksi (tekukan) dari gelombang radio.

Variasi mikroskopis – Karena multipath, Jangka pendek atau Rayleigh fading. Ketika MS bergerak, gelombang radio dari berbagai jalur akan diterima.

Rayleigh Fading

Rayleigh Fading atau Variasi Makroskopik dapat dimodelkan sebagai penambahan dua komponen yang membentuk path loss antara ponsel dan stasiun pangkalan. Komponen pertama adalah komponen deterministik (L) yang menambah kehilangan kekuatan sinyal ketika jarak (R) meningkat antara basis dan ponsel. Komponen ini dapat ditulis sebagai:

L = 1 / Rn

Dimana n biasanya 4. Komponen makroskopik lainnya adalah variabel acak normal Log yang memperhitungkan efek pemudaran bayangan yang disebabkan oleh variasi dalam medan dan penghalang lainnya di jalur radio. Nilai rata-rata lokal dari path loss = komponen deterministik + log variabel acak normal.

Variasi Mikroskopis atau Rayleigh Fading terjadi ketika ponsel bergerak jarak pendek dibandingkan dengan jarak antara ponsel dan pangkalan. Variasi jangka pendek ini disebabkan oleh hamburan sinyal di sekitar unit ponsel yang dikatakan oleh bukit, gedung, atau lalu lintas. Ini mengarah ke banyak jalur berbeda yang diikuti antara pemancar dan penerima (Propagasi Multipath). Gelombang pantul diubah dalam fase dan amplitudo. Sinyal dapat hilang secara efektif jika gelombang pantulan 180 derajat dari fase dengan sinyal jalur langsung. Hubungan parsial dari fase antara beberapa sinyal yang diterima menghasilkan pengurangan yang lebih kecil dalam kekuatan sinyal yang diterima.

Efek Rayleigh Fading
Refleksi dan propagasi multipath dapat menyebabkan efek positif dan negatif.

Proses Pengiriman / Penerimaan
Ada dua proses utama yang terlibat dalam mengirimkan dan menerima informasi melalui tautan radio digital, pengkodean, dan modulasi.

Coverage Extension

Propagasi multipath memungkinkan sinyal radio untuk menjangkau di belakang bukit dan gedung dan menuju terowongan. Sinyal interferensi konstruktif dan destruktif yang diterima melalui multi jalur dapat ditambahkan bersama atau saling menghancurkan

Coding

Pengkodean adalah pemrosesan informasi yang melibatkan persiapan sinyal data dasar sehingga dilindungi dan diletakkan dalam bentuk yang dapat ditangani oleh tautan radio. Secara umum proses pengkodean termasuk Logical EXclusive OR (EXOR). Pengkodean termasuk dalam –

1. Speech coding or Trans coding
2. Channel coding or Forward Error Correction coding
3. Interleaving
4. Encryption

Burst Formatting

Suara manusia dibatasi oleh frekuensi 300Hz hingga 3400Hz dan melakukan Frekuensi Modulasi dalam sistem analog. Dalam sistem PSTN digital tetap, bicara terbatas pita sampel pada kecepatan 8KHz dan setiap sampel dikodekan menjadi 8 bit yang mengarah ke 64Kbps (PCM A-Law of encoding). Radio seluler digital tidak dapat menangani laju bit tinggi yang digunakan untuk sistem PSTN. Teknik cerdas untuk analisis dan pemrosesan sinyal telah dikembangkan untuk mengurangi laju bit

Speech Properties

Pidato manusia dapat dibedakan dalam bunyi dasar (Fonem). Tergantung pada bahasanya, ada 30 hingga 50 fonem yang berbeda. Suara manusia mampu menghasilkan hingga 10 fonem per detik, sehingga sekitar 60 bit / s diperlukan untuk mentransfer ucapan. Namun, semua fitur dan intonasi individual akan hilang. Untuk mempertahankan fitur individual, jumlah sebenarnya dari informasi yang akan dikirim adalah beberapa kali lebih tinggi, tetapi masih sebagian kecil dari 64 Kbit / s yang digunakan untuk PCM.

Berdasarkan mekanisme produksi fonem dari organ-organ bicara manusia, model produksi ujaran yang sederhana dapat dibuat. Tampaknya selama interval waktu pendek 10-30 ms, parameter model seperti pitch-periode, disuarakan / tidak disuarakan, penguatan amplifikasi, dan parameter filter tetap tentang stasioner (quasi stasioner). Keuntungan dari model seperti itu adalah penentuan parameter yang sederhana dengan prediksi linier.

Speech Coding Techniques

Ada 3 kelas teknik pengkodean ucapan

Waveform Coding – Ucapan ditransmisikan sebaik mungkin dalam pengkodean bentuk gelombang. PCM adalah contoh pengkodean bentuk gelombang. Kecepatan bit berkisar dari 24 hingga 64 kbps dan kualitas bicaranya bagus dan speaker dapat dikenali dengan mudah.

Parameter Coding – Hanya sejumlah kecil informasi yang dikirim. Dekoder yang dibangun sesuai dengan model produksi ucapan akan membuat ulang pidato di penerima. Hanya 1 hingga 3kbps yang diperlukan untuk transmisi ucapan. Pidato yang diregenerasi dapat dipahami tetapi mengalami noise dan seringkali speaker tidak dapat dikenali.

Hybrid Coding – Hybrid Coding adalah perpaduan pengkodean bentuk gelombang dan pengkodean parameter. Ini menggabungkan poin kuat dari kedua teknik dan GSM menggunakan teknik pengkodean hybrid yang disebut RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Prediction) yang menghasilkan 13Kbps per saluran suara.

Speech Coding in GSM (Transcoding)

64kbits / s PCM yang ditranskodekan dari standar-hukum A mengukur 8bits per sampel menjadi 13bits yang dikuantisasi secara linier per bit stream sampel yang sesuai dengan bit rate 104kbits / s. Aliran 104 kbits / s dimasukkan ke dalam encoder ucapan RPE-LTP yang mengambil sampel 13 bit dalam blok 160 sampel (setiap 20 ms). Encoder RPE-LTP menghasilkan 260bits dalam setiap 20 ms, menghasilkan bit rate 13kbits / s. Ini memberikan kualitas suara yang dapat diterima untuk telepon seluler dan dapat dibandingkan dengan telepon PSTN kabel. Dalam GSM, pidato coding 13Kbps disebut pengkode tingkat penuh. Atau, setengah pengkode kecepatan (6.5Kbps) juga tersedia untuk meningkatkan kapasitas.

Coding Saluran / Coding Konvolusional

Pengkodean saluran dalam GSM menggunakan 260 bit dari pengodean suara sebagai input ke pengodean saluran dan menghasilkan 456 bit yang disandikan. Dari 260 bit yang diproduksi oleh RPE-LTP speech coder, 182 diklasifikasikan sebagai bit penting dan 78 bit tidak penting. Sekali lagi 182 bit dibagi menjadi 50 bit paling penting dan diblok kode menjadi 53 bit dan ditambahkan dengan 132 bit dan 4 bit bit, berjumlah total 189 bit sebelum menjalani pengkodean konvolusional 1: 2, mengubah 189 bit menjadi 378 bit. 378 bit ini ditambahkan dengan 78 bit tidak penting yang menghasilkan 456 bit.

Interleaving – First Level

Saluran coder menyediakan 456 bit untuk setiap 20ms berbicara. Ini disisipkan, membentuk delapan blok masing-masing 57 bit, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Dalam burst normal ke blok 57 bit dapat ditampung dan jika 1 burst tersebut hilang ada BER 25% untuk seluruh 20ms.

Interleaving – Second Level

Level kedua interleaving telah diperkenalkan untuk mengurangi kemungkinan BER menjadi 12,5%. Alih-alih mengirim dua blok 57 bit dari 20 ms ucapan yang sama dalam satu ledakan, satu blok dari satu 20 ms dan satu blok dari sampel 20ms berikutnya dikirim bersama-sama. Penundaan diperkenalkan dalam sistem ketika MS harus menunggu 20 ms pidato berikutnya. Namun, sistem sekarang mampu kehilangan seluruh ledakan, dari delapan, karena kerugian hanya 12,5% dari total bit dari setiap kerangka bicara 20ms. 12.5% adalah tingkat kehilangan maksimum yang dapat diperbaiki oleh decoder saluran.

Encryption /Ciphering

Tujuan dari Ciphering adalah untuk menyandikan burst sehingga tidak dapat ditafsirkan oleh perangkat lain selain penerima. Algoritma Ciphering dalam GSM disebut algoritma A5. Itu tidak menambahkan bit ke burst, artinya input dan output ke proses Ciphering sama dengan input: 456 bit per 20ms. Detail tentang Enkripsi tersedia di bawah fitur khusus GSM.

Multiplexing (Burst Formatting)

Setiap transmisi dari ponsel / BTS harus menyertakan beberapa informasi tambahan bersama dengan data dasar. Dalam GSM, total 136 bit per blok 20ms ditambahkan sehingga total keseluruhan menjadi 592 bit. Periode penjaga 33 bit juga ditambahkan membawa 625 bit per 20 ms.

Modulation

Modulasi adalah pemrosesan yang melibatkan persiapan fisik sinyal sehingga informasi dapat diangkut pada pembawa RF. GSM menggunakan teknik Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). Frekuensi pembawa digeser oleh +/- B / 4, di mana B = Bit rate. Namun menggunakan filter Gaussian, mengurangi bandwidth menjadi 0,3 bukannya 0,5.

Special Features of GSM

Di bawah ini adalah fitur-fitur khusus GSM yang akan kita bahas di bagian berikut –

• Authentication
• Encryption
• Time Slot Staggering
• Timing Advance
• Discontinuous transmission
• Power Control
• Adoptive equalization
• Slow Frequency Hopping

Authentication

penghubung antara Mobile Station (MS) dan Base Transceiver Station (BTS) rawan akan akses penipuan, maka perlu untuk menggunakan otentikasi sebelum memperluas layanan ke pelanggan. Otentikasi dibangun di sekitar gagasan berikut.

• Authentication Key (Ki) resides only in two places, SIM card and Authentication Center.
• Authentication Key (Ki) is never transmitted over air. It is virtually impossible for unauthorized individuals to obtain this key to impersonate a given mobile subscriber.

Authentication Parameters

MS diautentikasi oleh VLR dengan proses yang menggunakan tiga parameter –

• RAND which is completely random number.
• SRES yang merupakan respons untuk menyetujui autentikasi. Ini dihasilkan dengan menerapkan algoritma otentikasi (A3) to RAND and Ki.
• Kc which is cipher key. The Kc parameter generated by applying the cipher key generation algorithm (A8) to RAND and Ki.

Parameter-parameter ini (dinamai triplet otentikasi) dihasilkan oleh AUC atas permintaan HLR yang menjadi milik pelanggan. Algoritma A3 dan A8, ditentukan oleh operator PLMN dan dijalankan oleh SIM.

Steps in Authentication Phase

• The new VLR sends a request to the HLR/AUC (Authentication Center) requesting the “authentication triplets” (RAND, SRES, and Kc) available for the specified IMSI.
• The AUC using the IMSI, extracts the subscribers authentication key (Ki).The AUC then generates a random number (RAND), applies the Ki and RAND to both the authentication algorithm (A3) and the cipher key, generation algorithm (A8) to produce an authentication Signed Response (SRES) and a Cipher Key (Kc). The AUC then returns an authentication triplet: RAND, SRES and Kc to the new VLR.
• The MSC/VLR keeps the two parameters Kc and SRES for later use and then sends a message to the MS. The MS reads its Authentication Key (Ki) from the SIM, applies the received random number (RAND) and Ki to both its authentication algorithm (A3) and Cipher key generation Algorithm (A8) to produce an Authentication Signed Response (SRES) and Cipher key (Kc). The MS saves Kc for later, and will use Kc when it receives command to cipher the channel.
• The MS returns the generated SRES to the MSC/VLR. The VLR compares the SRES returned from the MS with the expected SRES received earlier from the AUC. If equal, the mobile passes authentication. If unequal, all signaling activities will be aborted. In this scenario, we will assume that authentication is passed.

Encryption/Ciphering

Data dienkripsi di sisi pemancar dalam blok 114 bit dengan mengambil semburan data teks 114-bit dan melakukan operasi fungsi logis EXOR (Exclusive OR) dengan blok sandi 114-bit.

Fungsi dekripsi di sisi penerima dilakukan dengan mengambil blok data terenkripsi dari 114 bit dan melalui operasi “OR eksklusif” yang sama menggunakan blok cipher 114-bit yang sama yang digunakan pada pemancar.

The cipher block used by both ends of transmission path for a given transmission direction is produced at the BSS and MS by an encryption algorithm called A5. The A5 algorithm uses a 64-bit cipher key (Kc), produced during the authentication process during call setup and the 22-bit TDMA frame number (COUNT) which takes decimal values from 0 through 2715647, and has a repetition time of 3.48 hours (hyper frame interval).The A5 algorithm actually produce two cipher blocks during each TDMA period. One path for the uplink path and the other for the downlink path.

Time Slot Staggering

Time slot staggering adalah prinsip untuk menurunkan organisasi slot waktu uplink dari organisasi slot waktu downlink. Slot waktu tertentu dari uplink berasal dari downlink dengan menggeser nomor slot waktu downlink sebanyak tiga.

Reason

By shifting three time slots, the mobile station avoids the ‘transmit and receive’ processes simultaneously. This allows an easier implementation of the mobile station; the receiver in the mobile station does not need to be protected from the transmitter of the same mobile station. Typically a mobile station will receive during one time slot, and then shifts in frequency by 45 MHz for GSM-900 or 95 MHz for GSM-1800 to transmit sometime later. This implies that there is one time base for downlink and one for uplink.

Timing Advance

Timing Advance is the process of transmitting the burst to the BTS (the timing advance) early, to compensate for the propagation delay.

Why is it Needed?

It is required because of the time division multiplexing scheme used on the radio path. The BTS receives signals from different mobile stations very close to each other. However when a mobile station is far from the BTS, the BTS must deal with the propagation delay. It is essential that the burst received at the BTS fits correctly into time slot. Otherwise the bursts from the mobile stations using adjacent time slots could overlap, resulting in a poor transmission or even in loss of communication.

Once a connection has been established, the BTS continuously measures the time offset between its own burst schedule and the reception schedule of the mobile station burst. Based on these measurements, the BTS is able to provide the mobile station with the required timing advance via the SACCH. Note that timing advance is derived from the distance measurement which is also used in the handover process. The BTS sends a timing advance parameter according to the perceived timing advance to each mobile station. Each of the mobile station then advances its timing, with the result that signals from the different mobile stations arriving at BTS, and are compensated for propagation delay.

Time Advance Process

• A 6 bit number indicates how many bits the MS must advance its transmission. This time advance is TA.
• The 68.25 bit long GP (guard period) of the access burst provides the required flexibility to advance the transmission time.
• The time advance TA can have a value between 0 and 63 bits long, which corresponds to a delay of 0 to 233 micro second. For instance the MS at 10 km away from the BTS must start transmitting 66 micro second earlier to compensate for the round trip delay.
• The maximum mobile range of 35Km is rather determined by the timing advance value than by the signal strength.

Dont forget see another article just on edwardsync.net

Source article: tutorialpoints