Четыре нулевых бита необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. Далее 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом со скоростью г = 1/2.
На входе кодера скорость информационного потока равна 13 кб/с. На выходе она составляет 22,8 кб/с.
6.1.12.Модуляция радиосигнала
Встандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Этот метод представляет собой частотную манипуляцию, при которой несущая частота дискретно (через интервалы времени, кратные периоду Т битовой модулирующей последовательности) принимает значения
fН=f0 -F/4 или fB =f0 +F/4 ,
где f0 – центральная частота используемого частотного диапазона;
F=1/T – частота битовой последовательности.
Разнос частот ∆f=fB -fН – минимально возможный, при котором обеспечивается ортогональность колебаний с частотами fB и fН на интервале Т
длительности одного бита. При этом за время Т между колебаниями с частотами fB и fН набегает разность фаз, равная π.
В методе частотной манипуляции с минимальным сдвигом (MSK – Minimum Shift Keying) входная последовательность битовых импульсов модулятора разбивается на две последовательности, состоящие из четных и нечетных импульсов. Модулированный сигнал на выходе на протяжении одного бита определяется выражением, зависящим от состояния текущего n -го и предшествующего ( n −1)-го бита:
S(t)=±cos(πt/2T)cosω0t±sin(πt/2T)sinω0t=±cos(ω0t±πt/2T) , (6.2)
(n-1)T ≤ t ≤ nT
Здесь ω0 =2πf0 – центральная частота канала. Выбор знака в (6.2) определяется табл. 6.2.
48
|
|
|
|
|
Таблица 6.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Биты входной |
|
|
|
|
|
|
последовательности |
Выбор знака в (6.2) |
Выбор знака в (6.2) |
f |
|||
модулятора |
|
|
|
|
||
Нечетный |
Четный |
±cos(πt / 2T ) |
±sin(πt / 2T ) |
±cos |
±πt / 2T |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
+ |
+ |
+ |
- |
fН |
0 |
1 |
+ |
- |
+ |
+ |
fB |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
- |
- |
- |
- |
fН |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
- |
+ |
- |
+ |
fB |
Мгновенная частота принимает одно из двух значений – fB или fН ,
постоянное на протяжении одного бита. Изменение знака в начальной фазе ( ±πt / 2T в выражении (6.2) означает переход от fН к fB или обратно.
Изменение общего знака в выражении (6.2) эквивалентно изменению начальной фазы на π, что позволяет сохранить непрерывность фазы при изменении
частоты.
Метод формирования сигнала MSK иллюстрируется на рис. 6.15.
Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции.
Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSKмодуляция с величиной полосы фильтра по уровню минус 3 дБ выбирается равной В = 0,3F, где F – частота битовой модулирующей последовательно. В стандарте GSM F =279,833 кГц, полоса гауссовского фильтра В =81,3 кГц. Использование гауссовского фильтра приводит к сужению главного лепестка и снижениию боковых лепестков спектра сигнала на выходе модулятора. Этим снижается уровень помех по соседним частотным каналам. Структурная схема модулятора показана на рис. 6.16.
49
|
0 |
|
Т 2Т 3Т 4Т 5Т 6Т 7Т 8Т 9Т 10Т |
|
||||||||
Входная битовая |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
последовательность a |
t |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нечетные биты, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
растянутые во |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
времени вдвое, aI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нечетные биты, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
растянутые во |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
времени вдвое, aQ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модулирующий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
(нечетные биты) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bI= aI sin(πt/2T) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модулирующий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
(четные биты) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bQ= aQ sin(πt/2T) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Начальная фаза |
3π/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
модулированного |
π/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
сигнала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
φН(t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.15. Временные диаграммы сигналов в методе MSK |
|
|
||||||||||
50
|
|
|
aI |
bI |
|
|
|
|
|
|
|
|
sin(πT/2f) |
sinω0t |
|
S(t) |
|
Входная битовая |
|
|
Коммутатор |
|
||||
|
|
|
||||||
Гауссовский |
|
(разделение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
последовательность |
фильтр |
|
последовательности |
|
|
|
|
|
|
|
|
на четные и |
cos(πT/2f) |
cosω0t |
|
|
|
|
|
|
нечетные биты) |
|
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aQ bQ
Рис. 6.16. Структурная схема модулятора GMSK
На рис.6.17 показан спектр реального сигнала.
Рис. 6.17. Спектр реального сигнала в стандарте GSM
6.1.13. Обеспечение безопасности в GSM
Сотовые системы подвижной связи нового поколения в состоянии принять всех потенциальных пользователей, если будут гарантированы безопасность связи: секретность и аутентификация. Секретность должна исключить возможность извлечения информации из каналов связи кому-либо, кроме санкционированного получателя. Проблема аутентификации заключается в том, чтобы
51
помешать кому-либо, кроме санкционированного пользователя (отправителя), изменить канал, то есть получатель должен быть уверен, что в настоящий момент он принимает сообщение от санкционированного пользователя. Основным способом обеспечения секретности является шифрование. Относительно новая концепция - использование шифрования как способа аутентификации сообщений.
Аутентификация сообщений через шифрование осуществляется за счет включения в текст так называемого кода идентификации (то есть фиксированного или зависящего от передаваемых данных слова, которое знают отправитель и получатель или которое они могут выделить в процессе передачи). Получатель расшифровывает сообщение, путем сравнения получает удостоверение, что принимаемые данные являются именно данными санкционированного отправителя.
К системе шифрования предъявляются следующие основные требования:
1)нелинейные связи между исходным текстом и зашифрованным текстом;
2)изменение параметров шифрования во времени.
Если алгоритмы шифрования отвечают первому требованию, то, не зная ключа, исключается возможность изменить код идентификации, чтобы избежать обнаружения факта несанкционированного доступа. Второе требование исключает возможность нарушения работы системы за счет воспроизведения "обнаружителем" принятого ранее и записанного в память сообщения.
Один путь обеспечения этих требований - применение синхронных систем передачи, но при этом необходимы системы цикловой и тактовой синхронизации, что во многих случаях неприемлемо.
Второй путь - включение в информационную последовательность (каждое сообщение) временных меток так, чтобы зашифрованные данные были бы однозначно с ними связаны. Алгоритмы шифрования делятся на два класса;
−классические алгоритмы;
−алгоритмы с открытым ключом.
Классические алгоритмы используют один ключ для шифрованиядешифрования. Алгоритмы с открытым ключом используют два ключа: первый – для перехода от нешифрованного текста к шифрованному; второй – для обратного перехода от шифрованного к нешифрованному. Причем знание одного ключа не должно обеспечить обнаружение второго ключа. В этих алгоритмах один из ключей, обычно используемый для шифрования, можно сделать общим, и только ключ, используемый для расшифровки, должен быть засекре-
52