17. Вопросы совершенствования обработки информации в СПРС

Важнейшей проблемой на пути создания высокоэффективных систем передачи информации является проблема согласования модемов и кодеков с учётом статистических свойств непрерывного канала. Кодирование и модуляцию необходимо рассматривать как единый процесс формирования наилучшего сигнала, а демодуляцию и декодирование — как процесс наилучшей обработки сигналов. В технике цифровой связи методы модуляции играют весьма значимую роль. Помимо своей основной функции — преобразования символ - сигнал, т.е. выполнения функции интерфейса между дискретным и непрерывным каналами — процесс модуляции является составной частью общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала.

Многопозиционные сигналы с плотной упаковкой (например, ФМ и КАМ) обеспечивают высокую удельную скорость за счёт снижения энергетической эффективности. С другой стороны, корректирующие коды позволяют повысить энергетическую эффективность при определённом снижении удельной скорости. Каждый из этих способов даёт выигрыш по одному показателю в обмен на ухудшение другого. Для того чтобы получить одновременно наилучшую энергетическую и частотную эффективность, используется кодированная модуляция или - в другой терминологии – определенные сигнально-кодовые конструкции (СКК), сочетающие в единой конструкции многопозиционные сигналы и корректирующие коды. В качестве помехоустойчивых кодов в СКК обычно используются свёрточные коды, а в качестве многопозиционных сигналов - чаще всего ФМ сигналы.

Создание сигнально-кодовых конструкций с целью обеспечения наилучшего качества передачи данных по каналу осуществляется в рамках многоуровневого кодирования. На практике это означает обеспечение максимальной защиты тех бит ФМ модуляции, которые наиболее подвержены ошибкам. Различные уровни защиты реализуются с помощью различных компонентов свёрточных кодов с индивидуальными скоростями Rp = m/n. Эти компоненты образуются в кодере путем выкалывания символов в первичном (материнском) коде, характеризуемом скоростью R = 1/n. В результате выкалывания формируется перфорированный код, скорость которого, в рамках конкретного блока кода, может изменяться в широких пределах, например от R = 8/9 до R = 1/4. При этом входной байт информационных символов (m = 8) остается неизменным, а выкалыванием варьируется количество избыточных (поверочных) символов. Тем самым меняется уровень защиты информационных бит в конкретном блоке кода – от самого низкого, когда добавляется только один поверочный бит (код (n-1)/n), до максимального, которому соответствуют три поверочных бита на каждый информационный.

В качестве примера совершенствования обработки информации в СПРС при адаптации пропускной способности системы, рассмотрим отдельные аспекты расширения GSM / GPRS, связанные с увеличением скорости передачи данных в рамках технологии, известной под названием EDGE.

Введение услуги пакетной радиопередачи данных GPRS стало значительным улучшением и расширением стандартной системы GSM. Причин для ее возникновения много. Скорости передачи данных в существующих сетях подвижной связи были недостаточными, а время установления соединения - слишком большим. Передача данных по сети с коммутацией каналов не соответствовала пакетному и асимметричному характеру трафика, что приводило к неэффективному использованию существующих ресурсов системы. В конечном итоге было принято решение о применении передачи данных с коммутацией пакетов. В результате в таком режиме абоненты получили возможность задействовать одни и те же физические каналы, а системные ресурсы распределяются более эффективно благодаря статистическому мультиплексированию. Последствием применения пакетной коммутации является принцип оплаты за услугу, базирующийся на количестве переданных пакетов данных.

Физический уровень системы GPRS похож на физический уровень стандартной системы GSM. Тем не менее, пакетная передача и асимметрия трафика потребовали внесения в него некоторых изменений и дополнений. Так, система GPRS позволяет, при необходимости, передавать пакетные данные в режиме коммутации пакетов с использованием более одного временного слота(до восьми временных слотов) в кадре, если это возможно с точки зрения системных ресурсов. Однако скорость такой передачи данных не очень высока по сравнению с проводным подключением к сети Internet. Удовлетворить потребность в более высоких скоростях удалось в рамках новой технологии повышения скорости передачи данных EDGE.

В системе EDGE для GSM (т.н. система EDGE Classic) используются некоторые усовершенствования, которые позволяют передавать пакеты данных с более высокими скоростями, чем в стандартных системах GSM или GPRS. Среди этих усовершенствований: применение модуляции ФМ-8 (8-PSK) в высокоскоростных режимах (в низкоскоростных режимах по-прежнему используется GMSK-модуляция); медленная скачкообразная перестройка частоты, которая представляет собой опцию в стандартной системе GSM; контроль качества радиоканала.

Рис. 17.1. Импульсная характеристика фильтра формирования импульсов в модуляторе сигналов ФМ-8 системы EDGE

Рис. 17.1. Импульсная характеристика фильтра формирования импульсов в модуляторе сигналов ФМ-8 системы EDGE

Модуляция ФМ-8, по определению, позволяет обеспечить в три раза большую скорость передачи данных по сравнению со стандартной системой GSM при условии использования тех же символьной скорости и полосы частот. Это обусловлено тем, что при ФМ-8 каждый информационный символ представляется тремя битами. Побитовое соответствие блоков символам подчиняется правилу Грея. Помимо фазового сдвига, определяемого информационными битами, фаза дополнительно сдвигается на Зπ/8 на каждый период передачи одного символа. Это позволяет избежать низких уровней огибающей, что негативно сказывается на нелинейном режиме усиления таких сигналов (см. 16. Цифровая модуляция в системах подвижной связи). Для того чтобы привести сигнал в соответствие с шириной спектра канала и сохранить форму GMSK-спектра, используется модулирующий импульс p(t) (рис. 17.1), форма которого похожа на гауссовскую кривую и рассчитана при помощи численных методов.

Важнейшее свойство системы EDGE - контроль качества радиоканала. Подвижные станции передают на базовые станции информацию о качестве канала. На основании этой информации принимается решение о том, какую комбинацию модуляции и канального кодирования следует использовать. В системе EDGE могут применяться два типа модуляции (GMSK и ФМ-8) и девять скоростей кодирования. Каждая комбинация имеет свою характеристику, выражаемую в зависимости пропускной способности (на один временной слот) от отношения сигнал/шум. Переключение между комбинациями кодирования и модуляции позволяет максимизировать пропускную способность. Принцип адаптации к качеству канала радиосвязи иллюстрируется на рис. 17.2. Максимальная скорость передачи данных на одну несущую (когда используются все временные слоты) составляет 556,8 кбит/с для ФМ-8 и 185,6 кбит/с для GMSK. Максимальная доступная пользователю скорость передачи данных будет меньше из-за использования канального кодирования со скоростями в диапазоне от R = 0,38 доR = 1.

Контроль качества радиоканала, реализованный в системе EDGE при помощи адаптивного выбора модуляции и кодирования, подтверждается теорией информации. Так, можно показать, что для достижения максимальной пропускной способности скорость передачи данных должна быть высокой при хорошем качестве радиоканала (при больших отношениях сигнал-шум) и низкой при временном снижении качества канала. Необходимо подчеркнуть, что такая адаптация возможна только при наличии обратной связи между приемником и передатчиком. В табл. 17.1 приведены возможные комбинации кодирования и модуляции.

Радиоблок данных (РБД) - это наименьший элемент передаваемых в рамках системы EDGE данных. Каждый РБД содержит один или два блока пакетных данных (PDU). Количество PDU в радиоблоке зависит от выбранной схемы модуляции и кодирования. В случае использования канала с ошибками, как правило, применяется метод ARQ (автоматический запрос на повторение) - при наличии обратной связи между приемником и передатчиком.

Рис. 17.2. Пропускная способность на один временной слот для различных комбинаций кодирования и модуляции

Рис. 17.2. Пропускная способность на один временной слот для различных комбинаций кодирования и модуляции

Передача информационных последовательностей, дополненных CRC-блоками для обнаружения ошибок, часто применяется в системах передачи данных, включая системы подвижной связи. В этом случае необходимо создать канал обратной связи, по которому будет передаваться информация о том, был переданный информационный блок принят или отвергнут. Если такой канал не может быть реализован (например, из-за чрезмерных задержек в сети), то остается единственный способ увеличения производительности передачи данных - применение достаточно строгой упреждающей коррекции ошибок (FEC), т.е. канального кодирования.

На рис. 17.3 представлена схема передачи данных при использовании канала обратной связи. Основной поток данных передается с передатчика на приемник по основному каналу. В основе стандартного метода ARQ лежит добавление CRC-битов четности, вычисленных передатчиком, к концу блока данных. В приемнике CRC-биты заново рассчитываются по принятому блоку данных. Если вычисленные биты совпадают с принятыми, то приемник посылает подтверждение приема (АСК), и передатчик начинает передавать следующий блок. Если рассчитанные приемником CRC-биты не совпадают с принятыми, то весь блок отбрасывается и подлежит повторной передаче. Вместо простой схемы ARQ может использоваться принцип ARQ с нарастающей избыточностью (IR).

Таблица 17.1.

Схема

Модуляция

Максимальная скорость, кбит/с

Скорость кода

PDU / 20 мс

Размер PDU,

байтов

MSC-9

ФМ-8

473

1,0

2

74

MSC-8

ФМ-8

435

0,92

2

68

MSC-7

ФМ-8

358

0,76

2

56

MSC-6

ФМ-8

234

0,49

1

74

MSC-5

ФМ-8

179,2

0,37

1

56

MSC-4

GMSK

141

1,0

1

44

MSC-3

GMSK

119

0,80

1

37

MSC-2

GMSK

90

0,66

1

28

MSC-1

GMSK

70,4

0,53

1

22

В основе метода IR ARQ лежит повторное использование ошибочного блока для детектирования ошибок. В процессе кодирования на выходе сверточного кодера применяется перфорирование по двум или трем различным схемам (Р1, Р2 или РЗ). Вначале передается кодированный блок, подвергнутый перфорированию по схеме Р1. Если в нем обнаружены ошибки, то передаются биты, полученные при перфорировании по схеме Р2, которые добавляются к ранее переданному блоку. Затем этот блок снова декодируется. При этом возрастает количество битов четности (избыточности), и декодирование целого блока приводит к гораздо лучшей коррекции ошибок. Если были получены все биты, рассчитанные по всем схемам перфорирования, а ошибки не были устранены, то повторяется весь процесс передачи блока.

Рис. 17.3. Система передачи данных с повтором блоков и каналом обратной связи

Рис. 17.3. Система передачи данных с повтором блоков и каналом обратной связи

Благодаря высоким скоростям передачи данных, достижимых в системе EDGE, она сегодня рассматривается как одно из возможных предложений к реализации систем третьего поколения (3G). В ближайшем будущем станет ясно, насколько введение EDGE в сети GSM повлияет на распространение системы UMTS.

Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.