蜂窩概念 - GSM無線鏈路

BTS和MS透過無線鏈路連線，此空中介面稱為Um。無線電波會受到衰減、反射、多普勒頻移以及其他發射機的干擾。這些效應會導致訊號強度下降和失真，從而影響語音或資料的質量。為了應對惡劣的條件，GSM利用高效且具有保護性的訊號處理。適當的蜂窩設計必須確保在該區域提供足夠的無線覆蓋。

移動裝置的訊號強度變化是由於不同型別的訊號強度衰落造成的。訊號強度變化有兩種型別。

宏觀變化 - 由BTS和MS之間的地形輪廓造成。衰落效應是由無線電波的陰影和衍射（彎曲）引起的。
微觀變化 - 由多徑傳播、短期或瑞利衰落引起。當MS移動時，將接收來自許多不同路徑的無線電波。

瑞利衰落

瑞利衰落或宏觀變化可以建模為構成移動臺和基站之間路徑損耗的兩個分量的加和。第一個分量是確定性分量 (L)，它隨著基站和移動臺之間距離 (R) 的增加而增加訊號強度損耗。此分量可以寫成：

L = 1/Rⁿ

其中 n 通常為 4。另一個宏觀分量是對數正態隨機變數，它考慮了由地形變化和無線電路徑中的其他障礙物引起的陰影衰落的影響。路徑損耗的區域性平均值 = 確定性分量 + 對數正態隨機變數。

微觀變化或瑞利衰落髮生在移動臺相對於移動臺和基站之間距離而言在短距離內移動時。這些短期變化是由移動單元附近（例如小山、建築物或交通）的訊號散射引起的。這導致發射機和接收機之間遵循許多不同的路徑（多徑傳播）。反射波的相位和幅度都會發生變化。如果反射波與直達路徑訊號相差 180 度，則訊號可能會有效消失。多個接收訊號之間部分相位關係不一致會導致接收訊號強度減小。

瑞利衰落的影響

反射和多徑傳播可能產生正面和負面影響。

發射/接收過程

透過數字無線鏈路發射和接收資訊涉及兩個主要過程：編碼和調製。

覆蓋範圍擴充套件

多徑傳播允許無線電訊號到達山丘和建築物後面以及隧道內。相長和相消干涉透過多徑接收的訊號可能會相加或相互抵消。

編碼

編碼是資訊處理過程，它涉及準備基本資料訊號，以便對其進行保護並將其轉換為無線鏈路可以處理的形式。通常，編碼過程包括邏輯異或 (EXOR)。編碼包含在：

語音編碼或轉碼
通道編碼或前向糾錯編碼
交織
加密

突發格式化

人的語音在 300Hz 到 3400Hz 之間限帶，在模擬系統中進行調頻。在數字固定 PSTN 系統中，限帶語音以 8KHz 的速率取樣，每個樣本編碼為 8 位，導致 64Kbps（PCM A-Law 編碼）。數字蜂窩無線電無法處理 PSTN 系統使用的這種高位元率。已經開發出用於降低位元率的智慧訊號分析和處理技術。

語音特性

人的語音可以區分為基本聲音（音素）。根據語言的不同，有 30 到 50 個不同的音素。人聲能夠每秒產生多達 10 個音素，因此大約需要 60 bit/s 來傳輸語音。但是，所有個體特徵和語調都會消失。為了保留個體特徵，要傳送的實際資訊量要高出幾倍，但仍然只是 PCM 使用的 64 Kbit/s 的一部分。

基於人類語音器官的音素產生機制，可以建立一個簡單的語音產生模型。看起來，在 10-30 毫秒的短時間間隔內，模型引數（如音調週期、濁音/清音、放大增益和濾波器引數）保持大致靜止（準靜止）。這種模型的優點是可以透過線性預測簡單地確定引數。

語音編碼技術

語音編碼技術分為三類

波形編碼 - 在波形編碼中，語音儘可能好地進行傳輸。PCM 是波形編碼的一個例子。位元率範圍從 24 到 64kbps，語音質量好，說話者很容易被識別。
引數編碼 - 只發送非常有限數量的資訊。根據語音產生模型構建的解碼器將在接收端重新生成語音。語音傳輸只需要 1 到 3kbps。重新生成的語音是可理解的，但會受到噪聲的影響，並且說話者通常無法被識別。
混合編碼 - 混合編碼是波形編碼和引數編碼的混合。它結合了兩種技術的優點，GSM 使用一種稱為 RPE-LTP（規則脈衝激勵-長期預測）的混合編碼技術，每個語音通道產生 13Kbps。

GSM 中的語音編碼（轉碼）

64kbits/s PCM 從標準 A-law 量化的每樣本 8 位轉碼為線性量化的每樣本 13 位位元流，對應於 104kbits/s 位元率。104kbits/s 流被饋送到 RPE-LTP 語音編碼器，該編碼器以 160 個樣本的塊（每 20 毫秒）接收 13 位樣本。RPE-LTP 編碼器每 20 毫秒產生 260 位，導致位元率為 13kbits/s。這提供了可用於行動電話並與有線 PSTN 電話相當的語音質量。在 GSM 中，13Kbps 語音編碼稱為全速率編碼器。或者，也可以使用半速率編碼器 (6.5Kbps) 來提高容量。

通道編碼/卷積編碼

GSM 中的通道編碼使用來自語音編碼的 260 位作為通道編碼的輸入，並輸出 456 個編碼位。由 RPE-LTP 語音編碼器產生的 260 位中，182 位被分類為重要位，78 位被分類為不重要位。同樣，182 位被分為 50 個最重要的位，並被塊編碼為 53 位，並新增 132 位和 4 個尾位，在進行 1:2 卷積編碼之前總計 189 位，將 189 位轉換為 378 位。這 378 位與 78 個不重要位相加，得到 456 位。

交織 - 第一級

通道編碼器每 20 毫秒的語音提供 456 位。這些位被交織，形成八個 57 位的塊，如下圖所示。

在一個正常的突發中，可以容納 57 位的兩個塊，如果丟失一個這樣的突發，則整個 20 毫秒的 BER 為 25%。

交織 - 第二級

引入了第二級交織以進一步將可能的 BER 降低到 12.5%。不是在一個突發中傳送來自同一 20 毫秒語音的兩個 57 位塊，而是將一個來自一個 20 毫秒的塊和一個來自下一個 20 毫秒樣本的塊一起傳送。當 MS 必須等待下一個 20 毫秒的語音時，系統中會引入延遲。但是，系統現在可以承受丟失整個突發（八個突發中的一個），因為損失僅佔每個 20 毫秒語音幀的總位數的 12.5%。12.5% 是通道解碼器可以糾正的最大損耗水平。

加密/加密

加密的目的是對突發進行編碼，以便只有接收器才能解釋它。GSM 中的加密演算法稱為 A5 演算法。它不會向突發新增位，這意味著加密過程的輸入和輸出與輸入相同：每 20 毫秒 456 位。有關加密的詳細資訊，請參閱 GSM 的特殊功能。

多路複用（突發格式化）

來自移動/BTS 的每次傳輸都必須包含一些附加資訊以及基本資料。在 GSM 中，每 20 毫秒的塊新增總共 136 位，總共達到 592 位。還添加了 33 位的保護週期，每 20 毫秒達到 625 位。

調製

調製是涉及物理準備訊號的過程，以便資訊可以傳輸到射頻載波上。GSM 使用高斯最小頻移鍵控技術 (GMSK)。載波頻率偏移為 +/- B/4，其中 B=位元率。但是，使用高斯濾波器，頻寬減少到 0.3 而不是 0.5。

GSM 的特殊功能

下面列出了我們將在以下部分中討論的 GSM 的特殊功能：

身份驗證
加密
時隙交錯
定時提前
非連續傳輸
功率控制
自適應均衡
慢速跳頻

身份驗證

由於空中介面容易受到欺詐性訪問，因此有必要在向用戶提供服務之前採用身份驗證。身份驗證圍繞以下概念構建。

身份驗證金鑰 (Ki) 僅存在於兩個位置：SIM 卡和認證中心。
身份驗證金鑰 (Ki) 從未透過空中傳輸。對於未經授權的個人來說，獲取此金鑰以冒充給定的移動使用者實際上是不可能的。

身份驗證引數

MS 透過使用三個引數的過程由 VLR 認證：

RAND 是完全隨機數。
SRES 是身份驗證簽名響應。它是透過將身份驗證演算法 (A3) 應用於 RAND 和 Ki 生成的。
Kc 是密碼金鑰。Kc 引數是透過將密碼金鑰生成演算法 (A8) 應用於 RAND 和 Ki 生成的。

這些引數（稱為身份驗證三元組）由 AUC 應 HLR 的請求生成，使用者屬於該 HLR。演算法 A3 和 A8 由 PLMN 運營商定義，並由 SIM 執行。

身份驗證階段的步驟

新的 VLR 向 HLR/AUC（認證中心）傳送請求，請求為指定的 IMSI 提供的“身份驗證三元組”（RAND、SRES 和 Kc）。
鑑權中心 (AUC) 使用 IMSI 提取使用者的鑑權金鑰 (Ki)。然後，AUC 生成一個隨機數 (RAND)，並將 Ki 和 RAND 應用於鑑權演算法 (A3) 和金鑰生成演算法 (A8)，以產生鑑權簽名響應 (SRES) 和密文金鑰 (Kc)。AUC 隨後將鑑權三元組：RAND、SRES 和 Kc 返回給新的 VLR。
MSC/VLR 儲存引數 Kc 和 SRES 以備後用，然後向移動臺 (MS) 傳送訊息。MS 從 SIM 卡讀取其鑑權金鑰 (Ki)，並將接收到的隨機數 (RAND) 和 Ki 應用於其鑑權演算法 (A3) 和金鑰生成演算法 (A8)，以產生鑑權簽名響應 (SRES) 和密文金鑰 (Kc)。MS 儲存 Kc 以備後用，並在收到加密通道的命令時使用 Kc。
MS 將生成的 SRES 返回給 MSC/VLR。VLR 將 MS 返回的 SRES 與之前從 AUC 收到的預期 SRES 進行比較。如果相等，則移動臺透過鑑權。如果不相等，則所有信令活動都將中止。在本場景中，我們假設鑑權已透過。

加密

資料在傳送端以 114 位的塊進行加密，方法是採用 114 位的明文資料突發並執行異或 (XOR) 邏輯函式運算與 114 位的密文塊。

接收端的解密函式透過採用 114 位的加密資料塊並使用與傳送端相同的 114 位密文塊進行相同的“異或”運算來執行。

傳輸路徑兩端在給定傳輸方向上使用的密文塊由基站子系統 (BSS) 和 MS 透過名為 A5 的加密演算法產生。A5 演算法使用在呼叫建立期間鑑權過程中產生的 64 位密文金鑰 (Kc) 和 22 位 TDMA 幀號 (COUNT)，COUNT 的十進位制值範圍為 0 到 2715647，重複時間為 3.48 小時（超幀間隔）。A5 演算法在每個 TDMA 週期實際產生兩個密文塊。一個用於上行鏈路，另一個用於下行鏈路。

時隙交錯

時隙交錯是根據下行鏈路的時隙組織來推導上行鏈路時隙組織的原則。上行鏈路的特定時隙透過將下行鏈路時隙號移位三個來推導。

原因

透過移動三個時隙，移動臺避免了同時進行“傳送和接收”的過程。這使得移動臺的實現更容易；移動臺中的接收器不需要受到同一移動臺的傳送器的保護。通常，移動臺在一個時隙內接收，然後在 GSM-900 為 45 MHz 或 GSM-1800 為 95 MHz 的頻率上移位，以便稍後傳輸。這意味著下行鏈路和上行鏈路各有一個時間基準。

定時提前

定時提前是指提前將突發訊號傳輸到 BTS（定時提前），以補償傳播延遲。

為什麼需要它？

這是因為無線路徑上使用了分時多重進接方案。BTS 接收來自彼此非常接近的不同移動臺的訊號。但是，當移動臺遠離 BTS 時，BTS 必須處理傳播延遲。BTS 接收到的突發訊號必須正確地適應時隙，這一點至關重要。否則，使用相鄰時隙的移動臺的突發訊號可能會重疊，導致傳輸質量差甚至通訊中斷。

一旦建立連線，BTS 就會持續測量其自身的突發排程與移動臺突發接收排程之間的時間偏移。根據這些測量結果，BTS 能夠透過 SACCH 向移動臺提供所需的定時提前量。請注意，定時提前量是從距離測量中得出的，距離測量也用於切換過程中。BTS 根據感知到的定時提前量向每個移動臺傳送定時提前引數。然後，每個移動臺都提前其定時，從而對到達 BTS 的來自不同移動臺的訊號進行傳播延遲補償。

定時提前過程

一個 6 位數字表示 MS 必須提前其傳輸多少位。此定時提前量為 TA。
接入突發的 68.25 位長的保護週期 (GP) 提供了提前傳輸時間的所需靈活性。
定時提前 TA 的值可以在 0 到 63 位之間，對應於 0 到 233 微秒的延遲。例如，距離 BTS 10 公里的 MS 必須提前 66 微秒開始傳輸以補償往返延遲。
35 公里的最大移動範圍是由定時提前值而不是訊號強度決定的。

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