Wielodostęp Czasowy GSM

Struktura ramki TDMA, szczeliny czasowe i formaty serii w systemach GSM.

Poza Częstotliwościami: Sztuka Dzielenia Czasu

W naszej eksploracji Planu Częstotliwości GSM dowiedzieliśmy się, jak widmo radiowe jest krojone na wąskie kanały częstotliwości, podobnie jak autostrada jest dzielona na pasy ruchu. Ta technika, zwana Wielodostępem z Podziałem Częstotliwości (FDMA), była pierwszym krokiem w umożliwieniu wielu użytkownikom komunikacji bez wzajemnego zakłócania się. Jednakże, przy zaledwie około 124 użytecznych kanałach częstotliwości w oryginalnym paśmie GSM-900, sama technika FDMA byłaby rażąco niewystarczająca do obsługi tysięcy użytkowników w typowej komórce miejskiej.

Aby rozwiązać tę zagadkę pojemności, GSM stosuje drugą, równie genialną warstwę współdzielenia, która działa w innym wymiarze: w czasie. Technika ta nazywa się . Główną ideą TDMA jest wzięcie każdego z pasów częstotliwości stworzonych przez FDMA i umożliwienie wielu użytkownikom korzystania z niego na zmianę. To jak posiadanie jednopasmowej drogi, gdzie samochody mogą przejeżdżać jeden po drugim w wysoce zorganizowanym, powtarzalnym cyklu. Ta kombinacja FDMA i TDMA jest kamieniem węgielnym zdolności GSM do osiągania masowej pojemności użytkowników.

Ramka TDMA: Organizacja Czasu w Powtarzalne Cykle

Aby współdzielenie czasu działało, sam czas musi być skrupulatnie ustrukturyzowany. W GSM podstawową jednostką tej struktury czasowej jest ramka TDMA.

Ramka TDMA to bardzo krótki, powtarzający się okres czasu, w którym na danej częstotliwości radiowej ma miejsce określona sekwencja zdarzeń. Oto jej precyzyjne cechy:

Osiem Szczelin Czasowych: Każda ramka TDMA jest podzielona na dokładnie osiem mniejszych interwałów czasowych, znanych jako . Są one numerowane od 0 do 7.
Przydział dla Użytkownika: W najprostszym przypadku rozmowy głosowej, każda z ośmiu szczelin czasowych w ramce jest przypisana innemu użytkownikowi. Oznacza to, że jeden kanał o częstotliwości radiowej może jednocześnie obsługiwać osiem oddzielnych rozmów. Użytkownik 1 otrzymuje szczelinę 0, użytkownik 2 szczelinę 1, i tak dalej. Telefon każdego użytkownika jest aktywny tylko podczas przydzielonej mu szczeliny czasowej i pozostaje uśpiony przez pozostałe siedem.
Czas Trwania Ramki: Całkowity czas trwania jednej ramki TDMA wynosi dokładnie $120/26 \approx 4.615$ milisekund (ms).
Czas Trwania Szczeliny Czasowej: Ponieważ ramka zawiera osiem szczelin, czas trwania jednej szczeliny czasowej wynosi $4.615 \text{ ms} / 8 \approx 0.577$ milisekund, czyli 577 mikrosekund (µs). Jest to maleńkie okno czasowe, w którym telefon użytkownika musi się obudzić, nadać lub odebrać swoje informacje i z powrotem przejść w stan uśpienia.

Wewnątrz Szczeliny Czasowej: Anatomia Serii GSM

Szczelina czasowa nie jest tylko pustym okresem czasu; jest to kontener na bardzo specyficzny pakiet informacji zwany (ang. burst). Seria jest najmniejszą jednostką danych przesyłaną w GSM. Standardowa przepływność bitowa w GSM wynosi $270.833 \text{ kbit/s}$ . Biorąc pod uwagę czas trwania szczeliny wynoszący $577$ mikrosekund, możemy obliczyć, ile bitów mieści się w jednej serii:

\text{Bity na szczelinę} = \text{Przepływność} \times \text{Czas trwania szczeliny} \approx 270,833 \text{ bitów/s} \times 0.000577 \text{ s} \approx 156.25 \text{ bitów}

Ten ułamkowy wynik oznacza, że czas w GSM jest w rzeczywistości definiowany w kategoriach okresów bitowych. Czas trwania jednego bitu wynosi dokładnie $1 / (270.833 \times 10^3) \approx 3.692$ mikrosekund. Szczelina czasowa trwa dokładnie 156.25 okresów bitowych. Seria to sekwencja bitów, która jest starannie ustrukturyzowana, aby przenosić zarówno dane użytkownika, jak i niezbędne informacje kontrolne i synchronizacyjne. Istnieje kilka różnych typów serii, z których każda jest przeznaczona do określonego celu.

Typy Serii i Ich Struktury

Nie cała komunikacja polega na przesyłaniu głosu czy danych użytkownika. Sieć musi obsługiwać synchronizację, korekcję częstotliwości i początkowy dostęp. W tym celu GSM definiuje kilka typów serii, z których każda ma unikalną strukturę.

1. Seria Normalna (NB - Normal Burst)

Jest to "koń pociągowy" systemu GSM, używany do przenoszenia całego ruchu głosowego i danych na dedykowanych kanałach ruchu (TCH). Jej struktura to majstersztyk wydajności, pakujący dane użytkownika i informacje kontrolne w $156.25$ okresów bitowych.

Okres Ochronny: 8.25 okresów bitowych ( $\approx 30.46 \text{ µs}$ )

Zaszyfrowane Dane (57 + 57 bitów): Te dwa bloki przenoszą właściwy ładunek serii, którym może być scyfryzowana mowa lub dane użytkownika. Bity te są szyfrowane dla zapewnienia bezpieczeństwa.
Sekwencja Treningowa (26 bitów): Jest to stała, predefiniowana sekwencja bitów, znana zarówno telefonowi, jak i stacji bazowej. Jest umieszczona na środku serii. Jej kluczowym celem jest umożliwienie odbiornika oszacowania charakterystyki kanału radiowego i skompensowania zniekształceń, takich jak zaniki wielodrogowe. Porównując zniekształconą sekwencję treningową, którą otrzymuje, z idealną, którą ma zapisaną, telefon może ustalić, jak kanał zmienił sygnał i skutecznie "cofnąć" te zniekształcenia dla właściwych bitów danych. Istnieje osiem różnych predefiniowanych sekwencji treningowych, a stacja BTS używa jednej z nich, co pomaga telefonowi odróżnić ją od sąsiednich komórek.
Bity Końcowe (3 + 3 bity): Są to trzy bity zerowe na samym początku i końcu serii. Służą jako znany punkt początkowy i końcowy, pozwalając procesorowi sygnałowemu odbiornika na zainicjowanie i zakończenie swoich obliczeń.
Flaga Kradzieży (1 + 1 bit): To dwa ważne bity, które wskazują, czy pola danych tej serii zawierają zwykły ruch, czy pilne komunikaty sterujące. Jeśli pilna informacja sygnalizacyjna musi zostać wysłana podczas rozmowy (np. polecenie przełączenia do innej komórki), sieć może "ukraść" serię normalną z rozmowy głosowej, aby wysłać tę wiadomość. Flagi kradzieży informują odbiornik, aby zinterpretował 57-bitowe pola danych nie jako mowę, ale jako wiadomość Szybkiego Skojarzonego Kanału Sterującego (FACCH).
Okres Ochronny (8.25 okresów bitowych): To nie są przesyłane dane, lecz okres ciszy na końcu szczeliny czasowej. Jego celem jest zapobieganie kolizjom serii od różnych użytkowników. Ponieważ telefony komórkowe mogą znajdować się w różnej odległości od stacji bazowej, ich sygnały dotrą z nieco różnymi opóźnieniami. Okres ochronny działa jak bufor czasowy, zapewniając, że późno docierająca seria od odległego użytkownika nie najdzie na kolejną serię w następnej szczelinie czasowej od bliższego użytkownika.

2. Seria Synchronizacyjna (SB - Synchronization Burst)

Seria SB jest używana do dostarczania stacjom ruchomym informacji o taktowaniu, niezbędnych do zsynchronizowania się z siecią. Jest przesyłana na Kanale Synchronizacyjnym (SCH).

Struktura (przesyłane 148 bitów): 3 (Końcowe) | 39 (Dane) | 64 (Sekwencja treningowa) | 39 (Dane) | 3 (Końcowe)

Okres Ochronny: 8.25 okresów bitowych

Najbardziej zauważalną różnicą w stosunku do serii normalnej jest wydłużona Sekwencja Treningowa składająca się z 64 bitów. Znacznie dłuższa i bardziej złożona sekwencja treningowa jest tu używana, aby umożliwić solidną i dokładną synchronizację początkową, która jest trudniejsza niż utrzymanie synchronizacji podczas trwającej rozmowy. 39-bitowe pola danych przenoszą kluczowe informacje, w tym bieżący numer ramki TDMA oraz Kod Identyfikacyjny Stacji Bazowej (BSIC), który pozwala telefonowi zidentyfikować komórkę, której nasłuchuje.

3. Seria Korekcji Częstotliwości (FB - Frequency Correction Burst)

Seria FB, przesyłana na Kanale Korekcji Częstotliwości (FCCH), ma najprostszą strukturę ze wszystkich. Jej jedynym celem jest pomoc stacji ruchomej w dostrojeniu jej wewnętrznego oscylatora do dokładnej częstotliwości stacji bazowej.

Struktura (przesyłane 148 bitów): Składa się z 142 stałych bitów, które są samymi zerami, plus standardowe bity końcowe i okres ochronny. $142$ Bity zerowe

Przesyłanie długiej sekwencji zer skutkuje czystą, niemodulowaną falą sinusoidalną o częstotliwości nośnej. Tworzy to silny, wyraźny "ton" częstotliwości, do którego stacja ruchoma może się łatwo "zakotwiczyć", aby skorygować wszelkie dryfty w swoim własnym odniesieniu częstotliwości.

4. Seria Dostępowa (AB - Access Burst)

Seria AB to specjalna, krótsza seria używana przez stację ruchomą tylko wtedy, gdy pierwszy raz kontaktuje się z siecią lub inicjuje połączenie na Kanale Dostępu Losowego (RACH). Na tym etapie sieć nie zna jeszcze dokładnej odległości do stacji ruchomej i nie przydzieliła jej wartości wyprzedzenia czasowego.

Struktura (przesyłane 88 bitów): 8 (Rozszerzone końcowe) | 41 (Synch.) | 36 (Dane) | 3 (Końcowe)

Okres Ochronny: 68.25 okresów bitowych ( $\approx 252 \text{ µs}$ )

Seria dostępowa jest znacznie krótsza od innych serii i charakteryzuje się bardzo długim Okresem Ochronnym wynoszącym 68.25 okresów bitowych. Ta wydłużona cisza jest konieczna, ponieważ bez znajomości odległości telefonu, stacja BTS musi uwzględnić maksymalne możliwe opóźnienie sygnału w obie strony w obrębie komórki. Długi okres ochronny zapewnia, że seria dostępowa nie zderzy się z seriami w sąsiednich szczelinach czasowych, nawet jeśli pochodzi od użytkownika znajdującego się na samym skraju zasięgu komórki.

5. Seria Pusta (Dummy Burst)

Ta seria jest przesyłana przez stację BTS na kanale ruchu, gdy nie ma danych użytkownika do wysłania. Jej struktura jest podobna do serii normalnej, ale z losowymi danymi. Jej głównym celem jest wypełnienie pustej szczeliny czasowej prawidłowym sygnałem. Umożliwia to telefonom w pobliżu wykonywanie pomiarów siły sygnału na kanale, co jest niezbędne do podejmowania decyzji o przełączeniu (handover).