Wielodostęp Czasowy GSM

GSM: Podział Częstotliwości i Czasu

W planie częstotliwości GSM widmo radiowe jest dzielone 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. W klasycznym paśmie GSM-900 dostępnych jest około 124 użytecznych nośnych, więc samo FDMA zapewniałoby zbyt małą pojemność dla tysięcy użytkowników typowej komórki miejskiej.

Aby zwiększyć tę pojemność, GSM stosuje drugą warstwę współdzielenia działającą w innym wymiarze, czyli 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 powtarzalnym cyklu. Ta kombinacja FDMA i TDMA zwiększa pojemność GSM i pozwala obsługiwać dużą liczbę użytkowników.

Ramka TDMA: Organizacja Czasu w Powtarzalne Cykle

Aby współdzielenie czasu działało, sam czas musi być ściśle uporządkowany. 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 uproszczonym przykładzie pełnego kanału rozmowy głosowej każda z ośmiu szczelin czasowych w ramce może być przypisana innemu użytkownikowi. Taki przydział pozwala jednemu kanałowi radiowemu obsłużyć osiem oddzielnych rozmów. Użytkownik 1 otrzymuje szczelinę 0, użytkownik 2 szczelinę 1, i tak dalej. Telefon każdego użytkownika jest aktywny podczas przydzielonej mu szczeliny czasowej i pozostaje uśpiony przez pozostałe siedem. Rzeczywiste mapowanie zależy od kanału, usługi i konfiguracji zasobów.
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 jest kontenerem na specyficzny pakiet informacji zwany (ang. burst). Seria jest najmniejszą fizyczną jednostką transmisji 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 mierzony okresami bitowymi. 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 o określonej strukturze, która przenosi 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

Ruch GSM obejmuje głos, dane użytkownika, 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 podstawowy typ serii GSM, używany do przenoszenia ruchu głosowego i danych na dedykowanych kanałach ruchu (TCH). Jej struktura mieści dane użytkownika i informacje kontrolne w $156.25$ okresach bitowych.

Okres Ochronny: 8.25 okresów bitowych ( $\approx 30.46\,\mu\text{s}$ )

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. W klasycznym zbiorze TSC Set 1 zdefiniowano osiem sekwencji treningowych. Stacja BTS wybiera jedną 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 jako wiadomość Szybkiego Skojarzonego Kanału Sterującego (FACCH), zamiast traktować je jako mowę.
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 niezawodną i dokładną synchronizację początkową, która jest trudniejsza niż utrzymanie synchronizacji podczas trwającej rozmowy. Dwa 39-bitowe pola są fragmentami zakodowanego bloku SCH. Po kodowaniu i przeplocie blok przenosi między innymi 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 tworzy niemodulowany ton korekcyjny, określony w standardzie jako częstotliwość przesunięta o $1625/24$ kHz względem nominalnej częstotliwości nośnej. Stacja ruchoma może wykorzystać ten wyraźny ton do skorygowania dryfu własnego odniesienia częstotliwości.

4. Seria Dostępowa (AB - Access Burst)

Seria AB to specjalna, krótsza seria używana przez stację ruchomą podczas początkowego dostępu do sieci lub inicjowania połączenia na Kanale Dostępu Losowego (RACH). Jest używana także na uplinku podczas handover. Na tym etapie sieć może nie znać jeszcze dokładnej odległości do stacji ruchomej i nie przydzielić jej wartości wyprzedzenia czasowego.

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

Okres Ochronny: 68.25 okresów bitowych ( $\approx 252\,\mu\text{s}$ )

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, z ustaloną przez standard sekwencją mieszanych bitów danych. 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).