Организация физических каналов связи

        На рис.4 представлена временная структура сигнала.

     Сообщения передаются мультикадрами длительностью 1,02 с. Мультикадр содержит 18 кадров, один из которых является контрольным.   Кадр имеет длительность 56,67 мс и содержит 4 временных интервала (time slots). В каждом из временных интервалов передается информация своего временного канала. Временной интервал имеет длину 510 бит, из которых 432 являются информационными (2 блока по 216 бит).

   Восемнадцать кадров объединены в мультикадры, которые в свою очередь образуют гиперкадр длиной 60 мультикадров.

   Основной элемент в этой структуре – кадр ТДМА, в котором 4 пакета (4 временных интервала). Каждый пакет – это независимый канал передачи информации. Каждый пакет в зависимости от его назначения имеет свою внутреннюю структуру. В пакете 510 бит цифровой информации, что соответствует 255 символам модуляции.

   В цифровой системе связи TETRA, как, впрочем, и в аналоговых транкинговых системах, энергетический потенциал радиолинии сверху вниз, как правило, выше, чем в обратном направлении. Это связано прежде всего с тем, что условия размещения базовых станций и их параметры, как правило, лучше, чем у подвижных станций.

Рисунок 4 - Временная структура сигнала на одном частотном канале

Однако если в аналоговых транкинговых системах этот фактор практически не учитывается, то в системе TETRA (как будет показано ниже) он используется для передачи дополнительной управляющей информации на подвижные станции.

   Временная синхронизация обеспечивается выделением дуплексной пары частот (при связи между подвижной станцией и базовой радиостанцией). А так как на каждой частоте располагается 4 независимых канала, то в системе применяется жесткая синхронизация пакетов подвижных станций относительно пакетов, передаваемых базовой станцией.

Временная синхронизация дуплексных пар радиоканалов.        В стандарте TETRA для организации связи между подвижным абонентом и базовой радиостанцией предусматривается выделение дуплексной пары радиочастот. Так как при этом используется временное уплотнение до четырех независимых каналов, то для снижения взаимных помех в системе применяется жесткая синхронизация пакетов подвижных станций относительно пакетов, передаваемых базовой станцией, при этом последовательность пакетов MS задержана на две позиции относительно пакетов BS. На рис.5 показано взаимное расположение пакетов в направлении базовая станция – мобильная станция ВТS-MS downlink и обратно MS–BTS uplink (в направлениях сверху вниз и обратно).

   Например, при передаче мобильной станцией информации в пакете 1 для базовой станции прием будет осуществляться в пакете 3, и наоборот: передача с базовой станции в пакете 1 - прием мобильной станции в пакете 3. Таким образом, формируется пара каналов во временной области: пакет 1 - передача информации; пакет 3 - прием. Временной сдвиг между каналами дает возможность аппаратуре проводить необходимую обработку сообщений, исполнение полученных команд управления и выполнять ряд других функций перед ответом радиостанции, что очень важно для снижения непроизводительной загрузки каналов связи.

                                                                                          Время

Рисунок 5 - Взаимное расположение пакетов в направлениях ВТS---MS и обратно

Кроме пары дуплексных частот во временной области тоже есть временной сдвиг. Этот сдвиг между каналами дает возможность аппаратуре проводить необходимую обработку сообщений, исполнение полученных команд управления.

Структура пакета данных

   На рис. 6 показаны основные типы пакетов. Один тип пакета используется для передачи управляющих сигналов снизу вверх, другой - для обмена информационными и управляющими сигналами между базовой и мобильной станциями в обоих направлениях. В каждом пакете можно выделить информационные поля, содержание и внутренняя структура которых зависят от назначения пакета, и вспомогательные поля, предназначенные для повышения помехоустойчивости сигнала и адаптирования радиотракта.

   Всего в стандарте TETRA предусмотрено 8 разных типов пакетов [2]. Шесть из них перечислены ниже:

· в направлении снизу вверх downlink:

o управления;

o стандартный;

· в направлении сверху вниз downlink (от мобильной к базовой):

o стандартный одиночный;

o синхронизирующий одиночный;

o стандартный непрерывного канала;

o синхронизирующий непрерывного канала.

Рисунок 6 - Основные виды пакетов

  Здесь и далее downlink обозначает канал нисходящей связи (от базовой радиостанции к мобильной), uplink означает канал восходящей связи (от мобильной радиостанции к базовой).

Пакет управления uplink снизу вверх предназначен для организации канала управления от подвижной станции к базовой. Данный пакет состоит их двух независимых полупакетов, размером по 255 бит каждый. Полупакеты содержат управляющую информацию верхних логических уровней подвижной станции, кроме того, первый полупакет может нести сигнал для регулировки мощности передатчика.

Стандартный пакет снизу вверх uplink содержит информационные и управляющие сигналы.

Одиночные пакеты используются базовыми станциями для передачи сигналов при временном разделении каналов между зонами в многозоновой системе.

Стандартный одиночный пакет предназначен для передачи информационных и управляющих сигналов от базовой станции к подвижной.

Синхронизирующий пакет предназначен для синхронизации приемника и передатчика и передачи управляющих сигналов.

Пакеты непрерывного канала в направлении сверху вниз предназначены для передачи соответствующих сигналов в режиме непрерывного излучения на несущей частоте.

Логическая структура пакетов. Внутренняя структура пакетов представлена на рис. 7, где введены следующие обозначения:

• вспомогательная некодированная информация, предназначенная для обработки на нижнем физическом уровне:
  A - поле управления мощностью;
  B - поле переходных бит;
  C - поле расширенной обучающей последовательности;
  D - поле стандартной обучающей последовательности;
  E - поле защитного интервала;
  F - поле бит регулировки фазы;
  H - поле бит коррекции частоты;
  I - поле синхронизирующей последовательности.
• кодированная информация, предназначенная для обработки на верхних логических уровнях:
  K - поле командного канала управления;
  L - поле информационного канала.

Полупакет сигнала управления мощностью для направления снизу вверх (LB). Размещается только в блоке SSN1.

Полупакет канала управления для направления снизу вверх (CB). Размещается в блоках SSN1 и SSN2.

Стандартный пакет для направления снизу вверх (NUB).

a) Стандартный пакет непрерывного канала для направления сверху вниз (NDB).
б) Синхронизирующий пакет непрерывного канала для направления сверху вниз (SB).

a) Стандартный одиночный пакет для направления сверху вниз (DNDB).
б) Синхронизирующий одиночный пакет для направления сверху вниз (DSB).

Рисунок 7 - Структура пакетов

Анализ структуры пакетов показывает, что практически в любом пакете сверху вниз имеются поля, предназначенные для передачи команд управления, и сигнализации. Таким образом, помимо канала управления в 18 кадре в сигнале базовой станции элементы управления присутствуют во всех информационных кадрах, что сближает эту систему с транкинговыми системами с распределенным каналом управления.

   Наличие такого канала управления позволяет оперативно реагировать на запросы системы, создать гибкую иерархию приоритетов вызовов, организовать подключение абонентов к разговору в реальном масштабе времени и ввести ряд других услуг.

   Рассматривая структуру стандартных пакетов NUB и NDB можно отметить, что в пакете для направления сверху вниз содержится 462 информационных бита, в то время как в пакете для связи в обратном направлении содержится 432 информационных бита. Тем самым обеспечивается использование дополнительного потенциала радиолинии сверху вниз для организации канала сигнализации в трафиковом канале.

Поля управления мощностью используются подвижными и базовыми станциями для управления мощностью передатчиков и представляют собой немодулированное колебание несущей частоты. Поле управления мощностью подвижной станции размещается в блоке SSN1 (см. рис. 8.6), а базовой станции - в блоке BKN2 пакетов непрерывного канала.

Переходные биты введены в одиночные пакеты и предназначены для минимизации переходных процессов в цепях аппаратуры в начале и в конце цикла передачи сигнала.

Полное поле переходных бит имеет вид: b1…b4=1 1 0 0.

Обучающие последовательности предназначены для поддержания кадровой синхронизации пакетов и настройки эквалайзера. Имеются три стандартных обучающих последовательности. Две используются для

Рисунок 8 - Фрагменты автокорреляционных функций обучающих последовательностей.

информирования приемной стороны о наличии одного или двух логических каналов в стандартном пакете. Третья является связующим звеном соседних пакетов. Кроме того, стандарт предусматривает использование в отдельных случаях расширенной обучающей последовательности длиной 30 бит. Стандартные последовательности имеют длину 22 бита.

Стандартные обучающие последовательности:

• первая: d11…d122=1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0;
• вторая: d21…d222=0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0;
• третья: d31…d322=1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1.

Полное поле расширенной обучающей последовательности:

c1…c30=1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1.

Для обеспечения эффективной кадровой синхронизации пакетов обучающие последовательности имеют специальный вид авто- и взаимнокорреляционных функций. Фрагменты их авто- и взаимнокорреляционных функции показаны на рис. 8.8 и 8.9. Из рисунков видно, что автокорреляционные функции последовательностей имеют один ярко выраженный основной пик шириной в один тактовый интервал и малый

уровень боковых лепестков вблизи него. Эта особенность позволяет надежно определять начало последовательности на приемной стороне с точностью до тактового интервала на фоне помех и шумов. Пример взаимно корреляционной функции показан на рис.9, эта функция не содержит ярко выраженных импульсов, а напоминает скорее последовательность случайных импульсов с амплитудой, значительно меньше максимальной. Таким образом, при приеме обучающие последовательности надежно различимы.

Защитный интервал введен в одиночные пакеты для снижения межканальных помех. Для пакетов подвижных станций он составляет 14 бит, для стационарных - 8 бит. На этом интервале несущая не излучается.

Рисунок 9 - Фрагмент взаимнокорреляционной функции

первой и второй обучающей последовательности

Биты регулировки фазы служат для восстановления начальной фазы несущего колебания.

Биты коррекции частоты предназначены для коррекции частоты несущего колебания. Длина поля 80 бит. Последовательность символов в этом поле подобрана таким образом, что на интервале следования поля последовательно формируются три радиоимпульса с заведомо известными частотами.

Значение поля коррекции частоты: h1…h8=1…1, h9…h72=0…0, h73…h80=1…1.

Синхронизирующая последовательность длиной 38 бит предназначена для кадровой синхронизации подвижных станций. Данная последовательность обладает хорошими корреляционными свойствами. Ее автокорреляционная функция, показанная на рис. 10, обладает узким пиком, что позволяет на приемной стороне надежно определять начало кадра.

Синхронизирующая последовательность имеет вид:

i1…i38=1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1.

Содержание полей кодированной информации зависит от назначения блока и рассматривается ниже.

   В отдельных случаях рассмотренная структура полей меняется. Такое происходит при управлении мощностью сигнала непрерывного канала базовой станции и передаче нескольких одиночных пакетов подряд без управления мощностью.

Рисунок 10 - Фрагмент автокорреляционной функции синхронизирующей последовательности.

   В первом случае сигнал управления мощностью, который вклинивается между пакетами, дополняется недостающими битами третьей стандартной последовательности до ее полной структуры. При передаче нескольких одиночных пакетов подряд управление мощностью не требуется, в этом случае для стыковки пакетов также используется определенная последовательность бит.

   Еще один пример пакета приведен на рис. 11 [2]. Управляющий пакет uplink используется мобильными радиостанциями для передачи сигналов управления на базовую радиостанцию. Пакет линеаризации downlink используется только базовой радиостанцией для линеаризации базового передатчика. Нормальный пакет uplink применяется мобильными радиостанциями для передачи информации логических каналов трафика или управления на базовую радиостанцию.

   В блоках 1 и 2 пакета данных передается информация трафика или управления работой сети. Служебная информация, необходимая для поддержки работы радиоканала, передается вне информационных блоков в следующих полях. 

Нормальный пакет uplink

             Задержка                                                                 Защитный

               на 17                                                                      интервал     

            символов                                                               7 символов

Нормальный непрерывный пакет downlink

                              Коррекция частоты                                 Установка фазы

               Установка фазы                                         Тестовая последовательность

Тестовая последовательность

Рисунок 11 – Структура пакетов данных

Поле коррекции частоты. Поле занимает 80 бит в синхронизированном разрывном пакете. В этом поле передается постоянное значение модулирующего сигнала, что соответствует передаче немодулированной несущей. Сдвиг частоты на каждом символьном интервале определяется фазовым сдвигом на этом же интервале ,  где  - фазовый сдвиг на символьном интервале - сдвиг частоты на символьном интервале .

   Восемь первых и последних бит поля коррекции частоты (четырех символьных интервалов) передают постоянное значение модулированного сигнала, равное единице. Дибиту 11 соответствует фазовый сдвиг на величину  pad. Следовательно в течение этого символьного интервала передается постоянная частота, отстоящая от центрального значения несущей частоты на величину

,,

где  мс.

   В течение остальных 32 символьных интервалов передается постоянное значение модулирующего сигнала, равное нулю, что соответствует фазовому сдвигу  на символьном интервале . Следовательно, в течение одного символьного интервала передается немодулированная частота, сдвинутая относительно центрального значения несущей частоты на величину

,.

Поле тестовой последовательности. Используется три вида тестовых последовательностей, каждая из которых имеет длину 22 бита (11 символов). Первые два вида используются в нормальных uplink- и downlink-пакетах.

Вид тестовой последовательности служит индикатором присутствия определенного типа логических каналов в блоках 1 или 2. Третий вид тестовой последовательности является растянутой тестовой последовательностью, которая передается в течение двух последовательных downlink-пакетов.

Поле расширенной тестовой последовательности. Расширенная тестовая последовательность имеет длину 30 бит (15 символов) и используется в пакетах uplink.

Синхронизирующая тестовая последовательность. Последовательность имеет длину 38 бит (19 символов) и используется для синхронизации пакетов downlink.

Поле концевых битов. Имеет длину 4 бита (2 символа) и предназначено для уменьшения влияния переходных характеристик передатчика и приемника на информационные символы.

Поле установки фазы. Два бита установки фазы используются в пакетах для установки точного фазового соотношения при использовании различных тестовых последовательностей в пакете данных.