Алгоритм кодирования речевых сигналов GSM. Его алгоритм функционирования, параметры, область применения, показатели качества, сравнение с

     Федеральное агенство по науке и образованию 

     РГРТУ 

     Кафедра РУС 
 
 

     Курсовая  работа по предмету «Кодеки сигналов в МТКС» 

     «Алгоритм кодирования речевых сигналов GSM. Его алгоритм  
функционирования, параметры, область применения, показатели качества,  
сравнение с другими кодеками. Возможные реализации на современной  
элементной базе. Программная реализация кодека» 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Содержание 

Введение……………………………………………………………………….3

1 Стандарт сотовой  связи GSM………………………………………………3

1.1 История стандарта  GSM………………………………………………….3

1.2 Общие характеристики  стандарта GSM………………………………...3

1.3 Основные характеристики  стандарта GSM……………………………..5

1.4 Принцип работы………………………………………………………….6

1.5 Технические  характеристики стандарта GSM…………………………15

1.5.1 Компоненты  сети………………………………………………………15

1.5.2 Базы данных, используемые в GSM…………………………………..16

1.5.2 Таблица типов сот………………………………………………………17

1.5.4 Механизмы защиты…………………………………………………….17

1.6 Услуги, предоставляемые  GSM…………………………………………18

1.7 Обработка  речи в стандарте GSM……………………………………….21

1.7.1 Общее описание  процессов обработки речи………………………….21

1.7.2 Выбор речевого  кодека для стандарта GSM………………………….22

1.7.3 Детектор активности речи……………………………………………..24

1.7.4 Формирование  комфортного шума……………………………………25

1.7.5 Экстраполяция  потерянного речевого кадра…………………………26

Список используемых источников………………………………………….27 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Full Rate или FR или GSM-FR — первый цифровой стандарт кодирования речи, использованный в телефонах GSM. Битрейт кодека — 13 кбит/с. Качество звука — очень низкое по сравнению с современными стандартами, но в начале 1990-х, когда он разрабатывался, FR-кодек был хорошим компромиссом между сложностью реализации и качеством звука. Но, несмотря на наличие более современных кодеков, FR всё ещё широко применяется во всем мире. На смену FR пришли стандарты Enhanced Full Rate (EFR) и Adaptive Multi Rate (AMR), которые сочетали в себе лучшее качество звука и более низкий битрейт [2]. 

1 Стандарт сотовой связи GSM 

1.1 История стандарта  GSM 

     Разработка  нового общеевропейского стандарта  цифровой сотовой связи началась в 1985 году. Специально для этого было создана специальная группа - Group Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Позднее GSM, благодаря ее широкому распространению, стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications. К настоящему времени система GSM развилась в глобальный стандарт второго поколения, занимающий лидирующие позиции в мире, как по площади покрытия, так и по числу абонентов [1]. 

1.2 Общие характеристики  стандарта GSM 

     В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.

     Для защиты от ошибок в радиоканалах при  передаче информационных сообщений  применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение  эффективности кодирования и  перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

     Для борьбы с интерференционными замираниями  принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

     Система синхронизации рассчитана на компенсацию  абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км [1].

     В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с. В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

     В целом система связи, действующая  в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN) [1]. 

1.3 Основные характеристики  стандарта GSM 

     -Частоты  передачи подвижной станции приема базовой станции, МГц.890-915;

     -Частоты  приема подвижной станции и  передачи базовой станции, МГц  935-960;

     -Дуплексный  разнос частот приема и передачи, МГц …………....45;

     -Скорость  передачи сообщений в радиоканале, кбит/с…………...270, 833;

     -Скорость  преобразования речевого кодека, кбит/с ………………..13;

     -Ширина  полосы канала связи, кГц ……………………………..….200;

     -Максимальное  количество каналов связи …………………….......124;

     -Максимальное  количество каналов, организуемых  в базовой станции

       …………………………………………………………………..…...16-20;

     -Вид  модуляции …………………………………………………....GMSK;

     -Индекс  модуляции ВТ ……………………….………………..……..0,3;

     -Ширина  полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц

     …………………………………………………………………….…….81,2;

     -Количество  скачков по частоте в секунду ……………………........217;

     -Временное  разнесение в интервалах ТDМА кадра (передача/прием

     для подвижной станции………………………………………….……….2;

     -Вид  речевого кодека ………………………………………….....RPE/LTP;

     -Максимальный  радиус соты, км до ………………..……………......35;

     -Схема  организации каналов комбинированная …...TDMA/FDMA [1]. 
 

1.4 Принцип работы 

     Функциональное  сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые  функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7) [3].

     Центр коммутации подвижной связи обслуживает  группу сот и обеспечивает все  виды соединений, в которых нуждается  в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

     Каждый  MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

     MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети [3].

     MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

     MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC) [3].

     Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

     К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов [3].

     Второе  основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной  станции из зоны в зону, - регистр  перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

     VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

     В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется [3].

     VLR обеспечивает также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.