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

1.5.2 Базы данных, используемые  в GSM.

     - Home Location Register (HLR) - хранит информацию о подписчиках и текущем положении подписчика.

     - Visitor's Location Register (VLR) - динамическая информация о мобильных станциях в их зонах, отображает HLR на положение мобильных станций.

     - Authentication Centre (AUC) - хранит IMSI абонентов, ключи идентификации подписчиков, алгоритмы кодирования

     - Equipment Identify Register (EIR) - содержит список типов допустимых мобильных аппаратов, содержит список украденных аппаратов. 
 
 

Таблица №1 Характеристики типов сот

типы  сот	радиус	когда используется
пикосота	до 100 м	дома, в магазинах
микросота	50-300 м	в городе
макросота	1-20 км	вдоль дорог
гиперсота	больше 20 км	вне города

 

1.5.3 Механизмы защиты

     Механизмы защиты состоят из следующих частей: аутентификация (проверка подлинности) абонента, секретность передачи данных, секретность абонента, секретность  направления вызова. Для шифрования данных используется алгоритм RSA. Для аутентификации абонента используется хранящаяся на SIM-карте информация: IMSI абонента, индивидуальный ключ аутентификации Ki, алгоритм аутентификации A3 [3].

     Для обеспечения секретности передаваемый разговор подвергается шифрованию, причем алгоритм генерации ключей А8 также хранится на SIM-карте. Собственно алгоритм шифрования именуется А5.

     В последнее время в прессе муссируется  информация о клонировании SIM-карт. Однако для подобного клонирования требуется либо иметь на руках клонируемую карту, либо перехватить достаточно большой объем трафика "карты" в пределах одной базовой станции. На практике же, даже если карту удается клонировать, работать в сети два аппарата не будут и скорее всего оба будут заблокированы. По некоторым соображениям, клону удастся совершить как максимум один звонок да и то, в том случае, если оригинал не сделает звонка первым после клонирования: это связано с тем, что в пределах некоторой зоны расположения абоненту присваивается временный идентификатор - TMSI (Time Mobile Subscriber Identity) [3].

     Handover HANDOVER - это смена харакетирстик связи мобильной станции (трубки) с сетью во время разговора. Хэндоверы бывают двух типов:

     - внутренний - когда во время разговора меняется канал приема/передачи.

     - внешний - когда меняется базовая стенция, через которую идет свзяь с сетью GSM Кроме этого различают также хэндоверы в рамках одного бэнда (только 900 или только 1800) или между ними - с 900 на 1800 и наоборот.

     Обычно  хэндовер происходит в том случае, если сигнал по другому каналу или от другой базовой станции более эффективен для работы. Под эффективностью тут понимается как слышимость МС сигнала с базовой, так и наоборот. Часто это происходит при движении абонента, ведущего разговор.

     Отличия GSM-1800 и GSM-1900 от GSM-900Фактически - только рабочими частотами. Предоставляемый сервис зависит больше от оператора, чем от диапазона. Однако здесь есть ряд интересных моментов:

     - из-за более высокой частоты уменьшается максимально возможный радиус соты, а точнее - максимальное удаление абонента от базовой станции. Напомним, что для 900-го диапазона это расстояние равно 35 км. Для 1800 - около 10 км.

     - на частотах 1800-2000 МГц радиоволны имеют несколько иные проникающие свойства. Лучше это или хуже 900 МГц сказать сложно, но есть подозрение, что хуже.

     - резкий плюс - куда больший частотный ресурс, кроме этого в диапазонах 1800 и 1900 частотное планирование выполняется более гибко [3]. 

1.6 GSM обеспечивает поддержку следующих услуг 

     С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлять следующие типы услуг:

     - услуги по переносу информации (bearer services);

     - услуги предоставления связи  (teleservices);

     - дополнительные услуги (supplementary services).

     Когда в 1991 г. появились первые сети GSM, главное внимание уделялось обеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе. Это означает что в отличие от фиксированных сетей, где абонентский терминал проводами подключен к центральному офису, абонент сети GSM может перемещаться в пределах национальной сети и за ее границами. Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер, называемый номером подвижного абонента цифровой сети с интеграцией служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такой номер содержит код страны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данного абонента. Первые несколько цифр номера идентифицируют опорный регистр местонахождения (HLR Home Location Register) абонента в его сети подвижной связи [3].

     Входящий  вызов подвижного абонента направляется для обработки шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основном выполняет функции коммутатора, запрашивающего HLR абонента о получении необходимых данных и о маршрутизации, и поэтому содержит таблицу соединения номеров MSISDN с соответствующими им HLR. Номер роуминга подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number) полностью определяет маршрутизацию, относится к географическому плану нумерации и никак не связан с абонентами. В то же время в базовой области голосовой связи GSM предложила две группы дополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.

     Самым известным направлением деятельности GSM является телефония. Так как GSM по существу является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Еще одним примером предоставляемого сервиса является оказание экстренной помощи, когда ближайший поставщик такого рода услуги уведомляется при помощи набора трех цифр (например, 911). Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, X.25 или X.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service), (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющемуся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе [3].

     - Услуги передачи данных (синхронный  и асинхронный обмен данными,  в том числе пакетная передача  данных — GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним и от них.

     - Передача речевой информации;

     - Передача коротких сообщений  (SMS);

     - Передача факсимильных сообщений.

     Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:

     - Определение вызывающего номера и ограничение такого определения;

     - Безусловная и условная переадресация  вызова на другой номер;

     - Ожидание и удержание вызова;

     - Конференцсвязь (одновременная речевая  связь между тремя и более  подвижными станциями).

     - Запрет на определенные пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.);

     - Голосовая почта. 

1.7 Обработка речи  в стандарте GSM 

1.7.1 Общее описание  процессов обработки  речи

     Процессы  обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисных возможностей и повышение потребительских качеств абонентских терминалов.

     Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. DTX процесс в приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале [3]. 
 

1.7.2 Выбор речевого  кодека для стандарта  GSM

     Рабочей группой по разработке стандарта  GSM были предъявлены следующие основные требования к речевому кодеку :

     - высокое качество речи, не уступающее качеству передачи речи в лучших существующих аналоговых сотовых системах связи;

     - низкая скорость передачи речи, обеспечивающая возможность эффективного  канального кодирования и результирующую  скорость передачи в канале  связи не выше 16 кбит/с,

     - малую задержку сообщения в  процессе преобразования речи;

     - устойчивость к ошибкам в канале  передачи;

     - возможность работы в широком  динамическом диапазоне входных  воздействий как сигнала, так  и шума;

     - большой динамический диапазон  выходных сигналов;

     - незначительное снижение качества  речи при каскадном соединении  кодеков:

     - прозрачность для сигналов данных;

     - прямое сопряжение со смежными  устройствами терминалов;

     - простота реализации;

     - малое потребление;

     - низкая стоимость.

     Для выбора речевого кодека GSM был организован конкурс проектов. Первоначально для рассмотрения было предложено 20 различных кодеков от 9 европейских стран. После международного формального тестирования это количество было сокращено до 6 из 6 стран. На следующем этапе два из четырех подполосных (SBC) кодеков (норвежский и итальянский) были сняты с рассмотрения, к окончательному этапу конкурса осталось два SBC кодека и два кодека в предикативным кодированием [3].

     RPE-LPC - Regular-Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips) -кодек с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием;

     MPE-LTP - Multi-Pulse Excitation/Long-Term Prediction (Франция, IBM) -кодек с многоимпульсным возбуждением и долговременным предсказанием:

     На  втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода.

     Этот  фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления Ь. Период вычисления этих параметров равен 5 мс.

     Восемь  коэффициентов r (i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с.

     Для формирования последовательности возбуждения  остаточный сигнал пропускают через  фильтр нижних частот с частотой среза 3-4 кГц.

     Окончательно  периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6+9,4 = 13 кбит/с.

     В декодере речевой сигнал восстанавливается  по откликам последовательности регулярного  импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, как показано на рис. 4.3.

     При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах [3].