Лидия Варукина, к.т.н., менеджер по оборудованию мобильного
широкополосного доступа компании Nokia Siemens Networks

Новые технические решения GSM в большой степени повторяют алгоритмы, заложенные в фундамент систем 3-го и 4-го поколений и определяющие их беспрецедентную производительность (MIMO, многопозиционная модуляция, координация помех между сотами), позволяют также в несколько раз повысить голосовую емкость сетей GSM.

Эволюция GSM

Основные вехи стандартизации GSM отражены на рис. 1. Первая спецификация GSM была выпущена Европейским Институтом Стандартизации в области Телекоммуникаций (ETSI) в 1990 г. Первая сеть запущена в Финляндии в 1992 г. И с той поры технология и сети непрерывно развивались от чисто голосового применения до пакетной передачи данных.

Рис. 1 Основные этапы стандартизации GSM

Большинству специалистов хорошо известны базовые функциональности, стандартизованные в 90-х и используемые на сетях до сих пор. Более поздние технические решения, появившиеся за последний десяток лет, были затенены от общего внимания появлением технологий 3G и 4G. Именно этим решениям посвящена данная статья, но для их полного понимания вкратце напомним базовые технические решения.

Базовые технические решения

В GSM применяется частотное и временное разделение каналов. В каждом кадре несущей GSM пользовательские данные мультиплексируются в восьми временных слотах. Голосовые соединения могут мультиплексироваться по одному или по два в один слот. Полноскоростные соединения (FR – Full Rate) упаковываются в слот по одному, полускоростные соединения (HR – Half Rate) - по два в слот, см. рис. 2.

Первые сети и терминалы работали с полноскоростными (FR) и полускоростными (HR) речевыми кодеками со скоростями 13 и 5,6 кбит/с, соответственно. При полускоростной передаче снижается качество речи, но можно вдвое увеличить емкость радиоканалов, а также повысить помехоустойчивость.

Рис. 2. Кадр несущей GSM

Позже был стандартизирован улучшенный полноскоростной кодек (EFR – Enhanced Full Rate) на базе более совершенного вокодера, скорость передачи речи – 12,2 кбит/с, помехоустойчивость при этом стала выше, а качество речи - сравнимое с качеством речи в проводных сетях. Затем появилась возможность использования адаптивных мультискоростных кодеков (AMR – Adaptive Multi Rate) c со скоростями от 4,75 до 12,2 кбит/с, которые могут использоваться для полноскоростных (AMR-FR) и полускоростных (AMR-HR) соединений. Скорость помехоустойчивого кодирования для каждого из кодеков указана в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики речевых кодеков

В зависимости от нагрузки и качества канала система может переключать скорость AMR-кодека и выбирать режим FR или HR. Соединения AMR-FR позволяют значительно повысить помехоустойчивость системы путем перехода к менее скоростным кодекам, с меньшей скоростью помехоустойчивого кодирования, значит, с большим числом проверочных бит в кадре. Переход от EFR к наиболее робастному AMR-кодеку 4,75 кбит/с позволяет повысить помехоустойчивость речевого соединения на 4-6 дБ, т.е. речевое соединение будет удерживаться даже при очень низком отношении сигнал-шум. Это позволяет либо значительно увеличить дальность связи, либо повысить степень переиспользования частот и, следовательно, емкость сети. А применение полускоростных AMR-соединений позволяет потенциально удвоить емкость сети. Конечно, помехоустойчивость и емкость сети повышается за счет некоторого снижения качества речевого сигнала, но в допустимых пределах [2].

AMR-кодеки были стандартизированы в 1999г., их массовое применение стало реальностью только во второй половине прошлого десятилетия. Задержка, как и для всех новых решений, требующих смены парка абонентского оборудования, связана с задержкой выхода на рынок и достаточного проникновения новых абонентских терминалов в сотовых сетях. Первые AMR-телефоны появились в 2001г., а их проникновение достигло критической массы (>50%) только после 2005г. Сейчас по разным оценкам проникновение GSM-телефонов с AMR-кодеками варьируется от 70% до 90%.

Наибольший эффект по емкости от применения AMR-кодеков проявляется не при классической кластерной схеме переиспользования частот, а в сети с прыжками по частоте (FH – Frequency Hopping) при псевдослучайной перестройке частот каналов по всей системной полосе и при малом коэффициенте переиспользования частот, который может быть уменьшен до 1 (рис. 3). В последнем случае емкость каждого сектора ограничивается не числом доступных временных слотов (числом приемопередатчиков в секторе), а уровнем помех в каждом канале (отношением сигнал/шум).

Рис. 3. Варианты частотных планов сети с коэффициентами переиспользования частот 1, 3, 4, 7

Для каналов BCCH, переносящих управляющую и системную информацию, для однозначной идентификации сот и ввиду высоких требований к надежности доставки этой информации может использоваться только кластерный план с коэффициентом переиспользования частот 12-15, гарантирующий высокое отношение сигнал/шум. Для каналов трафика TCH может использоваться меньший коэффициент переиспользования: при кластерном плане – порядка 7 - 9, при прыжках по частоте эквивалентный коэффициент переиспользования частот может быть равен 1.

В настоящее время в сетях GSM для каналов TCH применяют оба варианта частотных планов. В нашей стране долгое время в силу особенностей частотной политики, когда каждая используемая в секторе частота несущей требовала согласования с регулирующими органами, прыжки по всей системной полосе были просто невозможны. Использовался (а на большинстве сетей и сейчас используется) частотный план с довольно высоким коэффициентом переиспользования частот и ограниченный вариант прыжков по частоте – прыжки по частотным каналам сектора. В последние годы частотная политика изменилась, псевдослучайная перестройка частот радиоканалов GSM была разрешена Государственной комиссией по радиочастотам [6, 7].

Среди прочих базовых технических решений GSM следует выделить два метода повышения спектральной эффективности: прерывистая передача – абонентская станция и базовая станция не излучают канал трафика в паузах речи; управление мощностью – мощность передатчика выбирается такой, чтобы обеспечить уровень сигнала на приеме, близкий к чувствительности. Обе функциональности, в первую очередь, снижают уровень помех в сети, а также позволяют уменьшить энергопотребление передатчиков, а для абонентских станций заметно увеличивают время работы аккумулятора без подзаряда.

Новые средства повышения емкости и спектральной эффективности GSM

Подавление соканальных помех

Очень эффективным способом повышения помехоустойчивости является разнесенный прием в комбинации с цифровой обработкой сигналов по методу оптимального весового сложения компонент (MRC – Maximum Ratio Combining) или подавления мешающих компонент (IRC – Interference Rejection Combining) [1]. Принцип работы обоих алгоритмов иллюстрируется рис. 4, в приемнике реализуется когерентный прием: по обучающим последовательностям (TSC – Training Sequence Code) полезного и мешающего каналов оцениваются характеристики распространения радиоволн, т.е. ослабления и задержки принятых сигналов. Оценки каналов распространения полезного и мешающего сигналов используются затем для вычисления весовых коэффициентов для последующей цифровой обработки. Принятые сигналы умножаются на соответствующие весовые коэффициенты (умножение сигнала на весовой коэффициент означа