Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах: стандарт СDМА предложен и внедряется компанией Qualcomm, стандарт B-CDMA - компанией Inter Digital, FH/CDMA - компанией Tadiran Telecommunications. Эти стандарты значительно отличаются друг от друга по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра. Построенные на их основе системы различаются как функциональными возможностями, так и областью применения. Ниже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемого в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США [10,21, 38].

Изначально система связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах частот 824-849 МГц (обратный канал) и 869-894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире, - 1,25 МГц.

Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу [21, 10, 41].

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС (рис. 1). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 1 - Схема расширения спектра частот цифровых сообщений



Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передаче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе СDМА подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «О», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко-близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

В технических решениях компании Qualcomm расширение спектра обеспечивается за счет модуляции сигнала псевдослучайной последовательностью с частотой следования дискретов 1,23 МГц. Более точно эта частота составляет 1,2288 МГц, причем 1228,8 = 9,6x128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дискретов псевдослучайной модулирующей последовательности. Полоса сигнала с расширенным спектром по уровню 3 дБ составляет 1,23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Для модуляции сигнала используется три вида функций: «короткая» и «длинная» ПСП и функции Уолша порядков от 0 до 63. Все они являются общими для базовых и мобильных станций, однако реализуют разные функции (табл. 1) [10, 39, 55].

Таблица 1

Тип сигнала	Длина кода	Выполняемые функции
		Базовая станция	Мобильная станция
Код Уолша	64	Кодовое уплотнение или разделение 64 каналов CDMA	Помехоустойчивое кодирование
Короткий код	32768	Разделение сигналов базовых станций по величине циклического сдвига	Код с одинаковым фиксированным циклическим сдвигом - как опорный сигнал скремблера
Длинный код	242 - 1 (4,4х1012)	Прореженный длинный код - как опорная последовательность скремблера	Длинный код с разными циклическими сдвигами - как адресная последовательность

На рис. 2. представлены графики функций Уолша восьми первых порядков. Длина короткой ПСП составляет 2¹⁵-1 = 32767 знаков, длинной ПСП - 2⁴²-1 = 4,4х10¹² знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.



Рис. 2. Графики функций Уолша восьми первых порядков

В прямом канале (от БС к подвижной, рис. 3) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС [55].

Рис. 3 - Схема обработки сигналов в передающем тракте базовой станции

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН). Число одновременно передаваемых каналов и их параметры указаны в табл. 2.

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W₀). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов [40].

Таблица 2

Параметр	Базовая станция	Мобильная станция
Тип канала	PL	SYNC	PCH	TCH	ACH	PCH
Число одновременно передаваемых каналов	1	1	7	55	1	1
Входная скорость, кбит/с	Н/п	1,2	2,4	1,2	4,8	1,2
			4,8	2,4		2,4
			9,6	4,8	4,8
				9,6		9,6
Скорость кодирования	Н/п	1/2	1/2	1/2	1/3	1/3
Скорость на выходе сверточного кодера, кбит/с	Н/п	4,8	4,8	2,4	14,4	3,6
			9,6	4,8	7,2
			19,2	9,6		14,4
				19,2		28,8
Выходная скорость кодированного потока, кбит/с	Н/п	4,8	19,2	19,2	28,8	28,8
Скорость после кодового преобразования, кбит/с	Н/п	Н/п	Н/п	Н/п	307,2	307,2
Метод модуляции в радиоканале	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	OQPSK	OQPSK

Н/п - неприменимо

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на МС: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале трафика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно контролирует его. Для кодирования синхроканала используется функция W₃₂.

Функции W₁-W₇ используются для кодирования каналов вызова - их число может составлять от 0 до 7; остальные функции Уолша (вместе с оставшимися от каналов вызова, если их число меньше семи) используются для кодирования каналов трафика. Число каналов трафика может составлять от 55 до 62.

При передаче сигнала от БС используется сверточное кодирование со скоростью R=l/2 и кодовым ограничением К=9 (табл. 2.7). Для борьбы с замираниями в стандарте IS-95 предусмотрено поблочное перемежение символов, позволяющее декоррелировать пакеты ошибок. Скорость передачи по каналу ТСН может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет гибко адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн. Для приема сигналов используется RAKE-приемник, имеющий несколько каналов для их параллельной обработки.

В IS-95 допускается использование нескольких типов речевых кодеков: CELP (8 кбит/с), QCELP (13 кбит/с) или EVRC (8 кбит/с). Типовые значения оценки качества по шкале MOS для алгоритма CELP составляет 3,7 балла (9600 бит/с) и 3,0 балла (4800 бит/с). Вносимая алгоритмом CELP задержка не превышает 30 мс. Качество передачи речи в вокодере QCELP (Qualcomm CELP) очень близко к качеству передачи по проводным линиям (4,02 балла).

В обратном канале (от подвижной станции к базовой, рис. 4) модуляция сигнала короткой ПСП используется только для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару последовательностей с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной ПСП кроме шифрования сообщений несет информацию о ПС в виде ее закодированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных ПС одной ячейки за счет индивидуального для каждой станции сдвига последовательности [55].

Рис. 4 - Схема обработки сигналов в передающем тракте подвижной станции

В МС предусмотрено два типа информационного обмена: доступ (АСН) и трафик (ТСН). Пилот-сигнала в обратном канале нет, поэтому синхронное детектирование не используется, БС осуществляют некогерентную обработку сигналов, а помехоустойчивость обеспечивается в основном за счет пространственного разнесения.

В кодеках МС тоже применяются ортогональные коды Уолша, но не для уплотнения каналов (как на БС), а для повышения помехоустойчивости. С этой целью входной поток данных со скоростью 28,8 кбит/с разбивается на пакеты по 6 бит, и каждому из них однозначно ставится в соответствие одна из 64 последовательностей Уолша. В итоге скорость кодированного потока на входе модулятора возрастает до 307,2 кбит/с. Это кодирование одинаково для всех физических каналов, а на приемном конце используются 64 параллельных канала, каждый из которых настроен на свою функцию Уолша, и эти каналы распознают (декодируют) принятые 6-битовые символы.

В обратном канале, как и в прямом, для зашиты от ошибок используются сверточное кодирование с длиной ограничения 9, но со скоростью 1/3 (т.е. с вдвое большей избыточностью - это мера компенсации отсутствия синхронного детектирования) и перемежение на интервале 20 мс. В результате кодирования скорость в информационном канале увеличивается до 28,8 кбит/с. сотовый связь сигнал

На рис. 5 приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается с несушей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной [10].

На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от БС соседних ячеек и от МС других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в МС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

Рис. 5 - Принцип работы системы сотовой связи стандарта CDMA

В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса - один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек.

Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний-дальний» (far-near problem), когда МС, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех CMC, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе ТОМА. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии выравнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции. Причем чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы.

Следует отметить, что прямой канал менее подвержен искажениям сигнала за счет внутрисистемных помех и многолучевых замираний, так как на БС всегда существует запас по мощности. Поэтому основные проблемы возникают при регулировке мощности в обратном канале - от абонента к БС.

Чем выше точность управления мощностью, тем ниже уровень взаимных помех. В стандарте IS-95 регулировка мощности МС осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ, т.е. с точностью 0,5 дБ. Интервал между соседними измерениями равен 1,25 мс. Биты управления мощностью передаются по каналу трафика со скоростью 800 бит/с. Раздельная обработка многолучевых сигналов с последующим их сложением обеспечивает требуемое отношение сигнал/шум в 6-7 дБ. Применение нескольких параллельно работающих каналов при раздельной обработке лучей позволяет осуществить «мягкий» режим переключения МС при переходе абонента из одной соты в другую.

Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использованием алгоритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым AT, до необходимого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусматривается три механизма регулировки мощности: в прямом канале - разомкнутая петля; в прямом канале - замкнутая петля; в обратном канале (ОК) - внешняя петля регулирования [10, 42, 55].

Процесс регулирования мощности передающих устройств в ОК (от абонента к БС) заключается в следующем. Каждая МС непрерывно передает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой информации БС распределяет излучаемую мощность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает большее затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель регулировки мощности в ОК - оптимизация площади соты.

В процессе регулирования мощности в прямом канале (от БС к абоненту) возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (разомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля). Схема управления мощностью в прямом канале изображена на рис. 6.



Рис. 6 - Схема управления мощностью в прямом канале

При открытом цикле ПС после включения ищет сигнал БС. После синхронизации ПС по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с БС. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности принятого сигнала должна быть постоянна и равна -73 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют различные уровни затухания при распространении и по-разному подвержены воздействию помех.

При замкнутом цикле возможно точно отрегулировать мощность передаваемого сигнала. БС постоянно оценивает вероятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает программно заданный порог, то БС дает команду соответствующей МС увеличить мощность излучения. Регулировка осуществляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повторяется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каждая ПС излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обеспечения приемлемого качества речи. За счет того, что все МС излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности, и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость системы возрастает. ПС должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне - до 85 дБ.

При процедуре мягкой эстафетной передачи (переходе абонента из зоны обслуживания одной БС в зону другой) схема регулирования мощности несколько иная. МС принимает одновременно несколько команд управления мощностью от разных БС (обычно двух) и сравнивает их между собой. Если все команды указывают на необходимость увеличения мощности, то МС последовательно увеличивает свою мощность с шагом 1 дБ.

Регулирование мощности как в прямом, так и в обратном канале влияет на срок службы аккумуляторов МС. Средняя излучаемая мощность МС в CDMA меньше, чем в системах, использующих другие методы доступа. Это непосредственно связано с такими параметрами радиотелефона, как длительность непрерывного занятия канала и время нахождения в режиме ожидания.

Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов TIA: IS-95 - CDMA-радиоинтерфейс; IS-96 - CDMA-речевые службы; IS-97 - CDMA-подвижная станция; IS-98 - CDMA-базовая станция; IS-99 - CDMA-службы передачи данных.

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне 800 МГц. Система построена по методу прямого расширения спектра частот на основе 64 видов последовательностей, сформированных па закону функций Уолша. Для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой используется алгоритм CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с. В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью 1/2 (в прямом канале) и 1/3 (в обратном канале), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса частот канала связи составляет 1,25 МГц. Основные характеристики стандарта CDMA фирмы Qualcomm приведены в табл. 3 [21, 38, 10].

Таблица 3 - Основные технические характеристики стандарта CDMA

Характеристика	Значение
Диапазон частот передачи MS, МГц	824,040-848,860
Диапазон частот передачи BTS, МГц	869,040-893,970
Относительная нестабильность несущей частоты BTS	5х10-8
Относительная нестабильность несущей частоты MS	2,5х10-6
Вид модуляции несущей частоты	QPSK (BTS), 0-QPSK (MS)
Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц: по уровню -3 дБ по уровню -40 дБ	1,25 1,50
Тактовая частота ПСП, МГц	1,2288
Число каналов BTS на одной несущей	1 пилот-канал, 1 канал сигнализации, 7 каналов персонального вызова, 55 каналов связи
Число каналов MS	1 канал доступа, 1 канал связи
Скорость передачи данных, бит/с: в канале синхронизации в канале персонального вызова и доступа в каналах связи	1200 9600, 4800 9600,4800,2400, 1200

Состав оборудования сетей стандарта CDMA во многом сходен с составом оборудования сетей стандарта GSM и включает в себя МС и БС, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства, функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов. Конфигурация сотовой сети и системы стандарта CDMA представлены на рис. 7, 8.

Одно из важных требований, предъявляемых к системам второго поколения, - гибкость технологии и возможность ее постепенного развития, проходящего без кардинального изменения существующей инфраструктуры сетей.

Современные сети, базирующиеся на стандарте IS-95, обеспечивают передачу сигнала со скоростью 9,6 кбит/с (с кодированием) и 14,4 кбит/с (без кодирования), тогда как исходные спецификации cdmaOne предполагали скорость передачи 8 кбит/с, 13 кбит/с и 8 кбит/с EVRC (Enhanced Variable Rate Vocoder). В настоящее время широко применяется версия стандарта IS-95A.

Рис. 7 - Конфигурация сети стандарта CDMA

MS - подвижная станция BTS - базовая станция SU - устройство выбора кадра MSC - центр коммутации подвижной связи BSC - контроллер базовой станции	OMC - центр управления и обслуживания DB - база данных PSTN - телефонная сеть общего пользования ISDN - цифровая сеть с интеграцией служб PDN - сеть пакетной коммутации

Рис. 8 - Конфигурация системы стандарта CDMA

CS - подсистема управления IS - подсистема внутренней связи SS-M - подсистема коммутации мобильной связи SS-T - подсистема коммутации соединительных линий SS-7 - подсистема коммутации SS №7 SS-A - подсистема коммутации ARS BSM - управление мобильными станциями CCINU - центральное внутрисетевое устройство BSC - контроллер базовой станции	MS - подвижная станция BTS - базовая станция MSC - центр коммутации подвижной связи HLR - регистр положения VLR - регистр перемещения OMC -центр управления и обслуживания PSTN -телефонная сеть общего пользования VMS -система речевой почты FMS - система факсимильной связи

Версия IS-95B основана на объединении нескольких каналов CDMA, организуемых в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Скорость может увеличиваться до 28,8 кбит/с (при объединении двух каналов по 14,4 кбит/с) или до 115,2 кбит/с (8 каналов по 14,4 кбит/с). Сети на основе IS-95B смогут обеспечивать доступ в Internet до появления систем третьего поколения. Однако для того, чтобы предоставлять услуги пакетной передачи, контроллер БС нужно дооснастить маршрутизатором. В спецификациях стандарта предусмотрено качественное улучшение характеристик обслуживания за счет снижения потерь при переходе абонента от одной БС к другой, а также повышение точности контроля мощности до 0,25 дБ, организация каналов приоритетного доступа и другие усовершенствования.

В версии IS-95C модификации коснулись повышения частотной эффективности и увеличения емкости телефонной сети в два раза. Спецификациями предусматривается дополнительный канал с ортогональным сдвигом несущей, по которому может передаваться полный кодовый ансамбль сигналов (т.е. 64 кода Уолша), такой же, как и по синфазному каналу. Системы на базе IS-95C будут обратно совместимы с сетями на основе IS-95A и IS-95B и сохранят прежнюю полосу частот - 1,25 МГц. По сравнению с предыдущими версиями скорость передачи в системе возрастет до 144 кбит/с; при этом сократится энергопотребление терминала.

В настоящее время разрабатывается новая модификация IS-95-HDR (High Data Rate), которая призвана расширить возможности высокоскоростной ПД. В прямом канале передачи, поддерживающем этот стандарт, предполагается повышение скорости до 1Мбит/с и даже более. В ОК скорость по сравнению с IS-95C не меняется. Возможности, которые предоставит IS-95-HDR, в первую очередь ориентированы на совместную работу с СПД, имеющими асимметричный трафик.

Множественный доступ с частотным разделением FDMA

В методе FDMA каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот f (частотный канал). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи, при этом полоса частот f составляет 10-30 кГц. Основной недостаток метода FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу ТDМА, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Множественный доступ с временным разделением ТDМА

В методе ТDМА каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.

Практическая реализация метода ТDМА требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема ТDМА используются в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала f = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число ФК возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы.

Однако метод ТDМА не реализует всех возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Преимущество в этом отношении имеет метод CDMA.

Множественный доступ с кодовым разделением CDMA

В методе CDMA большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот (не менее 1 МГц). Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Вещание абонентов накладывается друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы. Как и ТDМА, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме.

Основные принципы метода - расширение спектра за счет модуляции ПСП в сочетании с кодовым разделением физических каналов - определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на БС и использование принципа «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи), оперативное изменение числа задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически реализовать предельно малое допустимое отношение сигнал/помеха, т.е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. Это технические особенности CDMA обеспечивают высокие характеристики метода. С другой стороны, их реализация достаточно сложна.

В методе нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же полоса частот. Если, в терминах разработки Qualcomm, под CDMA отведена полоса более широкая, чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23 МГц используется во всех ячейках с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7-ячеечном кластере методов FDMA и ТDМА).

В методе CDMA реализуется «мягкая передача обслуживания». Когда ПС приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух БС (рабочей ячейки и одной из смежных) становятся соизмеримыми по уровню, по команде с ЦК через БС смежной ячейки организуется второй канал связи с той же ПС; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. ПС принимает сигналы одновременно от двух БС, используя технические возможности рейк-приемника. Так продолжается до тех пор, пока ПС не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй БС не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую БС закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается.

Метод CDMA требует точной синхронизации БС системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате ССС оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе ТDМА, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации. Высокая помехоустойчивость CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации БС, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических каналов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход от FDMA к ТDМА увеличивает число физических каналов в три раза, а при полускоростном кодировании в шесть раз, получается, что переход от ТDМА к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов.

Однако фактически возможно более сильное влияние помех в CDMA, чем принималось в расчетах, а также в некоторых ситуациях может возникнуть необходимость более плотного расположения БС. Эти факторы ведут к снижению емкости системы. Кроме того, метод ТDМА имеет дополнительные возможности: скачки по частоте (предусмотренные, в частности, стандартом GSM), которые, в сочетании с прерывистым излучением (отработкой «речевой активности») и оперативной регулировкой мощности излучения, смягчают влияние релеевских замираний и снижают средний уровень помех, т.е. позволяют реализовать большие значения коэффициента повторного использования частот. К той же цели ведет и использование адаптивного распределения каналов, в том числе в сотовых сетях иерархической структуры; в отношении построения последних ТDМА имеет преимущества по сравнению с CDMA. В результате методы CDMA и ТDМА оказываются примерно сопоставимыми по обеспечиваемой ими емкости.



Многолучевое распространение

Многолучевое распространение

Используемые в ССС дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т.е. распространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие - замирания и искажения результирующего сигнала [26, 55].

На рис. 9 представлена зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС. По мере удаления ПС от БС напряженность поля убывает, и данная зависимость не является плавной. Кроме того, если изменить частоту или скорость движения ПС, зависимость значительно изменится, но характер ее останется прежним. Изменение среднего значения напряженности поля в зависимости от расстояния ПС от БС называют затуханием, а всплески - замираниями.

Рис. 9 - Зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС

В общем виде затухание, при отсутствии помех, может быть выражено в следующем виде:

где Р_пр - мощность сигнала, принимаемого ПС; Р_пер - мощность сигнала, передаваемого БС; d- расстояние от БС до ПС; f - частота сигнала; с - скорость света.

Как видно из приведенной зависимости, величина затухания пропорциональна квадрату частоты сигнала и квадрату расстояния ПС от БС. Учитывая это, во избежание потерь информации необходимо иметь требуемую чувствительность приемных устройств в каждый момент времени, а также своевременно осуществлять переключение ПС из зоны действия одной БС в зону действия другой БС.

Картина многолучевого распространения схематически изображена на рис. 2.30. Фактически область существенных отражений ограничивается обычно сравнительно небольшим участком в окрестности ПС - порядка нескольких сотен длин волн, т.е. нескольких десятков или сотен метров. При движении ПС эта область перемещается вместе с ней таким образом, что ПС все время остается вблизи центра области.

При сложении нескольких сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как выше среднего уровня, так и заметно ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала (или межсимвольная интерференция) имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала накладываются на соседние символы другого.



Рис. 10 - Многолучевое распространение в условиях городской застройки

Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие -- быструю и медленную.

Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения, описываются релеевским законом распределения, и потому иногда называются релеевскими замираниями. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов (рис. 10). В результате этого приемник ПС принимает несколько однотипных сигналов, но сдвинутых по фазе, что приводит к ослаблению основного сигнала. При этом возможен случай, когда основной сигнал и отраженный равны по мощности, но находятся в противофазе, и это приведет к тому, что результирующий сигнал будет равен нулю, т. е. произойдет прерывание связи.

Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых примерно 10 дБ - превышение над средним уровнем и 30 дБ - провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие.

При неподвижном абонентском аппарате интенсивность принимаемого сигнала не меняется. При перемещении ПС периодичность флуктуации в пространстве составляет около полуволны, т.е. порядка 10-15 см в линейной мере. Период флуктуации во времени зависит от скорости перемещения ПС: например, при скорости 50 км/ч период флуктуации составляет около 10 мс, а при 100 км/ч - около 5 мс. Частота замираний глубиной 30-10 дБ при скорости порядка 50 км/ч составляет 5-50 провалов в секунду соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня 30-10 дБ при той же скорости - порядка 0,2-2 мс.

Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается препятствиями (здания, горы и т. д.), нарушающими прямую радиовидимость между БС и МС. Медленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных флуктуации не превышает 5-10 дБ, а их периодичность соответствует перемещению ПС на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении ПС, на которые накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распространения.

Основное неудобство в сотовой связи доставляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. Для борьбы с быстрыми замираниями используются два основных метода: разнесенный прием, т.е. одновременное использование двух или более приемных антенн; работа с расширением спектра: использование скачков по частоте, а также метода CDMA.

Межсимвольная интерференция может иметь место при значительных разностях хода между различными лучами в условиях многолучевого распространения. Практически разности хода в городских условиях могут достигать единиц микросекунд.

В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и рейк-приемников, наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, так что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В относительно узкополосных ССС, использующих метод ТDМА, для борьбы с межсимвольными искажениями применяются эквалайзеры -- адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте ЦОС, которые позволяют компенсировать межсимвольные искажения. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.

Разнесенный прием

Идея разнесенного приема (РП) заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них. Т.е. эффективность разнесенного приема тем выше, чем менее коррелированы замирания в составляющих сигналах.

Возможны пять вариантов РП: с разнесением во времени, при этом используются сигналы, сдвинутые во времени один относительно другого; метод легко реализуем лишь в цифровой форме, и улучшение качества приема происходит за счет пропускной способности канала связи; с разнесением по частоте, при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т.е. происходит расширение используемой полосы частот; с разнесением по углу, или по направлению, при этом прием производится на несколько антенн с рассогласованными (не полностью перекрывающимися) диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов разных антенн коррелированы тем слабее, чем меньше перекрытие диаграмм направленности, но одновременно падает и эффективность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной; с разнесением по поляризации, когда, например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на разных поляризациях сильно коррелированы; с разносом в пространстве, т.е. с приемом сигналов на несколько пространственно разнесенных антенн; это единственный метод, находящий практическое применение.

Для метода РП необходимы как минимум две приемные антенны, установленные с некоторым смещением одна относительно другой. Выигрыш от РП тем больше, чем больше число используемых антенн, однако при этом возрастает и сложность технического решения. Практическое применение находит система с двумя приемными антеннами, и в основном в БС. В ПС широкого распространения РП не получил.

Важными характеристиками системы РП являются расстояние между антеннами и способ совместного использования сигналов с выходов двух антенн. С ростом расстояния между антеннами корреляция между флуктуациями уровня принимаемых ими сигналов падает, т.е. чем больше разнос антенн, тем выше эффективность РП. Но при этом возрастает и сложность технической реализации, так что практически разнос берется минимально возможным, при котором РП уже достаточно эффективен. Реально разнос обычно составляет около десятка длин волн, т.е. порядка нескольких метров.

При объединении сигналов с выходов двух антенн возможно как использование одного (более сильного) из двух сигналов, так и суммирование обоих сигналов - додетекторное (когерентное) или последетекторное - с равными весами или со взвешиванием, обеспечивающим получение максимума отношения сигнал/шум. В случае двух приемных антенн различие в эффективности этих способов относительно невелико, и на практике обычно применяется наиболее простой из них - выбор максимального из двух сигналов с коммутацией выхода соответствующего приемника на вход тракта последующей обработки.

Скачки по частоте

Использование скачков по частоте является одним из методов расширения спектра, принципиально отличающимся от метода расширения спектра за счет модуляции прямой последовательностью, которая применяется в методе CDMA.

Идея метода скачков по частоте состоит в том, что несущая частота для каждого ФК периодически изменяется, т.е. каждый ФК периодически переводится на новый частотный канал. Поскольку релеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на некоторой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на 100-300 кГц замирания с большой вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний, и соответственно в сочетании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться при помощи помехоустойчивого канального кодирования.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках - много меньше длительности символа.

Изменение частоты в пределах доступного диапазона может быть как регулярным (циклическим), так и нерегулярным (псевдослучайным), причем в последнем случае может быть выбран любой из имеющихся в наборе вариантов псевдослучайности. Режим работы со скачками по частоте не является обязательным и назначается по команде с центра коммутации.

В практике сотовой связи применение скачков по частоте предусмотрено стандартом GSM - используются медленные скачки с переключением частоты в каждом очередном кадре. Если учесть, что в кадре каждому ФК соответствует один слот, то для любого из ФК такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов. Принцип использования медленных скачков по частоте в стандарте GSM изображен на рис. 2.31.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

Организация каналов в стандарте CDMA

В стандарте CDMA (IS-95, IS-96) все каналы передачи сигналов от БС называются прямыми (Forward), а от мобильной - обратными (Reverse). Именно этот признак был положен разработчиками стандарта в основу структуры каналов (рис. 11).

Важную роль в системах на базе CDMA играет канал передачи пилот-сигнала (Pilot Channel), который излучается каждой БС непрерывно в широковещательном режиме и может быть принят одновременно всеми МС, расположенными в зоне ее обслуживания. Для установления начальной синхронизации используется синхроканал SYNC. Традиционно передача вызовов с БС на МС осуществляется по вызывному каналу РСН, а многостанционный доступ реализуется по каналу АСH [39].

Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным (FCH), а второй - дополнительным (SCH). Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи.



Рис. 11 - Структура каналов стандарта cdma2000

PICH - канал пилот-сигнала SYNC - канал синхросигнала PCH - канал вызова ACH - канал доступа FCH - основной канал	SCH - дополнительный канал CAPICH - общий дополнительный канал пилот-сигнала DAPICH - выделенный дополнительный канал пилот-сигнала CCCH - общий канал управления DCCH - выделенный канал управления

Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1500, 2700, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.

В третьем поколении CDMA (cdma2000) сохранена существующая структура каналов, однако число видов каналов увеличено до 15. Прежде всего, введены три дополнительных пилот-сигнала: два вспомогательных в прямом канале - CAPICH и DAPICH и один в обратном - R-PICH. CAPICH используется при наличии на БС разнесенных антенн, DAPICH - при использовании абонентских антенн с узким лучом направленности, a R-PICH выполняет начальную синхронизацию для БС.

Кроме того, для организации связи в прямом и обратном направлениях дополнительно введены общий (СССН) и выделенный (DCCH) КУ, которые по назначению аналогичны каналам РСН (в прямом канале) и АСН (в обратном канале).

В отличие от IS-95 и cdma2000 в стандартах UTRA (ETSI, Европа) и W-CDMA (ARIB, Япония) предложен иной принцип деления каналов, основанный на учете взаимосвязи между объектами разных иерархических уровней. При этом могут быть выделены три типа каналов: логические; транспортные; физические.

Существуют две группы ЛК: управления ССН и трафика ТСН. По КУ передаются вызывные и служебные сообщения, сигнализация, команды управления мощностью и диаграммой направленности, а по КТ - информационные потоки.

Каналы управления, в свою очередь, подразделяются на общие (СССН) и выделенные (DCCH). В рекомендации МСЭ (ITU-R M.1035) был также предложен третий тип канала -жестко закрепленный, получивший обозначение LCCH (Leash ССН). В настоящее время в системах на базе протокола CDMA он не используется.

Общие каналы СССН предназначены для передачи управляющей информации и сигнализации в режиме, не ориентированном на соединение. Имеются четыре вида таких каналов: широковещательные (ВССН, Broadcast CCH), прямого доступа (FACH, Forward ACH), вызова РСН и произвольного доступа (RACH, Random ACH).

Двухсторонняя радиосвязь между БС и МС осуществляется по двум каналам. В СКК данные передаются по выделенному каналу трафика (DTCH), а пакетная информация - по каналу передачи абонентских пакетов (UPCH).

Транспортные каналы, связывающие физический уровень с более высокими, так же, как и логические, подразделяются на две группы: общие ССН, не требующие идентификации МС в рабочей полосе, и выделенные DCH, в которых МС однозначно связана с ФК, т.е. с определенным кодом и частотой. Первые доступны группе абонентов - связь организуется одновременно между БС и несколькими МС, а по выделенному передаются данные или сигнализация.

Одно из различий между проектами W-CDMA и UTRA состоит в разном числе типов выделенных каналов. В W-CDMA один тип - DTCH, а в UTRA их три: DTCH, автономный (SDCCH) и совмещенный (АССН). В канале DTCH предусмотрено быстрое изменение скорости передачи (каждые 10 мс). АССН используется для совместной передачи управляющей информации из потока данных.

Физические каналы определяют качественные показатели и режимы передачи информации. Их главные характеристики - код, частота и фазовый сдвиг. Они также подразделяются на общие (СРСН) и выделенные (DPCH) каналы. По общему каналу управления (ССРСН) передается вызывная управляющая информация. Для передачи символов пилот-сигнала используется отдельный канал синхронизации (SCH).

...