Телекоммуникационные информационные системы

На рис. 10.10 показана процедура  прохождения обычного вызова (исходящий  вызов от подвижной станции).

Базовая станция одновременно может передавать 64 канала, из которых 2 канала используются для синхронизации, 7-для персонального вызова (Paging), остальные 55 – для передачи речевых сообщений (Traffic).

Для передачи всех 64 каналов  применяется одна и та же псевдослучайная  последовательность. В каждом канале при передаче используется одна из 64 последовательностей Уолша. При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша  изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе  радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

В подвижных станциях ортогональные сигналы также  используются при передаче, но не для  уплотнения каналов, а для повышения  их помехоустойчивости. В этом случае каждой группе  из 6 бит информационного  сообщения соответствует при  передаче одна из 64 ортогональных последовательностей Уолша. При передаче каждая подвижная станция использует ПСП с разными циклическими сдвигами, что даёт возможность базовой станции при приёме разделить сигналы от подвижных станций.

Помехи, создаваемые  другими абонентскими станциями и другими  базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети стандарта CDMA. При разработке сети с кодовым разделением каналов необходимо свести к минимуму общий уровень помех.

 

Пусть в соте находятся К активных абонентов, все подвижные станции  работают в общей полосе частот F, скорость передачи сообщений постоянна  и равна С, чувствительность приемника  базовой станции -  Р₀, уровень фонового шума – Р_ш. Тогда отношение сигнал/шум на входе приемника базовой станции (Рвх) определится выражением

где (К-1)* Р₀ – уровень сигналов от других  активных станций.

Отношение энергии бита  Е₀  информационного сигнала к спектральной плотности шума  N₀ может быть определено выражением

Учитывая, что отношение F/C численно равно базе сигнала В,

 

количество активных абонентов в соте системы CDMA определяется выражением

при условии, что уровни сигналов от всех абонентских  станций на входе базовой станции будут приблизительно равны и близки к минимальным (Р0).

Рассмотренные условия  работы системы CDMA определяют высокие  требования к регулировке уровней  мощности сигналов подвижных станций, принимаемых базовой станцией.

В стандарте IS-95 регулировка  уровня мощности сигнала, излучаемого  подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне  84 дБ с  шагом 1дБ. Это обеспечивает возможность  приема сигналов подвижных станций  базовой станцией с практически  одинаковым уровнем мощности независимо от удаления до базовой станции. Чем ближе уровень мощности сигналов от подвижных станций на входе базовой станции к минимальному, соответствующему требуемому качеству связи, тем меньше уровень взаимных помех в системе и, следовательно, тем выше её ёмкость.

Высокие требования к  регулировке уровня мощности подвижной  станции можно отнести к недостатку системы Qualcomm . Вторым недостатком CDMA Qualcomm является необходимость использования  одинаковых по размерам сот на всей сети, в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станций, которые находятся в соседних сотах разного размера. В этом случае также возникает проблема “эстафетной передачи”.

Стандарт CDMA обеспечивает большую ёмкость сети по сравнению  с традиционными аналоговыми сотовыми сетями. Увеличение ёмкости может быть достигнуто двумя способами:

• увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;
• увеличением повторного использования каналов связи на данной территории.

Примером второго подхода является переход от частотного разделения каналов к временному, что реализовано в стандарте GSM.  Допустимое отношение сигнал/помеха в каналах GSM составляет 9 дБ вместо 17-18 дБ для аналоговых систем, что позволяет обеспечить повторное  использование частот при меньшем территориальном разносе базовых станций с повторяющимися частотами. Это позволяет увеличить ёмкость сетей GSM примерно в два раза по сравнению с аналоговым стандартом  AMPS (800 МГц). При использовании полускоростного речевого кодека  ёмкость сетей GSM  увеличится в 4-5 раз по сравнению  с AMPS.

Стандарт CDMA  позволяет  использовать одну и ту же частоту  по всей сети, во всех сотах. Коэффициент  повторного использования частот для CDMA равен (k=1 или k=4), увеличение ёмкости  в этом случае по отношению к AMPS составит 7-10 раз [15; 16].

Другим фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и , следовательно, увеличению её емкости  является применение, аналогично GSM, системы  прерывистой передачи речи на основе использования детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP и переменной скоростью преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой [15].

На интервале сеанса связи активная часть разговора  составляет около 35%,  65% приходится на прослушивание сообщений с  противоположной стороны и паузы [15]. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности  речи приводит к дополнительному снижению системных помех и  общему увеличению ёмкости системы CDMA.

Передача сообщений  в стандарте IS-95 осуществляется кадрами (рис. 11, 14). Используемые принципы приёма позволяют анализировать ошибки в каждом информационном кадре. Если  количество ошибок превышает допустимый уровень, приводящий к недопустимому ухудшению качества речи, этот кадр стирается (frame erasure).

С частотой ошибок или  « частой стирания битов» однозначно связано  отношение энергии информационного  символа к спектральной плотности  шума E0 /N0/ На рис. 17  приведены  зависимости  вероятности  ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения E0 /N0 (белый шум) для прямого обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения.

При увеличении количества активных абонентов в соте из-за взаимных  помех отношение E0 /N0   снижается, а частота ошибок увеличивается. В этой связи разные фирмы принимают свои допустимые значения частоты ошибок. Например,  фирма Motorola считает допустимой CDMA частоту ошибок в 1%, что соответствует с учетом замираний отношению E0 /N0= 7-8 дБ. При этом пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем AMPS.

Фирма Qualcomm  за допустимую величину частоты ощибок принимает  значение 3%. Это является одной из причин, по которым  Qualcomm заявляет, что  ёмкость  CDMA в 20-30 раз превышает  ёмкость аналоговых AMPS.

Отношение  E0 /N0= 7-8 дБ и допустимая частота ошибок в 1% позволяет организовать 60 активных каналов на трехсекторную соту. Зависимость количества  активных каналов связи (ТСН) для обратного канала от величины отношения E0 /N0  для  трехсекторной соты показана на рис. 18 [17].

Обеспечение безопасности в стандарте IS-95

Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых сообщений и данных  об абонентах. Прежде всего он  имеет более  сложный, чем GSM , радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемежения с последующим «расширением» передаваемых сигналов с помощью составных ШПС, сформированных на основе 64 видов последовательностей Уодша и псевдослучайными последовательностями с количеством элементов 215 и (242-1).

Безопасность связи  обеспечивается также применением  процедур аутентификации и шифрования сообщений.

Процедура аутентификации в стандарте IS-95 соответствует процедуре  аутентификации стандарта  D-AMPS, EIA/TIA/IS-54-B [13].

В подвижной станции хранится один ключ А и один набор общих секретных данных, которые используются при работе как в режиме с частотным разделением каналов, так и в режиме CDMA. Подвижная станция может передавать «цифровую подпись» для аутентификации, состоящую из 18 бит. Эта информация передается в начале сообщения (в ответе подвижной станции на запрос сети при поиске  станции) добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных, передаваемых по каналу доступа. Предусматривается возможность обновления общих секретных данных в подвижной станции.

Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи (ТСН), осуществляется также с использованием процедур стандарта IS-54 В[13].

В стандарте IS-95 используется также режим «частный характер связи», обеспечиваемый с помощью секретной маски в виде длинного кода. Этот процесс также аналогичен процессу формирования маски в виде длинного кода, который описан  в стандарте IS-54 В[13].

Подвижная станция стандарта IS-95

Фирмы Qualcomm  и Motorola разработали  двухрежимные CDMA подвижные станции, которые  поддерживают связь с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS и N-AMPS). Это обстоятельство дает значительные преимущества абонентам  CDMA, так как  позволяет использовать свой радиотелефон там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие.

Структурная схема подвижной  станции для CDMA фирмы  Qualcomm   приведена  на рис. 19. Основное отличие  между абонентскими станциями CDMA и  существующими станциями аналоговых стандартов заключается в добавлении в состав подвижных станций CDMA функций цифровой обработки сигналов, которые реализованы в настоящее время на трёх заказных СБИС. Эти три интегральные схемы конструктивно объединяются в одном устройстве.

 

 

 

Базовая станция стандарта IS –95

В системах связи CDMA используются соты с круговой диаграммой направленности антенн или секторные соты (обычно 120-градусные)

На рис. 22 показана типовая  структурная схема базовой станции (ВТS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны с цифровым оборудованием, в состав которого входят канальные блоки. Каждый канальный блок может быть сконфигурирован как информационный канал или как служебный канал. Для синхронизации работы сети используется приемник GPS (глобальная  система местоопределения) Сюда входят генератор, формирующий секундные импульсы, и опорный тактовый генератор [17].

Отсек приемопередатчика  преобразует сигналы промежуточной  частоты, сформированные в отсеке цифрового  блока, в радиочастотный сигнал на несущей  частоте и обеспечивает обратное преобразование принимаемого сигнала на промежуточную частоту. В направлении передачи сигнал проходит от приемопередатчика через усилитель мощности и фильтр к передающей антенне. В обратном направлении тракт приема начинается  с приемных антенн, фильтра, усилителя с низким  коэффициентом шума. Затем в приемопередатчике сигнал преобразуется на промежуточную частоту и поступает в отсек цифрового оборудования. Следует отметить, что передающий и приемные тракты подключаются непосредственно к своим антеннам, что позволяет исключить дорогостоящие сумматоры мощностей и потери мощности при сложении.

Управление режимами работы цифрового оборудования и  приемопередатчика осуществляется контроллером соты (СС). Контроллер соты обеспечивает требуемые  режимы и алгоритмы работы оборудования внутри  соты, назначает и конфигурирует ресурсы BTS для обслуживания нагрузки и вызовов, формирует статистическую информацию о работе соты, контролирует распределение сигналов опорных частот. Он также управляет объединением  портов канальных блоков для передачи сообщений в цифровую линию к контроллеру сети (BSC) и центру коммутации подвижной связи (MSC).

Оборудование Motorola SС 9600, SC 2400

Фирмой Motorola разработаны  комплексы сетевого оборудование SС 9600 и SC 2400 для создания систем связи с «суперсотовой» (SC) архитектурой, которая объединяет новые и существующие технологии сотовой связи и открывает широкие возможности по совершенствованию управления оборудованием и функциями связи. Объединение и централизация управления компонентами различных сетей в совокупности  с созданием унифицированного гибкого приемно-передающего оборудования определяет перспективность нового технического решения Motorola SС 9600 и  SC 2400.

Оборудование SС 9600 предназначено  для работы в полосах частот 869-894 МГц – передача от базовой станции, 824-849 МГц – передача от подвижной станции и состоит из радиочастотного модема (SIF),  обеспечивающего формирование сигналов с различными протоколами связи, линейного усилителя мощности (LPA) и подсистемы диагностики.

В состав радиочастотного  модема может входить до 80 CDMA канальных  плат и 16 CDMA приемопередатчтков, которые  могут обеспечить поддержку 320 CDMA каналов. Для TDMA, AMPS, N-AMPS SC 9600 может содержать  до 96 приемопередатчиков, обеспечивающих функции приема-передачи речевых сообщений и сигнальной информации, а также поиска принимаемых сигналов (вызовов).

В состав BTS может входить  до трех линейных усилителей мощности. Каждый  усилитель  обслуживает  все выходы передатчиков, работающих на одну антенну и обеспечивает дистанционную настройку под конкретные частоты.

Подсистема диагностики  обеспечивает контроль и поддержку  работоспособности оборудования BTS совместно с центром управления радиоподсистемой (OMC-R).

Между SС 9600 и центром коммутации подвижной связи поддерживается открытый интерфейс, что обеспечивает совместимость этого оборудования с центрами коммутации различных производителей.

В целом оборудование SС 9600 обеспечивает возможность обслуживания абонентов в стандартах CDMA,  AMPS, N-AMPS  и D-AMPS. Кроме того, возможно использование этого оборудования в сетях сотовой цифровой  пакетной передачи данных (CDPD) [14; 18].