Стандарт GSM900

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.

 

IS-95

 

Наиболее  популярной схемой CDMA второго поколения  является система IS-95, которая первоначально была внедрена в Северной Америке. В табл. 2.5 перечислены некоторые ключевые параметры системы IS-95. Структура передачи данных в прямом и обратном каналах связи отличается, потому будет описана для каждого направления отдельно.

 

Прямой  канал системы IS-95

 

В табл. 2.6 приведены параметры прямого  канала связи. Прямой канал связи  состоит из 64 логических каналов CDMA, каждый из которых занимает полосу частот шириной 1228 кГц (рис. 2.19, а). При прямой связи поддерживаются четыре типа каналов.

• Пилот-сигнал (канал 0). Постоянно передаваемый сигнал. Этот канал позволяет мобильному устройству получать информацию о синхронизации, дает точку отсчета для определения  сдвига фаз в процессе демодуляции  и средство для сравнения интенсивности  сигнала для определения момента  переключения. Пилот-канал состоит  из всех нулей.

 

• Синхронизация (канал 32). Канал со скоростью  передачи данных 1200 бит/с используется мобильной станцией для получения идентификационной информации о сотовой системе (системное время, состояние длинного кода, проверка протоколов и т.д.)

 

• Избирательные сообщения (каналы 1—7). Содержат сообщения для одной  или нескольких мобильных станций.

 

• Информационный обмен (каналы 8—31 и 33—63). В прямом канале поддерживается 55 информационных каналов. В исходной спецификации указано, что поддерживаются скорости передачи данных до 9600 бит/с. Позже был добавлен второй набор скоростей до 14400 бит/с.

 

Обратите  внимание, что все эти каналы используют одну и ту же полосу частот. Для распознавания разных каналов используется раздробленный код. Раздробленный код прямого канала включает 64 ортогональных 64-битовых кодов, полученных из матрицы Уолша размером 64 х 64.

 

Таблица 2.6. Параметры прямого канала связи  системы IS-95

 

Канал	Синхро-низация	Избиратель-ный вызов		Первый наборинфор-мационных каналов						Второй  набор инфор-мационных каналов
Скорость передачи данных (бит/с)	1200	4800	9600	1200	2400			4800	9600	1800	3600	7200	14400
Количество повторений кода	2	2	1	8	4			2	1	8	4	2	1
Скорость передачи символов модуляции (символ/с)	4800	19200	19200	19200	19200			19200	19200	19200	19200	19200	19200
Количество чипов на символ модуляции	256	64	64	64		64		64	64	64	64	64	64
Количество чипов на бит	1024	256	128	1024		512	256		128	682,67	341,33	170,67	85,33

  

 

Рисунок 2.19 - Структура канала системы IS-95

 

На  рис. 2.20 показана схема обработки  данных, передаваемых по прямому информационному  каналу со скоростью, соответствующей  первому набору. Для голосовых  передач речь кодируется со скоростью 8550 бит/с. После добавления дополнительных битов для обнаружения ошибок скорость повышается до 9600 бит/с. Когда пользователь молчит, вся пропускная способность канала не используется. В такие периоды тишины скорость передачи данных снижается до 1200 бит/с. Скорость 2400 бит/с используется для передачи переходов в фоновом шуме, а скорость 4800 бит/с — для смешивания оцифрованной речи и сигнальных данных.

Данные  или оцифрованная речь передаются блоками  по 20 мс с использованием схемы прямого исправления ошибок (сверточный код со степенью кодирования 1/2). Таким образом, эффективная скорость передачи данных удваивается и достигает максимум 19,2 Кбит/с. Если скорости передачи данных ниже, то биты, выходящие из кодера (называемые кодовыми символами) копируются, что позволяет достичь скорости 19,2 Кбит/с. Затем данные чередуются в блоках для уменьшения влияния длительных помех.

После чередования биты данных скремблируются. Этот шаг необходим для обеспечения  конфиденциальности данных, а также для предотвращения отправки одинаковых фрагментов данных, что, в свою очередь, уменьшает вероятность одновременного отправления данных пользователями в момент наибольшей загрузки системы. Скремблирование осуществляется посредством длинного кода — псевдослучайного числа из 42-битового регистра сдвига. Регистр сдвига устанавливается в исходное положение с помощью электронного регистрационного номера пользователя. Выходные данные генератора длинного кода передаются со скоростью 1,2288 Мбит/с, что в 64 раза выше скорости 19,2 Кбит/с, так что выбирается только один бит из 64 (операция децимации). Получающийся поток сравнивается (операция !исключающего ИЛИ) с выходными данными устройства блочного чередования.

 

 

Рисунок 2.20 - Схема передачи данных по прямому  каналу системы IS-95

 

На  следующем этапе обработки вводится информация о регулировании мощности в информационном канале. Этот поток, имеющий скорость 800 бит/с, вводится в данные, передаваемые со скоростью 19,2 Кбит/с посредством замены некоторых битов кода и кодирования контрольных битов с помощью генератора длинного кеда. В таких "захваченных" битах передается информация, указывающая мобильному устройству, что следует увеличить, уменьшить или оставить неизменным текущий уровень мощности.

Следующий шаг — применение схемы DSSS; используется одна строка матрицы Уолша (64 х 64), скорость увеличивается от 19,2 Кбит/с до 1,2288 Мбит/с. Одна строка матрицы выделяется мобильной станции еще во время установления соединения. При наличии в передаваемых данных нуля посылается 64 бит выделенной строки; в противном случае посылается результат применения к строке побитового исключающего ИЛИ. Таким образом, окончательная скорость передачи данных получается равной 1,2288 Мбит/с. Этот цифровой поток битов затем модулируется на несущей с использованием схемы QPSK. Напомним из главы 6, что QPSK предполагает создание двух потоков битов, которые модулируются раздельно (см. рис. 6.6.). В схеме IS-95 данные разделяются на синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, и к данным и уникальному короткому коду применяется операция исключающего ИЛИ. Короткие коды генерируются 15-битовым регистром сдвига как псевдослучайные числа.

 

Обратный  канал системы IS-95

 

В табл. 2.7 представлены параметры обратного  канала связи. Обратный какал связи может включать в себя до 94 логических каналов CDMA, каждый из которых занимает одну и ту же полосу частот шириной 1228 кГц (см. рис. 2.19, б). Обратный канал связи поддерживает до 32 каналов доступа и до 62 информационных каналов.

При обратной связи каждый информационный канал однозначно связан с одним  мобильным устройством. Каждая станция  имеет уникальную маску длинного кода, основанную на ее электронном регистрационном номере. Маска длинного кода представляет собой 42-битовое число, так что всего может быть (242 - 1) различных масок. Каналы доступа используются мобильным устройством для инициации звонка, ответа на сообщения нисходящего канала избирательного вызова и для обновления сведений о местоположении.

На  рис. 2.21 показаны этапы обработки  данных, передаваемых по обратному  информационному каналу при скорости, соответствующей первому набору. Первые несколько шагов те же, что и для прямого канала. Для обратного канала сверточный кодер имеет степень кодирования 1/3, т.е. эффективная скорость передачи данных утраивается до максимального значения 28,8 Кбит/с. Затем применяется блочное чередование данных.

Следующим этапом является расширение данных с  помощью матрицы Уолша. Способ и цель использования матрицы отличаются от способа и цели в I прямом канале. В обратном канале связи данные, получающиеся в результате г, блочного чередования, группируются в модули по 6 бит. Каждый 6-битовый модуль играет роль индекса для выбора строки матрицы Уолша 64 х 64, и эта строка заменяется входными данными. Таким образом, скорость передачи данных увеличивается в 64/6 раз, т.е. до 307,2 Кбит/с. Целью такого кодирования является улучшение приема на базовой станции. Так как 64 возможных варианта кодирования являются ортогональными, блочное кодирование облегчает процесс принятия решения на приемнике, это удобно также с точки зрения вычислений. Модуляцию Уолша можно рассматривать как разновидность блочного кода коррекции ошибок (n, k) = (64, 6) с dmin = 32. Фактически здесь все расстояния равны 32.

Для уменьшения интерференции с другими  мобильными станциями вводится генератор  случайных чисел для пакета данных. Его действие основано на использовании маски длинного кода для сглаживания данных в каждом 20-миллисекундном кадре.

Следующий шаг — применение схемы DSSS. В обратном канале длинный код, являющийся уникальным для мобильного устройства, с помощью  операции исключающего ИЛИ сравнивается с выходными данными генератора случайных ; чисел, что позволяет получить окончательную скорость передачи данных, равную 1,2288 Мбит/с. Затем этот цифровой поток модулируется на несущей с использованием ортогональной схемы QPSK. Эта модуляция отличается от использованной в прямом канале, так как здесь в модуляторе используется задержка, гарантирующая ортогональность. Причина использования разных модуляторов заключается в том, что в прямом канале коды расширения являются ортогональными, поскольку все получены из матрицы Уолша, в то время как в обратном канале ортогональность кодов расширения не гарантирована.

Рисунок 2.21 - Обратный канал связи системы IS-95

Рис. 13. Конфигурация сети стандарта CDMA

Рис. 14. Конфигурация системы стандарта CDMA

 

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 мощно- сти 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 1 Мбит/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.

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. 15).

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 АСН.

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. 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.

Рис. 15. Структура каналов стандарта cdma2000

 

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, а 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.I 035) 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 ССН), прямого доступа (FACH, Forward АСH), 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 графика (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.