Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

1 Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

Все чаще и чаще в современной жизни мы сталкиваемся с таким понятием, как мобильный  интернет. Мир будущего будет мобильным. Он будет мобильным во всех отношениях, особенно в информационном. Случись где какая неприятность, мы узнаем об этом мгновенно — гораздо быстрей, чем узнаем сегодня, по вещательным каналам или посредством прессы.

Информация  давно стала ходовым товаром, но в наши дни она превращается в необходимое условие нормальной жизнедеятельности. Огромное количество людей по всему миру зарабатывают деньги вне стен конторы. Работа дома, работа в пути, работа по пути из дома на работу.

Совсем недавно  передача данных по мобильной связи  была экзотикой, которая мало кого интересовала в практическом плане, но теперь ситуация быстро изменяется:

- развиваются сотовые сети, на базе сетей GSM и CDMA могут добавляться дополнительные услуги и приложения;

- бурное развитие Internet увеличивает потребность абонентов в доступе;

широкое использование Интранет (внутренних корпоративных сетей) ориентирует на подключение бизнес-пользователей к корпоративным сетям в мобильном варианте;

- появление небольших компьютеров типа PDA или palmtop, позволяющих использовать их совместно с мобильными телефонами;

- мобильность работников — все большее число людей работают дома или в процессе поездки, что требует создания для них системы поддержки мобильности.

Для многих «дачных» абонентов именно мобильный Интернет является единственным способом подключения к сети. Спрос на высокоскоростной доступ к сети очень велик. А в последнее время очень желанной является возможность мобильной on-line-работы в любое время в любом месте и с достойной скоростью.

В настоящее  время метод многостанционного  доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах: стандарт CDMA 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. Hиже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmanOne) как наиболее широко используемого в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Изначально

система связи cdmaOпе 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 . 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 T. 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 (манипуляцией фазы) несущей для получения ШШС.

Узкополосный  сигнал умножается на псевдослучайную  последовательность (ПСП) с периодом T, состоящую из N бит длительностью t0 каждый. В этом случае база ШШС численно равна количеству элементов (дискрет) ПСП на период Т битовой последовательности. 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 (Spread spectrum), передаче ШПС и выделении из него полезного сигнала при приеме 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. Если помеха узкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность на приеме (аналогичная ПСП на передаче) воздействует на помеху как модулирующая, т.е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе Wss , поэтому в полосу частот полезного сигнала Ws попадает лишь часть мощности помехи 1 / G = Ws / Wss, Величину G называют выигрышем обработки (processing gain). Например, при полосе частот радиосигнала Wss = 1,23 МГц и полосе полезного сигнала Ws = 19,2 кГц выигрыш обработки G @ 64. При скорости передачи голосового сигнала 9,6 кбит/с можно принять его полосу частот 9,6 кГц. Тогда выигрыш обработки 1230 кГц / 9,6 кГц @ 128. Если же помеха широкополосная (с полосой порядка Wssили шире, то демодуляция не изменяет ширины ее спектра, и в полосу полезного сигнала попадает лишь 1 / G часть мощности помехи, т.е. и в этом случае получаем выигрыш обработки. Важное значение в системе CDMA имеет понятие база сигнала как произведение ширины спектра сигнала Ws на его период Т0. Численно она равна выигрышу обработки. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Скорость передачи в радиоканале в системе CDMA принято выражать в Мегачипах в секунду (Мчип/с) - это количество элементов псевдослучайной последовательности, используемой для расширения спектра излучаемого передатчиком сигнала. В стандарте IS-95 максимальная скорость передачи в одном речевом канале 9,6 кбит/с, а чиповая скорость в радиоканале 1,2288 Мчип/с. Тогда база канала 1,2288х103/9,6 кбит = 128 (21 дБ). На более низких скоростях передачи в   канале трафика это отношение выше. 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 частного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие на расширенный спектр сигнала 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 CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике. На практике отношение сигнал/шум в CDMA составляет 6-7 дБ. В стандарте CDMA для

кодового разделения каналов  используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

0 0 0=0 1 0 1

0 1 1

1 1 0

Особенность этой матрицы состоит в том, что  каждая ее строка ортогональна любой  другой строке 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 «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к ПС) для разделения пользователей. Каждому пользователю выделяется своя (одна в течении сеанса связи) функция Уолша. В системах, использующих стандарт IS-95, все ПС 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 в 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 = 9,6х128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит/c 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 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.

1.1 Организация  прямого канала

В прямом канале модуляция несущей  функциями  Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов. Для передачи пользовательской информации каждой ПС в прямом канале назначается одна функция Уолша. Т. е. БС может передавать по 64 каналам (по числу используемых функций Уолша). Модуляция длинной псевдослучайной последовательностью (бинарная фазовая манипуляция)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            используется для шифрования сообщений (скремблирования). Модуляция короткой псевдослучайной последовательностью (квадратурная фазовая манипуляция двумя псевдослучайными последовательностями одинакового периода) применяется для расширения полосы частот радиосигнала и различения сигналов от разных базовых станций. Различение сигналов от разных БС необходимо для устранения взаимного влияния их сигналов (разные ячейки) в приемном тракте ПС. Это различение обеспечивается тем, что хотя все БС в системе используют одну и ту же пару коротких ПСП, но они сдвинуты во времени на количество применяемых функций Уолша, т.е. на 64 дискрета ПСП между разными БС. При этом все физические каналы, принадлежащие своей БС, имеют одну и ту же фазу последовательности. Такое упорядочивание последовательности работы многих Бс требует жесткой временной синхронизации работы всей системы. Поэтому в CDMA вопросам синхронизации уделено особое внимание. Таймирование всей системы поддерживается с высокой точностью, вплоть до применения временных сигналов со спутниковых систем.

Для организации связи  в соте от БС в прямом канале функция  Уолша нулевого порядка W0 используется для передачи пилот сигнала (PI). Излучение пилот сигнала происходит непрерывно и на него приходится до 20% общей мощности, что позволяет ПС обеспечить точность выделения несущей и осуществить когерентный прием. В этом физическом канале передается несущая частота с постоянной амплитудой. По ней все ПС могут производить синхронное детектирование как по опорному сигналу, а также выбирать рабочую ячейку по более мощному сигналу несущей (например, при первом включении или при пересечении границы обслуживания данной БС). Физический канал 32 (функция W32) используется для передачи синхронизации, а также по нему передается ряд служебных сообщений. В синхроканале входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Сообщение в этом канале содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на ПС, данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале вызова (PCH), о параметрах короткого и длинного кодов. Скорость передачи в этом канале ниже, чем в каналах вызова и трафика, поэтому надежность работы в канале выше. По завершении процедуры синхронизации ПС настраивается на канал вызова и постоянно его контролирует. Функции (физические каналы) W1 - W7 (или часть из них), предназначены для кодирования каналов вызова. В простейшем случае под каналы вызова можно в принципе не отводить ни одного канала. Остальные каналы (вместе с оставшимися неиспользуемыми каналами вызова) используются для передачи пользовательской информации. Таким образом, число каналов трафика (число одновременно работающих абонентов) может составлять от 55 до 62. В полосе частот, отведенной системе CDMA 25 МГц размещается 20 частотных интервалов по 1,25 МГц, выделяемых для БС. Общая емкость системы может составлять 20 х (55-62) = 1100-1240 пользовательских каналов. Для защиты информации от ошибок в прямом канале применяется сверточное кодирование с длиной ограничения 9 и скоростью ½, а также поблочное перемежение на интервале 20 мс, что является эффективным способом борьбы с замираниями и позволяет декоррелировать пакеты ошибок.

Скорость передачи сигнала речевого кодека в канале трафика может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн.

1.2 Схема формирования  сигналов БС для стандарта  IS-95

И в БС и в  ПС для приема используются многоканальные RAKE приемники (рейк-приемники) (см. рис. 3). По сути это оптимальный корреляционный приемник, имеющий несколько параллельных каналов, но с разными задержками в канале. В одном канале задержка непрерывно сканируется с дискретными величинами для определения наилучших величин задержек. В остальных каналах задержка поддерживается фиксированной на определенном интервале (но разная в разных каналах). Сигнал со сканирующего канала помогает уточнять фиксированные задержки. В базовой станции по числу каналов имеется 64 приемопередатчика. В каждом приемнике БС рейк-приемнки имеют по 4 канала с фиксированными задержками и 1 сканирующий канал. В ПС 3 канала с фиксированными задержками и 1 сканирующий канал.

В приемниках БС используется 4 параллельных канала с фиксированными задержками + 1 канал сканирующий.

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между каналами одной БС. Помехи внутри системы в основном возникают от передатчиков соседних сот, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом коротких ПСП.

Значительные капитальные  затраты, которые видны невооруженным  глазом при попытке оценки строительстве  сетей связи 3G неизбежно отзовутся высокими тарифами на обслуживание абонентов. Между тем согласно концепции IMT-2000 технические возможности передачи высокоскоростной информации (384 Кбит/с - 2 Мбит/с) в системах 3G могут быть реализованы только в микросотах. Все это, конечно, мало соответствует экономическому состоянию и потребностям ближайшего десятилетия. В подобных условиях актуальным является такое направление развития систем подвижной связи ближайших лет, которое отвечало бы государственным интересам пользователей. В связи с этим, как представляется, наиболее целесообразным является эволюционный путь с акцентом на наиболее

эффективные технологии 2G и использование наиболее «эффективных» диапазонов частот.

Успешное развитие сетей технологии CDMA в мире, бесспорное лидерство этой технологии. Как наиболее эффективной по совокупности уникальных технических параметров и экономии природного радиочастотного ресурса. А также наличие весомых технических предпосылок и перспективы развития, предполагают определенную актуальность использования этой технологии в странах ЕС как для построения подвижных систем сотовой связи 2-го поколения, так и для их эволюционного перехода к системам связи следующего поколения в диапазоне 800 МГц. Но, пожалуй, наиболее интересной на ближайшие годы будет все же сетевая инфраструктура («простая», как танк Т-34) с лучшими техническими характеристиками. Наивысшей абонентской емкостью и минимальным набором самых необходимых услуг (прежде всего обычной телефонии), на роль которой подходят системы 2G в лице, быть может, даже и cdmaOne, как наиболее ресурсосберегающей, эффективной, менее затратной, а потому более доступной населению.