Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

Физически энергия  сигнала показывает суммарную энергию, выделившуюся на резисторе в 1 Ом, по окончании отрезка наблюдения. Если сигнал наблюдается на всей временной оси, то квадрат сигнала интегрируется по времени в пределах от -∞ до +∞ бесконечности. Энергия сигнала является определяющим параметром для его помехоустойчивости, т.е. чем больше эта величина, тем при меньших отношениях сигнал/помеха возможен приемлемый по количеству ошибок прием. Из сказанного можно сделать вывод, что помехоустойчивый прием возможен при условии обеспечения необходимой энергии полезного сигнала в оптимальном приемнике, а ее величина, в свою очередь, растет при: увеличении времени наблюдения (обработки) сигнала u(t);увеличении амплитуды сигнала (величины его спектральных компонент); расширении спектра сигнала. Первый способ хорош, но он приводит к уменьшению результирующей скорости передачи данных и поэтому он мало подходит для систем подвижной связи - он приемлем для приемопередающих систем, где скорость передачи не является решающим фактором (радиоастрономия и др.). Второй способ улучшения энергетики систем связи - это банальное увеличение мощностей передатчиков, что тем более не подходит для сотовой связи, т.к. очевидно, что в этом случае источники питания абонентской станции (трубки) в режиме разговора будут разряжаться мгновенно. Третий путь - это применение сигналов с широкими полосами занимаемых частот, намного превышающих полосу информационного сигнала. Такими свойствами обладают ШПС. Этим объясняется высокая помехоустойчивость и скрытность систем связи стандарта CDMA по сравнению с другими стандартами (FDMA, TDMA, FDMA/TDMA и т.д.). Энергия сигнала в CDMA-приемнике доводится до необходимого уровня не за счет увеличения мощностей передатчиков базовых станций и трубок, а за счет суммирования в согласованном с ШПС фильтре гигантского количества маломощных спектральных компонент принимаемого сигнала. Т.е. при тех же качественных показателях, скажем, стандарта GSM и CDMA мощность передатчика последнего во много раз меньше первого и, как следствие, плотность потока мощности ШПС в пространстве во втором случае также меньше, а это, в свою очередь, приводит к тому, что такой сигнал не только сложно раскодировать, но и просто обнаружить: он есть и его как бы нет.

 Мощность  сигнала - это его энергия приходящаяся  на единицу времени (1 с). Определяется  эта величина по формуле:

S= T/R

где T - длительность отрезка наблюдения сигнала.

Спектральная  плотность показывает среднюю мощность компонент спектра сигнала в  элементарной полосе частот равной 1 Гц. При использовании ШПС очевидно, что величина v очень мала - это определяет хорошую ЭМС с другими радиоэлектронными средствами и возможность работы системы "под шумом".

      Аналитические описания сигналов и их спектры являются важнейшими и исчерпывающими характеристиками, но в системах передачи информации необходимо иметь некоторые другие, более удобные их характеристики, а именно: автокорреляционную функцию (АКФ) и взаимокорреляционную функцию (ВКФ). Именно они определяют важнейшую особенность систем связи стандарта CDMA - возможность одновременной безпомеховой работы всех абонентов соты в одной полосе частот.

        Взаимокорреляционная функция - функция времени, позволяющая судить о степени подобия двух сигналов и имеющая размерность энергии или мощности. Как видим, АКФ позволяет судить о степени связи (корреляции) сигнала с его сдвинутой во времени копией. При временном сдвиге равном нулю АКФ дает энергию сигнала (E). Т.е. если цифровой поток передавать ставя в соответствие битам информации какой-либо шумовой процесс, то его (поток) во-первых можно будет легко восстанавливать на приемной стороне и работать при этом "под шумом" в силу большой энергии сигнала, а во-вторых, если присвоить каждому абоненту в пределах соты свой собственный вид шумового сигнала, то приемник-коррелятор на базовой станции будет легко различать абонентов, несмотря на работу в одной полосе частот. Это справедливо исходя из того, что ВКФ двух различных случайных процессов близка к нулю при любых временных сдвигах, зато если приемник настроен на прием некоторого сигнала s1(t), то на выходе он будет выдавать ярко выраженный пик только в одном случае - в случае прихода точно такого же сигнала. Правда, полоса излучаемых частот возрастет значительно (для нашего примера приблизительно в 500 раз).

Не следует  путать шум-сигнал и шум-помеху: первый формируется специально на передающей стороне - для модуляции цифровым потоком, на приемной стороне - для выделения полезной информации; вторая вредна и создается собственными шумами приемника, атмосферными помехами и т.д. Собственно одной из задач шумового сигнала и является борьба с шумовыми помехами.

Приведенный пример показал суть уплотнения каналов  по форме сигнала, однако применение таких сигналов-шумов, как в примере, на данном этапе развития техники  приема весьма затруднительно, т.к. такой  сигнал сложно "повторить" на приемной стороне, а как в передатчике, так и в приемнике идентичность сигналов должна быть высокой иначе упадет помехоустойчивость системы. В CDMA сигналы с подобными свойствами формируются с помощью регистров сдвига с обратными связями. Чтобы быть точными, приблизительно в 1993 г. появились первые публикации о новых типах сигналов - хаос-сигналах, еще более лучшим образом подходящие для переноса информации в системах связи.

Выводы:

оптимальный приемник ШПС - приемник корреляционного типа;

скрытность  системы определяется тем, что переносчик информации по сути шум, и в эфире  его весьма трудно отличить от сторонних  шумов; конфиденциальность системы заключается в необходимости знания в случае несанкционированного перехвата точной копии ШПС, используемо      на передающей стороне; для эффективной работы системы связи необходимо создать систему различных ШПС, которые легко формировались бы на приемной стороне.

2.4 Определение ШПС, их разновидности и параметры

Шумоподобными сигналами называют такие сигналы, у которых произведение ширины спектра F на длительность T много больше единицы. Это произведение является фундаментальным для ШПС и называется базой B:

B=FT.

        Шумоподобные сигналы названы так по причине того, что их спектр, как правило очень широк, как у белого шума, и закон изменения огибающей спектра приближен к равномерному, а спектральные компоненты расположены хаотическим образом. Это значит, что и АКФ таких сигналов близки к АКФ шума. ШПС могут формироваться как в цифровых, так и в аналоговых устройствах.

Виды ШПС:

- частотно-модулированные (ЧМ) сигналы;

- многочастотные сигналы;

- фазоманипулированные (ФМ) сигналы;

- дискретные  частотные сигналы.

Для техники  цифровой передачи наилучшим образом  подходят ФМ сигналы, так как наиболее просто формируются (например, регистрами последовательность радиоимпульсов, начальные фазы которых меняются по определенному закону. Как правило фаза меняется на 0, рад. Закон изменения фаз представляется импульсной последовательностью со средним значением равным нулю и амплитудой ±1.

Как видим, АКФ  идеальна - взаимная энергия сигнала  и его сдвинутой копии не превышает 1 Дж, в то время как энергия  сигнала равна 13 Дж. Это значит, что  сигнал на выходе корреляционного приемника  будет больше по амплитуде, чем сигнал на его входе в 13 раз. Этот эффект называется усилением обработки. Заметим, что энергия сигнала не изменяется - она накапливается и по окончании действия сигнала наблюдается всплеск сигнала длительностью всего 1 с. Малость времени корреляции полезного сигнала определяет еще одно, в некоторых случаях крайне важное, если не самое важное, свойство ШПС - инвариантность к явлению многолучевости в канале связи. Многолучевость возникает тогда, когда в точку приема приходит не только один, прямой, луч, а еще несколько отраженных от различных предметов и подстилающей поверхности Земли, что приводит к сильным колебаниям амплитуды принимаемого сигнала и, как правило, полностью нарушает работу системы. Колебания уровня мощности сигнала при этом могут достигать 30…40 дБ и ни одна даже самая совершенная система автоматической регулировки усиления, не сможет полностью нивелировать столь негативный эффект. Многолучевость - бич подвижных систем связи, сколько бы проблем отпало, если бы не наличие столь серьезного ограничения.

ШПС позволяют  посмотреть на эту проблему в другой плоскости, а точнее полностью исключить  ее из списка проблем. Т.к. на вход коррелятора (согласованного фильтра) поступает  основной и несколько задержанных  во времени идентичных сигналов, то на его выходе образуется несколько пиков мощности - по одному от каждого сигнала и в принципе уже на этом этапе влияние отраженных сигналов можно исключить, заперев канал приема на некоторое время после того, как на выход прошел первый импульс.

        Однако есть одно условие: задержка отраженных сигналов должна быть большей, чем время корреляции. В примере время корреляции - 1 мкс и пики АКФ хорошо различимы и разделимы.

Разработчики  стандарта CDMA - инженеры фирмы Qualcomm - пошли  еще дальше: они ввели в приемник ШПС раздельную обработку нескольких лучей. В этом случае в каждом канале приема на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной - 3 коррелятора. Это позволяет снизить требования к уровню сигнала в точке приема, кроме того появляется возможность осуществлять мягкий режим "эстафетной передачи" при переходе из соты в соту.

В настоящее  время наиболее трудно решаемая задача, с которой сталкиваются разработчики систем подвижной связи, это задача создания больших систем ШПС (несколько миллионов и больше) при базе равной несколько тысяч, десятков тысяч с АКФ, подобной АКФ сигнала в примере и ВКФ стремящейся к нулю. Поэтому стоит сказать что стандарт cdma2000 (как и все другие стандарты, базирующиеся на технологии IS-95) далек от совершенства в этом плане.

Вывод:

ШПС в цифровых системах передачи информации имеют  вид фазоманипулированной на 0, ? рад  радиочастотной последовательности;

Основные типы применяемых на практике ШПС (последовательности максимальной длины и др.) формируются с помощью линейных триггерных схем;

Полосу частот ШПС определяет длительность элементарной ее составляющей;

База ШПС  равна количеству элементарных временных  интервалов, умещающихся в периоде  повторения ШПС.

       Благодаря достаточно обстоятельному анализу качеств ШПС, нетрудно понять основные принципы работы сети сотовой связи стандарта CDMA (cdma2000, WB-CDMA и др.). В данной статье будем придерживаться уже близкому нам cdma2000.

   Оборудование  для этого стандарта выпускают  компании: Huawei Technologies, Hughes Network Systems, Lucent, Motorola, Nortel, Qualcomm и Samsung. По данным консорциума CDMA Development Group (CDG), выбор оборудования значительно расширится, поскольку производить его начнут многие новые фирмы.

3 Структура и формирование сигналов

       В системе CDMA для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой используется вокодер (Voice Coder - кодер голоса) с переменной скоростью кодирования, в основу работы которого положен алгоритм с линейным предсказанием кода - CELP (Code Excited Linear Predictive). Этот алгоритм лучше учитывает особенности человеческой речи, чем другие. Вокодер перекодирует цифровой поток, имеющий скорость 64 кбит/с (8000 отсчетов речевого сигнала в секунду, умноженные на восьмибитный код каждого отсчета), в поток со скоростью 8,55 кбит/с или 13 кбит/с. В ходе этого преобразования информационный поток делится на      кадры,             и содержащие паузы интервалы удаляются. Результирующий поток имеет скорость 1…8 кбит/с. Вокодер приемной стороны объединяет кадры в единый поток и делает обратное преобразование. Другой важной особенностью вокодера с переменной скоростью кодирования является использование адаптивного порога для определения требуемой скорости кодирования данных. Уровень порога изменяется в соответствии с фоновым шумом. Результатом этого является подавление фона и улучшение качества речи даже в шумной обстановке. Вокодер позволяет подмешивать в речевой канал вторичный трафик, т. е. служебную информацию. Качество речи в системе CDMA, использующей вокодер QCELP со скоростью кодирования 13 кбит/с, очень близко к качеству речи в проводном канале.

3.1 Схема кодирования в прямом канале (от базовой станции к абоненту)

Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 кбит/с. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторной передачи сообщения) в канале используется избыточное кодирование. Для этого базовый цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер с половинной скоростью. На его выходе число битов удваивается. Затем данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных (после обратного перемежения) потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время, схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче. После перемежения цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции "исключающее ИЛИ" (сложение по модулю два). По определению, длинными кодами (кодами максимальной длины - М-последовательностями) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины. Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна 2n-1 двоичных символов, где n - число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта CDMA длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига, и двоичной 32-битовой маской,     которая определяется индивидуально для каждого абонента. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Длина М-последовательности при этом составляет 4 398 046 511 103 бит и если ее элементы    формируются            с                                                                                                                                                                                                                                                                                                 тактовой частотой, например, 450 МГц, то период повторения будет составлять 9773,44 с= 2 ч 43 мин. Это значит, что если даже удастся засинхронизировать приемник в случае несанкционированного перехвата, то чтобы определить структуру сигнала-носителя необходимо вести наблюдение в течение почти 3-х часов, а с применением индивидуальной 32-битовой маски 'подслушивание" практически исключено. Так как информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с, то в прямом канале используется только каждый 64-й символ длинного кода. Следующий этап преобразования сообщения - кодирование с помощью кодов Уолша. Любая строка матрицы Уолша ортогональна другой строке. Матрица Уолша размером 2 имеет вид: матрицы больших размеров образуются следующим образом: т.е., например, можно показать, что строки матрицы Уолша ортогональны. Ортогональность строк x и y длиной N определяется следующим условием. По сути в этом случае вычисляется значение ВКФ двух различных строк при временном сдвиге равном нулю. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой станцией. Если на входе кодера "0", то посылается соответствующий ряд матрицы (код Уолша), если "1" - посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). При точном совпадении начала пришедшей последовательноcти и имеющейся (строка матрицы W64) наблюдаются пики корреляционной функции положительной и отрицательной  полярностей - в зависимости от передаваемого бита. В случае обработки "чужого" сигнала на выходе в момент окончания сигнала не будет ничего, т.е. происходит разделение каналов при приеме абонентской станцией. Кодирование по Уолшу повышает скорость информационного потока с 19,2 Кбит/с до 1,2288 Мбит/с. Соответственно расширяется и спектр сигнала. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). До подачи на смесители цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и операции сложения по модулю два. Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной 32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,3288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), что позволяет ограничить               полосу                          излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Ряд информационных сигналов образуется путем слияния I- и Q-каналов.Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, то для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал по каналу, получившему название пилотного. В пилотном канале передается нулевой информационный сигнал, код Уолша для этого канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша (все единицы). Другими словами, в пилотном канале передается только короткий код. Обычно на нем излучается около 20% общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на уже описанном      свойстве псевдослучайных двоичных последовательностей: значение АКФ близко к нулю для всех временных смещений более одной длины бита.