Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

3.2 Кодирование в обратном канале

В обратном канале (от абонента к базовой станции) применяется  другая схема кодирования. Подвижная станция не может использовать преимуществ трансляции опорного сигнала. В этом случае необходимо было бы передавать два сигнала, что значительно усложнило бы демодуляцию в приемнике базовой станции. В обратном канале применяется такой же, как и в прямом, вокодер и сверточное кодирование со скоростью 1/3, что повышает скорость передачи данных с базовой 9,6 до 28,8 кбит/с, и перемежение в пакете длительностью 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до 307,2 Кбит/с. Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного используемому базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей. Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяется регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др. Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

Выводы:

ШПС в сети cdma2000 передаются не во всей отведенной полосе частот, а в относительно широких  частотных участках с полосой F=1,23 МГц;

частотный разнос между прямым и обратным каналами равен 45 МГц для диапазона 900 и 1800 Мгц;

код Уолша используется для разделения пользователей в пределах одной соты в прямом канале;

длинный код  предназначен для разделения пользователей  одной соты в обратном канале;

короткий код  используется для разделения сигналов разных базовых станций или секторов одной базовой станции.

   В нашей  стране сеть CDMA судя по всему  функционирует в диапазонах 453,0...457,5 МГц (прямой канал) и 463,0...467,5 МГц (обратный канал) - диапазон работы NMT-450i с частотным разносом 10 МГц, хотя точных сведений автор не имеет.

Сеть CDMA полноценно работает в случае точной синхронизации  базовой станции и всех абонентских, иначе связь "сыплется". Под синхронизацией понимается: единая тактовая частота в системе; формирование каждой из последовательностей в строго определённые моменты времени.

   Поэтому  на всех базовых станциях установлены  приемники GPS (Global Positioning System), на выходе которых формируются временные интервалы с точностью 10-10 с.

3.3 Управление мощностью абонентских станций

Абонентская емкость  ячейки системы CDMA оптимизируется использованием сложного алгоритма регулировки, который  ограничивает мощность, излучаемую каждым абонентским терминалом, 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.

Рассмотрим  процесс регулирования мощности передающих устройств в обратном канале. Каждая подвижная станция  непрерывно передает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой информации базовая  станция 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 обратном канале - оптимизация площади соты. Регулирование мощности как в прямом, так и в обратном канале влияет и на срок службы аккумуляторов подвижных станций. Проведенные испытания показывали, что средняя излучаемая мощность подвижной станции 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. Процесс регулирования мощности в прямом канале происходит несколько иначе. В нем возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (разомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля). Рассмотрим открытый цикл регулирования мощности менее точный.

Подвижная станция  после включения ищет сигнал базовой станции. После синхронизации подвижной станции по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с базовой станцией. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности принятого сигнала должна быть постоянна и равна -73 дБ. Если уровень принятого сигнала, например, равен -85 дБ, то уровень излученной мощности должен быть равен + 12 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.

Рассмотрим  процесс регулирования мощности при замкнутом цикле. Механизм регулирования  мощности при этом позволяет точно  отрегулировать мощность передаваемого  сигнала. Базовая станция постоянно  оценивает вероятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает программно заданный порог, то базовая станция дает команду соответствующей подвижной станции 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 подвижная станция излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обеспечения приемлемого качества речи. За счет того, что все подвижные станции излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности, и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость системы возрастает. Подвижные станции должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне - до 85 дБ. Такие факторы, как число пользователей и расстояние до них от базовой станции влияют на значение максимальной излучаемой мощности. Принимая это во внимание, можно сказать, что требования к линейности передаточной функции усилителя мощности, работающего при изменении уровня входного сигнала в пределах 20 дБ, чрезвычайно высоки. Линейность передаточной функции усилителя - фактор, критичный при обеспечении желаемых характеристик системы. Требуемую линейность обеспечивают сложные и дорогостоящие методы линеаризации (усилители с предварительными искажениями или усилители со связью вперед). Спектр излучаемого ШПС, который получается в результате объединения множества кодированных по Уолшу базовых сигналов, близок к спектру шумового сигнала с отношением пикового значения к среднему около 11 дБ. Это означает, что для достижения одинакового качества связи в базовой станции GSM необходим усилитель с выходной мощностью 44 Вт; в стандарте D-AMPS (АDС) это значение снижается до 31 Вт, а в CDMA - до 10 Вт. Поэтому значительный теоретический запас энергопотенциала в радиоканале, который получается за счет использования метода расширения спектра, при сопоставимой практической реализации базового оборудования оказывается значительно  меньше. Поэтому системы с кодовым разделением каналов не обеспечивают ожидаемого увеличения площади радиопокрытия базовой станции. В системе CDMA применяются квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) в базовой и смещенная QPSK в подвижных станциях. При этом информация извлекается путем анализа изменения фазы сигнала, поэтому фазовая стабильность системы - критичный фактор при обеспечении минимальной вероятности появления ошибки в сообщениях. Применение смещенной QPSK позволяет снизить требования к линейности усилителя мощности подвижной станции, так как амплитуда выходного сигнала при этом виде модуляции изменяется значительно меньше. До того, как интерференционные помехи будут подавлены методами цифровой обработки сигналов, они должны пройти через высокочастотный тракт приемника и не вызвать насыщения малошумящего широкополосного усилителя (МШУ) и смесителя. Это заставляет разработчиков системы искать баланс между динамическими и шумовыми характеристиками приемника.

4 Сотовая связь стандарта CDMA

Стандарт CDMA (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) по происхождению американский, хотя и получил первоначально наиболее широкое распространение в Южной Корее. У истоков этого стандарта стояла компания Qualcomm. Метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) использовался ранее в военных приложениях, в частности, в спутниковой связи, и компания Qualcomm принимала активное участие в соответствующих разработках. Стандарт CDMA очень тесно конкурировал со стандартом DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service - цифровая усовершенствованная мобильная телефонная служба). CDMA претендовал на нишу цифровой системы сотовой связи диапазона 800 МГц в США, но уступил ее стандарту DAMPS, который использует метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA - Time Division Multiple Access). Причинами тому послужили большая сложность CDMA по сравнению с TDMA, меньшая степень преемственности по отношению к AMPS (Advanced Mobile Phone Service), а также отставание по срокам готовности к реализации на два-три года. Однако стандарт CDMA появился и настойчиво отвоевывает свое место на рынке, хотя ситуация с ним несколько противоречива. В течение 1989 - 1990 гг. были определены основные технические решения стандарта, в 1991 - 1992 гг. проведены полевые испытания. В 1990 г. были сформулированы основные положения стандарта, первая версия которого была выпущена в 1993 г. под наименованием IS-95; впоследствии она была    уточнена           и перевыпущена: EIA/TIA Intertim Standard IS-95-A: mobile station - base station compatibility standard for dual-mode wideband spread spectrum cellular system (1995) - стандарт, определяющий правила совместной работы подвижных и базовых станций широкополосной системы сотовой связи с расширением спектра. После выпуска стандарта IS-95 это наименование часто используется как синоним стандарта CDMA.

Стандарт CDMA имеет  диапазон 800 МГц. Он совместим с аналоговым AMPS, и все аппараты CDMA-800 поддерживают AMPS, но это совмещение реализуется  иначе, чем для комбинации AMPS/DAMPS. Рабочая полоса частотного канала CDMA составляет 1,23 Мгц, так что при замене системы AMPS системой CDMA группа частотных каналов первого замещается одним частотным каналом второго, а всего в пределах одного блока размещается 10 частотных каналов CDMA.

Коммерческое  использование стандарта CDMA-800 началось в 1995 г. На начало 2000 г. общее число его абонентов в мире составляло около 50 миллионов, из них более 20 миллионов - в Южной Корее. Практически одновременно с вводом CDMA-800 в конце 1995 г., в США началось коммерческое использование стандарта в диапазоне 1900 МГц. Стандарт CDMA имеет свою международную ассоциацию - Группу развития стандарта CDMA (CDMA Development Group - CDG), образованную в 1995 г. и объединяющую 101 компанию - производителей аппаратуры и операторов стандарта IS-95.

Стандарт CDMA, как  и другие современные стандарты  сотовой связи, продолжает развиваться, в частности, в направлениях повышения  качества передачи информации и ввода  новых видов услуг. С 1997 г. начал  использоваться усовершенствованный  кодер речи с увеличенной до 13 Кбит/с частотой кодирования. В том же 1997 г. начата разработка экспериментальной системы мобильной связи третьего поколения на основе широкополосной системы CDMA. Под малопонятным названием множественный доступ (multiple access) скрывается технически необходимое и по-житейски почти очевидное дело: рациональная организация одновременной работы нескольких пользователей в ограниченном участке спектра. В сотовой связи используются три метода множественного доступа:

1) множественный  доступ с частотным разделением каналов связи (frequency division multiple access - FDMA);

2) множественный  доступ с временным разделением  каналов связи (time division multiple access - TDMA);

3) множественный  доступ с кодовым разделением  каналов связи (code division multiple access - CDMA). Этот метод наиболее сложный, но во многих отношениях и наиболее совершенный. Здесь одновременно несколько пользователей (до 40) используют общую сравнительно широкую (порядка 1 МГц) полосу частот, что достигается применением специальных методов кодирования информации. Принцип повторного использования частот в методе CDMA принимает тривиально простую форму: во всех ячейках, включая смежные, используются одни и те же полосы частот, так что задача составления частотного плана даже не возникает. К сожалению, технически метод CDMA действительно довольно сложен, и пояснить его принципы хотя бы в какой-то степени более подробно в данном контексте не представляется возможным. Но я попробую разъяснить, какой из методов множественного доступа более выгоден и перспективен.

Метод FDMA наименее эффективен в отношении использования  частотного ресурса. Однако, это единственный метод, который из-за своей простоты используется во всех аналоговых стандартах - NMT, AMPS, TACS. Поэтому только аналоговыми стандартами область его применения и ограничивается. Методы TDMA и CDMA требуют цифровой реализации и обеспечивают более эффективное использование полосы частот по сравнению с FDMA. По эффективности использования спектра и ряду других характеристик CDMA немного лучше TDMA. Однако метод CDMA технически сложнее. В системах сотовой связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) применяется уникальное цифровое кодирование. Коды передаются от базовой станции на мобильный телефон и обратно. В цифровых системах второго поколения преимущественно используется метод TDMA (стандарты DAMPS, GSM, PDC). В системах третьего поколения, напротив, уже не вызывает сомнения преимущественное использование CDMA.

Для обеспечения  успешной работы систем сотовой связи на основе CDMA требуется высокий уровень синхронизации базовых станций. Основным источником, обеспечивающим такую синхронизацию, является спутниковая сеть Глобальной системы навигации (Global Positioning System - GPS), которая покрывает всю территорию земного шара, а потому является доступным в любое время средством для определения времени и местонахождения объекта. При потере синхронизации базовых станций в системе CDMA предусмотрены альтернативные способы ее восстановления. Например, это можно сделать с помощью системы радионавигации Long Range Navigation_C (LORAN_C), где используются низкочастотные радиоволны, огибающие поверхность Земли и не зависящие от помех в ионосфере, или подключив к системе сотовой связи высокостабильный опорный генератор. Последний хоть и не обеспечивает истинной синхронизации системы в реальном времени, однако его можно использовать как резервный источник синхронизации в случае временного отсутствия доступа к GPS.

Стандарт CDMA внес ряд своих улучшений в сотовую  связь. Примером может служить улучшение покрытия площадей. Размер соты системы CDMA больше размера типичной ячейки аналоговой системы или системы TDMA, поэтому для покрытия одной и той же площади в системе CDMA требуется меньше сот. В зависимости от загрузки системы и уровня помех их количество может быть снижено в два раза по сравнению с системами GSM. Кроме этого, точное управление уровнем сигнала приводит к тому, что мощность излучения мобильного телефона системы CDMA составляет лишь некоторую часть мощности телефонных аппаратов аналоговых систем и систем TDMA, поэтому такие телефоны имеют большее время разговора и ожидания вызова.

По характеристикам  качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы  с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие в ней помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый "код" служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи. Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа и прослушивания.

Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками. Абонент не хочет оставаться без связи при пересылке факса, когда телефон длительное время занят. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивая одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи.