Общая характеристика. В методеCDMAбольшая группа пользователей(например,от30до50),одновременно использует общую относительно широкую полосу частот(не менее1

СОТОВЫЕ СИСТЕМЫ СТАНДАРТА CDMA

ТЕМА 10

В методе CDMA большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот (не менее 1 МГц).

Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Вещание абонентов накладывается друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме.

Основные принципы метода - расширение спектра за счет модуляции ПСП в сочетании с кодовым разделением физических каналов - определяют и общие достоинства методе CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на БС и использование принципа «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи), оперативное изменение числа

задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически реализовать предельно малое допустимое отношение сигнал / помеха, т. е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. Это технические особенности CDMA обеспечивают высокие характеристики метода. С другой стороны, их реализация достаточно сложна.

В методе нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же полоса частот. Если, в терминах разработки Qualcomm, под CDMA отведена полоса более широкая чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23

МГц используется во всех ячейках с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т. е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7- ячеечном кластере методов FDMA и TDMA).

В методе CDMA реализуется «мягкая передача обслуживания». Когда ПС приближается к границе ячейки, т. е. сигналы от двух БС (рабочей ячейки и одной из смежных) становятся соизмеримыми по уровню, по команде с ЦК через БС смежной ячейки организуется второй канал связи с той же ПС; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т. е. ПС принимает сигналы одновременно от двух БС, используя технические возможности рейк - приемника. Так продолжается до тех пор, пока ПС не удалится от границы ячеек, т. е. пока сигнал от второй БС не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую БС закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается.

Метод CDMA требует точной синхронизации БС системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате ССС оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое

число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации. Высокая помехоустойчивость CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу

некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации БС, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических каналов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход от FDMA к TDMA увеличивает число физических каналов в три раза, а при полускоростном кодировании в шесть раз, получается, что переход от TDMA к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов.

Однако фактически возможно более сильное влияние помех в CDMA, чем принималось в расчетах, а также в некоторых ситуациях может возникнуть необходимость более плотного расположения БС. Эти факторы ведут к снижению емкости системы. Кроме того, метод TDMA имеет дополнительные возможности: скачки по частоте (предусмотренные, в частности, стандартом GSM), которые, в сочетании с прерывистым излучением (отработкой «речевой активности») и оперативной регулировкой мощности излучения, смягчают влияние релеевских замираний и снижают средний уровень помех, т. е. позволяют реализовать большие значения коэффициента повторного использования частот. К той же цели ведет и использование адаптивного распределения каналов, в том числе в сотовых сетях иерархической структуры; в отношении построения последних TDMA имеет преимущества по сравнению с CDMA. В результате методы CDMA и TDMA оказываются примерно сопоставимыми по обеспечиваемой ими емкости.

Компанией Qualcomm (США) была разработана СПРС общего пользования с кодовым разделением каналов. Его первая версия была разработана компанией в 1994 г. Аббревиа - тура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA (Telecommu-nication Industry Association),, а цифра означает порядковый номер. Из полного названиястандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, ко - торый объединяет семь крупных организаций США.

Основными стимулами явились увеличение абонентской емкости по сравнению с дей - ствующими СПРС, основанными на традиционном частотно - временном доступе, улучше - ние качества обслуживания и повышение информационной безопасности.

К числу основных стандартов рассматриваемой СПРС относятся:

ü IS-95 – эфирный интерфейс (радиоинтерфейс);

ü IS-96 – интерфейс речевых служб;

ü IS-97 – интерфейс мобильной станции;

ü IS-98 – интерфейс базовой станции;

ü 1S-99 – интерфейс службы передачи данных.

Рассматриваемую систему называют СПРС стандарта IS-95, либо, принимая во внима - ние технологию организации множественного доступа, системой cdmaOne.

Система IS -95 рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, причем для прямого капала (линия «вниз») выделен участок спектра 869,04–893,97 МГц, а для обратного (ли - ния «вверх») – 824,04–848,96 МГц. Ширина полосы канала связи составляет 1,25 МГц, по - этому при развертывании IS- 95 операторы могут осуществлять частотное планирование, исходя из указанных полос. Однако согласно решению Федеральной Комиссии связи США. одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот, равный 12,5 МГц как в прямом (от БС к МС), так и в обратном (от МС к БС) направлениях, что соответствует 10 физическим частотным радиоканалам с полосой в 1,25 МГц.

Технология организации множественного доступа с кодовым разделением каналов ос - нована на применении сложных (spread spectrum) сигналов, полоса которых значительно превышает ширину спектра информационного сообщения. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколь - ко мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым ин - формационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характе - ристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источни - ка псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределя - ется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими спо - собами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкопо - лосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для по - лучения ШШС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последователь - ность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью t0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, пере - даче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра приня - того 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 интерференцион - ных 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. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базо - вого информационного сигнала. Для стандарта 1S-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превы - шающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе при - емника 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 частотного разнесения приема.

В системе IS-95 реализовано прямое расширение спектра (DSSS) с использованием функций Уолша длины 64 и двух типов псевдослучайных последовательностей (ПСП): короткой и длинной. Линия «вниз» организована на основе синхронного варианта CDMA, использующего для разделения физических абонентских каналов ансамбль сигнатур в ви - де функций Уолша. Асинхронный режим CDMA в обратном канале осуществлен припи - сыванием различным абонентам одной соты специфических сдвигов длинной ПСП.

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 мобиль - ных станций, однако реализуют разные функции (таблица 10.1).

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 =9,6 х 128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит / с 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 цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямо - угольному.

Таблица 10.1. Параметры кодовых последовательностей в стандарте IS-95

В кодеках МС тоже применяются ортогональные коды Уолша, но не для уплотнения каналов (как на БС), а для повышения помехоустойчивости. С этой целью входной поток - данных со скоростью 28,8 кбит / с разбивается на пакеты по 6 бит, и каждому из них одно - значно ставится в соответствие одна из 64 последовательностей Уолша. В итоге скорость кодированного потока на входе модулятора возрастает до 307,2 кбит / с. Это кодирование одинаково для всех физических каналов, а на приемном конце используются 64 парал - лельных канала, каждый из которых настроен на свою функцию Уолша, и эти каналы рас - познают (декодируют) принятые 6- битовые символы.

В прямом канале (от БС к подвижной, рисунок 10.1) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов раз - ных БС.

Рисунок 10.1 – Схема обработки сигналов в передающем тракте базовой станции

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют од - ну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т. е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот - сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН).

В обратном канале (от подвижной станции к базовой, рисунок 10.2) модуляция сигна - ла короткой ПСП используется только для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару последовательностей с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной ПСП кроме шифрования сообщений несет ин - формацию о ПС в виде ее закодированного индивидуального номера и обеспечивает раз - личение сигналов от разных ПС одной ячейки за счет индивидуального для каждой стан - ции сдвига последовательности.

Рисунок 10.2 – Схема обработки сигналов в передающем тракте подвижной станции

В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдо - случайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%- ное использование доступного частотного ресурса - один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не дос - тигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисис - темной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых стан - ций соседних ячеек.

Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний - дальний» (far-near problem), ко - гда МС, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недо - пустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех CMC, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA- системах, рабо - тающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они сущест - венно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA- системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии вы - равнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции. Причем чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы.

Следует отметить, что прямой канал менее подвержен искажениям сигнала за счет внутрисистемных помех и многолучевых замираний, так как на БС всегда существует за -

пас по мощности. Поэтому основные проблемы возникают при регулировке мощности в обратном канале - от абонента к БС.

Чем выше точность управления мощностью, тем ниже уровень взаимных помех. В стандарте IS- 95 регулировка мощности МС осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ, т. е. с точностью ±0,5 дБ. Интервал между соседними измерениями равен 1,25 мс. Биты управления мощностью передаются по каналу трафика со скоростью 800 бит / с. Раздельная обработка многолучевых сигналов с последующим их сложением обес - печивает требуемое отношение сигнал / шум в 6-7 дБ. Применение нескольких параллельно работающих каналов при раздельной обработке лучей позволяет осуществить «мягкий» режим переключения МС при переходе абонента из одной соты в другую.

Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использованием алго - ритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым AT, до необ - ходимого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусмат - ривается три механизма регулировки мощности: в прямом канале - разомкнутая петля; в прямом канале - замкнутая петля; в обратном канале (ОК) - внешняя петля регулирования.

Процесс регулирования мощности передающих устройств в ОК (от абонента к БС) за - ключается в следующем. Каждая ПС непрерывно передает информацию об уровне оши - бок в принимаемом сигнале. На основании этой информации БС распределяет излучае - мую мощность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить при - емлемое качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает большее затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель ре - гулировки мощности в ОК - оптимизация площади соты.

В процессе регулирования мощности в прямом канале (от БС к абоненту) возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (разомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля). Схема управления мощностью в прямом канале изображена на рисунке 10.3.

При открытом цикле ПС после включения ищет сиг - нал БС. После синхрониза -

ции ПС но этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для

обеспечения соединения с БС. Вычисления основыва - ются на том, что сумма

уровней предполагаемой мощности излучаемого сиг -

Дата добавления: 2014-01-15