Лекция №12

Тема: Цифровые системы сотовой связи с кодовым разделением каналов

Принципы кодового разделения каналов

Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA – Code division Multiple Access) основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

(10.1)

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением Т=1/С. Поэтому база сигнала В=F/C характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

- прямым расширением спектра частот;

- скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный сигнал (рис. 10.1) умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью t₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/t₀ =N.

Скачкообразное изменение частоты несущей (рис. 10.2), как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

Прием ШПС осуществляется оптимальным приемником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл

(10.2)

где х(t) – входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в данном случае белый шум) Затем величина Z сравнивается с порогом Z₀.

Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 10.3) или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами, амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП t₀. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом автокорреляционной функции АКФ при совпадающих входной и опорной ПСП и взаимнокорреляционной функции ВКФ при отличающихся входной и опорной ПСП. На рис. 10.4 показана структура М-последовательности с N=15(а), вид её периодической АКФ(б) и апериодической АКФ(в), то есть периодически непродолжающейся во времени.

Выбирая определённый ансамбль сигналов с “хорошими” взаимными и автокорреляционными свойствами, можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свертки ШПС) разделение сигналов. На этом основан принцип кодового разделения каналов связи.

В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу расширения спектра. В этом случае адресность абонентов определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот. Радиосигнал, сформированный в этом случае (рис. 10.1) называется фазоманипулированным широкополосным сигналом (ФМн ШПС). Спектр частот ФМн ШПС на выходе формирующего устройства и на выходе усилителя мощности передатчика после фильтрации показаны на рис. 10.5.

Доминирующее значение в выборе вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи играют, прежде всего, взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объём, простота реализации устройства формирования и «сжатия» (свертки) сигналов в приёмнике. В этой связи для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объёма ансамбля сигналов часто используют составные ПСП, сформированные, например, на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.

Создание систем сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением абонентов сдерживалось отсутствием технических и технологических возможностей по реализации малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств «сжатия» ШПС. В настоящее время эти проблемы успешно решены американскими фирмами Qualcomm, Inter Digital, Motorola. На основе предложений фирмы Qualcomm в США принят стандарт IS-95 на систему сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов. В рамках европейской программы RACE разрабатывается проект CODIT (Code Division Testbed), основной целью которого является изучение потенциальных возможностей системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов как метода доступа для третьего поколения систем сотовой подвижной связи UMTS/FPLMTS.

Сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов стандарта IS-95

Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым разделением каналов впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить ёмкость системы сотовой связи по сравнению с аналоговой не менее чем на порядок и соответственно увеличить эффективность использования выделенного спектра частот.

Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов Ассоциации промышленности связи (TIA):

- IS-95- CDMA-радиоинтерфейс;

- IS-96- CDMA-речевые службы;

- IS-97- CDMA-подвижная станция;

- IS-98- CDMA базовая станция;

- IS-99- CDMA- служба передачи данных.

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, выделенном для сотовых систем стандартов AMPS, N-AMPS и D-AMPS. (Стандарты TIA IS-19, IS-20; IS-54; IS-55, IS-56, IS-88, IS-89, IS-90, IS-553.)

Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA, поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не потребуется специального оборудования шифрования сообщений.

Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется свёрточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 МГц. Основные характеристики стандарта CDMA Qualcomm и технические параметры оборудования сетей приведены в таблице 10.1.

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приёма на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции – 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим “эстафетной передачи” при переходе из соты в соту.

Мягкий режим «эстафетной передачи» происходит за счёт управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром, как показано на рис. 10.6. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего «склеивания» кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в «эстафетной передаче». Мягкое переключение обеспечивает высокое качество приёма речевых сообщений и устраняет перерывы в сеансах связи, что имеет место в сотовых сетях связи других стандартов.

На рис. 10.7 приведена обобщённая структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA, основные элементы которой (BTS, BSC, MSC, ОMC) аналогичны, используемым в сотовых сетях с частотным (NMT-450/900, AMPS, TACS) и временным разделением каналов (GSM, DCS-1800, PCS-1900, D-AMPS, JDC).

Таблица 10.1

Технический параметр	Значение
Диапазон частот передачи MS	824,040-848,970 МГц
Диапазон частот передачи BTS	869,040-893,970 МГц
Относительная нестабильность несущей частоты BTS	±5*10-8
Относительная нестабильность несущей частоты МS	±2,5*10-6
Вид модуляции несущей частоты	QPSK (BTS), O-QPSK (MS)
Ширина спектра излучаемого сигнала: по уровню минус 3 дБ по уровню минус 40 дБ	1,25 МГц 1,50 МГц
Тактовая частота ПСП	1,2288МГц
Количество элементов в ПСП для BTS для MS	32768 бит 242-1 бит
Количество каналов BTS на 1 несущей частоте	1 пилот канал 1 канал сигнализации 7 каналов персональн. вызова 55 каналов связи
Количество каналов MS	1 канал доступа 1 канал связи
Скорость передачи данных: в канале синхронизации в канале перс. вызова и доступа в каналах связи	1200 бит/с 9600, 4800 бит/с 9600, 4800, 2400, 1200 бит/с
Кодирование в каналах передачи BTS (канал синх., перс. вызова, связи)	сверточный код r=1/2 длина кодового огр. К=9
Кодирование в каналах передачи МS	сверточный код r=1/3 К=9 64-ичное кодирование ортогональными сигналами Уолша
Требуемое для приёма отношение энергии бита информации к спектральной плотности шума (Е6 /N0)	6-7дБ
Максимальная эффективная излучаемая мощность ВТS	до 50 Вт
Максимальная эффективная излучаемая мощность MS: 1 класс 2 класс 3 класс	6,3 Вт 2,5 Вт 1,0 Вт
Точность управления мощностью передатчика MS	±0,5 дБ

Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA включены устройства оценки качества и выбора кадров (SU). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC.

Протоколы установления связи в CDMA, также как в стандартах AMPS N-AMPS, основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис. 10.8.

Прямые каналы в CDMA:

- ведущий канал – используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе;

- канал синхронизации обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения;

- канал вызова – используется для вызова подвижной станции. После приёма сигнала вызова подвижная станция передаёт сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передаётся информация об установлении соединения и назначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации);

-
канал прямого доступа – предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

- канал доступа – обеспечивает связь подвижной станции к базовой станции, когда подвижная станция не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова (Paging Channel), команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова;

- канал обратного трафика – обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.

На рис. 10.9 показана процедура установления обычного соединения (входящий вызов к подвижной станции)

На рис. 10.10 показана процедура прохождения обычного вызова (исходящий вызов от подвижной станции).

Базовая станция одновременно может передавать 64 канала, из которых 2 канала используются для синхронизации, 7-для персонального вызова (Paging), остальные 55 – для передачи речевых сообщений (Traffic).

Для передачи всех 64 каналов применяется одна и та же псевдослучайная последовательность. В каждом канале при передаче используется одна из 64 последовательностей Уолша. При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

В подвижных станциях ортогональные сигналы также используются при передаче, но не для уплотнения каналов, а для повышения их помехоустойчивости. В этом случае каждой группе из 6 бит информационного сообщения соответствует при передаче одна из 64 ортогональных последовательностей Уолша. При передаче каждая подвижная станция использует ПСП с разными циклическими сдвигами, что даёт возможность базовой станции при приёме разделить сигналы от подвижных станций.

Помехи, создаваемые другими абонентскими станциями и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети стандарта CDMA. При разработке сети с кодовым разделением каналов необходимо свести к минимуму общий уровень помех.

Пусть в соте находятся К активных абонентов, все подвижные станции работают в общей полосе частот F, скорость передачи сообщений постоянна и равна С, чувствительность приемника базовой станции - Р₀, уровень фонового шума – Р_ш. Тогда отношение сигнал/шум на входе приемника базовой станции (Рвх) определится выражением

где (К-1)* Р₀ – уровень сигналов от других активных станций.

Отношение энергии бита Е₀ информационного сигнала к спектральной плотности шума N₀ может быть определено выражением

Учитывая, что отношение F/C численно равно базе сигнала В,

количество активных абонентов в соте системы CDMA определяется выражением

при условии, что уровни сигналов от всех абонентских станций на входе базовой станции будут приблизительно равны и близки к минимальным (Р0).

Рассмотренные условия работы системы CDMA определяют высокие требования к регулировке уровней мощности сигналов подвижных станций, принимаемых базовой станцией.

В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1дБ. Это обеспечивает возможность приема сигналов подвижных станций базовой станцией с практически одинаковым уровнем мощности независимо от удаления до базовой станции. Чем ближе уровень мощности сигналов от подвижных станций на входе базовой станции к минимальному, соответствующему требуемому качеству связи, тем меньше уровень взаимных помех в системе и, следовательно, тем выше её ёмкость.

Высокие требования к регулировке уровня мощности подвижной станции можно отнести к недостатку системы Qualcomm. Вторым недостатком CDMA Qualcomm является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей сети, в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станций, которые находятся в соседних сотах разного размера. В этом случае также возникает проблема “эстафетной передачи”.

Стандарт CDMA обеспечивает большую ёмкость сети по сравнению с традиционными аналоговыми сотовыми сетями. Увеличение ёмкости может быть достигнуто двумя способами:

- увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;

- увеличением повторного использования каналов связи на данной территории.

Примером второго подхода является переход от частотного разделения каналов к временному, что реализовано в стандарте GSM. Допустимое отношение сигнал/помеха в каналах GSM составляет 9 дБ вместо 17-18 дБ для аналоговых систем, что позволяет обеспечить повторное использование частот при меньшем территориальном разносе базовых станций с повторяющимися частотами. Это позволяет увеличить ёмкость сетей GSM примерно в два раза по сравнению с аналоговым стандартом AMPS (800 МГц). При использовании полускоростного речевого кодека ёмкость сетей GSM увеличится в 4-5 раз по сравнению с AMPS.

Стандарт CDMA позволяет использовать одну и ту же частоту по всей сети, во всех сотах. Коэффициент повторного использования частот для CDMA равен (k=1 или k=4), увеличение ёмкости в этом случае по отношению к AMPS составит 7-10 раз [15; 16].

Другим фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и, следовательно, увеличению её емкости является применение, аналогично GSM, системы прерывистой передачи речи на основе использования детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP и переменной скоростью преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой [15].

На интервале сеанса связи активная часть разговора составляет около 35%, 65% приходится на прослушивание сообщений с противоположной стороны и паузы [15]. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности речи приводит к дополнительному снижению системных помех и общему увеличению ёмкости системы CDMA.

Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами (рис. 11, 14). Используемые принципы приёма позволяют анализировать ошибки в каждом информационном кадре. Если количество ошибок превышает допустимый уровень, приводящий к недопустимому ухудшению качества речи, этот кадр стирается (frame erasure).

С частотой ошибок или «частой стирания битов» однозначно связано отношение энергии информационного символа к спектральной плотности шума E0 /N0/ На рис. 17 приведены зависимости вероятности ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения E0 /N0 (белый шум) для прямого обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения.

При увеличении количества активных абонентов в соте из-за взаимных помех отношение E0 /N0 снижается, а частота ошибок увеличивается. В этой связи разные фирмы принимают свои допустимые значения частоты ошибок. Например, фирма Motorola считает допустимой CDMA частоту ошибок в 1%, что соответствует с учетом замираний отношению E0 /N0= 7-8 дБ. При этом пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем AMPS.

Фирма Qualcomm за допустимую величину частоты ошибок принимает значение 3%. Это является одной из причин, по которым Qualcomm заявляет, что ёмкость CDMA в 20-30 раз превышает ёмкость аналоговых AMPS.

Отношение E0 /N0= 7-8 дБ и допустимая частота ошибок в 1% позволяет организовать 60 активных каналов на трехсекторную соту. Зависимость количества активных каналов связи (ТСН) для обратного канала от величины отношения E0 /N0 для трехсекторной соты показана на рис. 18 [17].

Дата добавления: 2014-11-08