Лекция № 15. Тема: Полоса частот радиосистем с кодовым разделением каналов

Тема: Полоса частот радиосистем с кодовым разделением каналов

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.

Частотный ресурс не безграничен, и количество претендентов на частоты с каждым днем увеличивается. Поэтому проблема эффективного использования частотного спектра стала в последние годы крайне актуальной. Единственной перспективной возможностью для дальнейшего развития является переход к кодовому разделению каналов (CDMA), потому что разделение каналов по времени (TDMA) является далеко не самым эффективным и рациональным способом использования небезграничных частотных диапазонов. Как и многие используемые сегодня технологии, CDMA разрабатывалась для военных нужд и благодаря множеству «плюсов» пришла в коммерческую связь.

Среди наиболее важных преимуществ стандарта CDMA 20001Х можно выделить следующие:

• улучшенное качество передачи звука и непривычное для радиотелефонов отсутствие шумов

• возможность высокоскоростной передачи данных, использования дополнительных сервисов

• повышенная конфиденциальность переговоров

• высокая степень безопасности для здоровья из-за сниженного воздействия электромагнитного излучения сотового телефона на организм человека

• повышенная надежность связи в движении за счет «мягкой» передачи канала связи от одной базовой станции к другой.

Принципиальное отличие третьего поколения от предыдущих состоит в возможности более качественного предоставления различных форм передачи информации. Например, реальны не только передача речи, но и работа с интернет-приложениями, симметричная и асимметричная высокоскоростная передача данных, работа как в режиме коммутации каналов, так и в режиме коммутации пакетов. Технология кодового разделения каналов CDMA изначально ориентирована на передачу данных.

Достигается все это путем разделения абонентов, использующих одну общую полосу частот, при помощи специального кодирования. Новые сервисы и большая эффективность использования частотного спектра предопределили развитие сотовой связи в направлении CDMA. CDMA - технология будущего, основа систем мобильной связи нового поколения. Главное здесь не название и мода, а уникальные технологические преимущества.

Рисунок 44 Оборудование CDMA

В 1995 году в Гонконге состоялось первое коммерческое внедрение принципиально новой технологии с кодовым разделением каналов CDMA. С того времени мобильная связь на основе CDMA все шире распространяется по всему миру. К настоящему времени связью CDMA пользуются более 200 миллионов абонентов.

Технология CDMA сейчас доминирует на рынке беспроводной связи в США, Канаде и Австралии. На ее долю приходится значительная часть рынка в Японии, Гонконге, Корее, Китае, Аргентине, Бразилии, Египте, Израиле, Индии, Перу, Таиланде, Филиппинах, Чили. Растет ее признание в Европе, России и других странах бывшего СНГ. Узбекистан также не стал исключением из этого списка.

Организация каналов в стандарте CDMA

В стандарте CDMA (IS-95, IS-96) все каналы передачи сигналов от БС называются прямыми (Forward), а от мобильной - обратными (Reverse). Именно этот признак был положен разработчиками стандарта в основу структуры каналов (рис. 45).

Важную роль в системах на базе CDMA играет канал передачи пилот-сигнала (Pilot Channel), который излучается каждой БС непрерывно в широковещательном режиме и может быть принят одновременно всеми МС, расположенными в зоне ее обслуживания. Для установления начальной синхронизации используется синхроканал SYNC. Традиционно передача вызовов с БС на МС осуществляется по вызывному каналу РСН, а многостанционный доступ реализуется по каналу АСН.

Рисунок 45 Структура каналов стандарта cdma2000

Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным (FCH), а второй - дополнительным (SCH). Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1500, 2700, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.В третьем поколении CDMA (cdma2000) сохранена существующая структура каналов, однако число видов каналов увеличено до 15. Прежде всего, введены три дополнительных пилот-сигнала: два вспомогательных в прямом канале - CAPICH и DAPICH и один в обратном - R-PICH. CAPICH используется при наличии на БС разнесенных антенн, DAPICH - при использовании абонентских антенн с узким лучом направленности, а R-PICH выполняет начальную синхронизацию для БС.

Кроме того, для организации связи в прямом и обратном направлениях дополнительно введены общий (СССН) и выделенный (DCCH) КУ, которые по назначению аналогичны каналам РСН (в прямом канале) и АСН (в обратном канале).

В отличие от IS-95 и cdma2000 в стандартах UTRA (ETSI, Европа) и W-CDMA (ARIB, Япония) предложен иной принцип деления каналов, основанный на учете взаимосвязи между объектами разных иерархических уровней. При этом могут быть выделены три типа каналов: логические; транспортные; физические.

Существуют две группы ЛК: управления ССН и трафика ТСН. По КУ передаются вызывные и служебные сообщения, сигнализация, команды управления мощностью и диаграммой направленности, а по КТ - информационные потоки.

Каналы управления, в свою очередь, подразделяются на общие (СССН) и выделенные (DCCH). В рекомендации МСЭ (ITU-R M.I 035) был также предложен третий тип канала жестко закрепленный, получивший обозначение LCCH (Leash ССН). В настоящее время в системах на базе протокола CDMA он не используется.

Общие каналы СССН предназначены для передачи управляющей информации и сигнализации в режиме, не ориентированном на соединение. Имеются четыре вида таких каналов: широковещательные (ВССН, Broadcast ССН), прямого доступа (FACH, Forward АСH), вызова РСН и произвольного доступа (RACH, Random ACH).

Двухсторонняя радиосвязь между БС и МС осуществляется по двум каналам. В СКК данные передаются по выделенному каналу графика (DTCH), а пакетная информация - по каналу передачи абонентских пакетов (UPCH).

Транспортные каналы, связывающие физический уровень с более высокими, так же, как и логические, подразделяются на две группы: общие ССН, не требующие идентификации МС в рабочей полосе, и выделенные DCH, в которых МС однозначно связана с ФК, т.е. с определенным кодом и частотой. Первые доступны группе абонентов - связь организуется одновременно между БС и несколькими МС, а по выделенному передаются данные или сигнализация.

Одно из различий между проектами W-CDMA и UTRA состоит в разном числе типов выделенных каналов. В W-CDMA один тип - DTCH, а в UTRA их три: DTCH, автономный (SDCCH) и совмещенный (АССН). В канале DTCH предусмотрено быстрое изменение скорости передачи (каждые 10 мс). АССН используется для совместной передачи управляющей информации из потока данных.

Физические каналы определяют качественные показатели и режимы передачи информации. Их главные характеристики - код, частота и фазовый сдвиг. Они также подразделяются на общие (СРСН) и выделенные (DPCH) каналы. По общему каналу управления (ССРСН) передается вызывная управляющая информация. Для передачи символов пилот-сигнала используется отдельный канал синхронизации (SCH).

Для организации связи с конкретным пользователем выделен специальный канал DPCH, по которому передаются как информация абонента, так и управляющие сигналы, вспомогательные пилот-символы управления диаграммой направленности антенны, а также биты управления мощностью и прочие служебные данные.

Уникальность технологии с кодовым разделением каналов состоит в том, что каждый логический канал отображается на физический «индивидуально», с присущими ему скоростью передачи и кодом.

Рисунок 46 Взаимное отображение физических,

транспортных и логических каналов

Так как число каналов на сетевом уровне значительно больше, чем на канальном, то в одном транспортном канале обычно объединяют несколько низкоскоростных логических (рис. 16). При переходе от транспортного к физическому уровню каналы тоже можно объединять, при этом принято канал вызова РСН и канал доступа FACH отображать на общий физический канал «вниз», а канал доступа RACH - на общий физический канал «вверх».

Поток данных при передаче информации из одного канала в другой трансформируется на уровне канальных интервалов, кадров и данных сигнализации. Например, канал вызова разделяется на несколько групп в одном суперкадре, и вызывная информация передается в каждой группе.

Метод пакетной передачи, используемый в CDMA-системах, хорошо согласуется с принципом адаптивных каналов, скорость передачи которых изменяется в соответствии с графиком. Если трафик низкоскоростной, то может использоваться один физический канал СРСН для нескольких ЛК (FACH, RACH и др.). Если же трафик достаточно высокоскоростной, то выбирается для передачи ЛК типа UPCH.

Дата добавления: 2014-01-05