НА ГЛАВНУЮ

:Документация: :Заработок: :Афоризмы: :Гостевая книга: :Ссылки: :Форум:

CDMA

1. Принципы кодового разделения каналов
28 сентября 1995 года компания Hutchison Telephone (Гонконг) открыла коммерческую эксплуатацию первой в мире цифровой ССПС с кодовым разделением каналов (CDMA). Сеть построена на оборудовании фирмы Motorola: базовых станциях SC9600 и коммутационной станции типа ЕМХ2500.
  Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA -Code Division Multiple Access) подробно исследованы и рассмотрены во многих работах. Они 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 :
В= F*T
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 (Siпс) относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:
1. прямым расширением спектра частот;
2. скачкообразным изменением частоты несущей.
При первом способе узкополосный сигнал (рис. 1) умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью to каждый.
В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП
В-Т/tо = N.



Рис.1. Прямое расширение спектра частот
 Скачкообразное изменение частоты несущей (рис. 2), как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.


Рис.2. Скачкообразное изменение частоты несущей

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


где x(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 zq. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 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" улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами амплитуда выходного сигнал коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП tq. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом АКФ - автокорреляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и ВКФ- взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП). На рис. 4 а), б), в) показаны, соответственно, структура М-последовательности с N=15, вид ее периодической АКФ апериодической АКФ, то есть периодически не продолжающейся во времени.

Рис.3. Коррелятор


Рис. 4 Структура М-последовательности с N=15.
 Выбирая определенный 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 прямого расширения спектра (DS-CDMA-Direct Sequence CDMA), В этом случае адресность абонентов определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот. Радиосигнал, сформированный в этом случае (рис. 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.5.
 Доминирующее значение в выборе вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи играют прежде всего взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объем, простота реализации устройств формирования и "сжатия" (свертки) сигналов в приемнике. В этой связи для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объема ансамбля сигналов часто используют составные ПСП, сформированные, например, на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.


Рис. 5. 
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, InterDigital, 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.

2. Сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов
стандарта IS-95
 Сотовая система подвижной радиосвязиобщего пользования с кодовым разделением каналов (CDMA) впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить емкость 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-службы 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, (S-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 видов 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 сверточное 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 1.
 

Таблица 1

Диапазон частот передачи MS 824,040 - 848,860 МГц
Диапазон частот передачи BTS 869,040 - 893,970 МГц
Относительная нестабильность несущей частоты BTS +5*10-8
Относительная нестабильность несущей частоты MS +2,5*10-6
Вид модуляции несущей частоты QPSK (BTS), 0-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 1,2288 МГц
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 перс. 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 г == 1/2, длина кодового огр. К=9
Кодирование в каналах передачи MS сверточный код г = 1/3, К=9 64-ичное кодирование ортогональными сигналами Уолша
Требуемое для приема отношение энергии бита информации к спектральной плотности шума

(Eo/No)

 6-7 дБ
Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS 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
 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 приема на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции -3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим "эстафетной передачи" (Soft Handoff) при переходе из соты в соту.
 Мягкий режим "эстафетной передачи" происходит за счет 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.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 приема речевых сообщений и устраняет перерывы в сеансах связи, что имеет место в сотовых сетях связи других стандартов.
 На рис. 7 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA, основные элементы которой (BTS, BSC, MSC, ОМС) аналогичны используемым в сотовых сетях с частотным (NMT-450/900, AMPS, TACS) и временным разделением каналов (GSM, DCS-1800, PCS-1900, D-AMPS, JDC). 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 (Inter BSC Soft handoff).
 Протоколы установления связи в CDMA, также как в стандартах AMPS и 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. 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.



Рис.6. Режим эстафетной передачи



BTS (Base Tranceiver Station) - базовая приемопередающая станция
BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций
OMC (Operation and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания
SU (Selector Unit) - устройство выбора кадра
DB (Data Base)- база данных об абонентах и оборудовании
MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи

Рис.7. Обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA



Рис.8. Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95
 Канал вызова - используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении 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 с базовой станцией, когда подвижная станция еще 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. 9 показана процедура установления обычного соединения (входящий вызов к подвижной станции).


Рис.9. Процедура установления обычного соединения(входящий вызов к подвижной станции)

На рис. 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).

Рис.10. Процедура прохождения обычного вызова (исходящий вызов от подвижной станции).

Структура каналов передачи базовой станции показана на рис. 11. На рис. 12, показана схема формирования сигнала передатчиком базовой станции. Структурная схема приемника подвижной станции показана на рис. 13.



Риc.11.  Структура каналов передачи базовой станции

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 дает возможность базовой станции при приеме разделить сигналы от подвижных станций. Структура каналов передачи подвижной станции показана на риc. 14.
Структурная схема формирования сигнала подвижной станцией приведена на рис. 15. На рис. 14. показана структурная схема приемника базовой станции.
 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 - Ро, уровень фонового шума - Рш. Тогда отношение сигнал/шум на входе приемника базовой станции (Рвх) определится выражением:



  • - W(t) - последовательность Уолша (одна из 64).

    - ПСП-1/Q - квадратурные компоненты ПСП 215

    - Т/tо= 128

    •



    где (К -1)* ро - уровень сигналов от других активных станций. Отношение энергии бита (Еo) информационного сигнала к спектральной плотности шума (Мд) может быть определено выражением:



    Учитывая, что отношение F/C численно равно базе сигнала Pш/Po<<1, количество активных абонентов в соте системы CDMA определяется выражением:



    при условии, что уровни сигналов от всех абонентских станций на входе базовой станции буду приблизительно равны и близки к минимальным (Ро).
    Рассмотренные условия работы системы CDMA определяют высокие требования к регулировке уровней мощности сигналов подвижных станций, принимаемых базовой станцией.



    Рис.13. Структурная схема приемника подвижной станции



    Рис.14. Структурная схема приемника базовой станции



    - Модулятор W(t) преобразует 6 бит в одну из 2^6 =64 последовательностей Уолша
    - ПСП-1/Q-O -универсальная последовательность для всех подвижных станций
    - Т/to = 128

    Рис.15.  Структурная схема формирования сигнала подвижной станцией



    Рис.16.

    В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ. 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 ее емкость.
     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 емкость сети по сравнению с традиционными аналоговыми сотовыми сетями.
     Увеличение емкости может быть достигнуто двумя способами:
    1. Увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;
    2. 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 станции с повторяющимися частотами. Это позволяет увеличить емкость сетей GSM примерно в два раза по сравнению с аналоговым стандартом AMPS (800 МГц). При использовании полускоростного речевого кодека емкость 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. В зависимости от того, с каким кластером проводится сравнение (k=7 или k=4), увеличение емкости в этом случае по отношению к AMPS составит 7-10 раз.
     Другим фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и, следовательно, увеличению ее 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.
     На интервале сеанса связи активная часть разговора составляет около 35%, 65% приходится на прослушивание сообщений с противоположной стороны и паузы. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности речи приводит к дополнительному снижению системных помех и общему увеличению емкости системы CDMA.
     Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами (рис. 11, 14). Используемые принципы приема 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 " частотой стирания битов " однозначно связано отношение энергии информационного символа к спектральной плотности шума Eo/No. На рис. 17 приведены зависимости вероятности ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения Eo/No (белый шум) для прямого и обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения. При увеличении количества активных абонентов в соте из-за взаимных помех отношение Eo/No снижается, а частота ошибок увеличивается. В этой связи разные фирмы принимают свои допустимые значения частоты ошибок. Например, фирма Motorola считает допустимой для CDMA частоту ошибок в 1%, что соответствует с учетом замираний отношению Eo/No =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 емкость CDMA в 20 - 30 раз превышает емкость аналоговых AMPS. Отношение Eo/No == 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 Eo/No для 3-х секторной соты показана на рис. 18.


    Рис.17.  Зависимости вероятности ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения Eo/No (белый шум) для прямого и обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения



    Рис.18.  Зависимость количества активных каналов связи (ТСН) для обратного канала от величины отношения Eo/No для 3-х секторной соты

    3. Основные характеристики CDMA и их краткое описание, определяющие достоинства и перспективность систем сотовой связи с кодовым разделением каналов.
     Высокая пропускная способность.
     Полевые испытания, проводившиеся в различных условиях, подтвердили, что при высокой нагрузке пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем, Если использовании существующих вокодеров, которые работают на половинной скорости передачи, пропускная способность увеличивается еще в 1,7 раза. Дополнительная секторизация (свыше 3) также увеличивает пропускную способность.
     Высококачественная связь.
     Вокодер, работающий на переменной скорости передачи, обеспечивает преобразование речевых сигналов в цифровую форму и высококачественное воспроизведение речи. Фоновые сигналы заглушаются даже при большой нагрузке. Система независимо отслеживает поступающие отдельные сигналы при многолучевом распространении, что значительно снижает подверженность замираниям. Метод мягкой передачи абонента (переключения абонента с одного радиоканала на другой), применяемый в системах CDMA, обеспечивает почти прозрачную передачу вызовов между сотами. Такой надежный метод передачи практически исключает потерю вызовов и снижает нагрузку на коммутационное оборудование.
     Возможность дальнейшей эволюции системы.
     В существующей системе предусмотрены поисковые службы и цифровая передача данных. Существующая структура управления обеспечивает протоколы факсимильной связи. Могут быть предусмотрены и более высокие скорости передачи (в настоящее время используется скорость 9,6 кбит/с). Портативные абонентские станции, основанные только на методе CDMA и совместимые с сотовыми системами и УАТС, могут отвечать перспективным требованиям.
     Возможность введения новых функций.
     При желании с одного и того же аппарата можно получить выход к беспроводной УАТС, домашнему беспроводному телефону, общественным беспроводным цифровым телефонным аппаратам, к сети персональной связи и к сотовым сетям. Обеспечиваются интерфейсы с УАТС, сетью ISDN и коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Цифровые сигналы управления позволяют организовать целый ряд служб передачи данных, которые можно добавлять по мере того, как компания-оператор будет вводить новые услуги. Вокодер с переменной скоростью передачи и предусмотренная возможность передачи данных позволяют вводить различные уровни обслуживания. Предусмотренные в системе измерения уровня сигнала и его задержки позволяют определять положение подвижной станции.
     Секретность связи.
     Цифровая форма сигналов, передача в широкой полосе частот, защита информации для каждого адресата - все это обеспечивает значительно более высокую, чем в других системах, секретность связи.
     Простота перехода (и совместимость с аналоговыми системами).
     CDMA позволяет почти утроить существующую в аналоговых сетях пропускную способность и обеспечивает более высокое качество обслуживания. Пропускная способность и радиопокрытие позволяют вводить CDMA при значительно меньшем числе сот, чем на существующих сетях. Зона радиоохвата антенны и секторизация не зависят от соты и не так тесно связаны, как в узкополосных системах. Последующее расширение может быть поэтапным и может быть местным (чтобы быстро обеспечить радиопокрытие в каком-то одном месте) или глобальным. Абонентские станции CDMA рассчитаны на работу в двух режимах, поэтому они могут выходить либо к каналам CDMA, либо к аналоговым каналам AMPS.
     Цена и наличие оборудования.
     Существующие оценки стоимости системы CDMA в отношении сетевого и абонентского оборудования показывают, что по стоимости эта система эквивалентна существующим аналоговым системам. Более высокая пропускная способность позволяет организовать связь при значительно меньшем числе сот, чем в аналоговых системах и системах с TDMA, что снижает капитальные и эксплуатационные затраты. Проверенная технология заказных интегральных схем позволила свести технологию сложных схем CDMA к очень простым решениям.

     4. Аспекты безопасности в стандарте IS-95
     Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых сообщений и данных об абонентах. Прежде всего он имеет более сложный, чем GSM, радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемеже-ния с последующим "расширением" передаваемых сигналов с помощью составных ШПС, сформированных на основе 64 видов последовательностей Уолша и псевдослучайными последовательностями с количеством элементов 215 и (242-").
     Безопасность связи обеспечивается также применением процедура утентификации и шифрования сообщений.
     Процедура аутентификации в стандарте IS-95 соответствует процедуре аутентификации стандарта D-AMPS, EIA/TIA/IS-54B.
     В подвижной станции хранится один ключ А и один набор общих секретных данных, которые используются при работе как в режиме с частотным разделением каналов, так и в режиме CDMA. Подвижная станция может передавать "цифровую подпись" для аутентификации, состоящую из 18 бит. Эта информация передается в начале сообщения (в ответе подвижной станции на запрос сети при поиске станции), добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных, передаваемых по каналу доступа. Предусматривается возможность обновления общих секретных данных в подвижной станции.
     Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи (ТСН), осуществляется также с использованием процедур стандарта IS-54В.
     В стандарте IS-95 используется также режим "частный характер связи", обеспечиваемый с помощью секретной маски в виде длинного кода. Этот процесс также аналогичен процессу формирования маски в виде длинного кода, который описан в стандарте IS-54В.

     5. Подвижная станция стандарта IS-95
     Фирмы Qualcomm и Motorola разработали двухрежимные CDMA подвижные станции, которые поддерживают связь с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS и N-AMPS). Это обстоятельство дает значительные преимущества абонентам CDMA, так как позволяет использовать свой радиотелефон там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие.
     Структурная схема подвижной станции для CDMA фирмы Qualcomm приведена на рис. 14.19, Основное отличие между абонентскими станциями CDMA и существующими станциями аналоговых стандартов заключается в добавлении в состав подвижных станций CDMA функций цифровой обработки сигналов, которые реализованы в настоящее время на трех заказных СБИС. Эти три интегральные схемы конструктивно объединяются в одном устройстве.
     На рис. 20, 21 показан внешний вид ручной и автомобильной станции, работающих в стандартах CDMA и AMPS.

     6. Базовая станция стандарта IS-95
     В системах связи CDMA используются соты с круговой диаграммой направленности антенн или секторные соты (обычно 120-градусные).
     На рис. 22 показана типовая структурная схема базовой станции (BTS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны с цифровым оборудованием, в состав которого входят канальные блоки. Каждый канальный блок может быть сконфигурирован как информационный канал или как служебный канал. Для синхронизации работы сети используется приемник GPS (глобальная система местоопределения). Сюда входят генератор, формирующий секундные импульсу. и опорный тактовый генератор.
     Отсек приемопередатчика преобразует сигналы промежуточной частоты, сформированные в отсеке цифрового блока, в радиочастотный сигнал на несущей частоте и обеспечивает обратное преобразование принимаемого сигнала на промежуточную частоту. В направлении передачи сигнал проходит от приемопередатчика через усилитель мощности и фильтр к передающей антенне. В обратном направлении тракт приема начинается с приемных антенн, фильтра, усилителя с низким коэффициентом шума. Затем в приемопередатчике сигнал преобразуется на промежуточную частоту и поступает в отсек цифрового оборудования. Следует отметить, что передающий и приемные тракты подключаются непосредственно к своим антеннам, что позволяет исключить дорогостоящие сумматоры мощностей и потери мощности при сложении.

    Рис.19. Структурная схема подвижной станции для CDMA фирмы Qualcomm



    Рис.20. Внешний вид ручной станции


    Рис.21. Внешний вид автомобильной станции

    Рис.22. Структурная схема базовой станции (BTS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны

     Управление режимами работы цифрового оборудования и приемопередатчика осуществляется контроллером соты (СС). Контроллер соты обеспечивает требуемые режимы и алгоритмы работы оборудования внутри соты, назначает и конфигурирует ресурсы BTS для обслуживания нагрузки и вызовов, формирует статистическую информацию о работе соты, контролирует распределение сигналов опорных частот. Он также управляет объединением портов канальных блоков для передачи сообщений в цифровую линию к контроллеру сети (BSC) и центру коммутации подвижной связи (MSC).

     7. Оборудование Motorola SC 9600, SC 2400 с "суперсотовой" архитектурой
    для сетей связи CDMA
     Фирмой Motorola разработаны комплексы сетевого оборудования SC 9600 и SC 2400 для создания систем связи с "суперсотовой" (SC) архитектурой, которая объединяет новые и существующие технологии сотовой связи и открывает широкие возможности по совершенствованию управления оборудованием и функциями связи. Объединение и централизация управления компонентами различных сетей в совокупности с созданием унифицированного гибкого приемопередаю- щего оборудования определяет перспективность нового технического решения Motorola SC 9600 и SC 2400.
     Оборудование SC 9600 предназначено для работы в полосах частот 869-894 МГц - передача от базовой станции, 824-849 МГц - передача от подвижной станции и состоит из радиочастотного модема (SIF), обеспечивающего формирование сигналов с различными протоколами связи, линейного усилителя мощности (LPA) и подсистемы диагностики.
     В состав радиочастотного модема может входить до 80 CDMA канальных плат и 16 CDMA приемопередатчиков, которые могут обеспечить поддержку 320 CDMA каналов. Для TDMA, AMPS, N-AMPS SC 9600 может содержать до 96 приемопередатчиков речевых сообщений и сигнальной информации.
    В состав BTS может входить до трех линейных усилителей мощности. Каждый усилитель обслуживает все выходы передатчиков, работающих на одну антенну и обеспечивает дистанционную настройку под конкретные частоты.
     Подсистема диагностики обеспечивает контроль и поддержку работоспособности оборудования BTS совместно с центром управления радиоподсистемой (OMC-R).
     Между SC 9600 и центром коммутации подвижной связи поддерживается открытый интерфейс, что обеспечивает совместимость этого оборудования с центрами коммутации различных производителей.
     В целом оборудование SC 9600 обеспечивает возможность обслуживания абонентов в стандартах CDMA, AMPS, N-AMPS и D-AMPS. Кроме того, возможно использование этого оборудования в сетях сотовой цифровой пакетной передачи данных (CDPD).
     Дальнейшим развитием семейства оборудования SC Motorola является создание комплекса SC 2400, предназначенного для сетей с малыми и средними сотами. SC 2400 представляет собой базу для создания и развития систем сотовой радиосвязи с повышенной эффективностью, низкой стоимостью, возможностью дистанционного управления в двух диапазонах частот 800 МГц и 2 ГГц SC 2400 поддерживает CDMA, AMPS, N-AMPS, а также CDPD.
     Оборудование SC 2400 компактно, имеет модульную структуру, обеспечивает экономичное развитие емкости сети, имеет единый радиочастотный модем для различных радиоинтерфейсов.
    Рабочие полосы радиочастот:
    869 - 894 МГц - передача от базовой станции
    824 - 849 МГц - передача от подвижной станции
    1930 - 1970 МГц - передача от базовой станции
    2180 - 2200 МГц 1850 - 1890 МГц - передача от подвижной станции
    2130 - 2150 МГц
    Общая емкость: 48 физических каналов для аналоговых стандартов и 160 физических каналов для цифровых стандартов.
     Рассмотренные принципы построения системы стандарта IS-95, возможность одновременной работы подвижных станций в существующих сетях сотовой связи определяют перспективность развития сетей связи CDMA в регионах, где уже действуют сети связи стандартов AMPS, N-AMPS и D-AMPS. Совместное использование сотовых сетей связи указанных стандартов с частотным и кодовым разделением каналов обеспечит значительное увеличение количества обслуживаемых абонентов, расширит состав услуг и зону покрытия связью.

     8. Применение CDMA в системах беспроводной связи типа WiLL
     В последние годы значительное внимание уделяется разработкам и внедрению систем беспроводной радиосвязи (WiLL) для обслуживания стационарных абонентов в сельских и труднодоступных районах. В этой области известны разработки фирм Motorola, Alcatel, Siemens и т.д. При определенных условиях, связанных с количеством обслуживаемых абонентов и их удаленностью от телефонных сетей общего пользования (ТФОП), прокладка кабельных линий связи становится экономически неэффективной по сравнению с внедрением радиоканалов для соединения стационарных абонентов с ТФОП. Обычно применение систем WiLL считается целесообразным для обслуживания абонентов, удаленных от ТФОП на расстояния от нескольких километров до нескольких десятков километров. Одной из основных тенденций в разработках систем will является использование известных стандартов сотовой связи AMPS, N-AMPS, D-AMPS, GSM для топологического построения сетей беспроводной связи и разработки оборудования. При этом многие алгоритмы Функционирования сети и принципы построения оборудования связи упрощаются, так как исключался все процедуры связанные с перемещением абонентов. В результате значительно снижаются стоимость абонентского оборудования и затраты на построение и эксплуатацию сети. Как было отмечено ранее, системы CDMA имеют ряд преимуществ перед существующими сетями сотовой связи и позволяют повысить емкость сетей. Однако достоинства систем CDMA обеспечиваются усложнением процессов функционирования сети и абонентского оборудования, которые становятся незаметными при использовании передовых методов цифровой обработки сигналов, быстродейст-зующих вычислительных средств и современных технологий микроэлектроники. Более сложные процессы функционирования сетей CDMA связаны с необходимостью обеспечения регулировки Уровня мощности передатчика абонентской станции в процессе сеанса связи, а также использованием алгоритмов пространственного разнесения при приеме сигналов подвижной станции несколькими базовыми станциями в процессе мягкого переключения (Soft Handoff) с последующей "склейкой" лучших кадров.
     Реализация указанных функций в подвижной сети CDMA требует значительных затрат ресурсов связи, организации специальных каналов управления, создает дополнительные системные помехи, что, в совокупности, снижает количество обслуживаемых абонентов в соте.
     В варианте сети беспроводной связи для фиксированных абонентов не требуется непрерывного управления регулировкой уровня мощности абонентских станций, уровень излучения может быть зафиксирован один раз при установке абонентской станции. Исключаются процедуры мягкого переключения и пространственного разнесения. Для снижения системных помех используются направленные антенны для абонентских станций (по направлению на базовую станцию). Все это позволяет обеспечить еще большую емкость сети WILL CDMA по сравнению с сетью подвижной сотовой связи.
     В целом технология CDMA при использовании ее в сети WiLL обеспечивает, по оценкам Motorola, 18-20 кратное увеличение емкости по сравнению с сетью аналогового стандарта AMPS. CDMA стандарта IS-95 может поддерживать одновременно 60 активных каналов на трехсекторную соту.
     Фиксированное размещение абонентских станций, применение направленных антенн в направлении от абонентской станции на базовую станцию позволяет реализовать 60-градусные соты, то есть обеспечить одновременную работу 180 активных абонентов. При нагрузке от одного абонента до 0,025 Эрланга количество абонентов, обслуживаемых одной 60-градусной сотой составит около 7000. Данные результаты подтверждают высокую эффективность использования CDMA для построения систем беспроводной связи с фиксированными абонентами.

     9. CODIT - перспективная система с кодовым разделением каналов
     Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципах кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым Расширением спектра (DS-CDMA).
     Концепция системы CODIT обеспечивает:
     - сотовую топологию сети;
     - открытый радиоинтерфейс с изменяемой от 0,5 до 2,0 Мбит/с
    скоростью передачи сообщений;
     - возможность пакетной передачи данных с прямым выходом на сети ISDN;
    эффективное и гибкое использование частотного ресурса;
     - возможность работы с несинхронизированными базовыми станциями;
     - поддержку многих операторов;
     - емкость для массового рынка;
     - гибкость для дальнейшего развития сети и т.д.
     В системе CODIT предусматриваются три значения тактовой частоты для "расширяющей" псевдослучайной последовательности (ПСП): 1 МГц; 5 МГц и 20 МГц, что соответствует трем полосам частот радиоканалов 1МГц; 5 МГц и 20 МГц (узкополосный, среднеполосный и широкополосный).
     Узкополосный канал ориентирован на передачу речи и низкоскоростных данных в условиях ограниченной пропускной способности сот. Среднескоростной канал обеспечивает более широкий набор услуг с одновременной передачей как низкоскоростных, так и среднескоростных данных.
    Рассматривается возможность достижения заданного качества связи за счет варьирования скорости передачи и мощности излучения. Широкополосный канал в основном предназначен для передачи данных с высокой скоростью в сотах с малой емкостью.
     Общая схема формирования и передачи сообщений в системе CODIT показана на рис. 23. Широкий диапазон предоставляемых услуг связи по видам и скоростям передачи реализуется за счет обеспечения в системе фиксированных и свободно изменяющихся параметров. Управление параметрами передачи осуществляется подсистемой управления ресурсами (услуги, скорости передачи, необходимая полоса частот). Эти параметры являются исходными для подсистемы, конфигурирующей тракт передачи.
     Общие процессы формирования сигнала включают:
     - канальное кодирование (блочное, сверточное);
     - перемежение;
     - уплотнение;
     - формирование кадра;
     - расширение спектра;
     - контроль уровня мощности сигнала, излучаемого передатчиком;
     - прерывистую передачу речи на основе использования детектора активности речи;
     - формирование и преобразование частот.
     Управление конфигурацией тракта передачи, осуществляется сигнальными процессорами. Каждый сигнальный процессор контролирует установку параметров, определяемых подсистемой управления тракта передачи. Когда приходит вызов, подсистема управления ресурсами связи определяет конфигурацию системы в соответствии с запрашиваемыми услугами и существующий ресурсами. Каждый логический канал имеет свою схему кодирования и перемежения. Канальное кодирование и схема расширения спектра адаптивно изменяются в соответствии с поддерживаемыми изменяющимися требованиями к скорости передачи и распределения частот.
     Управление конфигурацией тракта передачи осуществляется фиксированными шагами через 10 мс. Для параметров передачи на каждом шаге (скорость передачи, схема кодирования, схема расширения спектра и т.д.) могут вводиться изменения. Каналы трафика (ТСН) и каналы управления (DCCH) уплотняются в физические каналы передачи данных (PDCH). Эти каналы добавляются в формируемые пакеты данных, излучаемые каждые 10 мс в CDMA кадре.
     Физические пакеты могут быть трех типов:
     - нормальный физический пакет;
     - компрессированный физический пакет (половина CDMA кадра);
     - физический пакет со случайным доступом.
     Структура каналов в системе CODIT основана на определенном количестве логических каналов, размещаемых на физических каналах. На рис. 24 показана общая структура каналов в системе CODIT, включая "расширение" по спектру.
     Выбор псевдослучайного кода (PN) для "расширения" сигнала по спектру в CODIT зависит от типа канала. Длинный PN код дает большую гибкость в организации каналов передачи и обеспечивает большой алфавит сигналов в системе. Короткие коды используются в каналах управления, для быстрой синхронизации и установления вызова в системе.

    Рис.23. Общая схема формирования и передачи сообщений в системе CODIT

    Physical Channels

    TCH: Traffic Channel
    DCCH: Dedicated Control Channel
    BCH: Broadcast Control Channel
    PCH: Paging Channel
    AGCH: Access Grant Channel
    RACH: Random Access Channel
    PICH: Pilot Channel
    SCH: Synchronization Channel
    PDCH: Physical Data Channel
    PCCH: Physical Control Channel
    Рис.24.Общая схема формирования и передачи сообщений в системе CODIT

     В системе CODIT предполагается использовать различные схемы перемежения. Речевой канал (TCH/S) подвергается перемежению на интервале 10 мс, тогда как каналы передачи данных подвергаются перемежению на интервале до 120 мс.
     Система DS CDMA требует эффективного управления мощностью передачи для ближних и дальних абонентских станций. В системе CODIT управление мощностью осуществляется как по линии "вверх" так и по линии "вниз". Управление мощностью "вверх" (подвижной станции) - необходимое условие работы системы, тогда как управление "вниз" используется в целях увеличения емкости сети.
     Контроль уровня мощности "вверх" подразделяется на медленный и быстрый. Медленный контроль используется для управления качеством связи, установления границ зоны обслуживания и порогов для быстрого контроля. Быстрый контроль управления использует замкнутую и открытую петли управления.
     Управление мощностью сигнала подвижной станции по замкнутой петле осуществляется по результатам измерений параметров сигналов базовой станцией. Это управление используется для ослабления влияния быстрых замираний и осуществляется с минимально возможной задержкой.
     В системе CODIT это происходит путем уплотнения результатов измерений в физический канал управления (PCCH) без кодирования и перемежения.
     Управление "вниз" обеспечивает требуемое качество связи путем регулировки мощности излучения передатчика базовой станции.
     В состав оборудования CODIT входит:
     MS - подвижная станция;

     BTS - базовая станция;

    RNC - контроллер радиосети;

     MCN - узел управления подвижной сетью.

     Протокол радиоинтерфейса предусматривает использование гибкой многоскоростной передачи и подобен протоколу стандарта DECT.
     Концепция системы CODIT использует одну и туже несущую частоту в соседних сотах (размерность кластера К=1). Концепция поддерживает смешанную архитектуру сотовой сети, когда различные группы сот работают в разных полосах радиочастот.
     Управление "эстафетной передачей" (handover) может быть реализовано несколькими способами. В пределах одной группы (уровня) сот оно может быть реализовано с макроразнесением, когда подвижная станция в процессе переключения связана одновременно с несколькими базовыми станциями (мягкий режим переключения).
     В случае "эстафетной передачи" с изменением несущей частоты (при переходе подвижной станции от одного сотового уровня к другому) непрерывность связи обеспечивается использованием двухчастотных приемопередатчиков, поддерживающих сигнализацию на двух частотах, либо переходом на режим с временным разделением, называемый "компрессированным режимом", когда информация, передаваемая MS и BTS в десятимиллисекундном кадре CDMA, сжимается в два раза за счет изменения скорости PN кода. При этом мощность передаваемых сигналов удваивается. Вторая половина этого десятимиллисекундного кадра используется для измерений и сигнализации в соседнем радиоканале.
     Концепция системы CODIT базируется на использовании несинхронизированных базовых станций .

    TopList
    Hosted by uCoz