Сети сотовой связи стандарта cdmaOne

Системы сотовой связи стандарта CDMA

В настоящее время метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах. Эти стандарты значительно отличаются друг от друга по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра.

Под сетями сотовой связи стандарта cdmaOne обычно подразумевают сети стандарта с кодовым разделением каналов -IS-95A и IS-95В.

Сеть IS-95 A предоставляет абонентам голосовые услуги и услуги передачи данных, основанные на канальной коммутации со скоростью передачи данных до 64 кбит/с. Стандарт IS-95B позволяет повысить скорость передачи данных до 115 кбит/с за счет пакетной коммутации. Основным преимуществом стандартов IS-95A и IS-95В является совместимость радиоинтерфейса со стандартом CDMA 2000 1X. Это выделяет определенные особенности в эволюции стандартов. Так мобильный терминал стандарта IS-95 может работать в сетях CDMA 2000 1X. Это возможно благодаря унификации использования частотного ресурса, так как ширина несущей для всех стандартов одинакова и составляет примерно 1,25 МГц. Сети стандарта cdma 2000 представляют собой сети стандарта IMT-2000 c радиоинтерфейсом IMT-MC, который, в свою очередь подразделяется на две фазы — cdma 2000 1Х и cdma 2000 3Х. Переход от cdma 2000 1Х к cdma 2000 3Х включает cdma 2000 1X EV-DO и cdma 2000 1X EV-DV Эволюция сетей стандарта CDMA показана на рисунках 1.9 и 1.10.

Рисунок 1.9 – Эволюция от стандарта IS-95A к стандартам третьего поколения

Рисунок 1.10 – Эволюция стандарта CDMA

Сети сотовой связи стандарта cdmaOne

Система связи cdmaOne работает в диапазонах час­тот 824-849 МГц (обратный канал) и 869-894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире - 1,25 МГц.

Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумо-подобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только рас­полагая кодом на приемной стороне. Одновременно в широкой полосе частот мож­но передавать и принимать множество сигналов, не мешающих друг другу .

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы час­тот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информа­ционным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдо­случайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широ­кой полосе частот, т.е. его спектр расширяется (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 – Спектр шумоподобного сигнала

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими спо­собами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополос­ную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последователь­ность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рисунок 1.12 – Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расшире­ния спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, пере­даче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого 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 интерференционных 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 базового информационного сиг­нала. Для стандарта IS-95 данное отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника 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. Сигнал при распространении в радиотракте подверга­ется замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц).

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от базовой станции к абоненскому терминалу) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры прием­ников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко-близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощ­ности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

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 = 9,6x128, 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 прямоугольному.

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 мобильных станций, однако реализуют разные функции (таблица 1.3) [5].

Таблица 1.3 - Параметры кодовых последовательностей в стандарте IS-95

Тип сигнала	Длина кода	Выполняемые функции
		Базовая станция	Мобильная станция
Код Уолша		Кодовое уплотнение или разде­ление 64 каналов CDMA	Помехоустойчивое кодирова­ние
Короткий код		Разделение сигналов базовых станций по величине цикличе­ского сдвига	Код с одинаковым фиксиро­ванным циклическим сдвигом - как опорный сигнал скремблера
Длинный код	242-1 (4,4х1012)	Прореженный длинный код- как опорная последователь­ность скремблера	Длинный код с разными цик­лическими сдвигами -как ад­ресная последовательность

В прямом канале 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 разных БС.

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну 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).

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от пере­датчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функ­цию Уолша нулевого порядка. Пилот-сигнал -это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет подвижной станции обес­печить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в по­ток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на мобильной станции (МС): данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале трафика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении проце­дуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно его контролирует.

При передаче сигнала от БС используется сверточное кодирование со скоростью R=l/2 и кодовым ограничением К=9. Для борьбы с замираниями в стандарте IS-95 преду­смотрено поблочное перемежение символов, позволяющее декоррелировать пакеты ошибок. Скорость передачи по каналу ТСН может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет гибко адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн. Для приема сигналов использу­ется RAKE-приемник, имеющий несколько каналов для их параллельной обработки.

В IS-95 допускается использование нескольких типов речевых кодеков: CELP (8 кбит/с), QCELP (13 кбит/с) или EVRC (8 кбит/с). Типовые значения оценки качества по шкале MOS для алгоритма CELP составляет 3,7 балла (9600 бит/с) и 3,0 балла (4800 бит/с). Вносимая алгорит­мом CELP задержка не превышает 30 мс. Качество передачи речи в вокодере QCELP (Qualcomm CELP) очень близко к качеству передачи по проводным линиям (4,02 балла).

В обратном канале (от подвижной станции к базовой) модуляция сигнала 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 информацию о подвижной станции (ПС) в виде ее закодированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных ПС одной ячейки за счет индивидуального для каждой станции сдвига последовательности.

В МС предусмотрено два типа информационного обмена: доступ (АСН) и трафик (ТСН). Пилот-сигнала в обратном канале нет, поэтому синхронное детектирование не ис­пользуется, БС осуществляют некогерентную обработку сигналов, а помехоустойчивость обеспечивается в основном за счет пространственного разнесения.

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 одно­значно 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 параллель­ных канала, каждый из которых настроен на свою функцию Уолша, и эти каналы распознают (декодируют) принятые 6-битовые символы.

В обратном канале, как и в прямом, для зашиты от ошибок используются сверточное кодирование с длиной ограничения 9, но со скоростью 1/3 (т.е. с вдвое большей избыточно­стью-это мера компенсации отсутствия синхронного детектирования) и перемежение на интервале 20 мс. В результате кодирования скорость в информационном канале увеличивает­ся до 28,8 кбит/с.

Принцип работы системы сотовой связи стандарта CDMA основывается на кодировании информационного сигнала по Уолшу, затем смешива­ется с несушей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной.

На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от БС сосед­них ячеек и от ПС других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помо­щью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе корре­лятора в виде шума. На практике в ПС используются несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний-дальний» (far-near problem), когда МС, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех системах мобильной связи, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно 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 вы­равнивания 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 запас 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 обеспечивает тре­буемое отношение сигнал/шум в 6-7 дБ. Применение нескольких параллельно работающих каналов при раздельной обработке лучей позволяет осуществить «мягкий» режим переклю­чения при переходе абонента из одной соты в другую.

Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использованием алго­ритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым AT, до необходи­мого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусматриваются 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) за­ключается в следующем. Каждая ПС непрерывно передает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой информации БС распределяет излучаемую мощ­ность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое ка­чество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает большее затухание, по­лучают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель регулировки мощ­ности в 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 1.13.

Рисунок 1.13 - Схема управления мощностью в прямом канале

При открытом цикле ПС после включения ищет сигнал БС. После синхронизации ПС по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сиг­нала, необходимая для обеспечения соединения с БС. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности принятого сигнала должна быть постоянна и равна-73 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют раз­личные уровни затухания при распространении и по-разному подвержены воздействию помех.

При замкнутом цикле возможно точно отрегулировать мощность передаваемого сиг­нала. БС постоянно оценивает вероятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает программно заданный порог, то БС дает команду соответствующей ПС уве­личить мощность излучения. Регулировка осуществляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повто­ряется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каж­дая ПС излучала сигнал минимальной мощности, достаточный для обеспечения при­емлемого качества речи. За счет того, что все ПС излучают сигналы необходимой для нор­мальной работы мощности, и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость системы возрастает. ПС должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне -до 85 дБ.

При процедуре мягкой эстафетной передачи (переходе абонента из зоны обслужива­ния одной БС в зону другой) схема регулирования мощности несколько иная. ПС принимает одновременно несколько команд управления мощностью от разных БС (обычно двух) и сравнивает их между собой. Если все команды указывают на необходимость увеличения мощности, то ПС последовательно увеличивает свою мощность с шагом 1 дБ.

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне 800 МГц. Система построена по методу прямого расширения спектра частот на основе 64 видов последователь­ностей, сформированных по закону функций Уолша. Для преобразования аналогового речево­го сигнала в цифровой используется алгоритм 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 прямом кана­ле) и 1/3 (в обратном канале), декодер Витерби с мягким решением и перемежение передавае­мых сообщений. Общая полоса частот канала связи составляет 1,25 МГц. Основные характе­ристики стандарта CDMA фирмы Qualcomm приведены в таблице 1.4

Таблица 1.4 - Основные технические характеристики стандарта CDMA

Характеристика	Значение
Диапазон частот передачи MS, МГц	824,040-848,860
Диапазон частот передачи BTS, МГц	869,040-893,970
Относительная нестабильность несущей частоты BTS	±5x10-8
Относительная нестабильность несущей частоты MS	±2,5x10-6
Вид модуляции несущей частоты	QPSK (BTS), O-QPSK (MS)
Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц: - по уровню -3 дБ; - по уровню - 40 дБ.	1,25 1,50
Тактовая частота ПСП, МГц	1,2288
Число каналов BTS на одной несущей	1 пилот-канал, 1 канал сигнализа­ции, 7 каналов персонального вы­зова, 55 каналов связи
Число каналов MS	1 канал доступа, 1 канал связи
Скорость передачи данных, бит/с: - в канале синхронизации - в канале персонального вызова и доступа; - в каналах связи.	9600, 4800 9600,4800,2400, 1200

Состав оборудования сетей стандарта CDMA во многом сходен с составом оборудова­ния сетей стандарта GSM и включает в себя MS и BS, цифровые коммутаторы, центр управ­ления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов. Конфигура­ция сотовой сети стандарта CDMA представлена на рисунке 1.14 [5].

Одно из важных требований, предъявляемых к системам второго поколения, - гиб­кость технологии и возможность ее постепенного развития, проходящего без кардинального изменения существующей инфраструктуры сетей.

Версия IS-95B основана на объединении нескольких каналов CDMA, организуемых в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Скорость может увеличиваться до 28,8 кбит/с (при объединении двух каналов по 14,4 кбит/с) или до 115,2 кбит/с (8 каналов по 14,4 кбит/с). Сети на основе IS-95B смогут обеспечивать доступ в Internet до появления сис­тем третьего поколения. Однако для того, чтобы предоставлять услуги пакетной передачи, контроллер БС необходимо дооснастить маршрутизатором. В спецификациях стандарта преду­смотрено качественное улучшение характеристик обслуживания за счет снижения потерь при переходе абонента от одной БС к другой, а также повышение точности контроля мощно­сти до 0,25 дБ, организация каналов приоритетного доступа и другие усовершенствования.

MS -подвижная станция.

BTS- базовая станция.

SU -устройство выбора кадра.

MSC -центр коммутации подвижной связи.

BSC -контроллер базовой станции.

ОМС -центр управления и обслуживания.

DB -база данных.

PSTN -телефонная сеть общего пользования.

ISDN -цифровая сеть с интеграцией служб.

PDN - сеть пакетной коммутации.

Рисунок 1.14–Конфигурация сети стандарта CDMA