Сотовые сети стандарта СDMA

метки: Технология, Сигнал, Канал, Система, Связь, Спектр, Абонент, Разный

Как известно, наиболее прогрессивная часть человечества ныне стоит на пороге вступления в эру глобального информационного общества и соответствующего коренного улучшения телекоммуникационного обслуживания населения. И достигнуто это будет путем предоставления широкого пакета новых услуг сетей сотовой подвижной связи нового, вот уже третьего по счету, поколения, называемого иначе 3G (или просто Third Generation).

К указанному набору услуг относится не только цифровая телефонная связь, но и высокоскоростной доступ в Интернет, и даже передача видеоизображения (доступная скорость передачи информации для высокоподвижных абонентов — до 384 Кбит/с, и скорости от 384 Кбит/с до 2 Мбит/с — для фиксированной связи в пределах микросот).

Сама же беспроводная связь уже в ближайшие годы готовится перехватить пальму первенства в обслуживании огромной армии абонентов у традиционной проводной телефонии, в результате чего расстановка приоритетов на мировом телекоммуникационном рынке обещает измениться самым коренным образом.

В наиболее массовых североамериканских и западноевропейских подвижных системах связи 3G c использованием радиоинтерфейсов, называемых cdma2000 и W-CDMA (работающих в радиодиапазоне 1,9 — 2,2 ГГц), будет широко использована технология мультидоступа с кодовым разделением каналов МДКР (или CDMA) . Вывод, который можно сделать из того, что мировое сообщество сделало такой выбор, — это признание на высшем техническом уровне лидерства технологии CDMA, как своеобразной «вестницы связи» будущего и как наиболее эффективной по сравнению с другими технологиями (TDMA и FDMA), используемыми в системах сотовой подвижной связи (2G и 1G) стандартов GSM, DCS, DAMPS, AMPS, NMT. Именно поэтому вот уже давно большинство серьезных зарубежных технических журналов отводит весьма достойное место материалам по разнообразным аспектам использования технологии CDMA.

1. Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы

сотовая сеть стандарт радиосвязь

В настоящее время метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах: стандарт CDMA предложен и внедряется компанией Qualcomm, стандарт B-CDMA — компанией Inter Digital, FH/CDMA — компанией Tadiran Telecommunications. Эти стандарты значительно отличаются друг от друга по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра. Построенные на их основе системы различаются как функциональными возможностями, так и областью применения. Hиже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmanOne) как наиболее широко используемого в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г.

Сотовой связи история развития сотовой связи

... с аналоговым стандартом AMPS. Одновременно с этим американская компания Qimlcomm начала активную разра­ботку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов, — CDMA ( Code Division ...

Изначально система связи cdmaOпе была предназначена для работы 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 шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают 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 T. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией (манипуляцией фазы) несущей для получения ШШС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом T, состоящую из N бит длительностью t0 каждый. В этом случае база ШШС численно равна количеству элементов (дискрет) ПСП на период Т битовой последовательности.

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 (Spread spectrum), передаче ШПС и выделении из него полезного сигнала при приеме путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

выигрышем обработки

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

0 0 0=0 1 0 1

0 1 1

1 1 0

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой строке или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к ПС) для разделения пользователей. Каждому пользователю выделяется своя (одна в течении сеанса связи) функция Уолша. В системах, использующих стандарт IS-95, все ПС 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 в 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 = 9,6х128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит/c 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 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 (табл. 1).

Таблица 1. Параметры кодовых последовательностей в стандарте IS-95

Тип сигнала	Длина кода	Выполняемые функции
		Базовая станция	Мобильная станция
Код Уолша	64	Кодовое уплотнение или разделение 64 каналов CDMA	Помехоустойчивое кодирование информации
Короткий код	32768	Разделение сигналов базовых станций (по величине циклического сдвига)	Код с одинаковым фиксированным циклическим сдвигом — как опорный сигнал скремблера (шифратора)
Длинный код	242 — 1 @ (4,4х1012)	Прореженный длинный код — как опорная последовательность скремблера (шифратора)	Длинный код с разными циклическими сдвигами — как идентификатор ПС

Длина короткой псевдослучайной последовательности 215 — 1 = 32 767 знаков;

Длина длинной псевдослучайной последовательности 242 — 1 @ 4,4

• 1012 знаков;
• Длительность дискретов (посылок) 1/1,2288 МГц = 0,814 мкс;
• Частота следования дискретов 1,2288 МГц, причем 1228,8 = 9,6 х 128, т.е.

причастоте битовой последовательности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дискретов псевдослучайной модулирующей последовательности.

Ширина спектра по уровню 3 дБ равна 1,23 МГц.

В IS — 95 допускается использование нескольких типов кодеков: CELP (9,6 кбит/с) , QCELP (13 кбит/с) или EVRC (8 кбит/с).

Вносимая кодеком задержка сигнала не превышает 30 мс. Каждому биту информации (при скорости 9,6 кбит/с) соответствует 128 дискретов Псевдослучайной последовательности.

Организация прямого канала

различения сигналов от разных базовых станций.

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема обработки сигналов в передающем тракте базовой станции

Различение сигналов от разных БС необходимо для устранения взаимного влияния их сигналов (разные ячейки) в приемном тракте ПС. Это различение обеспечивается тем, что хотя все БС в системе используют одну и ту же пару коротких ПСП, но они сдвинуты во времени на количество применяемых функций Уолша, т.е. на 64 дискрета ПСП между разными БС. При этом все физические каналы, принадлежащие своей БС, имеют одну и ту же фазу последовательности. Такое упорядочивание последовательности работы многих Бс требует жесткой временной синхронизации работы всей системы. Поэтому в CDMA вопросам синхронизации уделено особое внимание. Таймирование всей системы поддерживается с высокой точностью, вплоть до применения временных сигналов со спутниковых систем.

пилот сигнала

Скорость передачи сигнала речевого кодека в канале трафика может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн.

На рис. 2 показана структурная схема формирования передаваемого сигнала в БС

Схема формирования сигналов БС для стандарта IS-95

И в БС и в ПС для приема используются многоканальные RAKE приемники (рейк-приемники) (см. рис. 3).

По сути это оптимальный корреляционный приемник, имеющий несколько параллельных каналов, но с разными задержками в канале. В одном канале задержка непрерывно сканируется с дискретными величинами для определения наилучших величин задержек. В остальных каналах задержка поддерживается фиксированной на определенном интервале (но разная в разных каналах).

Сигнал со сканирующего канала помогает уточнять фиксированные задержки. В базовой станции по числу каналов имеется 64 приемопередатчика. В каждом приемнике БС рейк-приемнки имеют по 4 канала с фиксированными задержками и 1 сканирующий канал. В ПС 3 канала с фиксированными задержками и 1 сканирующий канал.

Структурная схема приемной части базовой станции

В приемниках БС используется 4 параллельных канала с фиксированными задержками + 1 канал сканирующий.

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между каналами одной БС. Помехи внутри системы в основном возникают от передатчиков соседних сот, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом коротких ПСП. Число передаваемых каналов и их характеристики указаны в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики канального кодирования и модуляции в IS-95.

Параметр	Базовая станция				Подвижная станция			PI	SYNC	PCH	TCH	ACH	PCH	TCH
Число одновременно передаваемых каналов	1	1	до 7 (7)	до 62 (60)	1	1	55
Входная скорость, кбит/с	Н/п	1,2	2,4	1,2	4,8	1,2	1,2
			4,8	2,4	4,8	2,4	2,4
			9,6	4,8	4,8	4,8	4,8
				9,6	4,8	9,6	9,6
Скорость кодирования	Н/п	1/2	1/2	1/2	1/3	1/3	1/2
Скорость на выходе сверточного кодера, кбит/с	Н/п	4,8	4,8	2.4	14,4	3,6	2,4
			9,6	4,8	7,2		4,8
			19,2	9,6		14,4	9,6
				19,2		28,8	19,2
Выходная скорость кодированного потока, кбит/с	Н/п	4,8	19,2	19,2	28,8	19,2
Скорость после кодового преобразования, кбит/с	Н/п	Н/п	Н/п	Н/п	307,2	307,2	Н/п
Метод модуляции в радиоканале	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK

Н/п — не применимо.

На БС формируются 4 типа каналов:

• канал пилот — сигнала (PI);
• синхроканал (SYNC);
• вызывной канал (PCH);
• канал трафика (TCH).

Заключение

Значительные капитальные затраты, которые видны невооруженным глазом при попытке оценки строительстве сетей связи 3G неизбежно отзовутся высокими тарифами на обслуживание абонентов. Между тем согласно концепции IMT-2000 технические возможности передачи высокоскоростной информации (384 Кбит/с — 2 Мбит/с) в системах 3G могут быть реализованы только в микросотах. Все это, конечно, мало соответствует экономическому состоянию и потребностям России ближайшего десятилетия. В подобных условиях актуальным является такое направление развития систем подвижной связи ближайших лет, которое отвечало бы государственным интересам России. В связи с этим, как представляется, наиболее целесообразным является эволюционный путь с акцентом на наиболее эффективные технологии 2G и использование наиболее «эффективных» диапазонов частот.

Успешное развитие сетей технологии CDMA в мире, бесспорное лидерство этой технологии, как наиболее эффективной по совокупности уникальных технических параметров и экономии природного радиочастотного ресурса, а также наличие весомых технических предпосылок и перспективы развития, предполагают определенную актуальность использования этой технологии в России как для построения подвижных систем сотовой связи 2-го поколения, так и для их эволюционного перехода к системам связи следующего поколения в диапазоне 800 МГц. Но, пожалуй, наиболее интересной для российских просторов на ближайшие годы будет все же сетевая инфраструктура («простая», как танк Т-34) с лучшими техническими характеристиками, наивысшей абонентской емкостью и минимальным набором самых необходимых услуг (прежде всего обычной телефонии), на роль которой подходят системы 2G в лице, быть может, даже и cdmaOne, как наиболее ресурсосберегающей, эффективной, менее затратной, а потому более доступной населению.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/tehnologiya-cdma/

1. Адрианов В.И. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи / В.И. Адрианов, А.В. Соколов. — СПб.: BHV — Санкт-Петербург; Арлит, 2001.

2. Громаков, Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи / Ю.А. Громаков. — М.: Эко-Трендз, 1998.

— Урядников Ф.Ю. Сверхширокополосная связь. Теория и применение / Ф.Ю. Урядников С.С. Аджемов. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005. — 368 с. — (Серия «Библиотека студента»)

— Адрианов В.И. Средства мобильной связи / В.И. Адрианов, А.В. Соколов. — СПб.: BHV — Санкт-Петербург, 1998.

— Ратынский М.В. Основы сотовой связи / М.В. Ратынский. — М.: Радио и связь, 1998.

— Федеральный закон Российской Федерации от 7.07.2003 г. «О связи».

— Билинкис В.Д. Методы оценки технического уровня и конкурентоспособности продукции: Учебное пособие — Воронеж: ВГТУ, — 2002. — 118 с.

— . Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. (2009 г)

— Красс М.С. Математика для экономических специальностей: Учебник. — 4 — е изд., испр. — М.: Дело, 2003. — 704 с.

— Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов / М.В. Гаранин, В.И. Журавлев, С.В. Кунегин. — М.: Радио и связь, 2001. — 336 с.