8.РАДИОИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ CDMAONE (IS-95)

8.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ

Сопорой на преимущества, предоставляемые технологией CDMA, компанией Qualcomm (США) была разработана ССМС общего пользования с кодовым разделением каналов. При этом основными стимулами явились увеличение абонентской емкости по сравнению с действующими ССМС, основанными на традиционном частотно-временном доступе, улучшение качества обслуживания и повышение информационной безопасности. Технические требования к системе сформулированы в ряде стандартов Ассоциации Промышленности связи (Telecommunication Industry Association –

TIA), определяющих характер и порядок взаимодействия различных функциональных узлов ССМС и условия совместимости аппаратуры различных фирм-производителей. К числу основных стандартов рассматриваемой ССМС относятся:

IS-95 – эфирный интерфейс (радиоинтерфейс); IS-96 – интерфейс речевых служб;

IS-97 – интерфейс мобильной станции; IS-98 – интерфейс базовой станции;

IS-99 – интерфейс службы передачи данных.

Учитывая особую значимость радиоинтерфейса, рассматриваемую систему называют ССМС стандарта IS-95, либо, принимая во внимание технологию организации множественного доступа, системой cdmaOne.

Система IS-95 рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, причем для прямого канала (линия "вниз") выделен участок спектра

869,04...893,97 МГц, а для обратного (линия "вверх") – 824,04...848,96 МГц.

Ширина полосы канала связи составляет 1,25 МГц, поэтому при развертывании ССМС IS-95 операторы могут осуществлять частотное планирование, исходя из указанных полос. Однако согласно решению Федеральной Комиссии связи США, одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот, равный 12,5 МГц как в прямом (от БС к МС), так и в обратном (от МС к БС) направлениях, что соответствует 10 физическим частотным радиоканалам с полосой в 1,25 МГц.

Технология организации множественного доступа с кодовым разделением каналов основана на применении сложных (spread spectrum) сигналов, полоса которых значительно превышает ширину спектра информационного сообщения. В системе IS-95 реализовано прямое расширение спектра (DSSS) с использованием функций Уолша длины 64 и двух типов псевдослучайных последовательностей (ПСП): короткой и длинной. Линия "вниз" организована на основе синхронного варианта CDMA, использующего для разделения физических абонентских каналов ансамбль сигнатур в виде функций Уолша. Асинхронный режим CDMA в обратном канале осуществлен приписыванием различным абонентам одной соты специфических сдвигов длинной ПСП.

111

Выравнивание мощностей сигналов МС на входе приемника БС является непременным условием работоспособности линии "вверх" системы CDMA. В стандарте IS-95 применена быстродействующая петля автоматической регулировки мощности сигналов МС. Регулировка осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом ±0,5 дБ и с периодичностью от нескольких микросекунд до 1,25 мс. Резерв фактора речевой активности также утилизирован в системе посредством использования речепреобразующего устройства (вокодера) с переменной частотой преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой. В зависимости от активности абонента вокодер формирует потоки данных со скоростями 8,6; 4; 2 и 0,8 кбит/с.

Требуемое качество передачи данных в системе достигается с помощью довольно мощного канального кодирования, выполняемого в несколько этапов (рис. 8.1). На первом, предварительном этапе цифровой речевой сигнал с выхода вокодера, структурированный в кадры длительностью в 20 мс, кодируется блоковым циклическим кодом (CRC), для формирования индикатора качества кадра и дополняется "хвостом", необходимым для последующего сверточного кодирования. Введение подобной избыточности увеличивает фактические скорости данных, заменяя первоначальный их набор на 9,6; 4,8; 2,4 и 1,2 кбит/с. Следующим этапом является сверточное кодирование. В прямом канале используется код с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/2, тогда как код в обратном канале, обладающем меньшей помехоустойчивостью (мощность передатчика МС весьма мала), имеет вдвое большую избыточность, т.е. скорость 1/3 при той же длине кодового ограничения. Наконец, на третьем этапе выполняется перемежение информационного потока в кадре для нейтрализации эффекта пакетирования ошибок.

Помимо перемежения, для борьбы с быстрыми замираниями в системе использовано и многолучевое разнесение, т.е. приемники на основе алгоритма RAKE. Для этого на БС используется минимум четыре, а на МС – три параллельно работающих коррелятора. Помимо этих корреляторов, настраиваемых на определенную задержку, в каждом приемнике имеется еще и сканирующий по задержке канал, позволяющий осуществлять настройку RAKE-каналов на сигналы с наибольшей интенсивностью.

Наличие нескольких параллельных каналов корреляционной обработки позволяет осуществить мягкую эстафетную передачу (soft handoff или soft handover) при переходе МС из одной соты в другую. В процессе мягкой эстафетной передачи МС может поддерживать соединение с двумя и более БС, выбирая сигнал с большей интенсивностью. Указанная процедура позволяет поддерживать высокое качество связи при переключении МС с одной БС на другую и делает эстафетную передачу практически незаметной для пользователя.

Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых данных за счет их скремблирования выборками из вышеупомянутой длинной псевдослучайной последовательности. Ключ

112

(маска) скремблирования индивидуален для каждой МС и формируется по секретному правилу на базе ее идентификационного номера.

Основные характеристики стандарта IS-95 и технические параметры приемо-передающего оборудования представлены в табл. 8.1.

Для систем с CDMA и, в частности, для ССМС IS-95 характерна определенная асимметрия линий "вниз" и "вверх": в первой из них (от БС) все абонентские сигналы передаются из одной пространственной точки и потому могут быть легко синхронизированы (синхронный вариант CDMA). В направлении же от БС к МС приходится применять асинхронное кодовое разделение. Отметим, что временные шкалы отдельных БС сети IS-95 также синхронизированы. Для этого каждая БС оборудована приемником радионавигационной системы GPS NAVSTAR. Благодаря единому системному времени кодовое разделение сигналов различных БС, занимающих один и тот же частотный канал, осуществлено за счет применения различных сдвигов одной и той же короткой ПСП.

Таблица 8.1. Основные характеристики стандарта IS-95

Параметр стандарта	Значение
Диапазон частот передачи, МГц:	824,040...848,860
МС
БС	869,040...893,970
Относит, нестабильность несущей частоты:	± 2,5 10−6
МС	±5 10−8
БС
Вид модуляции несущей частоты:	OQPSK
МС
БС	QPSK
Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц:
по уровню –3дБ	1,23
по уровню –40дБ	1,5
Тактовая частота ПСП, МГц	1,2288
Количество каналов на одной несущей:
МС: канал доступа	1
канал обратного трафика	1
БС: пилотный канал	1
канал синхронизации	1
канал персонального вызова	1...7
канал прямого трафика	61...55
Скорость передачи данных в канале, бит/с:	1200
канал синхронизации	4800,9600
канал персонального вызова и доступа	1200, 2400, 4800,
канал трафика	9600

113

Кодирование информации в каналах:	Сверточный	код	с
МС: канал доступа и обратного трафика	длиной	кодового
	ограничения	9	и
	скоростью 1/3
БС: канал синхронизации, персонального вызова и	Сверточный	код	с
прямого трафика	длиной	кодового
	ограничения	9	и
	скоростью 1/2
Требуемое отношение сигнал/шум, дБ	6...7
Макс. эффектив. излучаемая мощность, Вт:
МС (3-го , 2-го и 1 -го класса)	1,0; 2,5; 6,3
БС	До 50
Точность управления мощностью передатчика, дБ	±0,5
Чувствительность приемника, дБм:	–105
МС
БС	–117

8.2. АРХИТЕКТУРА ЛИНИИ "ВНИЗ"

Логические каналы линии "вниз" включают:

•пилотный канал (pilot channel);

•канал синхронизации (synchronization channel);

•канал персонального вызова (paging channel);

•канал прямого трафика (forward traffic channel).

Отображение логических каналов на физические в прямом направлении осуществляется с помощью системы ортогональных функций Уолша длины 64: Wi , i = 0,1,..., 63, где i – номер функции Уолша. Стандартом IS-95

предусматривается организация одного пилотного канала, одного канала синхронизации, от одного до семи каналов вызова (в зависимости от абонентской нагрузки на БС) и от 55 до 62 каналов прямого трафика, поскольку часть каналов вызова допускается использовать в качестве каналов трафика. Соответствие между логическими и физическими каналами показано на рис. 8.1.

8.2.1. ПИЛОТНЫЙ КАНАЛ

Пилотный канал предназначается для начальной синхронизации МС с сетью и оценки параметров прямого канала приемником МС. Мощность, отведенная пилотному каналу, обычно на 4...6 дБ превышает мощность в канале трафика. Тем самым обеспечиваются, с одной стороны, условия для надежного ввода и последующей устойчивой работы петель автоподстройки фазы и задержки когерентного приемника МС, а с другой – точность измерений параметров сигнала БС, достаточная для процедур RAKE, эстафетной передачи и управления мощностью БС.

114

Согласно рис. 8.1 пилотному каналу присвоена нулевая функция Уолша W0 , т.е. последовательность из одних нулей.

				Прямой канал связи
Пилот.	Синхро-	Канал	. . .	Канал	Канал	. . .	Канал	Канал	. . .	Канал
					прям.		прям.	прям.		прям.
канал	канал	вызова		вызова	траф.		траф.	траф.		траф.
W0	W32	W1	. . .	W7	W8	. . .	W31	W33	. . .	W63

Рис. 8.1. Структура прямого канала ССМС стандарта IS-95

Информационные данные по этому каналу не передаются, т.е. могут также трактоваться как последовательность из одних нулей. После сложения по модулю 2 этих двух последовательностей результирующий поток (также состоящий из одних нулей) поступает на преобразователь, превращающий булевы значения символов (0,1) в двуполярные отсчеты (+1, –1) соответственно. После объединения с сигналами других физических каналов (см. ниже) суммарный сигнал поступает на КФМ-модулятор, в котором подвергается прямому расширению спектра, перемножаясь с двумя псевдослучайными скремблирующими последовательностями ПСП-I и ПСП- Q (символы I и О отвечают синфазной и квадратурной составляющим). Период каждой из названных ПСП содержит 215 чипов, частота следования которых согласно стандарту составляет 1,2288 Мчип/с. Прямой подсчет показывает, что на одном двухсекундном отрезке умещается в точности 75 периодов коротких ПСП. Структурно короткие ПСП представляют собой М-

последовательности длины N = 215 −1 с характеристическими полиномами

fI = X15 + X13 + X 9 + X 8 + X 7 + X 5 + X1

и

fQ = X15 + X12 + X11 + X10 + X 6 + X 5 + X 4 + X 3 + X 2 +1,

расширенные добавлением нулевого символа к цепочке из 14 последовательных нулей на каждом периоде.

Как можно видеть, фактически в пилотном канале передается только пара ПСП-I и ПСП-Q или, что эквивалентно, комплексная ПСП. Данная комплексная короткая ПСП одинакова для всех 64 CDMA-каналов и используется всеми БС системы, но с разными циклическими сдвигами.

115