Общие физические каналы отличаются от выделенных тем, что их ресурс предоставлен в распоряжение сразу всем МС. Существует два типа общих каналов линии "вверх": канал случайного доступа RACH (random access channel) и канал пакетной передачи СРСН (common packet channel), причем эта классификация идентична и для физических, и для транспортных каналов с соответствующим проектированием вторых на первые. Канал RACH служит для инициирования контакта с сетью со стороны МС (например, вызова) и для передачи коротких пакетных сообщений, тогда как основная пакетная связь между МС и сетью осуществляется через канал СРСН.

Физический канал случайного доступа PRACH (physical RACH) содержит преамбулу протяженностью в 4096 чипов. Преамбула представляет собой 256 раз повторенный идентификатор (signature) из 16 чипов. МС может начать передачу по каналу PRACH в начале любого из 15 специальных слотов доступа, имеющих протяженность 5120 чипов каждый и совместно занимающих два кадра. Диаграмма этих слотов задается в формате передачи БС, для чего предусмотрен специальный широковещательный транспортный канал ВСН (broadcasting channel) линии "вниз". Таким образом, работа канала PRACH соответствует известному протоколу ALOHA со "слотированием" (slotted ALOHA)]. После приема преамбулы БС сигнализирует МС о наличии контакта и МС передает сообщение, занимающее отрезок в 10 или 20 мс (один или два кадра). Поскольку связь по каналу PRACH с каждой МС весьма кратковременна, управление мощностью по замкнутой петле в нем стандартом не предусмотрено.

Структура физического канала пакетной передачи РСРСН (physical СРСН) во многом аналогична, однако часть, отводимая на передачу сообщения, может занимать несколько кадров, а преамбульная часть дополнена специальной вставкой (4096 чипов), служащей для обнаружения коллизий

(CD-P - collision detection preamble), т.е. попыток одновременного использования канала несколькими МС. Кроме того, в РСРСН, как и в выделенных пользовательских каналах, присутствуют сигналы управления мощностью по замкнутой петле, а также отдельная часть преамбулы РС-Р (power control preamble), занимающая от 0 до 8 слотов. Последняя является необязательной и может быть активизирована БС для ускорения сходимости процедуры регулировки мощности.

Как и в выделенных каналах, в PRACH и РСРСН можно различать два типа потоков данных: собственно информационный и команды управления. Для их мультиплексирования друг с другом используется тот же вариант квадратурного уплотнения с предварительным взвешиванием, что и для объединения DPDCH с DPCCH. Для мультиплексирования общих каналов с выделенными используются канализирующие коды, рассматриваемые в следующем подразделе.

9.2.5. КАНАЛИЗИРУЮЩИЕ КОДЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ"

Поскольку каждая МС может использовать для передачи несколько выделенных каналов данных DPDCH, необходимы меры, гарантирующие их

137

разделимость в приемнике БС. Так как все сигналы, передаваемые одной МС, привязаны к единой временной шкале, задаваемой стандартом частоты МС, иначе говоря, строго синхронизированы, разделение каналов можно реализовать как синхронное кодовое уплотнение на основе ортогональных канализирующих кодов. В этом отношении линия "вверх" UTRAN несколько напоминает линию вниз стандарта IS-95, однако к подобной ассоциации следует подходить с осторожностью, так как разделение сигналов абонентов в рассматриваемой линии по-прежнему остается асинхронным кодовым.

Формат канализирующих кодов в документах 3GPP описан с помощью двоичного кодового дерева, т.е. итерационного алгоритма. На каждой итерации любое кодовое слово, полученное на предыдущем шаге, преобразуется в два новых удвоенной длины путем двукратного повторения в одном слове и повторения с изменением знака - в другом. Так, если Сk- некое слово, полученное на к-м шаге, его "потомками" на k+1-м будут слова вида (Ck, Сk), (Сk,-Сk). Таким образом, стартуя с тривиального слова длины 1, равного единице, за к итераций можно получить 2k кодовых векторов длины N = 2к, ортогональность которых очевидна (см. рис. 12.2 для к = 3).

В спецификации описанная кодовая конструкция фигурирует под особым названием "ортогональные коды с переменным расширением спектра"

(orthogonal variable spreading factor - OVSF), хотя неясно, с какой целью введено столь громоздкое наименование, если учесть, что соответствующий алгоритм есть не что иное, как популярное правило Сильвестра построения матриц Адамара с элементарным переупорядочиванием строк. Разумеется, получаемые при этом кодовые слова есть попросту функции Уолша.

Рис. 9.2. Деревоканализирующихкодов

Для организации выделенного канала управления DPCCH всегда используется кодовое слово длины N = 256, состоящее из одних единиц. Для каналов же данных DPDCH могут использоваться различные длины кодовых слов в соответствии с реализованным в UTRAN принципом управляемой скорости передачи. Так как длительность одного чипа зафиксирована, изменение скорости передачи, т.е. длительности одного бита, автоматически пропорционально меняет соотношение между длительностью бита и чипа (коэфициент расширения спектра SF - spreading factor). Если потребитель использует только один канал данных DPDCH, он может варьировать SF в

138

пределах от 256 (самая низкая скорость передачи) до 4 (самая высокая в рамках единственного DPDCH). При этом всегда используется кодовый вектор с номером I= S F / 4 , если отсчет на дереве вести сверху вниз. Понятно, что минимальное расширение спектра N = SF = 4 отвечает скорости передачи Rt =(3,84/4)*106 =0,96 Мбит/с. (Скорость передачи полезной информации примерно вдвое ниже вследствие применения мощных корректирующих кодов.) В тех случаях, когда подобная скорость оказывается недостаточной, МС может использовать до 6 параллельных DPDCH обязательно с одним и тем же (минимальным) расширением: N = SF = 4, причем правило выбора канализирующих кодовых слов для каждого числа каналов от 1 до 6 жестко регламентировано спецификацией.

Для мультиплексирования общих каналов PRACH и РСРСН с выделенными DPDCH и DPCCH используются кодовые слова, алгоритм выбора которых на кодовом дереве также оговорен спецификацией.

Достаточно дискуссионной является работоспособность линии "вверх" при столь малом коэффициенте расширения спектра, как SF = 4. Дело в том, что при применении на БС стандартного корреляционного приемника мощность асинхронной помехи от других потребителей (помехи множественного доступа) ослабляется за счет сжатия спектра именно в SF раз. Ясно, что для эффективного подавления упомянутой помехи требуются гораздо большие значения SF, чем 4. В материалах 3GPP не удается обнаружить каких-либо внятных разъяснений по этому поводу. Одна из гипотез, объясняющих введение стандартом малых значений SF (4, 8, ...), может состоять в том, что они предусматриваются для специфических условий, практически исключающих появление взаимной помехи (например, в микросоте сети внутри помещения). Другое предположение: их применение возможно тогда, когда БС располагает так называемым многопользовательским (multiuser) приемником, потенциально обеспечивающим выигрыш в степени нейтрализации помехи множественного доступа по сравнению с традиционным корреляционным. До недавних пор подобные приемники считались чересчур сложными в реализационном плане, однако ныне, по-видимому, уже вполне уместно говорить об их практических перспективах.

9.3. ЭВОЛЮЦИЯ СТАНДАРТА IS-95 В CDMA2000

Входящий в семейство IMT-2000 стандарт cdma2000 воплотил в себе идею максимально гладкой эволюции системы cdmaOne в систему третьего поколения. Надо сказать, что базисные решения стандарта IS-95 оказались весьма жизнеспособными и гибкими в плане дальнейшего развития и совершенствования, что, кстати, ощущается и в идеологии системы UMTS.

Для увеличения скорости передачи системы с кодовым разделением без потерь или с выигрышем в абонентской емкости необходимо дальнейшее расширение спектра. Предусмотренная концепцией 3G полоса в 5 МГц, согласно спецификациям 3GPP2, может использоваться в одном из двух параллельных вариантов: традиционного прямого расширения спектра (DSSS)

139

и многочастотном {multi-carrier - МС). При прямом расширении частота чипов, принятая в IS-95, утраивается и составляет 3x1,2288=3,6864 Мчип/с. В многочастотном варианте используется передача на трех несущих сдвинутых на 1,25 МГц. Сигнал, передаваемый на каждой из несущих, подобен сигналу IS95, т.е. образуется прямым расширением последовательностью чипов со скоростью 1,2288 Мчип/с и имеет полосу 1,25 МГц. При этом входной поток данных расщепляется на три параллельных потока втрое меньшей скорости, каждый из которых передается по своему каналу. Понятно, что многочастотная версия особенно удобна с точки зрения преемственности в отношении системы IS-95, имея в основе, по существу, дублирование каналов последней.

Примерные спектры сигнала для двух вариантов построения радиоинтерфейса показаны на рис. 9.3, а, б. Расширению спектра, разумеется, сопутствуют и другие преимущества. При прямом расширении автоматически улучшается разрешение многолучевых сигналов и тем самым повышается эффективность алгоритма RAKE. Кроме того, благодаря увеличению емкости на допредельных скоростях передачи появляются дополнительные возможности реализации антенного разнесения в линии "вниз" (transmit diversity).

Рис. 9.3. Спектры сигналов cdma2000

При прямом расширении одни и те же данные могут быть канализированы различными ортогональными кодами и параллельно переданы через разные антенны, так что МС окажется в состоянии раздельно принять соответствующие сигналы и осуществить их комбинирование с целью нейтрализации эффектов замираний. При многочастотном режиме тот же результат может быть достигнут за счет передачи сигналов разных несущих разными антеннами.

Перечислим конспективно некоторые важные усовершенствования в организации физического уровня, отличающие cdma2000 от cdmaOne.

1. Для работы на прежних скоростях передачи (9,6/14,4 кбит/с или меньше) закреплен выделенный основной {fundamental) канал передачи. При необходимости работы с более высокими скоростями в действие воводятся дополнительные {supplementary) каналы (до двух), организованные на базе ортогональных канализирующих кодов. Длина канализирующих

140

кодовосновных каналов постоянна, тогда как в дополнительных она подстраивается под требуемые скорости.

2.Некогерентный вариант линии от МС к БС заменен на когерентный, для чего организован обратный пилотный канал, позволяющий БС отслеживать частоту и фазу несущей каждой изобслуживаемых МС.

3.В системе-прототипе в прямом канале для передачи данных использовалась бинарная ФМ (хотя расширяющая последовательность была четырехфазной). В cdma2000 формат информационной манипуляции изменен на КФМ. При этом длина посылки, а значит, и коэффициент расширения удваиваются, так что даже при использовании прежней полосы в 1,25 МГц он оказывается равным 128. Как видно, объем ансамбля канализирующих ортогональных кодов Уолша становится вдвое больше, что означает удвоение сотовой емкости.

4.В добавление к общему пилотному каналу линии "вниз" предусматриваются вспомогательные выделенные (по одному на МС), предназначенные для настройки антенной решетки с адаптивным формированием луча (smart antenna), осуществляющей пространственную селекцию индивидуальных МС или групп МС. Условия распространения в лучах такой антенны, направленных на разные МС, различны, поэтому точная их настройка по общему пилотному сигналу невозможна. Напомним в порядке сравнения, что в формате выделенных каналов системы UMTS присутствуют сигналы управления, выполняющие в числе прочих также и названную функцию.

5.Расширен диапазон применяемых методов канального помехоустойчивого кодирования. Так, помимо сверточных, для высокоскоростной передачи рекомендованы турбо-коды. Уместно вновь провести параллель со стандартом UMTS, в котором содержатся аналогичные предписания.

6.Наряду с фиксированными соединениями cdma2000, как и UMTS, поддерживает пакетный сервис, для чего могут использоваться физические каналы и трафика, и управления (выделенные либо общие).

Подводя черту под кратким обзором систем третьего поколения, подчеркнем, что их развитие дает пример чрезвычайно оперативного освоения новейших телекоммуникационных технологий и беспрецедентных масштабов проникновения последних в коммерческий сектор электронной связи.

141

10.СИСТЕМЫ РАДИОПРЕДЕЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ

10.1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОПРЕДЕЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ

Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую РНС, в которой роль опорных радионавигационных точек (РНТ) выполняют ИСЗ, несущие навигационную аппаратуру. Навигационные ИСЗ (НИСЗ) являются аналогом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС. Перенос РНТ из наземных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привело к существенным изменениям в построении этих РНС. Если наземные РНС содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру РНТ и потребителей (П), то СРНС включают в себя ряд дополнительных звеньев. Упрощенная структурная схема СРНС включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру П, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления (ЦУ).

Рис. 10.1. Упрощённая структурная схема СРНС

Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развертывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракетоносителей и НИСЗ, их испытания, заправку НИСЗ и их состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с НИСЗ на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск. Командно-измерительные средства космодрома по телеметрическому и траекторному каналам контролируют работу бортовых систем и траекторию полета на участке вывода на орбиту.

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников

142

навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объём служебной информации. На НИСЗ, как на КА размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.

Аппаратура потребителей предназначается для приема сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре П предусматривается специализированная ЭВМ.

Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими как космическими аппаратами. Для этого с помощью наземных средств КИК выполняется телеметрический контроль за состоянием спутниковых систем и управление их работой, осуществляется определение параметров движения НИСЗ и управление их движением, проводится сверка и согласование бортовой и наземной шкал времени, а также ведётся снабжение П так называемой эфемеридной информацией т. е. сведениями о текущих координатах сети НИСЗ, информацией о состоянии их бортовых шкал времени, а также рядом поправок.

Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и КИК.

Основной особенностью функционирования СРНС является высокая скорость относительного перемещения НИСЗ и П. С ней связаны возможность применения радиально-скоростного метода навигационных определений и высокий уровень быстродействия всех звеньев системы. Эта же особенность позволяет в течение ограниченных интервалов времени получать значительные объемы измерительной информации, а стало быть, пользоваться статистическими методами обработки измерений. Быстрое изменение навигационных параметров (HП) открывает возможность для навигационных определений при числе НИСЗ, меньшем числа определяемых координат. Все это предопределяет введение в состав аппаратуры П цифровыхЭВМ.

Важной особенностью является допустимость работы в диапазоне УКВ, с чем связаны возможности использования широкополосных сигналов и их пространственной селекции. Орбитальное движение передатчиков сигналов позволяет каждым из них обслуживать обширные территории, примыкающие к следу орбиты, ширина которых возрастает с увеличением высоты орбиты. Ввиду суточного вращения Земли эти зоны от витка к витку смещаются по земной поверхности, увеличивая тем самым рабочую область радионавигационной системы.

143