20. Технологии построения сотовых сетей связи стандарта is-95
Особым стандартом среди ССПС второго поколения, не имеющим аналогов в первом поколении, является стандарт IS-95 или, как его чаще именуют, CDMA – по типу используемого метода множественного доступа с кодовым разделением каналов. Данный стандарт является прообразом основных технологий, предполагаемых в качестве базовых для построения СПР третьего поколения, поэтому его иногда считают уже реализованным представителем данного третьего поколения. Метод CDMA широко используется в военных системах связи и поэтому заслуживает особого внимания.
Стандарт IS-95 лег в основу целого семейства стандартов, в частности, J-STD-008 Personal Communications Services (PCS) и др.
Ведущие телекоммуникационные фирмы стали разрабатывать и выпускать оборудование CDMA. Первая коммерческая сеть была запущена в 1995 г. в Гонконге на базе оборудования фирмы Motorola. К концу XIX века численность абонентов сетей CDMA составила несколько десятков миллионов ПА и, несмотря на жесткую конкуренцию, постоянно растет, что свидетельствует о безусловной перспективности технологии CDMA и ее способности обеспечивать все возрастающие потребности в телекоммуникационных услугах.
Разрабатываются и альтернативные (отличающиеся от IS-95) технологии CDMA, например CODIT в Европе, но коммерческого признания они не получили. Наиболее перспективным считается переход к еще более широкополосным системам связи третьего поколения – B-CDMA или W-CDMA.
Будучи неевропейской разработкой, функциональное построение сети IS-95 в меньшей степени, чем GSM, оказалось подвержено влиянию формальной идеологии ISDN. Однако фактический набор основных и дополнительных услуг, предоставляемых подвижным (и фиксированным) абонентам сетей обоих стандартов, а также набор внешних интерфейсов примерно совпадает.
Состав оборудования сетей стандарта CDMA во многом сходен с составом оборудования сетей стандарта GSM и включает в себя МС и БС, центральный коммутатор, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов. Важной отличительной особенностью сетей IS-95 является тесное взаимодействие БС, синхронизируемое с помощью спутниковой системы навигации GPS.
В сетях CDMA обеспечивается более высокое качество речи, чем в стандарте GSM, не говоря уже об аналоговых стандартах. Это определяется технологией кодирования речи.
Внутреннее взаимодействие элементов сети стандарта CDMA тесно связано с особенностями функционирования широкополосных радиоканалов, поэтому далее сконцентрируем наше внимание именно на этих особенностях.
Частотный диапазон CDMA (869-894 МГц на линии от БС к МС и 824-849 МГц на линии от МС к БС) практически совпадает с частотным диапазоном AMPS и DAMPS. Существуют даже двухмодовые мобильные телефоны, поддерживающие и стандарт AMPS (IS-54) или DAMPS (IS-136), и стандарт CDMA (IS-95). Однако в России (из-за занятости данного диапазона другими радиослужбами) для IS-95 на региональном уровне был выделен только диапазон 873-876 / 828-831 МГц.
В стандарте CDMA IS-95 передаваемую информацию кодируют и преобразуют в широкополосный шумоподобный сигнал таким образом, чтобы его можно было выделить, только располагая таким же кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые почти не мешают друг другу.
Основные особенности метода МДКР в реализации компании Qualcomm проявляются в реализации следующих функций:
– расширение спектра сигналов методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum);
– борьба с многолучевостью;
– управление мощностью сигналов.
– использование ортогональных кодов Уолша (Walsh Coding);
– реализация «мягкой» эстафетной передачи.
Особенности расширения спектра сигналов
Использованный в аббревиатуре DSSS термин «spread spectrum» переводится как "растянутый, размытый" спектр. Такой термин характеризует широкополосную систему, которая передает сигнал, занимающий 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 кГц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько МГц. Последнее осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.
Для стандарта IS-95 расширение полосы составляет 128 раз или 21 дБ (по отношению к информационной скорости 9.6 кбит/с с учетом расширения спектра сигналов на линии вниз в 64 раза за счет ПСП и в 2 раза за счет помехоустойчивого кодирования, а на линии вверх в 4 раза за счет ПСП, в 64/6 раз за счет многомерного ортогонального кодирования и в 3 раза за счет помехоустойчивого кодирования). При требуемом отношении сигнал/помеха 5-6 дБ это позволяет системе связи нормально работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 15-16 дБ, что соответствует одновременной работе в зоне доступа одной БС до 30-40 МС.
Особенности борьбы с многолучевостью
Системы, базирующиеся на технологии ТDМА, и аналоговые системы подвержены влиянию замираний (fading), вызванных многолучевым (multipath) распространением сигналов. Одним из существенных преимуществ использования широкополосных сигналов типа DSSS является то, что они имеют узкий (короткий во времени) пик автокорреляционной функции, что позволяют эффективно обрабатывать сигнал и в условиях приема нескольких, сдвинутых во времени копий одного и того же сигнала. Это преимущество реализовано в приемной системе Rake Receiver (Rake переводится как "грабли"). Несколько корреляторов (обычно до четырех) суммируют отклики принятых с разной задержкой копий сигнала, максимизируя отношение сигнал/шум.
Широкополосный сигнал СDМА также подвержен замираниям. Однако благодаря частотной избыточности ШПС (в полосе 9.6 . 128 = 1228.8 КГц), которую можно рассматривать как применение методов частотного разнесения, системы CDMA могут успешно работать при наличии как частотно-селективных замираний, так и узкополосных помех. При таком воздействии помех эффективность системы CDMA снижается пропорционально ширине затронутой помехой полосы. Отметим, что в системах ТDМА или FDMA узкополосная помеха, действуя на той же частоте, что и полезный сигнал, может полностью нарушить передачу информации.
Эти преимущества CDMA в условиях селективных замираний и помех существенно улучшают качество связи, субъективно воспринимаемое как качество речи и надежность связи.
Особенности управления мощностью сигналов
В системах, использующих стандарт IS-95, все абонентские станции работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников базовой станции 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 базовой станцией сигналов. В противном случае от одной МС, близко расположенной к БС, может поступать сигнал с уровнем, превышающим уровни сигналов других более далеких МС более, чем на 15-16 дБ, что практически выведет сеть из строя.
Таким образом, базовая станция следит за тем, чтобы сигналы, приходящие к ней от разных мобильных станций, были примерно одинаковы по интенсивности, и по каналам управления дает команды о повышении или понижении мощности передаваемого сигнала. Измеряется не только уровень сигнала, но главным образом отношение сигнал/шум и частота битовых ошибок. В системе CDMA уровень мощности регулируется как в прямом (forward-link, cell-to-mobile), так и в обратном (reverse-link, mobile-to-cell) каналах.
Собственно, аналогичная схема управления мощностью реализована во многих стандартах мобильной связи (включая GSM), однако в CDMA реализовано управление мощностью передатчиков мобильных телефонов с очень высокой точностью и скоростью. Диапазон регулировки мощности – 84 дБ, шаг регулировки – 1 дБ. Мощность удерживается на том минимальном уровне, который обеспечивает уверенный прием сигнала базовой станцией. При этом снижается общий уровень взаимных помех в системе, что повышает качество связи, увеличивает емкость сети. Кроме того, точное управление мощностью позволяет увеличить время автономной работы мобильных телефонов от аккумуляторов и улучшить их экологические параметры.
Особенности использования кодов Уолша
В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша –ортогональный код, который можно использовать для кодирования и последующего объединения ряда информационных сигналов.
Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша. Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой строке или строке, полученной с помощью операции логического отрицания любых строк. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «ноль», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен.
Коды Уолша применяется в прямом канале (от базовой станции к абонентскому терминалу) для формирования 64 каналов: (первый – для пилот-сигнала, второй – для тактовой синхронизации, следующие 7 – для управления соединениями и остальные 55 – для образования трафиковых каналов), а в обратном – для многомерного кодирования каждой очередной порции 6 бит с помощью одной из 26=64 вариантов 64 битных кодов Уолша.
На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от базовых станций соседних ячеек и от подвижных станций 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 МС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными базовыми станциями.
Формируемый в прямом направлении канал пилот-сигнала всегда кодируется нулевой (первой по счету) функцией Уолша. Он не переносит какой-либо информации и используется как опорный при демодуляции в мобильной станции.
Скорость передачи данных по каналу вызова – 4800 или 9600 бит/с. Каждая базовая станция должна иметь хотя бы один канал вызова на сектор на каждой из используемых частотных полос.
Каналы трафика конкретным мобильным станциям назначаются динамически, номер назначенного канала передается по каналу вызова, а мобильная станция должна так настроить свои корреляторы, чтобы принимать сигнал данного канала. Данные в каналах трафика передаются кадрами по 20 мс. Максимальная скорость передачи данных составляет 9600 бит/с для CDMA типа Rate Set 1 и 14400 бит/с для CDMA типа Rate Set 2. В канале трафика формируется подканал управления мощностью за счет периодического включения в информационный поток управляющих символов. Скорость передачи в подканале управления мощностью составляет 800 бит/с.
Рассмотренные режимы работы могут быть реализованы только при строгой синхронизации всех базовых станций сети.
Особенности реализации «мягкой» эстафетной передачи.
Как уже отмечалось выше при рассмотрении особенностей борьбы с многолучевостью, приемники стандарта CDMA предполагают использование нескольких корреляторов одновременно. Обычно такие приемники имеют 4 канала приема. В трех каналах одновременно обрабатываются три наиболее сильных сигнала (в четвертом канале постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем). Эти сигналы складываются, и таким образом в системе с кодовым разделением каналов реализуется метод временного разнесения.
При построении фиксированных сетей многолучевые отражения позволяют снизить требования к уровню сигнала, приходящего к абонентской станции. При связи в движении абонентская станция может одновременно принимать и обрабатывать сигналы нескольких базовых станций. Это позволяет осуществлять мягкую эстафетную передачу абонента между базовыми станциями.
В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса — один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. В системах, использующих методы доступа с временным или частотным разделением каналов, абонентская емкость ячейки жестко ограничена и определяется числом доступных каналов связи или временных интервалов. В противоположность этому системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость.
Рис.4.15. Взаимосвязь числа абонентов, площади и качества связи
В качестве вывода необходимо отметить, что сети стандарта CDMA потенциально имеют большую абонентскую емкость (пропускную способность). Кроме того, они позволяет отказаться от частотного планирования, хотя при этом предполагается проведение тщательного баланса мощностей излучений станций. Объективное сравнение абонентской емкости систем, использующих различные методы доступа (CDMA, FDMA, TDMA), трудно реализуемо, поскольку для них почти невозможно сделать одинаковые предположения. Большинство сравнений проводится между системами на разных этапах реализации, но не между системами с различными методами доступа. Можно ожидать, что при сравнении двух оптимизированных систем, использующих различные методы доступа, их абонентские емкости окажутся приблизительно одинаковыми. Однако потенциальные возможности стандарта CDMA все же намного превышают возможности других методов доступа и разделения сигналов, поэтому именно подобные стандарты составляют основу технологий построения ССПС следующих поколений 3G…5G.