|
Принципы построения сетей CDMA
Статья посвящена основам построения системы радиодоступа в стандарте CDMA. Подробно рассмотрены порядок взаимодействия базовой станции с абонентским терминалом и порядок передачи сообщений в системе связи, проанализированы преимущества стандарта.
Новым шагом в развитии систем сотовой связи в Украине стало внедрение технологии CDMA – технологии радио-телефонного доступа к телефонной сети общего пользования (ТфОП) с кодовым разделением каналов.
О стремительном завоевывании CDMA мирового рынка телекоммуникаций говорят следующие цифры. Несмотря на относительную новизну (первая сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования в этом стандарте была открыта для коммерческой эксплуатации в сентябре 1995 г. в Гонконге), уже в 1996 г. в Южной Корее работала коммерческая сеть с 2 млн. пользователей. В этом же году в США 60% новой номерной емкости было введено с помощью стандарта CDMA, который прочно удерживает первое место как по количеству охватываемого населения, так и по числу операторов, использующих данную технологию. Сети этого стандарта развернуты в соседних с Украиной государствах – России, Молдове и Польше. По прогнозам мирового рынка мобильной связи, сделанным британской аналитической группой Nortel, к 2002 г. общее количество пользователей сотовых сетей CDMA возрастет до 126 млн. В наступившем году первые сети CDMA будут введены в коммерческую эксплуатацию в Украине. Рассмотрим особенности построения и функционирования данной системы.
Общие сведения
Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов псевдослучайных последовательностей (ПСП), сформированных по закону функций Уолша. Речевые сообщения передаются с помощью речепреобразующего устройства с алгоритмом CELР. Использование системы прерывистой передачи речи на основе детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP в сочетании с переменной скоростью преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой способствует снижению взаимных помех в сети и увеличению ее емкости. Это происходит из-за того, что абонентский терминал (АТ) излучает сигнал только на интервалах активности речи, которые составляют около 35% длительности разговора. На линии от базовой станции к абонентскому терминалу («вниз») адресным признаком кодового канала служит одна из 64 ортогональных функций Уолша, а на линии «вверх» – квазиортогональные длинные ПСП. Связь в системе CDMA организуется по сотовому принципу с использованием всех типичных элементов сотовой сети подвижной радиосвязи (схема). Технические данные оборудования сетей CDMA приведены в табл. 1. При отношении энергии информационного символа к спектральной плотности шума 7...8 дБ и допустимой частоте ошибок 1% можно организовать 60 активных каналов на трехсекторную соту. Для синхронизации работы сети используются сигналы, принимаемые с радионавигационных спутников GPS при помощи специального приемника, входящего в состав базовой станции (БС).
Диапазон рабочих частот от АТ к БС лежит в пределах 824–849 МГц, а в обратном направлении – в пределах 869–894 МГц. Таким образом, дуплексный разнос равен 45 МГц. Общая полоса частот каждого радиоканала – 1,23 МГц. По краям рабочего диапазона частот, выделенного оператору сети CDMA, рекомендуется предусмотреть наличие защитных полос. Если по соседству работает система AMPS, ширина защитной полосы должна составлять 270 кГц, если какая-либо другая система связи – защитную полосу следует увеличить до половины основной полосы, т. е. до 615 кГц. Стандарт CDMA дает возможность использовать одну и ту же несущую частоту по всей сети во всех сотах. Коэффициент повторного использования частоты для CDMA равен 1.
Взаимодействие базовой станции и терминала
Базовая станция, управляемая контроллером и соединенная с ТфОП при помощи интерфейса, в качестве которого обычно используется так называемый центр коммутации подвижной связи, может одновременно использовать 64 канала передачи, из которых один канал – пилотный, один – для синхронизации, семь каналов – для персонального вызова, остальные 55 – для передачи речевых сообщений. В направлении «вниз» каналы называют прямыми. Пилотный канал используется для начальной синхронизации АТ с сетью и для контроля за сигналами БС по времени, частоте и фазе. Канал синхронизации обеспечивает идентификацию БС, контроль уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу ПСП БС. Канал вызова используется для вызова АТ и для назначения после установления соединения канала связи. Канал прямого трафика служит для передачи речевых сообщений и данных. В нем организован также непрерывный субканал управления мощностью путем замещения нескольких бит речевых данных со скоростью 800 бит/с. Передача «0» означает, что абонентская станция должна увеличить уровень своей выходной мощности на 1 дБ, а передача «1» – уменьшить на 1 дБ. Максимально возможная скорость изменения мощности составляет 16 дБ (в 40 раз) в течение 20 мс. Динамический диапазон регулировки – 84 дБ.
Такая регулировка позволяет АТ работать с минимально необходимой мощностью излучения, давая возможность БС принимать сигналы абонентских терминалов с практически одинаковым уровнем мощности независимо от удаления. Это обеспечивает как минимизацию взаимных помех в сети и увеличение ее емкости, так и более высокую экологическую безопасность АТ для пользователя. Однако при планировании сети необходимо учитывать, что размер сот должен быть примерно одинаков. В противном случае возникают помехи от АТ, находящихся в соседних сотах. Радиус соты в городе может достигать 4–5 км, в сельской местности – от 7–8 до 25–30 км, в зависимости от рельефа местности и высоты расположения антенн.
В направлении от АТ к БС каналы называют обратными. В их число входят канал доступа и канал обратного трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, и для передачи команд и запросов на регистрацию в сети.
В каждом канале БС при передаче используется одна из 64 последовательностей Уолша. Изменению знака бита информации соответствует поворот на 180 градусов фазы используемой последовательности. Вследствие ортогональности последовательностей помехи между каналами передачи отсутствуют. Они возникают только от соседних БС, работающих на той же несущей и использующих ту же последовательность, но с другим циклическим сдвигом. В абонентском терминале ортогональные сигналы используются для повышения помехоустойчивости каналов. При этом каждой группе из 6 бит информационного сообщения соответствует одна из 64 последовательностей Уолша. Различные циклические сдвиги ПСП в абонентских терминалах позволяют БС при приеме разделить сигналы от АТ.
Абонентский терминал может находиться в одном из четырех состояний: инициализации, дежурном, доступа, активном. В состоянии инициализации АТ ведет поиск пилотного канала на нулевой функции Уолша. Обнаружив его, он находит на 32-й функции Уолша канал синхронизации. Из сообщения, передаваемого по каналу синхронизации, АТ получает данные о конфигурации системы и ее временной структуре. На следующем этапе АТ входит в режим дежурного состояния, обнаруживает канал персонального вызова и ведет непрерывный контроль за поступающими сообщениями. Эти сообщения от БС могут содержать все необходимые данные, чтобы инициировать вызов либо принять его от другого абонента. В случае прохождения вызова АТ переходит в состояние доступа. При успешной попытке доступа АТ входит в активное состояние.
Передача сообщений
Передача сообщений в сети осуществляется кадрами. При этом в каналах применяются: сверточное кодирование «вниз» со скоростью 1/2, «вверх» – 1/3, декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Используемые принципы приема позволяют анализировать ошибки в каждом информационном кадре и стирать кадр при превышении допустимого уровня, тем самым поддерживая высокое качество передачи речи. Кроме того, в системе CDMA используются раздельная обработка отраженных от зданий сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на БС используются четыре параллельно работающих коррелятора, а в носимом абонентском терминале – три коррелятора.
В системе CDMA предусмотрен режим мягкой эстафетной передачи (soft handoff) при переходе абонента из соты в соту. При этом АТ поддерживает связь одновременно с двумя либо тремя БС, производя непрерывный поиск всех пилот-сигналов на рабочей частоте с фиксацией их уровней. В случае обнаружения достаточно сильного пилот-сигнала, не принадлежащего к обслуживающей его ячейке (сектору), он посылает сообщение своей базовой станции. На основе сообщений, поступающих от различных БС, контроллер базовых станций принимает решение, какая БС будет вовлечена в процедуру эстафетной передачи, назначает этой БС свободную функцию Уолша из принадлежащего набора и сообщает ей код АТ. Обслуживающей БС поступает команда направить АТ сообщение о начале процедуры эстафетной передачи. Абонентский терминал, принимающий информацию одновременно от двух БС, выбирает лучший речевой кадр из двух. Аналогичным образом сетевой интерфейс, принимая одну и ту же информацию от двух БС, выбирает лучшую на основе покадрового сравнения.
Преимущества стандарта
Система беспроводного доступа, построенная по технологии CDMA, обеспечивает стандартный набор речевых и неречевых услуг, типичный для цифровых сотовых систем второго поколения. Этот набор включает передачу речи с высоким качеством, передачу данных и факсограмм, а также дополнительные услуги: перевод соединения на другого абонента, конференц-связь и голосовую почту. Однако описанные выше принципы построения системы CDMA определяют следующие ее преимущества перед другими стандартами сотовой связи, делая эту технологию более привлекательной как для операторов, так и для абонентов.Технология CDMA обеспечивает большую емкость сети по сравнению с другими известными технологиями построения сотовых сетей за счет как большего числа каналов на 1 МГц выделенной полосы частот, так и повторного использования каналов связи на данной территории. Например, допустимое соотношение сигнал/помеха в каналах GSM составляет 9 дБ, в аналоговых каналах – 17...18 дБ. Это позволяет обеспечить повторное использование частот при меньшем территориальном разносе базовых станций и тем самым увеличить емкость сетей GSM примерно вдвое по сравнению с аналоговым стандартом TAGS, а при использовании полускоростного речевого кодека – в четыре-пять раз. Стандарт CDMA дает возможность использовать одну и ту же частоту по всей сети во всех сотах. Емкость в данном случае увеличится по отношению к AMPS до десяти раз. К дополнительному повышению емкости приводит и использование детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP.
Сравнительные характеристики систем стандартов CDMA и TDMA приведены в табл. 2.
Использование во всех сотах одной и той же частоты приводит, по сути, к исключению необходимости частотного планирования при проектировании сети. Планирование сводится к тому, чтобы соты по размеру были примерно одинаковы. Кроме того, технология обработки сигнала с эффектом многолучевого распространения повышает интенсивность сигнала, позволяя увеличить размер соты.
Поскольку в технологии CDMA информация распределена по широкому спектру и кодирована, сигнал трудно обнаружить и прослушать. То есть технология более безопасна по сравнению с другими сотовыми системами с точки зрения защиты информации.
Кодирование речевых сигналов с переменной скоростью позволяет речевым битам передаваться с той скоростью, которая необходима для обеспечения высокого качества речи. Это экономит заряд батареи мобильного телефона, увеличивая продолжительность разговора. К этому же приводит понижение мощности АТ до минимально необходимой для работы в сети. Дополнительным преимуществом является большая экологическая безопасность системы (излучаемая мощность минимальна и, кроме того, распределена по широкому спектру частот).
Реализация «мягкого» перехода из соты в соту (из сектора в сектор) исключает прерывание разговора при пересечении абонентом границы соты.
Заключение
Преимущества технологии CDMA позволяют рассматривать ее как базовую технологию при создании перспективных сотовых сетей связи. Новый международный стандарт мобильных систем IMT-2000 охватит мультимедиа, высокоскоростную графику и высококачественную передачу голоса. Первый этап его внедрения начнется в ближайшие годы, основой которого станет усовершенствованный по многим критериям W-CDMA.
Словарь терминов
CDMA (Code Division Multiple Access) – система связи с кодовым разделением каналов. В ее основу положены принципы кодового разделения каналов связи, основанные на использовании широкополосных сигналов.
W-CDMA – широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.
Алгоритм CELP (Code-Excited Linear Prediction) – линейное предсказание с кодовым возбуждением. Новый тип вокодера, использующий алгебраическое кодирование данных, полученных на основе линейного предсказания.
Ортогональные функции Уолша – набор функций, которые составляют ортонормальный базис для анализа Уолша. В них используются только значения +1 и –1, а определены они на множестве двух точек при некотором числе n. При использовании этих функций при кодировании величина = 1 обычно представляется как «0», а –1 – как «1».
Квазиортогональные ПСП – псевдослучайные последовательности символов, имеющие “хорошие” корреляционные свойства и, прежде всего, малые значения взаимокорреляционной функции. Псевдослучайной последовательностью называют кажущуюся случайной последовательность символов, которая, в принципе, не может быть случайной, но вместе с тем способна демонстрировать ряд проявлений случайности в любой необходимой степени.
Сверточные коды являются частным случаем рекуррентных кодов. При этом кодовые символы вычисляются последовательно по мере поступления информационных символов по некоторым линейным рекуррентным соотношениям. Поскольку формируемые таким образом кодовые символы можно представить в виде свертки последовательности информационных символов и порождающего многочлена кода, кодирование называется сверточным. Скорость кода характеризует избыточность, вводимую при кодировании. Например, 1/2 означает, что один информационный символ преобразуется в результате кодирования в два кодовых символа.Декодер Витерби с мягким решением – декодер, работающий по алгоритму Витерби, т. е. реализующий алгоритм оценки по методу максимального правдоподобия. Мягкое решение означает, что выход корреляционного приемника первой решающей схемы квантуется на несколько (более двух) уровней.
| Технические параметры оборудования сетей CDMA | | Диапазон частот передачи BTS, МГц | 869, 040...893, 970 | | Диапазон частот передачи MS, МГц | 824, 040...848, 970 | | Относительная нестабильность несущей частоты BTS | ±5 x10-8 | Относительная нестабильность
несущей частоты MS | ±2,5 x 10-6 | | Вид модуляции несущей частоты | QPSK | Ширина спектра излучаемого
сигнала, МГц:
по уровню минус 3 дБ
по уровню минус 40 дБ | 1,25
1,5 | | Тактовая частота ПСП, МГц | 1,2288 | Число элементов в ПСП, бит:
для BTS
для MS | 32768
242-1 | Число каналов BTS
на одной несущей частоте | 1 пилот-сигнал;
1 канал сигнализации;
7 каналов персонального вызова;
55 каналов связи | | Число каналов MS | 1 канал доступа;
1 канал связи | | Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS, Вт | до 50 | Скорость передачи данных, бит:
в канале синхронизации
в канале персонального вызова и доступа
в каналах связи | 1200
9600, 4800
9600, 4800,
2400, 1200 | | Кодирование в каналах передачи BTS | сверточный код r = 1/2 | (канал синхронизации
персонального вызова, связи) | длина кодового ограничителя К = 9 | Кодирование в каналах
передачи MS | сверточный код
r = 1/3; К = 9;
64-ичное кодирование ортогональными
сигналами Уолша | | Требуемое для приема отношение энергии бита информации к спектральной плотности шума (Еb/No) на входе решающего устройства, дБ | 6...7 | Максимальная эффективная излучаемая мощность MS, Вт:
1-й класс
2-й класс
3-й класс | 6,3
2,5
1,0 | | Точность управления мощностью передатчика MS, дБ | ±0,5 |
Табл. 2.
| Сравнительные характеристики систем стандартов CDMA и TDMA | | Стандарт, тип системы | IS-136, подвижная/
фиксированная | GSM, подвижная/
фиксированная | CDMA, мобильная | CDMA, мобильная | CDMA, фиксированная | Полоса, МГц
Скорость вокодера, Кбит/с | 0,03
8 | 0,2
13 | 1,23
8 | 1,23
13 | 1,23
8 | | Число каналов трафика на несущую | 3 | 8 | 23 | 12 | 35 | | Коэффициент переиспользования частот при трехсекторных сотах | 7 | 4 | 1/3 | 1/3 | 1/3 | | Число каналов трафика на соту при полосе 3 МГц | 42 | 30 | 138 | 72 | 258 | | Емкость (каналов трафика на 1 МГц на соту) | 14,3 | 10 | 56,1 | 29,6 | 86,2 |
Mirant.Kiev.ua |
| | Категория: Технологии и новинки | Добавил: wufer (13-10-2009)
|
| Просмотров: 5600
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
Коммуникации и связь
[90]
|
|
Электроника и гаджеты
[64]
|
|
Технологии и новинки
[136]
|
|
Беспроводные сети
[19]
|
|
Онлайн технологии
[6]
Исследуйте мир современных технологий с помощью Онлайн технологии: ведущего ресурса, предоставляющего самые актуальные новости, глубокие обзоры и эксклюзивные материалы о последних тенденциях в IT, науке и инновациях. Узнайте о новейших разработках, откройте потенциал диджитализации и оставайтесь на передовой цифрового прогресса с нашими авторитетными экспертами
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ]
|
| Статистика |
Сейчас на сайте: 31 Гостей: 31 Пользователей: 0 |
|