45270

Принципы построения сети сотовой связи на основе CDMA (многостанционный доступ с кодовым разделением каналов)

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Каналы трафика и управления В CDM каналы для передачи от базовой станции к мобильной станции называются прямыми Forwrd. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно без использования пилотного сигнала при этом уровень мощности приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции одинаков. Состав прямых каналов Пилотный канал Pilot Chnnel предназначен для установления начальной синхронизации контроля уровня сигнала базовой станции по времени частоте и фазе идентификации базовой станции. Канал синхронизации SCH ...

Русский

2013-11-16

403 KB

61 чел.

16. Принципы построения сети сотовой связи на основе CDMA (многостанционный доступ с кодовым разделением каналов).

Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с частотным разделением и доступа с временным разделением. Она не использует для разделения каналов ни частоты, ни времени, хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ (рис. 3.1).

Каждый входной цифровой сигнал складывается ("модулируется") с отдельной "несущей", в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter). Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности ("несущей"). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

  •  ортогональный многостанционный доступ;
  •  неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.

Корреляция и ортогональные функции Уолша

Как было сказано выше, для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра. Для этого они должны достаточно различаться. Степень подобия (похожести) функций в математике отображается с помощью корреляции. Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.

  1.  Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических функций с периодом Т определяется формулой:

Она измеряет подобие двух сигналов, сдвинутых во времени.

  1.  Ортогональная корреляция — это частный случай взаимной корреляции, когда эта функция равна нулю:

Эти сигналы могут передаваться одновременно, поскольку они не создают взаимных помех.

  1.  Автокорреляция периодического сигнала определяется следующей формулой:

Она определяет подобие данной функции с ее же версией, сдвинутой во времени.

Для дискретных функций интегрирование можно заменить суммированием.

В системах многостанционного доступа с кодовым разделением каналов применяются ортогональные функции Уолша. Одним из необходимых (но не достаточных) свойств такого кода является его сбалансированность, т. е. одинаковое число нулей и единиц.

Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации функции корреляция увеличивается.

Для сдвинутых по времени и несинхронизированных сигналов взаимная корреляция может быть не равна нулю. Они могут интерферировать друг с другом. Вот почему кодирование с помощью функций Уолша может применяться только при синхронном CDMA.

Неортогональные псевдослучайные функции

Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы с применением сдвиговых регистров, сумматоров (сложение по модулю 2) и контуров обратной связи. Рис. 3.4 иллюстрирует такой принцип.

Рис. 3.4.  Генератор последовательности максимальной длины (m – последовательности)

Максимальная длина последовательности определяется длиной регистра и конфигурацией цепи обратной связи (на рис. 3.4 цепи обратной связи обозначены g1, g2).

Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала называются чипом. Интервал Tb представляет собой период одного информационного разряда, и Tc— период одного чипа.

Чиповая скорость(chip rate) Rc=1/TC часто используется, чтобы характеризовать систему передачи с широким спектром и обычно измеряется в Мбит/с.

База сигнала (processing gain — PG), иногда называемая коэффициент расширения спектра (spreading factor — SF), определяется как отношение чиповой скорости (Rc) к скорости передачи информации (R=1/Tb).

PG=SF=Rc/R=Tb/Tc

Это равенство представляет число чипов, содержащихся в одном информационном разряде. Чем выше значение базы сигнала (PG), тем больше расширение. Высокий PG также означает, что больше кодов может быть распределено на том же самом частотном канале.

Общие положения

Сети и устройства с применением многостанционного доступа с кодовым разделением каналов построены на основе стандартов, разработанных Ассоциацией производителей средств связи (TIA — Telecommunication Industry Association). В основном это стандарты:

  •  IS-95 CDMA — радиоинтерфейс;
  •  IS-96 CDMA — речевые службы;
  •  IS-97 CDMA — подвижная станция;
  •  IS-98 CDMA — базовая станция;
  •  IS-99 CDMA — службы передачи данных.

На базе серии стандартов реализована станция 2-го поколения cdma One. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте широкополосной системы 3-го поколения CDMA - 2000.

Архитектура сети

Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM — см. рис. 1.1). Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover). В центре коммутации подвижных объектов (MSC) добавлен преобразователь – транскодер (TCE — Transcoder Equipment), который преобразует выборки речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в другой.

Каналы трафика и управления

В CDMA каналы для передачи от базовой станции к мобильной станции называются прямыми (Forward). Каналы для приема базовой станцией информации от мобильнойназываются обратными (Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с. Нагрузочная способность прямого канала — 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 Кбит/c. Состав каналов в CDMA в стандарте IS-95 показан на рис. 3.9. В IS-95 применяются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передает одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных абонентов по служебному каналу.

Рис. 3.9.  Каналы трафика и управления системы CDMA

Прямые каналы

Данные в прямом канале трафика группируются в кадр длительностью 20 мс. Пользовательские данные после предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется перемножением с одной из 64 псевдослучайных последовательностей (на основе функций Уолша) до значения 1,2288 Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность ПСП обеспечивается одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т. е. используемые в каждый момент времени фрагменты являются ортогональными). Как уже упоминалось, в системе передается пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала, принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования. Для глобальной синхронизации сети в системе используются еще радиометки от GPS(Global Position System)-спутников.

Состав прямых каналов

Пилотный канал (Pilot Channel) предназначен для установления начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.

Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel) обеспечивает поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. Канал синхронизации передает синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод.

Широковещательный канал коротких сообщений, канал вызова (Paging Channel) используется для вызова подвижной станции. Количество каналов — до 7 на соту. После приема сигнала вызова мобильная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию. После этого по каналу широковещательного вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Работает со скоростью 9600, 4800, 2400 бод.

Канал прямого трафика (FTCH — Forward Traffic Channel) предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на мобильную; передает любые пользовательские данные.

Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным, а второй — дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это указано на рис. 3.10. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т. к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, и каждая из них имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов:

  •  на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал;
  •  на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим семи каналам также назначаются свои последовательности Уолша (W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова;
  •  55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.

Рис. 3.10.  Структура прямых каналов

Рис. 3.12.  Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

Состав обратных каналов

Канал доступа (ACH — Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа применяется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемых по каналу вызова (Paging Channel), команд и запросов на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова.

Канал обратного трафика (RTCH — Reverse Traffic Channel) обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной станции на базовую станцию.

Управление мощностью

CDMA — система, чувствительная к взаимным помехам, поскольку все мобильные станции передают на той же самой частоте. Внутренняя интерференция, возникающая в пределах системы, играет критическую роль при определении пропускной способности и качества речи в этой системе. Мощность, излучаемая каждой мобильной станцией, должна управляться, чтобы ограничить взаимные помехи. Однако уровень мощности должен удовлетворять показателям качества речи.

Во время движения мобильной станции внешняя радиосреда изменяется непрерывно из-за медленных замираний, затенений, внешних помех и других факторов. Цель управления мощностью — ограничить передаваемую мощность прямых и обратных радиоканалов, постоянно поддерживая их качество при всех условиях внешней среды.

В базовой станции интерференция (помехи) по обратной линии (от мобильной станции к базовой) связи более критична, чем по прямой линии. Это возникает из-за невозможности идеально точного выделения индивидуального канала мобильной станции из общего потока (некогерентности связи). Поэтому управление мощностью обратной линии связи существенно для системы CDMA и обязательно предписывается стандартом.

Управление мощностью также необходимо в системах CDMA для того, чтобы решить проблему "ближний-дальний". Решением этой проблемы в системе CDMA является гарантия, что все мобильные станции получают сигнал одной и той же мощности, которая выравнивается базовой станцией. Цель управления мощностью — определить минимально возможный уровень передачи, который позволяет линии связи выполнять определяемые пользователем характеристики:

  •  коэффициент появления ошибок по битам (BER — Bit Error Ratio),
  •  частота появления ошибок в кадре (FER — Frame Error Rate),
  •  скорость, частота сброса вызова, зона покрытия.

Чтобы обеспечить определенные пользователем характеристики линии связи , мобильные станции, которые ближе к базовой станции, должны передавать меньшую мощность, чем те, которые находятся далеко от станции.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7749. Групповая дискуссия как метод групповой работы 83.5 KB
  Групповая дискуссия как метод групповой работы Дискуссия от латинского discussion (рассмотрение, исследование): 1) способ организации совместной деятельности с целью интенсификации процесса принятия решения в группе 2) метод обучения, повыша...
7750. Психокоррекция семейных отношений 111.5 KB
  Психокоррекция семейных отношений Семья как объект психокоррекционного воздействия Вопросы оказания психологической помощи семье в нашей стране имеют давнюю историю. В настоящее время отмечается повышение интереса к проблемам, связанным с семьей...
7751. Педагогика в системе современного человекознания 207.5 KB
  Педагогика в системе современного человекознания. Возникновение и развитие педагогической науки. Свое название педагогика получила от функции, которую в Древней Греции исполняли рабы, специально приставленные к молодым людям из аристократическ...
7752. Методология педагогики и методы педагогических исследований 82 KB
  Методология педагогики и методы педагогических исследований 1. Методология педагогики, её уровни и функции Понятие методология педагогической науки. Термин методология в научной лексике используется в нескольких смыслах: 1) методология - это у...
7753. Целеполагание в педагогике 178.5 KB
  Целеполагание в педагогике. Понятие цели воспитания Проблема научного обоснования цели воспитания обуславливается объективной зависимостью между осознанием личностью цели деятельности и достижением ее результатов. Чтобы добиться успеха,...
7754. Общие закономерности развития личности 101.5 KB
  Общие закономерности развития личности. 1. Закон развития высших психических функций человека по Л.С.Выготскому. Л.С.Выготский: Общий генетический закон развития высших психических функций человека, который является основой культурно-историчес...
7755. Современное состояние образования 175 KB
  Современное состояние образования 1. Анализ состояния современной системы образования Основными целями функционирования системы образования в обществе выступают: подготовка подрастающего поколения к самостоятельной жизни и труду в условиях быс...
7756. Дидактика как теория обучения 148.5 KB
  Дидактика как теория обучения. Общее понятие о дидактике, ее предмет, основные категории Отрасль научного знания, которая изучает и исследует проблемы образования и обучения, называется дидактикой. В дидактике научно обосновываются закономерности...
7757. Процесс обучения как целостная система 117 KB
  Процесс обучения как целостная система. Двусторонний характер процесса обучения. Процесс обучения является разновидностью человеческой деятельности, которая носит двусторонний характер. Этот процесс обязательно предполагает взаимодействие преподав...