63408

Методы кодового разделения каналов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Наиболее типичными представителями протоколов данного типа являются многостанционный доступ с частотным разделением FDM многостанционный доступ с временным разделением TDM многостанционный доступ с кодовым разделением...

Русский

2014-06-20

482.11 KB

51 чел.

Лекция 6 Методы кодового разделения каналов

Классификация систем передачи, использующих единый ресурс (мультиплексирование и множественный доступ); принцип и основная характеристика CDMA; прямое расширение спектра; многоканальное расширение спектра; расширение спектра скачкообразным изменением частоты; расширение спектра скачкообразным изменением частоты; порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир; эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA.

6.1 Классификация систем передачи, использующих единый ресурс

Любой сигнал занимает определенную полосу частот, существует некоторое время, обладает ограниченной энергией и распространяется в определенной области пространства. В соответствии с этим выделяют четыре вида ресурса канала: частотный, временной, энергетический и пространственный.

Проблема эффективного использования ресурса общего канала обострилась из-за необходимости обеспечения связи в условиях неравномерности и непредсказуемости запросов потребителей во времени. При решении этой проблемы применяются методы мультиплексирования и множественного доступа (multiple access). Понятия «мультиплексирование» и «множественного доступа» сходны тем, что они предполагают распределение ресурса между пользователями. В то же время между ними есть существенные различия. При мультиплексировании ресурс канала связи распределяется через общее оконечное оборудование, формирующее групповой сигнал SΣ(t). При множественном доступе, SΣ(t) образуется в результате сложения сигналов пользователей непосредственно в канале (рисунок 6.1). На этом рисунке ИС – источник сообщения, ПРД - передатчик, ПРМ - приемник, ПС – получатель сообщения). Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов, каналов мобильной связи.

Рисунок 6.1 – Система передачи с множественным доступом

Мультиплексирование основано на общем аппаратном обеспечении, а множественный доступ (МД) использует определенные процедуры (протоколы), реализуемые с помощью программного обеспечения, хранящегося в памяти каждого терминала. На рисунке 6.2 представлены методы мультиплексирования.

В большинстве случаев для мультиплексирования канала источнику сообщений выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал Sгр(t). Если операция объединения линейна, то  Sгр(t) = SΣ(t). будет линейным групповым сигналом. Он, как правило, образуется линейным суммированием промодулированных канальных сигналов.

Рисунок 6.2 - Методы мультиплексирования

В системах так называемого комбинационного уплотнения групповой сигнал формируется посредством определенной логической (нелинейной) обработки, в результате которой каждый элемент сформированного сигнала отображает информацию (комбинацию символов) от всех ИС. Классическим примером такой системы является система двукратного частотного телеграфирования. Для передачи четырех комбинаций символов двух каналов используется четыре частоты:  f1 – 00, f2 – 01, f3 – 10, f4 – 11.

Устройство разделения линейного группового сигнала SΣ(t) представляет собой набор линейных избирательных цепей, каждая из которых выделяет только свой канальный сигнал и в идеальном случае совсем не реагирует на другие канальные сигналы. Для осуществления подобного идеального разделения необходимо и достаточно, чтобы промодулированные канальные сигналы составляли ансамбль линейно независимых сигналов. В качестве таких сигналов обычно используют ансамбли ортогональных сигналов.

В классе линейного уплотнения по виду отличительного признака канального сигнала различают временное разделение каналов (ВРК), частотное (ЧРК) и разделение каналов по форме сигналов, называемое кодовым разделением каналов (КРК). Вместо термина «разделение» применяют и термин «уплотнение». При ЧРК полоса частот общего канала Δf  разделяется на несколько более узких полос Δfi ,  каждая из которых образует канал ИС. При ВРК вся полоса Δf  предоставляется поочередно через определенные  интервалы времени различным источникам для передачи сообщений. При КРК нет деления общего канала между ИС ни по частоте, ни по времени. Канальные сигналы различных ИС, перекрываясь по времени и частоте, остаются ортогональными за счет различия формы, что и обеспечивает их разделение.

Возможны варианты комбинирования указанных методов. Так, в мобильной связи в качестве метода множественного доступа широко используются комбинации ЧРК и ВРК, ВРК и КРК. В первой комбинации каждый частотный канал предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. При второй комбинации в полосе частот Δf  формируют каналы с временным разделением, которые предоставляются нескольким пользователям на принципах КРК.

При организации многоканальной передачи информации, канальные сигналы могут быть заранее определенным образом распределены между источниками сообщений. Такое уплотнение называется уплотнением с закрепленными каналами. Соответствующая ему многоканальная система передачи также будет называться системой с закрепленными каналами. Возможна и такая организация многоканальной передачи информации, когда канальные сигналы не распределяются заранее между источниками, а выделяются каждому источнику по мере необходимости. Такое уплотнение называется уплотнением с незакрепленными каналами. Очевидно, для правильного разделения каналов в системах с незакрепленными каналами необходимо каким-либо образом передать на приемную сторону адресную информацию.

Основные понятия и определения, введенные для многоканальных систем, применимы и для систем множественного доступа (МД). К настоящему времени изучено и предложено большое число разнообразных методов МД. Они различаются способом распределения коллективного ресурса канала (фиксированный или динамический), природой процессов принятия решения (централизованные или распределенные), а также степенью адаптации режима доступа к изменяющимся условиям.

Множественный доступ характерен для спутниковых каналов (в этом случае применяют термин «многостанционный доступ»), радиоканалов (пакетная радиосвязь), каналов мобильной связи, а также для многоточечных телефонных линий, локальных сетей.

Все существующие методы МД можно сгруппировать и выбрать в качестве основания классификации способ управления распределением ресурса общего канала (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 - Методы множественного доступа

Протоколы случайного доступа. При случайном МД весь ресурс канала связи представляется как один канал, доступ в который происходит случайно, в результате чего возможно столкновение пакетов передаваемой информации. Корреспондентам предлагается совершить определенную последовательность действий с целью разрешения конфликта. Каждый пользователь при необходимости может передавать данные в канал, не выполняя явного согласования с другими пользователями. Наличие обратной связи позволяет взаимодействующим корреспондентам контролировать прохождение передаваемой информации.

Возможны два варианта реализации стратегии случайного доступа: без контроля несущей и с контролем несущей.

Случайный доступ без контроля несущей состоит в том, что при необходимости передать данные, терминал пользователя сразу начинает передачу пакетов. Поскольку пакеты передаются без синхронизации между собой, возможно их наложение, что вызывает взаимные помехи. При возникновении такого конфликта, подтвержденного сигналом обратной связи, терминалы повторяют передачу искаженных пакетов. Во избежании повторения конфликтов промежутки времени до начала повторной передачи на каждом терминале выбираются случайно.

Случайный доступ с контролем несущей предполагает возможность контролировать наличие передачи информации другими корреспондентами. В случае отсутствия передачи данных незанятые временные промежутки имеются для передачи своей информации. В случае столкновения пользователи задерживают передачу пакетов на интервал времени Δt. В настоящее время существуют две разновидности протокола: настойчивый и ненастойчивый. Различие заключается в том, что в первом случае пользователи подвижных объектов, обнаруживая столкновения, начинают передачу сразу, а при втором через определенный интервал времени.

Протоколы фиксированного закрепления ресурса канала обеспечивают статическое распределение ресурса канала между пользователями. Наиболее типичными представителями протоколов данного типа являются многостанционный доступ с частотным разделением (FDMA), многостанционный доступ с временным разделением (TDMA), многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA).

Фиксированное закрепление ресурса канала не может обеспечить динамически изменяющиеся требования пользователей сети, т.е. имеет жесткое управление.

Методы назначения ресурса по требованию позволяют избавиться от недостатков, присущих вышеперечисленным методам, но предполагают подробную и четкую информацию о требованиях пользователей сети. По природе процессов принятия решения методы назначения ресурса по требованию подразделяют на централизованные и распределенные.

Централизованные методы назначения ресурса по требованию, характеризуются наличием запросов на передачу со стороны терминалов источника сообщения. Принятие решения о предоставлении ресурса осуществляется центральной станцией. Соответствующие протоколы отличаются наличием жестко закрепленных за каждым подвижным объектом каналов резервирования и наличием центральной станции управления. Протоколы характеризуются высоким значением коэффициента использования пропускной способности базовой станции, однако критичны к нарушениям функционирования системы управления.

Распределенные методы назначения ресурса по требованию отличаются тем, что все пользователи производят одни и те же операции, не прибегая к помощи центральной станции, и используют дополнительную служебную информацию, которой обмениваются друг с другом. Все алгоритмы с распределенным управлением требуют обмена управляющей информацией между пользователями. Протоколы характеризуются жестким закреплением каналов резервирования за подвижным объектом. При этом на каждом объекте имеется таблица закрепления запросных каналов, следовательно, любой подвижный объект в любой момент времени имеет информацию о состоянии всей сети.

Комбинированные методы представляют собой комбинации предыдущих методов распределения ресурса, и реализуют стратегии, в которых выбор метода является адаптивным для различных пользователей с целью получения характеристик используемого ресурса канала, близких к оптимальным. В качестве критерия оптимальности, как правило, принимается коэффициент использования пропускной способности канала. На основе протоколов данного типа осуществляется подстройка параметров под конкретную обстановку в сети.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов распределения ресурса обладает достоинствами и недостатками. На практике целесообразно иметь всю совокупность методов и осуществлять адаптивный переход от одного метода к другому при определенных изменениях рабочих условий.

6.2  Принцип и основная характеристика CDMA

Популярно принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить следующим примером. Предположим, что вы сидите в зале ожидания вокзала. На каждой скамейке находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Таким образом, в зале все разговаривают в одно и то же время в одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.

Принципы кодового разделения каналов связи CDMA основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

В= F*T

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. В радиоустройствах, построенных по технологии Spread Spectrum (распределенный спектр), расширение спектра передаваемого сигнала осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения.  Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не "слышат" друг друга. Так как мощность сигнала распределяется по широкой полосе, сам сигнал оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале.

Метод широкополосной передачи подробно описан К. Шенноном, который  ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением Т = 1/С. Поэтому база сигнала В = F/C характеризует расширение спектра ШПС (Sшпс) относительно спектра сообщения. Ширина спектра определяется минимальной длительностью импульса (t0), т.е. F=1/t0 и В = Т/t0= F/Δf (Δf – ширина спектра информационного сигнала).

Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться разными методами и/или их комбинацией. Перечислим основные:

  1.  прямым расширением спектра частот (DSSS-CDMA);
  2.  с многоканальным расширением спектра частот (MC-CDMA) 
  3.  скачкообразным изменением частоты несущей (FHSS-CDMA).

6.3  Прямое расширение спектра - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются применением широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, выделяет из общего радиосигнала ту часть, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, разговоры абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

Техника расширения спектра позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (xor – сложение по модулю 2) (рисунок 6.4). Сигнал данных с длительностью импульса Tb комбинируется при помощи операции ИЛИ (складывается по модулю 2) с кодом сигнала, длительность импульса которого равна Tc (ширина полосы пропускания пропорциональна 1/Т, где Т - время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна 1/Tb , а ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна 1/Tc. Так как Tc намного меньше Tb, ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина Tb/Tc является базой сигнала и, в какой-то мере, определяет верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией единовременно.

Рисунок 6.4 – Кодовое кодирование дискретного сигнала (временная область)

При использовании метода DSSS-CDMA узкополосный сигнал (рисунок 6.5) умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП  B=N*t0/t0=N.

Рисунок 6.5 – Структурная схема кодового кодирования и спектр сигнала

Таким образом, для сдвига фазы несущей при фазовой манипуляции используется быстрый поток бит. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Это сделано посредством замены каждого информационного бита пачкой из десяти или больше бит, называемых "чипами". При этом пропорционально расширяется и полоса частот. Такие битовые последовательности называются шумоподобными или PN. Эти двоичные последовательности специально генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц было приблизительно равное. Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы - инвертированным PN-кодом. Эта модуляция называется модуляцией с разрядной инверсией. В результате этого смешивания получается PN-сигнал. В корреляторе неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". В то же время последовательность, соответствующая "1", приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN-последовательности и поток нулей - для неинвертированной, что и будет означать восстановление переданной информации. Иногда для передачи результирующего битового потока используется фазовый сдвиг 180 градусов, который называется двоичной фазовой модуляцией (манипуляцией) (binary phase-shift keying - BPSK). Или же (чаще всего) передача реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying - QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты. Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN-код.

 Прием ШПС осуществляется оптимальным приемником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл

z =∫ x(t)u(t)dt,

 где x(t) - входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в случае белый шум). Затем величина z сравнивается с порогом Z. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет "сжатие" спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу.

Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 (первый стандарт CDMA) отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS (аналоговый стандарт мобильной связи) это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике (рисунок 6.6). В стандарте AMPS ширина полосы одного канала 30 кГц, в GSM – 200 кГц).

Рисунок 6.6 - Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал.

Чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. С другой стороны - обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком. Это как если бы тонким карандашом, но крупно написанная буква была бы заштрихована жирным фломастером - если штрихи легли не подряд, мы сможем прочесть букву.

В результате можно сказать, что использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и "поверх них" - широкополосными. 

Суммируя, можно выделить следующие важные свойства ШПС-технологии, по крайней мере для метода прямой последовательности:

помехозащищенность; 

малые помехи другим устройствам; 

конфиденциальность передач; 

экономичность при массовом производстве; 

возможность повторного использования одного и того же участка спектра.

6.4 Многоканальное расширение спектра MC-CDMA (Multi Carrier)

Данный метод является разновидностью DSSS. В 1993 г., Институт Технологий Связи (Institute for Communications Technology) представил новую синхронную схему совместного доступа. Предложенная схема объединяет преимущества метода DS-CDMA с эффективным Ортогональным Мультиплексированием с Разделением Частоты (OFDM). Новая схема совместного доступа упоминается как многочастотная CDMA (MC-CDMA) или как OFDM-CDMA, и характеризуется высокой гибкостью и эффективностью использования частотного диапазона, сравнимой с DS-CDMA.

В системе MC-CDMA биты после канального кодирования преобразуются в чипы путем перемножения с кодовой последовательностью разделения пользователей, что необходимо для минимизации интерференции между абонентам. Для формирования этих кодов используется ортогональные функции Уолша. Ключевое свойство системы MC-CDMA в том, что все чипы, сопоставленные одному биту кода, передаются параллельно в узкополосных подканалах, с применением OFDM.

Наглядно это можно представить, рассмотрев эту технологию на основе стандарта 802.11(Radio Ethernet). Представим, что вся "широкая" полоса частот делится на некоторое число подканалов - (по стандарту 802.11 - 11каналов). Каждый передаваемый бит информации превращается, по определенному алгоритму, в последовательность из 11 бит, эти 11 бит передаются одновременно и параллельно, используя все 11 подканалов. При приеме, полученная последовательность бит декодируется с использованием того же алгоритма, что и при кодировке. Другая пара приемник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки-декодировки, и таких различных алгоритмов может быть очень много.

Очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания ("чужой" приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Но более важным оказалось другое свойство описываемого метода. Оно заключается в том, что благодаря 11-кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень маленькой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии), не увеличивая при этом размеров антенн. При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (т.е. случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать. Это примерно то же самое, что написанное на 11 листах одно и то же слово, и некоторые листы оказались написаны неразборчивым почерком, другие полустерты или на обгоревшем клочке бумаги - но все равно в большинстве случаев мы сумеем определить, что это за слово, сравнив все 11 экземпляров.

На данном этапе для систем MС-CDMA используется полоса частот в 1,25 Мгц с разделением на 512 поднесущих . Как установлено в ходе тестирования, они менее чувствительны к проблеме "ближней-дальней" зоны, чем DS-CDMA системы.

6.5 Расширение спектра скачкообразным изменением частоты

Скачкообразное изменение частоты несущей в третьем способе (рисунок 6.7), осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности (Frequency Нopping Spread Spectrum CDMA - FHSS-CDMA). Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой FCC (Федерельная комиссия по связи США). Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

Рисунок 6.7 - Расширение спектра скачкообразным изменением частоты несущей

При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый момент использует только один из этих подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков - она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике по заранее определенной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя.

Другая пара передатчик-приемник будет использовать другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту № 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга. Для случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте.

6.6  Сети на основе CDMA

История и общие положения

1991 г. - Компанией Qualcomm разработан проект стандарта IS-95.

1993 г. - Ассоциацией производителей оборудования связи (TIA— Telecommunication Industry Association) утверждена базовая версия IS-95, и в июле 1993 г. Федеральная комиссия по связи США (FCC) признала в качестве стандарта IS-95 предложенную компанией Qualcomm технологию цифровой сотовой связи на основе CDMA.

1995 г. - Эксплуатация первой коммерческой сотовой системы мобильной связи по технологии CDMA IS-95 в Гонконге.

Сети и устройства с применением многостанционного доступа с кодовым разделением каналов построены на основе стандартов, разработанных TIA. 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.

Основные услуги:   передача данных и речи со скоростями 9,6 Кбит/с, 4,8 Кбит/с, 2,4 Кбит/с; междугородний вызов;  роуминг (национальный и международный);  ждущий вызов;  переадресация вызова (при отсутствии ответа, в случае занятости);  конференц-связь;   индикатор сообщений об ожидающих вызовах;  голосовая почта;  текстовая передача и прием сообщений.

Архитектура сети

На рисунке 6.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA IS-95.

Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM). 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.

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц. Она построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В стандарте используется раздельная обработка отраженных 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 базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим "эстафетной передачи" при переходе из соты в соту.

Рисунок 6.8 -  Архитектура сети CDMA

Мягкий режим "эстафетной передачи" происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего "склеивания" кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в "эстафетной передаче".

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 мобильной называются 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 рисунке 6.9.

В стандарте 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 синхронизации.

Рисунок 6.9 -  Каналы трафика и управления системы CDMA

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.

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 которой 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 рисунке 6.10. 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:

  1.  на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал;
  2.  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;
  3.  55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.

Рисунок 6.10 -  Структура прямых каналов

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.

Основные характеристики системы

Диапазон частот передачи MS

824,040 – 848,860 Мгц

Диапазон частот передачи BTS

869,040 – 893,970 Мгц

Относительная нестабильность несущей частоты BTS

+/- 5*10-8

Относительная нестабильность несущей частоты MS

+/- 2,5*10-6

Вид модуляции несущей частоты

  QPSK(BTS), O-QPSK(MS)

Ширина спектра излучаемого cигнала:  - 3 Дб

                                                      - 40 Дб

1,25 Мгц

1,50 Мгц

Тактовая частота ПСП М-функции

1,2288 Мгц

Количество каналов BTS на 1 несущей частоте

   1пилот-канал
   1 канал синхронизации
   7 каналов персон. вызова
   55 каналов связи

Количество каналов MS

   1 канал доступа
   1 канал связи

Скорость передачи данных в каналах: - синхронизации 

- в канале перс.вызова и доступа

- в каналах связи

1200 бит/c

9600, 4800 бит/с

9600, 4800, 2400, 1200 бит/с

Кодирование в каналах передачи BTS

Сверточный код R=1/2, К=9

Кодирование в каналах передачи MS

Сверточный код R=1/3, K=9

Требуемое для приема отношение энергии бита информации

6-7 дБ

Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS

50 Вт

Максимально эффективная излучаемая мощность MS

6,3 – 1,0 Вт

 6.7 Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир

Рассмотрим структурную схему канала обратного трафика (рисунок 6.11). В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы исключаются.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодек - на этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP.

2. Далее сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования, который может исправлять до 3-х ошибок в пакете данных.

3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала - блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок - искажение нескольких бит информации подряд.

Принцип такой. Поток данных записывается в матрицу по строкам. Как только матрица заполнена, начинается ее передача по столбцам. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько бит информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.

Рисунок 6.11 -  Структурная схема канала обратного трафика

4. Далее сигнал поступает в блок кодирования (от подслушивания) - на информацию накладывается маска (последовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен т.к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

5. Блок перемножения на код Уолша - цифровой поток данных перемножается на последовательность бит, сгенерированных по функции Уолша.

На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т.е. каждый бит информации кодируется последовательностью, построенной по функции Уолша, длиной 64 бита. Т.о. скорость потока данных в канале увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот.

Так же функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать и один (из 64 возможных) логический канал, который определяет функция Уолша. В момент принятия сигнал по схеме проходит в обратную сторону. Принятый сигнал умножается на кодовую последовательность Уолша. По результату умножения вычисляется корреляционный интеграл.

Если Z пороговая удовлетворяет предельному значению, значит, сигнал наш. Последовательность функции Уолша ортогональны и обладают хорошими корреляционными и автокорреляционными свойствами, поэтому вероятность спутать свой сигнал с чужим равна 0,01 %.

6. Блок перемножения сигнала на две М-функции (М1 - длиной 15 бит, М2 - длиной 42 бита) или еще их называют ПСП- псевдослучайными последовательностями - блок предназначен для перемешивания сигнала для блока модуляции. Каждой назначенной частоте назначаются разные М -функции.

7. Блок модуляции сигнала - в стандарте CDMA используется фазовая модуляция ФМ4, ОФМ4.

Преимущества CDMA

  1.  Высокая спектральная эффективность. CDMA позволяет обслуживать больше абонентов в той же полосе частот, чем другие виды разделения (TDMA, FDMA).
  2.  Гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.
  3.  Высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода трудно, так как вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.
  4.  Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому, возможно, менее вредны.

6.8 Эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA

В настоящее время оборудование стандарта CDMA является самым новым и самым дорогим, но в то же время самым надежным и самым защищенным. Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципе кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра.

 Основным отличием концепции CODIT будет эффективное и гибкое использование частотного ресурса. Как мы раньше пояснили, на широкополосный сигнал CDMA влияние узкополосной помехи практически не сказывается. За счет этого свойства в стандарте CODIT для передачи данных дополнительно будут использоваться защитные интервалы между несущими частотами.

Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmaOne (основанных на IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Переход к следующей фазе CDMA2000 1X EV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23 МГц, скорость передачи — до 2,4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени.

Следующей фазой развития стандарта в направлении увеличения сетевой ёмкости и передачи данных является 1XEV-DO Rev A: передача данных со скоростью до 3,1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1,8 Мбит/с — от абонента. Операторы смогут предоставлять те же услуги, что и на базе Rev. 0, а, кроме того, передавать голос, данные и осуществлять широковещание по IP сетям. В мире уже есть несколько таких действующих сетей.

Разработчики оборудования CDMA связи запустили новую фазу — 1XEV-DO Rev B, — с целью достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9 Мбит/с к абоненту и 2,4 Мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5 Мбит/с к абоненту и 27 Мбит/с от абонента. Применение таких сетей — улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP, Push to Talk, видеотелефония, сетевые игры и т. п.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг, высокая помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт. Для сравнения: в системах GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе, при использовании GPRS+EDGE с максимальным заполнением; максимум при усреднении по времени при обычном разговоре — около 200мВт). В системах GSM-1800 — 1 Вт (в импульсе, средняя чуть меньше 100мВт).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20771. Устройство токарно-винторезного станка, выполняемые на нем работы, принадлежности и инструменты 225.74 KB
  Рис. Токарновинторезный станок Основные узлы и движения станка 16К20 В передней бабке 1 рис. Краткая техническая характеристика станка Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки над станиной мм 400 Наибольший диаметр заготовки обрабатываемой над нижней кареткой суппорта мм 220 Наибольший диаметр обрабатываемого прутка мм 53 Наибольшая длина обрабатываемой заготовки мм 71010001400 Частота вращения шпинделя мин1 1251600 Число частот вращения шпинделя 22 Подача мм об: продольная 00528 поперечная 002514 Нарезаемые резьбы:...
20772. Кинематика токарно-винторезного станка 16К20 126.96 KB
  В станках применяются передачи вращательного движения ременные цепные зубчатые червячные и др. и преобразующие вращательное движение в поступательное реечные винтовые и ДР Основным кинематическим параметром передачи вращательного движения является передаточное отношение которое показывает во сколько раз больше меньше частота вращения одного вала по сравнение с другим. Общее передаточное отношение кинематической пени вращательного движения определяется произведением передаточных отношений отдельных передач входящих в данную цепь...
20773. Настройка токарно-винторезного станка для нарезания резьб 69.18 KB
  При массовом производстве резьбы изготавливают резьбонарезными головками резьбовыми фрезами на катками плашками и метчиками. Резьбы бывают однозаходные и многозаходные. По профилю резьбы различают треугольные прямоугольные ленточные упорные полукруглые и трапеции дальные; по виду метрические дюймовые модульные и питче вые. Шаг резьбы Р это расстояние между двумя одноименными точками винтовой линии измеренное по образующей цилиндра.
20774. Устройство, кинематика широкоуниверсального горизонтально-фрезерного станка и работы, выполняемые на нем 160.62 KB
  1600 Подача мм мин продольная и поперечная 25. Прямолинейные движения заготовки в трех направлениях служат для подачи углубления или первоначальной установки детали. В консоли размещена коробка подач.3 включает кинематические цепи главного движения подач и ускоренных перемещений стола.
20775. Изучение назначения, кинематики и настройки универсальной делительной головки УДГ Д-200 113.62 KB
  Червячная передача позволяет передавать вращение от рукоятки к шпинделю и заготовке. Делительный лимб 12 служит для отсчета числа оборотов рукоятки. Для удобства отсчета числа оборотов рукоятки к делительному лимбу прикреплен сектор 16 линейки которого раздвигаются на требуемый угол. При делении окружности заготовки на части вращение рукоятки может производиться относительно как неподвижного так и подвижного лимбов.
20776. Устройство вертикально-сверлильного станка и его настройка на обработку отверстий 1.74 MB
  Станок 2Н135 рис. Стол 2 имеет Тобразные пазы для крепления тисков приспособлений или детали. Рис. Краткая техническая характеристика станка 2Н135 Размеры рабочей поверхности стола мм ширина х на длину 450x500 Наибольший диаметр сверления в стали мм 35 Конус Морзе шпинделя №4 Наибольшее вертикальное перемещение стола мм 300 Число ступеней частоты вращения шпинделя 12 Частота вращения шпинделя мин1 315; 45; 63; 90; 125; 180; 250; 355; 500; 710; 1000; 1400 Число ступеней подач шпинделя 9 Подачи шпинделя мм об 01; 014; 02;...
20777. Ряды Динамики. Установление вида ряда динамики 1.63 MB
  Установление вида ряда динамики. Основная цель статистического изучения динамики коммерческой деятельности состоит в выявлении и измерении закономерностей их развития во времени. Это достигается посредством построения и анализа статистических рядов динамики.
20778. Индексный метод. Статистические индексы 262.5 KB
  Статистические индексы. Индексы широко применяются в экономических разработках государственной и ведомственной статистики. Индивидуальные и общие индексы. В зависимости от степени охвата подвергнутых обобщению единиц изучаемой совокупности индексы подразделяются на индивидуальные элементарные и общие.
20779. Выборочное наблюдение 1.05 MB
  Проведение исследования социально экономических явлений выборочным методом складывается из ряда последовательных этапов: 1 обоснование в соответствии с задачами исследования целесообразности применения выборочного метода; 2 составление программы проведения статистического исследования выборочным методом; 3 решение организационных вопросов сбора и обработки исходной информации; 4 установление доли выборки т. части подлежащих обследованию единиц генеральной совокупности; 5 обоснование способов формирования выборочной совокупности; 6...