12. Цифровые системы сотовой связи с кодовым разделением каналов. Мобильные системы связи

Какие телефоны поддерживают каждый из стандартов?

Многие телефоны совместимы с GSM или CDMA, но не с обоими вместе. В случае CDMA телефонов, вам придётся приобрести устройство, сделанное специально для вашего оператора. Проще всего купить его напрямую у этого оператора. Например, если вы хотите использовать iPhone в сети Verizon, вам необходимо приобрести фирменный iPhone именно от Verizon, а не Sprint или AT&T. Однако, если вы решите перейти на другого оператора, то не сможете забрать телефон с собой, так как он заблокирован.

Если вы не хотите ограничивать себя одним оператором, можете поискать разблокированные GSM телефоны от сторонних ритейлеров. Такие телефоны будут работать с любым GSM оператором, вам достаточно лишь сменить SIM-карту. К примеру, Amazon продаёт множество разблокированных GSM телефонов.

Модель Nexus 5 от Google и некоторые устройства в версиях Google Play так же разблокированы. Любой розничный или интернет-магазин, занимающийся продажей сотовых телефонов, должен предоставлять информацию о том, с какими сетями может работать каждое конкретное устройство.

Будьте внимательны с совместимостью телефонов. Устройства, продаваемые на рынках, где работают оба стандарта, чаще всего поддерживают либо GSM, либо CDMA. Лишь некоторые телефоны совместимы с обоими стандартами. Если вы купили CDMA телефон у стороннего ритейлера, вам придётся позвонить своему оператору, чтобы активировать его.

Владельцам CDMA телефонов не нужно беспокоиться о SIM-картах, но это скорее проклятие, а не благословение. CDMA устройства погрязли в ограничениях совместимости, которые сложно обойти, а владельцы GSM телефонов могут просто вынуть SIM-карту и заменить её на другую.

Большинство CDMA сетей не позволяют использовать телефон, купленный у другого оператора, даже если он совместим с технической точки зрения. Очень важно помнить об этом ограничении, выбирая CDMA сеть. Если позже вы решите сменить оператора, вам, скорее всего, придётся купить новый телефон, даже если сеть, на которую вы переходите, тоже использует CDMA.

Несмотря на то, что GSM более открыт, доступ всё равно может быть ограничен диапазоном частот, поддерживаемым телефоном. Частоты варьируются от 380 до 1900 МГц и зависят от местных операторов. Вам стоит проверить, на каких частотах работает ваш оператор и убедится в том, что телефон, который вы собираетесь купить, их поддерживает.

Впрочем, GSM сконцентрирован вокруг четырёх основных полос: 850, 900, 1800 и 1900 МГц. Телефон, поддерживающий все четыре, будет работать в большинстве стран. Именно поэтому GSM телефоны, совместимые со всеми основными полосами частот называют «всемирными телефонами».

Код уолша

Коды Уолша чаще всего используются в ортогональных кодах приложений CDMA. Эти коды соответствуют строкам специальной квадратной матрицы, называемой матрицей Адамара. Для набора кодов Уолша длиной N он состоит из n строк, образующих квадратную матрицу из n × n кода Уолша.

Система IS-95 использует 64 функциональную матрицу Уолша 64. Первая строка этой матрицы содержит строку всех нулей, каждая из которых содержит различные комбинации битов 0 и 1. Каждая строка является ортогональной и имеет одинаковое представление для двоичных битов.

При реализации с системой CDMA каждый мобильный пользователь использует одну из 64 последовательностей строк в матрице в качестве расширяющего кода. И это обеспечивает нулевую взаимную корреляцию среди всех других пользователей. Эта матрица определяется рекурсивно следующим образом:

Где n представляет собой степень 2 и указывает на разные размеры матрицы W. Кроме того, n представляет логическую операцию NOT для всех битов в этой матрице. Три матрицы W 2, W 4 и W 8, соответственно, показывают функцию Уолша для размерности 2, 4 и 8.

Каждая строка 64 матрицы Уолша 64 соответствует номеру канала. Номер канала 0 отображается на первую строку матрицы Уолша, которая является кодом всех нулей. Этот канал также известен как пилотный канал и используется для формирования и оценки импульсной характеристики мобильного радиоканала.

Чтобы вычислить взаимную корреляцию между последовательностями, нам нужно будет преобразовать биты в матрицу, чтобы сформировать антитезу значений ± 1. Однако все пользователи в одном и том же канале CDMA могут быть синхронизированы с точностью до одного интервала микросхемы с использованием общей длинной последовательности PN. Он также функционирует как скремблер данных.

Код Уолша – это группа кодов расширения, имеющих хорошие свойства автокорреляции и плохие свойства взаимной корреляции. Коды Уолша являются основой систем CDMA и используются для разработки отдельных каналов в CDMA.

Для IS-95 доступно 64 кода.

Код «0» используется в качестве контрольного сигнала, а код «32» используется для синхронизации.

Коды с 1 по 7 используются для каналов управления, а остальные коды доступны для каналов трафика. Коды 2-7 также доступны для каналов трафика, если они не нужны.

Для cdma2000 существует множество кодов Уолша, длина которых варьируется в зависимости от разных скоростей передачи данных и коэффициентов распространения разных конфигураций радиосвязи.

Один из 64 ортогональных битовых шаблонов со скоростью 1,2288 Мбит / с.

Коды Уолша используются для идентификации данных для каждой отдельной передачи. В прямой линии связи они определяют каналы прямого кода в пределах частоты CDMA.

В обратной линии связи все 64 кода используются каждым обратным каналом для передачи информации.

Посмотрите на следующую иллюстрацию. Он показывает, как мультиплексирование осуществляется с использованием кода Уолша.

Оборудование motorola sс 9600, sc 2400

Фирмой Motorola разработаны комплексы сетевого оборудование SС 9600 и SC 2400 для создания систем связи с «суперсотовой» (SC) архитектурой, которая объединяет новые и существующие технологии сотовой связи и открывает широкие возможности по совершенствованию управления оборудованием и функциями связи.

Оборудование SС 9600 предназначено для работы в полосах частот 869-894 МГц – передача от базовой станции, 824-849 МГц – передача от подвижной станции и состоит из радиочастотного модема (SIF), обеспечивающего формирование сигналов с различными протоколами связи, линейного усилителя мощности (LPA) и подсистемы диагностики.

В состав радиочастотного модема может входить до 80 CDMA канальных плат и 16 CDMA приемопередатчиков, которые могут обеспечить поддержку 320 CDMA каналов. Для TDMA, AMPS, N-AMPS SC 9600 может содержать до 96 приемопередатчиков, обеспечивающих функции приема-передачи речевых сообщений и сигнальной информации, а также поиска принимаемых сигналов (вызовов).

В состав BTS может входить до трех линейных усилителей мощности. Каждый усилитель обслуживает все выходы передатчиков, работающих на одну антенну и обеспечивает дистанционную настройку под конкретные частоты.

Подсистема диагностики обеспечивает контроль и поддержку работоспособности оборудования BTS совместно с центром управления радиоподсистемой (OMC-R).

Между SС 9600 и центром коммутации подвижной связи поддерживается открытый интерфейс, что обеспечивает совместимость этого оборудования с центрами коммутации различных производителей.

В целом оборудование SС 9600 обеспечивает возможность обслуживания абонентов в стандартах CDMA, AMPS, N-AMPS и D-AMPS. Кроме того, возможно использование этого оборудования в сетях сотовой цифровой пакетной передачи данных (CDPD) [14; 18].

Дальнейшим развитием семейства оборудования SC Motorola является создание комплекса SC 2400, предназначенного для сетей с малыми и средними сотами. SC 2400 представляет собой базу для создания и развития систем сотовой радиосвязи с повышенной эффективностью, низкой стоимостью, возможностью дистанционного управления в двух диапазонах частот 800 МГц и 2ГГц. SC 2400 поддерживает CDMA, AMPS, N-AMPS, а также CDPD [19].

Оборудование SC 2400 компактно, имеет модульную структуру, обеспечивает экономическое развитие емкости сети, имеет единый радиочастотный модем для различных радиоинтерфейсов. Рабочие полосы радиочастот:

• 869-894 МГц – передача от базовой станции
• 824-849 МГц – передача от подвижной станции
• 1930-1970 МГц – передача от базовой станции
• 2180- 2200 МГц
• 1850-1890 МГц – передача от подвижной станции
• 2130-2150 МГц

Общая ёмкость: 48 физических каналов для аналоговых стандартов 160 физических каналов для цифровых стандартов.

Рассмотренные принципы построения системы стандарта IS-95, возможность одновременной работы подвижных станций в существующих сетях сотовой связи определяют перспективность развития сетей связи CDMA в регионах, где уже действуют сети связи стандартов.

Применение cdma в системах беспроводной связи типа will

В последние годы значительное внимание уделяется разработкам и внедрению систем беспроводной радиосвязи (WILL) для обслуживания стационарных абонентов в сельских и труднодоступных районах. В этой области известны разработки фирмы Motorola, Alcatel, Siemens и т.д.

При определённых условиях, связанных с количеством обслуживаемых абонентов и их удалённостью от телефонных сетей общего пользования (ТФОП), прокладка кабельных линий связи становится экономически неэффективной по сравнению с внедрением радиоканалов для соединения стационарных абонентов с ТФОП.

Обычно применение систем WILL считается целесообразным для обслуживания абонентов, удаленных от ТФОП на расстояния от нескольких километров до нескольких десятков километров. Одной из основных тенденций в разработке систем WILL является использование известных стандартов сотовой связи AMPS, N-AMPS, D-AMPS, GSM для топологического построения сетей беспроводной связи и разработки оборудования.

При этом многие алгоритмы функционирования сети и принципы построения оборудования связи упрощаются, так как исключаются все процедуры связанные с перемещением абонентов. В результате значительно снижаются стоимость абонентского оборудования и затраты на построение и эксплуатацию сети.

Как было отмечено ранее, системы CDMA имеют ряд преимуществ перед существующими сетями сотовой связи и позволяют повысить ёмкость сетей. Однако достоинства систем CDMA обеспечиваются усложнением процессов функционирования сети и абонентского оборудования, которые становятся незаметными при использовании передовых методов цифровой обработки сигналов, быстродействующих средств и современных технологий микроэлектроники.

Более сложные процессы функционирования сетей CDMA связаны с необходимостью обеспечения регулировки уровня мощности передатчика абонентской станции в процессе сеанса, а также использованием алгоритмов пространственного разнесения при приёме сигналов подвижной станции несколькими базовыми станциями в процессе мягкого переключения (Soft handoff) с последующей «склейкой» лучших кадров.

Реализация указанных функций в подвижной сети CDMA требует значительных затрат ресурсов связи, организации специальных каналов управления, создаёт дополнительные системные помехи, что в совокупности снижает количество обслуживаемых абонентов в соте.

В варианте сети беспроводной связи для фиксированных абонентов не требуется непрерывного управления регулировкой уровня мощности абонентских станций, уровень излучения может быть зафиксирован один раз при установке абонентской станции. Исключаются процедуры мягкого переключения и пространственного разнесения.

В целом технология CDMA при использовании её в сети WILL обеспечивает, по оценкам Motorola [15; 16], 18-20-кратное увеличение ёмкости по сравнению с сетью аналогового стандарта AMPS.

Как было отмечено, CDMA стандарта IS-95 может поддерживать одновременно 60 активных каналов на трёхсекторную соту.

Фиксированное размещение абонентских станций, применение направленных антенн в направлении от абонентской станции на базовую станцию позволяет реализовать 60-градусные соты, т.е. обеспечить одновременную работу 180 активных абонентов. При нагрузке от одного абонента до 0,025 Эрланга количество абонентов, обслуживаемых одной 60-градусной сотой, составит около 7000.

Принципы кодового разделения каналов

Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA – Code division Multiple Access) 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).

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 относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

• прямым расширением спектра частот;
• скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный сигнал (рис. 10.1) умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью t0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/t0 =N.

Скачкообразное изменение частоты несущей (рис. 10.2), как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

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

где х(t) – входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в данном случае белый шум) Затем величина Z сравнивается с порогом Z0.

Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 10.3) или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу.

При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами, амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП t0. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом автокорреляционной функции АКФ при совпадающих входной и опорной ПСП и взаимнокорреляционной функции ВКФ при отличающихся входной и опорной ПСП. На рис. 10.

Выбирая определённый ансамбль сигналов с “хорошими” взаимными и автокорреляционными свойствами, можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свертки ШПС) разделение сигналов. На этом основан принцип кодового разделения каналов связи.

В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу расширения спектра. В этом случае адресность абонентов определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот.

Радиосигнал, сформированный в этом случае (рис. 10.1) называется фазоманипулированным широкополосным сигналом (ФМн ШПС). Спектр частот ФМн ШПС на выходе формирующего устройства и на выходе усилителя мощности передатчика после фильтрации показаны на рис. 10.5.

Доминирующее значение в выборе вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи играют, прежде всего, взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объём, простота реализации устройства формирования и «сжатия» (свертки) сигналов в приёмнике.

В этой связи для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объёма ансамбля сигналов часто используют составные ПСП, сформированные, например, на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.

Создание систем сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением абонентов сдерживалось отсутствием технических и технологических возможностей по реализации малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств «сжатия» ШПС. В настоящее время эти проблемы успешно решены американскими фирмами Qualcomm, Inter Digital, Motorola.

На основе предложений фирмы Qualcomm в США принят стандарт IS-95 на систему сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов. В рамках европейской программы RACE разрабатывается проект CODIT (Code Division Testbed), основной целью которого является изучение потенциальных возможностей системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов как метода доступа для третьего поколения систем сотовой подвижной связи UMTS/FPLMTS.

Пришествие lte и смятение операторов

Если вы поняли важности GSM и CDMA, отлично! Теперь давайте полностью разрушим вашу самонадеянность, поговорив о новичке, LTE (долговременное развитие).

LTE — это новый стандарт, вошедший в моду за последние несколько лет. Хотя он и основан на принципах GSM, но всё же является отдельным стандартом, работающим вне сетей GSM и CDMA. Это настоящее четвёртое поколение передачи сотовых данных.

Шире всего LTE распространён в Южной Корее, где этот стандарт используется большей частью рынка, но он так же популярен в Японии, Австралии, Швеции и США. Пока что он в основном применяется для передачи данных, но LTE может послужить и в качестве замены традиционным сотовым сетям. Американская компания Verizon Wireless, например, сообщила о своих планах по выпуску LTE телефонов в конце 2022 года.

В этом стандарте используются SIM-карты, так что пользователи смогут переключаться на другие сети, если конечно устройство их поддерживает, просто сменив SIM-карту. Впрочем, сейчас LTE используется в основном для передачи данных, а не голоса. Это означает, что владельцы CDMA/LTE телефонов всё равно не смогут использовать другие сети.

Хотя у этого стандарта есть большой потенциал, на пути его распространения есть препятствия. За границами Южной Кореи, ни на одном из рынков LTE не занимает более четверти. Южная Корея, в общем, и Verizon Wireless в США фактически являются исключением из правила. На большинстве рынков, даже операторы, работающие с LTE, предлагают его только в ограниченных зонах.

Ещё существует проблема со спектром. Помните, что GSM/CDMA оперируют на множестве различных частот? То же самое справедливо для LTE. Вам придётся проверять, совместимость своего телефона с полосами частот, поддерживаемыми оператором, и вы не сможете использовать LTE телефон в другой сети с тем же стандартом, но отличными частотами.

Подведение итогов

Сделайте глубокий вдох. Пора подвести итоги всего сказанного.

Во-первых, ни GSM, ни CDMA не имеют преимущества друг перед другом с технической точки зрения. Они предназначены для одной цели, а качество сети зависит от оператора, а не используемого им стандарта.

Во-вторых, GSM телефоны можно разблокировать и использовать с другим оператором, тогда как CDMA привязаны к одному оператору. Обычно дешевле приобретать разблокированные GSM телефоны, чем CDMA устройства, связанные контрактами.

В-третьих, вам нужно внимательно проверять частоты, поддерживаемые телефоном. Большинство совместимы либо с GSM, либо с CDMA, и оба стандарта могут работать на различных полосах частот, зависящих от региона.

И наконец, LTE может стать глобальным стандартом, но становится жертвой ещё большего деления частот, чем GSM и CDMA. Эта технология сравнительно новая и пока внедрена недостаточно широко.

Надеюсь, что всё прояснил. Сотовые сети постоянно развиваются и стандарты, поддерживаемые телефонами, могут меняться из года в год. Не стесняйтесь задавать интересующие вас вопросы в комментариях.

Приятного просмотра!

Источник

Прямой канал

Прямой канал – это направление связи или путь нисходящей линии связи между сотами. Включает в себя следующие каналы –

• Канал пилот-сигнала. Канал пилот-сигнала является опорным каналом. Он использует мобильную станцию, чтобы приобрести время и в качестве опорной фазы для когерентной демодуляции. Он непрерывно передается каждой базовой станцией на каждой активной частоте CDMA. И каждая мобильная станция постоянно отслеживает этот сигнал.

• Канал синхронизации – Канал синхронизации передает одно повторяющееся сообщение, которое предоставляет информацию о времени и конфигурации системы мобильной станции. Аналогично, мобильная станция может иметь точное системное время посредством синхронизации с коротким кодом.

• Пейджинговый канал . Основная цель пейджингового канала – отправка страниц, то есть уведомлений о входящих вызовах, на мобильные станции. Базовая станция использует эти страницы для передачи служебной информации системы и сообщений, специфичных для мобильной станции.

• Прямой канал трафика – Прямые каналы трафика являются кодовыми каналами. Он используется для назначения вызовов, обычно голосового и сигнального трафика отдельным пользователям.

Канал пилот-сигнала. Канал пилот-сигнала является опорным каналом. Он использует мобильную станцию, чтобы приобрести время и в качестве опорной фазы для когерентной демодуляции. Он непрерывно передается каждой базовой станцией на каждой активной частоте CDMA. И каждая мобильная станция постоянно отслеживает этот сигнал.

Канал синхронизации – Канал синхронизации передает одно повторяющееся сообщение, которое предоставляет информацию о времени и конфигурации системы мобильной станции. Аналогично, мобильная станция может иметь точное системное время посредством синхронизации с коротким кодом.

Пейджинговый канал . Основная цель пейджингового канала – отправка страниц, то есть уведомлений о входящих вызовах, на мобильные станции. Базовая станция использует эти страницы для передачи служебной информации системы и сообщений, специфичных для мобильной станции.

Прямой канал трафика – Прямые каналы трафика являются кодовыми каналами. Он используется для назначения вызовов, обычно голосового и сигнального трафика отдельным пользователям.

Сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов стандарта is-95

Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым разделением каналов впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить ёмкость системы сотовой связи по сравнению с аналоговой не менее чем на порядок и соответственно увеличить эффективность использования выделенного спектра частот.

Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов Ассоциации промышленности связи (TIA):

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

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, выделенном для сотовых систем стандартов AMPS, N-AMPS и D-AMPS. (Стандарты TIA IS-19, IS-20; IS-54; IS-55, IS-56, IS-88, IS-89, IS-90, IS-553.)

Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA, поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не потребуется специального оборудования шифрования сообщений.

Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 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 и 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется свёрточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 МГц. Основные характеристики стандарта CDMA Qualcomm и технические параметры оборудования сетей приведены в таблице 10.1.

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 приёма на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции – 3 коррелятора.

Мягкий режим «эстафетной передачи» происходит за счёт 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, как показано на рис. 10.6.

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». Мягкое переключение обеспечивает высокое качество приёма речевых сообщений и устраняет перерывы в сеансах связи, что имеет место в сотовых сетях связи других стандартов.

На рис. 10.7 приведена обобщённая структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA, основные элементы которой (BTS, BSC, MSC , ОMC) аналогичны, используемым в сотовых сетях с частотным (NMT-450/900, AMPS, TACS) и временным разделением каналов (GSM, DCS-1800, PCS-1900, D-AMPS, JDC).

Таблица 10.1

Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA включены устройства оценки качества и выбора кадров (SU). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC.

Протоколы установления связи в CDMA , также как в стандартах AMPS N-AMPS, основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией – обратными (Reverse). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис. 10.8.

Прямые каналы в CDMA:

• ведущий канал – используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе;
• канал синхронизации обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения;
• канал вызова – используется для вызова подвижной станции. После приёма сигнала вызова подвижная станция передаёт сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передаётся информация об установлении соединения и назначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации);
• канал прямого доступа – предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

• канал доступа – обеспечивает связь подвижной станции к базовой станции, когда подвижная станция не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова (Paging Channel), команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова;
• канал обратного трафика – обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.

На рис. 10.9 показана процедура установления обычного соединения (входящий вызов к подвижной станции)

На рис. 10.10 показана процедура прохождения обычного вызова (исходящий вызов от подвижной станции).

Базовая станция одновременно может передавать 64 канала, из которых 2 канала используются для синхронизации, 7-для персонального вызова (Paging), остальные 55 – для передачи речевых сообщений (Traffic).

Для передачи всех 64 каналов применяется одна и та же псевдослучайная последовательность. В каждом канале при передаче используется одна из 64 последовательностей Уолша. При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов.

Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

В подвижных станциях ортогональные сигналы также используются при передаче, но не для уплотнения каналов, а для повышения их помехоустойчивости. В этом случае каждой группе из 6 бит информационного сообщения соответствует при передаче одна из 64 ортогональных последовательностей Уолша.

Помехи, создаваемые другими абонентскими станциями и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети стандарта CDMA. При разработке сети с кодовым разделением каналов необходимо свести к минимуму общий уровень помех.

Пусть в соте находятся К активных абонентов, все подвижные станции работают в общей полосе частот F, скорость передачи сообщений постоянна и равна С, чувствительность приемника базовой станции – Р0, уровень фонового шума – Рш. Тогда отношение сигнал/шум на входе приемника базовой станции (Рвх) определится выражением

где (К-1)* Р0 – уровень сигналов от других активных станций.

Отношение энергии бита Е0 информационного сигнала к спектральной плотности шума N0 может быть определено выражением

Учитывая, что отношение F/C численно равно базе сигнала В,

количество активных абонентов в соте системы CDMA определяется выражением

при условии, что уровни сигналов от всех абонентских станций на входе базовой станции будут приблизительно равны и близки к минимальным (Р0).

Рассмотренные условия работы системы CDMA определяют высокие требования к регулировке уровней мощности сигналов подвижных станций, принимаемых базовой станцией.

В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1дБ. Это обеспечивает возможность приема сигналов подвижных станций базовой станцией с практически одинаковым уровнем мощности независимо от удаления до базовой станции.

Высокие требования к регулировке уровня мощности подвижной станции можно отнести к недостатку системы Qualcomm . Вторым недостатком CDMA Qualcomm является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей сети, в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станций, которые находятся в соседних сотах разного размера. В этом случае также возникает проблема “эстафетной передачи”.

Стандарт CDMA обеспечивает большую ёмкость сети по сравнению с традиционными аналоговыми сотовыми сетями. Увеличение ёмкости может быть достигнуто двумя способами:

• увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;
• увеличением повторного использования каналов связи на данной территории.

Примером второго подхода является переход от частотного разделения каналов к временному, что реализовано в стандарте GSM. Допустимое отношение сигнал/помеха в каналах GSM составляет 9 дБ вместо 17-18 дБ для аналоговых систем, что позволяет обеспечить повторное использование частот при меньшем территориальном разносе базовых станций с повторяющимися частотами.

Стандарт CDMA позволяет использовать одну и ту же частоту по всей сети, во всех сотах. Коэффициент повторного использования частот для CDMA равен (k=1 или k=4), увеличение ёмкости в этом случае по отношению к AMPS составит 7-10 раз [15; 16].

Другим фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и, следовательно, увеличению её емкости является применение, аналогично GSM, системы прерывистой передачи речи на основе использования детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP и переменной скоростью преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой [15].

На интервале сеанса связи активная часть разговора составляет около 35%, 65% приходится на прослушивание сообщений с противоположной стороны и паузы [15]. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности речи приводит к дополнительному снижению системных помех и общему увеличению ёмкости системы CDMA.

Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами (рис. 11, 14). Используемые принципы приёма позволяют анализировать ошибки в каждом информационном кадре. Если количество ошибок превышает допустимый уровень, приводящий к недопустимому ухудшению качества речи, этот кадр стирается (frame erasure).

С частотой ошибок или « частой стирания битов» однозначно связано отношение энергии информационного символа к спектральной плотности шума E0 /N0/ На рис. 17 приведены зависимости вероятности ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения E0 /N0 (белый шум) для прямого обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения.

При увеличении количества активных абонентов в соте из-за взаимных помех отношение E0 /N0 снижается, а частота ошибок увеличивается. В этой связи разные фирмы принимают свои допустимые значения частоты ошибок. Например, фирма Motorola считает допустимой CDMA частоту ошибок в 1%, что соответствует с учетом замираний отношению E0 /N0= 7-8 дБ. При этом пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем AMPS.

Фирма Qualcomm за допустимую величину частоты ошибок принимает значение 3%. Это является одной из причин, по которым Qualcomm заявляет, что ёмкость CDMA в 20-30 раз превышает ёмкость аналоговых AMPS.

Отношение E0 /N0= 7-8 дБ и допустимая частота ошибок в 1% позволяет организовать 60 активных каналов на трехсекторную соту. Зависимость количества активных каналов связи (ТСН) для обратного канала от величины отношения E0 /N0 для трехсекторной соты показана на рис. 18 [17].

Управление питанием обратной линии связи

В дополнение к эффекту ближнего расстояния, описанному выше, непосредственной проблемой является определение мощности передачи мобильного устройства, когда оно впервые устанавливает соединение. До тех пор, пока мобильное устройство не вступит в контакт с базовой станцией, оно не имеет представления о количестве помех в системе.

Если он пытается передать большую мощность, чтобы обеспечить контакт, то он может создавать слишком много помех. С другой стороны, если мобильная станция передает меньше энергии (чтобы не мешать другим мобильным соединениям), мощность не может соответствовать E b / N 0, как требуется.

Как указано в стандартах IS-95, мобильное устройство действует, когда оно хочет попасть в систему, оно отправляет сигнал, называемый доступом .

В CDMA мощность передачи каждого пользователя распределяется мощностью управления для достижения той же мощности (Pr), которая принимается базовой станцией / BTS с помощью зонда доступа с низкой мощностью. Мобильная станция отправляет свой первый запрос доступа, затем ждет ответа от базовой станции. Если он не получает ответа, то второй запрос доступа отправляется с более высокой мощностью.

Процесс повторяется до тех пор, пока базовая станция не ответит. Если сигнал, на который отвечает базовая станция, имеет высокий уровень, то мобильная станция соединяется с базовой станцией, которая находится ближе к мобильной ячейке с низкой мощностью передачи.

Описанный выше процесс называется управлением мощностью без обратной связи, поскольку он управляется только самой мобильной станцией. Управление мощностью в разомкнутом контуре начинается, когда первая мобильная станция пытается связаться с базовой станцией.

Этот регулятор мощности используется для компенсации медленных эффектов затенения переменных. Однако, поскольку задняя и прямая линии связи находятся на разных частотах, оценка мощности передачи не дает точного решения для управления мощностью из-за потерь в тракте к передней части базовой станции. Это управление мощностью не срабатывает или слишком медленно для быстрых каналов Рэлея.

Мощность управления с обратной связью используется для компенсации быстрого изменения цвета Рэлея. На этот раз мощность мобильной передачи контролируется базовой станцией. Для этого базовая станция постоянно контролирует качество сигнала обратной линии связи.