Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

Рис. 44. Схема передачи о прямом канале сdmaOne

Далее поток перемножается с 42-разрядным числом, так называемой маской длинного кода, фактически — идентификационным номером мобильной станции (речь идет о канале передачи трафика, в каналах другого типа маска может формироваться иначе). Это элемент дополнительной криптозащиты. Наконец, поток расширяется посредством последовательностей Уолша (каждый бит пере­множается на 64'разрядную последовательность). Каждому из 64 каналов соот­ветствует определенная последовательность. Первая последовательность Уолша закреплена за пилотным каналом.

После расширения последовательностями Уолша скорость потока становится 1,2288 Мбит/с (если быть точным — не бит, а чипов, поскольку бит — понятие информационное, а элементы модулированных последовательностей называют чипами). В результате каждому информационному биту исходного потока соот­ветствует 128 чипов выходной последовательности. Выигрыш в отношении сиг­нал/шум для расширенного и исходного сигнала составляет 101gl28 = 21 дБ. Если принять, что на входе приемника допустимо соотношение сигнал/шум в ЗдБ, то передачу теоретически можно вести при уровне сигнала на 18 дБ ниже уровня интерференционных помех.

Прежде чем попасть на модулятор, сигнал дополнительно расширяется псев­дослучайной последовательностью с так называемым коротким кодом (период 215 - 1) и раскладывается на квадратурные составляющие. Несущая модулиру­ется методом четырехпозиционной фазовой манипуляции - QPSK. Поскольку последовательности Уолша взаимно ортогональны, итереференционные помехи между каналами одной БС практически отсутствую. Передача ведется пакетами длительностью 20 мс.

Восходящий канал де­лится на 242- 1 логичес­ких каналов. Каждой мо­бильной станции присво­ен свой уникальный ло­гический канал на основе так называемого идентификаци­онного номера. Спектр сиг­нале и обратном канале расширяется на основе так называемых m-последовательностей (длинного ко­да). Их генерация происходит в 42-разрядном сдвиговом регистре с обратными связями (рис. 45).

Если начальные значения по всех т узлах регистра не равны 0, генератор на его основе будет выдавать периодическую псевдослучайную последовательность длиной 2m -1. Отличительная особенность m-последовательностей - сумма по модулю 2 (операции «исключающее ИЛИ») m-последовательности с той же по­следовательностью, смещенной по фазе, даст ту же самую последовательность. но с другим фазовым сдвигом (M(t/T) в M(t/T + φ1) M(t/T + φ2)).

Pис. 45. Пикосеть с одним подчинённым устройством (а), несколькими (б) и распределенная сеть (в)

Благодаря этому свойству, с помощью идентификационного номера маски длинного кода можно задавать начальную фазу последовательности (рис. 46). Таким образом, вся система использует один вид псевдослучайной последовательности (ПСП) с очень большим периодом повторения, а селекция логических каналов происходит за счет выбора ее фазы. ПСП обладают всеми свойствами случайных последовательностей с высокой автокорреляцией при совпадении фаз.

Передача в восходя­щем канале во многом аналогична передаче в нисходящем (рис. 47). Входная информации пос­ле сверхточного кодиро­вания (со скоростью кодирования 1/3). повторителя и блока перемежения попадает в блок oртогональной модуляции, каждая группа из 6 бит заменяется соответствующей 64-разрядной последовательностью Уолта. Далее поток последовательностей Уолша перемножается на ПСП (длинный код).

При этом каждый элемент последовательности Уолша пре­образуется в четыре элемента ПСП. Затем поток квадратизируется посредством так называемого коротких) кода с периодом 2 15 — 1. Короткий код необходим для первичной синхронизации МТ с БС.

Рис. 46. Генератор длинного кода с заданным фазовым сдвигом в cdmaOne

Рис. 47. Схема передачи в обратном канале cdmaOne

Получающиеся в итоге две последовательности имеют период повторения по­рядка 257, что при скорости цифровое потока 1,2288 Мчип/с эквивалентно 3700 годам. Они используются для модуляции несущей. В восходящем канале при­меняется квадратурная фазовая модуляция со сдвигом О-QPSK, каждому символу соответствуют два бита. Этот вид модуляции позволяет сни­зить требования к линейности усилителей передающею тракта МТ. В результате всех преобразований каждый бит исходного сообщения заменяется 256 элемента­ми транслируемой последовательности.

Прием сигналов происходит в обратном порядке. Дня выделения «своего» сиг­нала используют цифровые корреляторы, вычисляющие корреляционную функ­цию с заданной последовательностью Уолша (в МТ) либо с m-последовательностью (БС) в заданной фазе. МТ обычно содержит несколько корреляторов для рабо­ты одновременно с несколькими базовыми станциями. Это важно при переходе из соты в соту, когда терминал принимает сигналы от различных БС и, сравни­вая их качество, выбирает предпочтительную. Кроме того, несколько коррелято­ров обеспечивают прием при многолучевом распространении сигнала, что может улучшить качество связи.

Важная особенность стандарта К-95 - гибкое управление мощностью излу­чения МТ. В пределах соты уровни принимаемых БС сигналов должны быть одинаковыми независимо от удаления МТ. Для этого мощность МТ регулирует­ся по специальному алгоритму в диапазоне порядка 80 дБ с шагом 1 дБ каждые 1,25 мс. Кроме того, в IS-95 скорость работы голосового кодека не постоянна, как в GSM, а может меняться в зависимости от интенсивности речи от 8 до 1,2 кбит/с. Эти особенности позволяют очень гибко регулировать загрузку в сети, не загру­жая соту избыточной информацией-

Одна БС может поддерживать до 64 каналов. Однако часть из них слу­жебные: пилотный, синхронизации, вызова. Оказывают влияние и соседние БС. Однако при фиксированной связи БС поддерживает До 40 45, при подвижной -до 25 каналов передачи трафика. И все это на одной частоте! Технология CDMA требует точной, до микросекунд, синхронизации БС. Для этого используют сигналы глобальной системы позиционирования GPS. Радиус соты — до 20 км, се­тевая инфраструктура — ANSI-41.

Третье поколение сотовой связи. Основной недостаток систем мобильной связи второго поколения — низкая ско­рость передачи данных — 9,6-14,4 кбит/с. В рамках же ШТ-2000 стояла задача достичь в сетях 3G скорости потока до 2 Мбит/с для малоподвижных абонен­тов и до 384 кбит/с — для мобильных. В мире сформировались два глобаль­ных партнерских объединения, формирующих стандарты 3G, — 3GPP и 3GPP2 (3G Partnership Project). В первое вошли ETSI (Европа), подкомитет Р1 телекоммуникационною комитета ANSI (США), АШВ и ТТС (Япония), SWTS (Ки­тай) и ТТА (Южная Корея). Участники 3GPP сумели согласовать особенности своих подходов к технологии широкополосной CDMA (WCDMA) с частотным (FDD) и временным (TDD) дуплексированием, представив ITU проекты ШТ-DS и IMT-TC соответственно. В основу легло европейское предложение UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access, радиоинтерфейс наземного доступа к системе UMTS) - UTRA FDD и UTRA TDD. Отметим, что в качестве одного из стандар­тов IMT-2000 предложено дальнейшее развитие технологии микросотовых сетей DECT (проект IMT-FT).

Члены объединения 3GPP2 предлагают фактически эволюционный путь — варианты развития технологий DAMPS (UWC-136) и cdmaOne (cdma2000). Дан­ные предложения представлены ITU как проекты IMT-SC и IMT-MC.

Таким образом, наметилось два пути: революционный — там, где есть свобод­ный частотный ресурс, и эволюционный - в остальных регионах. Рассмотрим их.

В 1996 году в городе Чиста (Швеция) компания Ericsson запустила первую опытную сеть с технологией WCDMA. Эта технология легла в основу проекта на­земного мобильного сегмента европейской универсальной системы телекоммуни­каций UMTS. Было предложено два варианта WCDMA — с частотным и времен­ным разносом прямого и обратного каналов (FDD WCDMA и TDD WCDMA) со­ответственно для парного (предполагается 2110 2170 и 1920-1980 МГц) и непар­ного спектра частот.

Технология основывается на расширении спектра методом прямой последова­тельности в полосе 5 МГц па канал. Изначально определенная скорость потока чипов 4,096 Мчип/с для согласования с другими стандартами была снижена до 3,84 Мчип/с. Таким образом, система может поддерживать требуемые 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и 384 кбит/с — для мобильных. Предусмотрена возможность применения интеллектуальных антенных систем (Smart-антенн с цифровым формированием диаграммы направленности). Принципы технологии FDD WCDMA во многом аналогичны cdmaOne (конечно, WCDMA — гораздо сложнее). Одно из принципиальных отличий — сеть на базе FDD WCDMA мо­жет быть асинхронной (возможен и синхронный режим).

Для случаев, когда спектральный диапазон ограничен — нет возможности выделять частоты под парные каналы 5 МГц, — проработана версия WCDMA TDD с временным дуплексированием каналов. Принцип прост: весь временной диапазон представляет последовательность равных канальных интервалов. В те­чение каждого из них в каждом из логических каналов (с кодовым разделением) происходит передача в одном направлении — от БС или от МТ. Таким образом, в определенные промежутки все каналы — либо восходящие, либо нисходящие. Соотношение и последовательность восходящих/ нисходящих канальных интер­валов может гибко изменяться в зависимости от интенсивности трафика в обе стороны. Это крайне важно для многих приложений с асимметричной передачей данных (например, доступ в Интернет). По сравнению с FDD WCDMA сети с TDD должны быть синхронными, в остальном же их параметры практически совпадают.

Развитием метода WCDMA TDD стала система TD-SCDMA, созданная сов­местно компанией Siemens и китайской Академией телекоммуникационных тех­нологий (China Academy of Telecommunications Technology CATT). Это стан­дарт физического уровня беспроводных сетей 3G, одобренный ITU и объедине­нием стандартизирующих организаций 3GPP как часть пула стандартов UMTS. TD-SCDMA (технология CDMA с одной несущей и временным дуплексированием) ориентирована для работы в зонах с высоким дефицитом частотного ре­сурса — именно такова ситуация в КНР, связанная с высочайшей плотностью населения (в несколько раз выше, чем в густонаселен ной Европе).

Сама технология доступа представляет собой комбинацию трех механизмов: временного разделения дуплексных каналов (TDD), временного мультиплекси­рования каналов (TDMA) и кодового мультиплексирования каналов (CDMA). Обмен происходит циклически повторяющимися кадрами (фреймами) длитель­ностью 5 мс, разделенными на семь временных интервалов (тайм-слотов). Кро­ме того, в каждом тайм-слоте возможно формирование до 16 CDMA-каналов на основе 16 кодовых последовательностей. Важнейшая особенность — преду­смотрена возможность гибкого распределения тайм-слотов исходя из фактиче­ски передаваемого трафика. Например, в асимметричных приложениях (доступ в Интернет) для восходящего канала можно выделить один тайм-слот, для нис­ходящего - остальные шесть.

Ширина одной полосы TD-SCDMA 1,6 МГц. Скорость передачи модуляци­онных символов 1,28 Мчип/с. Это, вместе с переменным числом тайм-слотов во фрейме, назначенных одному соединению, позволяет добиваться скорости пере­дачи данных в широчайшем диапазоне: от 1,2 кбит/с до 2 Мбит/с. Заявленная дальность передачи — 40 км, допустимая максимальная скорость движения мо­бильного абонента не менее 120 км/ч.

Важнейшее достоинство TD-SCDMA — эффективное использование спектра. В технологиях с частотным разносом восходящего/нисходящею каналов на одно соединение всегда выделяются две частотные полосы. И проблема не только в том, что эти две полосы с разносом в 45-220 МГц еще надо найти. При асим­метричной передаче (а именно таковы многие мультимедийные приложения) ча­стотный ресурс одного из каналов в большой степени фактически пропадает, поскольку для соединения назначается два частотно-разнесенных канала: при­емный и передающий. В случае TD-SCDMA такого не происходит, поскольку частотная полоса одна и соотношение входящего/нисходящею трафика можно гибко варьировать.

Не менее важно, что разработчики TD-SCDMA предусмотрели ее гибкую интеграцию с GSM-сетями, а также мягкий переход к WCDMA-сетям благодаря поддержке сигнализации и протоколов верхних уровней как GSM, так и WCDMA. Более того, первые телефоны стандарта TD-SCDMA были двухмодовыми, на основе GSM-чипсета с дополнительной СБИС поддержки TD-SCDMA.

WCDMA (UMTS) изначально разрабатывалась как замена сетей GSM с возможностью плавного перехода. Поэтому ее сетевая инфраструктура совместима с MAP/GSM. Кроме того, она ориентирована на глобальные сети с пакетной коммутацией (IP, Х.25). Операторы могут создавать «островки» WCDMA в осо­бо густонаселенных районах, постепенно расширяя их. Поэтому все абонентские терминалы для WCDMA в Европе будут поддерживать GSM. Однако первая сеть WCDMA начала действовать в Японии (оператор — компания NTT DoCoMo) в 2002 году, где телефонов GSM никогда не было. Для японских операторов WCDMA привлекательна из-за ее высокой абонентской емкости.

Уже действующие сети — это построенная инфраструктура, сформированная и развивающаяся абонентская база и, что самое главное, — огромные вложен­ные средства и определенная инвестиционная перспективность (если, конечно, сеть успешна). Не менее важно, что за оператором сети закреплен частотный диапазон. Поиск путей усовершенствования происходит постоянно. Однако, пре­жде чем строить принципиально новую сеть (WCDMA), необходимо рассмотреть возможности развития существующих.

Значительный потенциал заложен в стандарте IS-95. Прямым его развитием стала спецификация IS-95b. Она позволяет объединять до восьми логических каналов. Теоретически достижимая скорость при этом 14,4 х 8 = 115,2 кбит/с Реально работающие сети IS-95b обеспечивают передачу до 64 кбит/с.

Следующий шаг развития IS-95 — проект cdma2000, который в итоге должен удовлетворять требованиям IMT-2000. Предусматривалось три стадии развития cdma2000: 1X, ЗХ и cdma2000 DS (прямая последовательность). Последний вари­ант технически аналогичен WCDMA, и потому работы над ним были прекращены.

CDMA IX (CDMA 1XRTT) позволяет увеличить число логических каналов до 128 в той же спектральной полосе 1,25 МГц. При этом реальная скорость — до 144 Мбит/с. Первая такая сеть была организована в Южной Корее (оператор — SK Telecom).

Компания Qualcomm предложила технологию увеличения скорости HDR (High Data Rate). Ее основная идея — гибкое увеличение числа положений вектора сиг­нала (символов) при фазовой модуляции, следовательно, увеличение числа бит на символ. В стандартной модуляции несущей в CDMA (квадратурная фазовая, QPSK) используются четыре символа, каждый определяет два бита. Если увели­чить число возможных символов до восьми (8PSK), каждый отсчет сигнала будет определять три бита и скорость передачи возрастет в полтора раза. Очевидно, что чем хуже условия связи, тем меньше символов может распознать приемник (т.е. тем больший фазовый сдвиг способен распознать его детектор). Поэтому в зависимости от зашумленности эфира вид модуляции в HDR меняется. Техно­логия HDR позволяет достигать пиковых скоростей порядка 2,4 Мбит/с в стан­дартной полосе 1,25 МГц. О работе над аналогичной технологией — lXtreme -заявила и компания Motorola.

Спецификация CDMA ЗХ — вторая фаза проекта cdma2000. Обозначение ЗХ указывает на утроение спектральной полосы канала cdmaOne: 1,25 х 3 = 3,75 МГц. При этом в обратном канале происходит передача методом прямой последовательности к полосе 3,75 МГц. В прямом же кашле данные передаются параллельно по трем стандартным IS-95 каналам шириной 1,25 МГц (технология с несколькими несущими, МС) (рис. 48). В результате скорость может превы­шать 2 Мбит/с. Поскольку технология базируется на IS-95, БС в сетях cdma2OU0 требуют синхронизации. Существенно, что вполне возможно дальнейшее мас­штабирование: 6Х, 9Х и т.д. с соответствующим ростом производительности или емкости.

Важнейшая особенность cdma2000 - его полная совместимость с предыду­щими фазами, вплоть до cdmaOne. He требуется нового частотною диапазо­на и существенного изменения аппара­туры. Фактически возможно плавное улучшение параметров существующих сетей IS-95 до требований IMT-2000. Правда, возникает глобальная пробле­ма: совместимость стандартов cdma2000 и WCDMA. Причем как на уровне тер­миналов, так и сетевой инфраструкту­ры (MAP/GSM и ANSI-41). Впрочем, обе технологии поддерживают протокол IP, что может стать для них объединя­ющей платформой.

Отметим, что, поскольку в России сетей CDMA практически нет, казалось, что вариант cdma2000 с его достоинствами не для нас. Однако это утверждение опровергнуто появлением сетей стандарт cdmа2000-450, работающих в диапазоне 450 МГц. Они пришли на сме­ну сетям аналогового сотового стандарта NMT-450.

Рис. 48. Спектр сигналов в технологии cdma2000 ЗХ

Плавный переход к сетям 3G крайне привлекателен и для операторов сетей с технологией ТОМА - GSM и DAMPS. Методов повышения быстродействия сетей GSM несколько. Изначальная скорость передачи данных в них составля­ла 9,6 кбит/с. Однако но каждому каналу через 4,615 мс передается эквивалент 156-разрядного пакета, следовательно, максимально возможная теоретическая скорость в GSM-канале 33,8 кбит/с. Существенная доля этой полосы отведе­на для служебной информации, сигнализации, а также алгоритмов защиты от ошибок и криптозащиты. Оставшаяся часть полосы используется для передачи оцифрованной речи со скоростью 13 кбит/с. Скорость передачи данных еще ни­же, поскольку при стандартной схеме они следуют через речевой кодек. Изменив алгоритм защитного кодирования, удается увеличить скорость до 14,4 кбит/с.

Следующим шагом стало введение схемы HSCSD (высокоскоростная пере­дача данных по коммутируемым каналам). Она предусматривает объединение нескольких канальных интервалов. Так, при объединении двух интервалов воз­можна скорость 19,2 (9,6 х 2) и 28,8 (14,4 х 2) кбит/с. Для этого в основном необходимы изменения в программах поддержки протоколов, не затрагивающие аппаратной части и инфраструктуры сети. Более высокие скорости (например, 9,6 х 4 = 38,4 кбит/с) требуют модернизации аппаратуры мобильных телефонов. Дальнейшее увеличение скорости, например до 76,8 кбит/с (9,6 х 8), ограничено сетевой инфраструктурой (64 кбит/с в канале между БС и коммутатором).

«Прорывным» стало внедрение технологии пакетной передачи GRPS — даль­нейшего развития HSCSD. В самом деле, для сотовых систем второго поколения сеть с коммутацией каналов — атавизм. Введение пакетной коммутации делает мобильные сети легко совместимыми с IP- и Х.25-сетями, создавая тем самым прекрасную платформу для перехода к WCDMA.

При пакетной коммутации данные передаются через свободные от речево­го трафика канальные интервалы. Совершенно реальными становятся скорости свыше 100 кбит/с (теоретический предел — 33,8 х 8 = 270,4 кбит/с). Мобиль­ный терминал может одновременно поддерживать голосовое соединение и обмен данными без ухудшения качества речи.

Одно из важнейших достоинств пакетной коммутации — очень быстрое уста­новление соединения. Абонент занимает канал только в момент передачи. Поэто­му тарификация может происходить на основе реально переданной информации (числа пакетов), а не пропорционально времени нахождения в сети, как при ком­мутации каналов. Скорости обмена могут гибко меняться. Кроме того, пакетный режим позволяет мобильному телефону работать как персональная радиостан­ция в режиме постоянно установленного соединения (виртуального), т.е. можно разговаривать, не нажимая ни на какие кнопки. Голос при этом передается по IP-протоколу в пакетном режиме, используя технологию GPRS. Поскольку тра­фик расходуется только при непосредственной передаче данных, все остальное время телефон остается «на связи» (точнее, в состоянии постоянной готовности к связи, собственно соединение при GPRS устанавливается за пренебрежимо малое время), но пользователь за это не платит.

Чтобы внедрить технологию GRPS в существующие сети GSM, их инфра­структуру достаточно дооснастить оборудованием пакетной передачи (основные устройства шлюзовые и управляющие узлы, GGSN и SGSN), а каждый GSM-контроллер — блоками управления пакетной связью (PCU). Развивать GRPS-сеть можно постепенно, оснащая ее узлами GGSN и SGSN.

Дальнейшим развитием пакетной передами стала технология EDGE (Enhanced Data for Global Evolution, изначально вместо Global стояло GSM). В ее основе — изменение метода модуляции несущей и адаптивная схема защитного кодирования. Напомним, в GSM применяется модуляция GMSK с одним битом па символ.

В EDGE предусмотрена модуляция 8PSK с тремя битами на символ. Таким об­разом, скорость передачи утраивается. Предусмотрено два режима EDGE: с ком­мутацией пакетов (EGRPS, Enhanced GRPS) и с коммутацией каналов (ECSD, Enhanced Circuit Switched Data). Скорости в одном канале передачи увеличива­ются соответственно до 69,2 и 38,4 кбит/с. В режиме коммутации каналов воз­можно объединение канальных интервалов, как в технологии HSCSD.