Подробнее о технологии
Рис. 1 Рис. 2 и 3 Рис. 4 и 5 Продолжение
Добро пожаловать в мир CDMA!

В технике радиосвязи на сегодняшний день существует три способа (метода) разделения каналов. Это FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access).

1. Технология FDMA (Frequency Division Multiple Access), или в русскоязычном варианте МДЧР (Множественный Доступ с Частотным Разделением каналов), осуществляет манипуляцию только одним параметром информационного сигнала – частотой. Каждому каналу выделяется своя достаточно узкая полоса (20…25 КГц) в спектре (диапазоне) частот. Между этими полосами существуют ещё дополнительные частотные интервалы – защитные, уменьшающие взаимовлияние одних каналов на другие. Разнос между приёмом и передачей выполняется также по частоте – FDD (Frequency Division Duplex). Технология FDMA/FDD лежит в основе аналоговых стандартов сотовой связи, например NMT-450 и С-450.

Недостатками такого метода разделения каналов являются:

- узкополосность информационного канала, а значит и чувствительность его к селективным замираниям (низкая помехоустойчивость);
- нерациональное использование участков спектра (диапазона) частот – сложности в использовании одних и тех же участков спектра на одной территории;
- проявление некомфортных шумов в низкочастотной части разговорного тракта.

К достоинствам можно отнести следующее:

- относительная простота реализации;
- высокое качество в низкочастотной части разговорного тракта по такому параметру, как тембральный окрас речи (влияет на узнаваемость говорящего) при условии отсутствия значительных помех – близко к качеству в каналах проводной телефонии.

2. Технология TDMA (Time Division Multiple Access), или в русскоязычном варианте МДВР (Множественный Доступ с Временным Разделением каналов), манипулирует уже двумя параметрами информационного сигнала – частотой и временем. В данном случае каждому каналу назначается более широкая (относительно FDMA) полоса частот (до 200 КГц), которая в свою очередь разбивается на логические каналы (разнесённые по времени!). Разнос между приёмом и передачей может выполняться как по частоте – FDD (Frequency Division Duplex), так и по времени TDD (Time Division Duplex). Технология TDMA/FDD используется в цифровых стандартах сотовой связи, например GSM-900/1800 и D-AMPS. А технология TDMA/TDD лежит в основе стандарта DECT – цифровой беспроводной телефонии!

К достоинствам этого метода можно отнести следующее:

- более высокая помехозащищённость (в сравнении с FDMA), достигнутая за счёт оцифровки информационного сигнала, практическое отсутствие НЧ шумов в НЧ части разговорного тракта;
- возможность повторного использования одних и тех же полос частот на одной территории – более высокий коэффициент повторного использования.

Недостатками же являются:

- сохраняющаяся узкополосность (относительная), и как следствие – подверженность селективным замираниям, что проявляется в виде «кваканья» и «бульканья» (выпадения полезного сигнала) в НЧ части разговорного тракта;
- малоэффективное использование спектра частот – сохранение процедуры частотного планирования.

3. Технология же CDMA (Code Division Multiple Access), или в русскоязычном варианте МДКР (Множественный Доступ с Кодовым Разделением каналов), манипулирует всеми тремя параметрами информационного сигнала – частотой, временем и энергией! Канал CDMA является уже реально широкополосным (мин. ширина полосы частот 1,23 МГц!). Частотный канал разбивается на несколько десятков логических, передача и приём по которым осуществляется в одной полосе частот и одновременно! На передаче сигналы от различных источников обрабатываются каждый своим «кодом» и объединяются в широкополосный сигнал с распределенной энергией, а на приемной стороне разделяются с помощью аналогичных «кодов». Основная идея заключается в том, что в одной и той же полосе частот создаются сигналы, не влияющие друг на друга. В отличие от FDMA и TDMA, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Одна и та же полоса частот используется всеми каналами одновременно! Данный метод нашел применение при создании стандартов цифровой сотовой связи IS – 95, IMT MC-450, UMTS.

К достоинствам этого метода относятся:

- высокая помехозащищённость канала связи;
- высокая конфиденциальность передаваемых сообщений (более сложный цифровой радиоинтерфейс);
- высокое качество в разговорном тракте – отсутствие некомфортных шумов и выпадений полезного сигнала, сочный тембральный окрас речи говорящего;
- высокая скорость передачи данных;
- высокая эффективность использования спектра частот – отсутствие частотного планирования и повторное использование одних и тех же полос частот на одной территории;
- высокая экологичность терминального оборудования (сотовых телефонов) – их мощность передачи в несколько раз меньше мощности телефонов такого же класса других стандартов;
- высокая пропускная способность CDMA-сети.

К недостаткам же относятся:

- сложное системное планирование (размещение базовых станций на местности);
- многоступенчатое управление мощностью передачи мобильной станции (в IS-95 восемьдесят(!) ступеней управления) – для снижения внутрисистемных помех;
- жёсткие требования к синхронизации CDMA-сети и отсутствие многовариантности систем синхронизации.

Наглядно различие методов (способов) разделения (или доступа к) каналов(ам) связи продемонстрировано на Рис. 1 (автор кандидат технических наук Юрий Громаков).


1. Понятие о ШПС

Принципы кодового разделения каналов связи основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, как, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов – FDMA (NMT-450, AMPS). Основной характеристикой ШПС является база сигнала B, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность T:

B = F * T

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением :

Т = 1/C

Поэтому база сигнала характеризует расширение спектра ШПС (SШПС) относительно спектра сообщения и может быть определена как :

B = F/C

2. Способы получения ШПС

Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений можно осуществить двумя способами или их комбинацией :

1.прямым расширением спектра частот;

2.скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный информационный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью tO каждый. При этом база ШПС численно равна количеству элементов ПСП :

B = T/tO = N

Достаточно наглядно это продемонстрировано на рисунках к.т.н. Ю. Громакова (смотри Рис. 2).

Скачкообразное изменение частоты несущей, как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования ПСП (см. Рис. 3).
Прием ШПС осуществляется оптимальным приемником с корреляторами. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра ШПС путем умножения его на эталонную копию ПСП с последующей фильтрацией в полосе 1/T, что и приводит к улучшению соотношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. Выбирая определенный ансамбль сигналов с «хорошими» взаимными и автокорреляционными свойствами, можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свертки ШПС) разделение сигналов. На этом и основан принцип кодового разделения каналов связи.

3. ПСП и их виды

В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, получаемые методом прямого расширения спектра. В этом случае адресность абонентов определяется формой ПСП, используемой для расширения спектра частот. Радиосигнал, сформированный в этом случае, называется фазоманипулированным широкополосным сигналом (ФМн ШПС). При выборе вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи определяющее значение имеют:

- взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объем;

- простота реализации устройств формирования и “сжатия” сигналов в приемнике.

Поэтому для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объема ансамбля сигналов часто используются составные ПСП, сформированные на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.

4. Основные технические характеристики CDMA (IS-95)

Технические требования к системе CDMA сформулированы 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 – службы передачи данных.

Основные технические характеристики CDMA приведены ниже:

Диапазон частот передачи базовой станции (BTS): 869,040 – 893,970
МГц

Диапазон частот передачи мобильной станции (MS): 824,040 – 848,860 МГц

Дуплексный разнос частот приёма и передачи: 45 МГц

Относительная нестабильность fНЕС BTS: 5*10-8

Относительная нестабильность fНЕС MS : 2,5*10-6

Вид модуляции несущей частоты: QPSK (BTS), O-QPSK (MS)

Ширина спектра излучаемого сигнала:по уровню минус 3 дБ, по уровню минус 40 дБ: 1,25 МГц, 1,50 МГц

Тактовая частота ПСП: 1,2288 МГц

Количество элементов в ПСП: для BTS, для MS: 32.768 бит; 2 в 42-степени – 1 бит

Количество каналов BTS на одной несущей: 1 пилот-канал, 1 канал синхронизации, 7 каналов перс. вызова, 55 каналов связи (трафика)

Количество каналов MS: 1 канал доступа, 1 канал связи

Скорость передачи данных: в канале синхронизациив, канале перс. вызова и доступа, в каналах связи: 1200 бит/c; 9600, 4800 бит/c; 9600, 4800, 2400, 1200 бит/c

Кодирование в каналах передачи BTS: сверточный код r = 1/2 , К= 9

Кодирование в каналах передачи MS: сверточный код r = 1/3 , К= 9, 64-ичное кодирование ортог. сигналами Уолша

Отношение энергии бита информации к спектральной плотности шума: ЕО/NO) 6 – 7 дБ

Мах эффективная излучаемая мощность BTS: до 50 Вт

Мах эффективная излучаемая мощность MS: 1 класс, 2 класс, 3 класс: 6,3 Вт; 2,5 Вт; 1,0 Вт

Точность управления мощностью передатчика MS: 0,5 дБ

Скорость работы вокодера с алгоритмом CELP: 13 Кбит/c, 8 Кбит/c, 4 Кбит/c

Радиус соты: 35 км

Схема организации каналов: CDMA/FDD

В России определены «Технические требования к оборудованию CDMA», утвержденные МС РФ.

5. Принципы работы оборудования CDMA

В каждом логическом канале БС при передаче используется одна из 64 последовательностей Уолша. При передаче всех 64 каналов (групповой CDMA – сигнал или физический широкополосный канал) применяется одна и та же групповая ПСП. В соседних сотах она имеет другой циклический сдвиг. Это значит, что все каналы одной несущей передаются одновременно и в одной полосе частот.

При передаче каждая мобильная станция использует в первичном модуляторе одну из 64 последовательностей Уолша, при окончательной модуляции - одну и ту же ПСП с разными циклическими сдвигами, что даёт возможность БС при приёме чётко разделять сигналы различных мобильных станций.

Для передачи речевых сообщений в абонентской станции используется речепреобразующее устройство (вокодер) с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 13(8) Кбит/с.

В каналах системы CDMA применяется свёрточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от БС) и 1/3 (в каналах от АС), а также перемежение передаваемых сообщений.

В стандарте IS-95 используется раздельная обработка отражённых сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает влияние эффекта многолучёвости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приёма на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции – 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим «эстафетной передачи» (Soft Handoff или мягкий хэндовер) при переходе из соты в соту.

Мягкий хэндовер происходит за счёт управления подвижной станции двумя или более базовыми станциями. Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами. Транскодер, входящий в состав основного оборудования проводит оценку качества приёма сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. 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. 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» (хэндовере).

На Рис. 4 показан спектр CDMA-сигнала (полосу частот, занимаемую им) для двух конфигураций БС. В первом случае БС использует одну несущую частоту (fНЕС) и занимает полосу шириной 1,5 МГц. Во втором случае БС использует уже две несущих и занимает полосу шириной 3,0 МГц. Показано также, что минимальный защитный интервал между полосами частот при работе на двух несущих равен 20 КГц (минимальный разнос между несущими 1,25 МГц). При таких параметрах система ещё работоспособна. Очевидно, что во втором случае ёмкость БС в два раза выше, так как используются два частотных канала, а значит общее число CDMA-каналов трафика в два раза больше.

Для сравнения в GSM один частотный канал занимает полосу 200 КГц и содержит 8 логических каналов (эффективность использования спектра 40 каналов на 1 МГц). Коэффициент повторного использования спектра К=3. В IS-95 один частотный канал (1,5 МГц) содержит 64 логических канала (эффективность использования спектра 42 канала на 1 МГц). Коэффициент повторного использования спектра К=1. В аналоговом стандарте ССПР NMT-450 используются только физические каналы с шириной полосы 25(20) КГц (эффективность использования спектра 40(50) каналов на 1 МГц). Коэффициент повторного использования спектра К=7. (нажми "Продолжение" наверху страницы).



Hosted by uCoz
Яндекс.Метрика