Сотовые системы подвижной связи

Антенный блок включает в себя антенну (в простейшем случае четвертьволновой штырь) и коммутатор прием/передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как ПС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок-схема подвижной  станции (рис. 3) является упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник ПС включают соответственно блоки шифратора и дешифратора сообщений. В ПС системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM). Подвижная станция системы GSM включает также детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В необходимых случаях в ПС могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Блок-схема аналоговой ПС проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и  кодеков, но сложнее за счет более  громоздкого дуплексного антенного  переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и на прием.

Интерфейсы  сотовой связи

В каждом стандарте  сотовой связи используется несколько  интерфейсов, в общем случае различных  в разных стандартах.

Предусмотрены свои интерфейсы для связи ПС с БС, БС - с ЦК (а в стандарте GSM - еще  и отдельный интерфейс для  связи приемопередатчика БС с  КБС), центра коммутации - с домашним регистром, с гостевым регистром, с  регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие.

Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения  совместимости аппаратуры разных фирм- изготовителей, что не исключает возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Интерфейс обмена между  ПС и БС носит название эфирного интерфейса или радиоинтерфейса (air interface) и для двух основных стандартов цифровой сотовой связи (D-AMPS и GSM) обычно обозначается одинаково - Dm, хотя организован по-разному. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Данное обстоятельство позволяет ПС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роуминга. Стандарты эфирного интерфейса разрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

Сотовые сети стандарта CDMA

Рассмотрим стандарт CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемый в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США.

Изначально система  связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах частот 824-849 МГц (обратный канал) и 869-894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире, - 1,25 МГц.

Передача речи и  данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.

Широкополосной  называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую  полосу частот, значительно превосходящую  ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для  передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько  килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько  мегагерц. Это осуществляется путем  двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой  широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала  источника псевдослучайного шума с  информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может  быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в  наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для  получения ШШС (рис. 7). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную  последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью t₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 7. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра  высокочастотного сигнала применяется  цифровая последовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передаче ШПС и выделении  из него полезного сигнала путем  преобразования спектра принятого  ШПС в первоначальный спектр информационного  сигнала.

Перемножение принятого  сигнала и сигнала такого же источника  псевдослучайного шума (ПСП), который  использовался в передатчике, сжимает  спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и  других источников интерференционных  помех. 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 1S-95 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 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.

В стандарте CDMA для  кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы  состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического  отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения  сигнала на выходе приемника применяется  цифровой фильтр. При ортогональных  сигналах фильтр можно настроить  таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением  случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование  по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко- близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

В технических решениях компании Qualcomm расширение спектра обеспечивается за счет модуляции сигнала псевдослучайной последовательностью с частотой следования дискретов 1,23 МГц. Более точно эта частота составляет 1,2288 МГц, причем 1228,8 = 9,6х128, так что при частоте информационной битовой последовательности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дискретов псевдослучайной модулирующей последовательности. Полоса сигнала с расширенным спектром по уровню 3 дБ составляет 1,23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Для модуляции сигнала  используется три вида функций: «короткая» и «длинная» ПСП и функции  Уолша порядков от 0 до 63. Все они являются общими для базовых и мобильных станций, однако реализуют разные функции (табл. 3).

Таблица 3. Параметры  кодовых последовательностей в  стандарте IS-95

На рис. 8 представлены графики функций Уолша восьми первых порядков. Длина короткой ПСП составляет 2¹⁵-1 = 32767 знаков, длинной ПСП - 2⁴²-1 = 4,4х10¹² знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

Рис. 8. Графики функций  Уолша восьми первых порядков

В прямом канале (от БС к подвижной, рис. 9) модуляция  сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС.

Рис. 9. Схема обработки  сигналов в передающем тракте базовой  станции

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом  на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН). Число одновременно передаваемых каналов и их параметры указаны в табл. 4.

Сигналы разных каналов  взаимно ортогональны, что гарантирует  отсутствие взаимных помех между  ними на одной БС. Внутрисистемные  помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W₀). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.

Таблица 4. Характеристики канального кодирования и модуляции  в IS-95

Н/п - неприменимо

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на МС: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале графика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно контролирует его. Для кодирования синхроканала используется функция W₃₂.

Функции W₁-W₇ используются для кодирования каналов вызова - их число может составлять от 0 до 7; остальные функции Уолша (вместе с оставшимися от каналов вызова, если их число меньше семи) используются для кодирования каналов графика. Число каналов графика может составлять от 55 до 62.

При передаче сигнала  от БС используется сверточное кодирование со скоростью R=1/2 и кодовым ограничением K=9 (табл. 4). Для борьбы с замираниями в стандарте IS-95 предусмотрено поблочное перемежение символов, позволяющее декоррелировать пакеты ошибок. Скорость передачи по каналу ТСН может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет гибко адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн. Для приема сигналов используется RAKE-приемник, имеющий несколько каналов для их параллельной обработки.