Сотовые системы подвижной связи

Кодирование речи в стандарте CDMA

В стандарте сотовой  связи CDMA применяется метод многостанционного  доступа с кодовым разделением  каналов, основанный на использовании  широкополосных сигналов. Каждому вызову присваивается уникальный код, позволяющий  отличить этот вызов от других, передаваемых в том же частотном диапазоне. В этом стандарте обеспечивается более высокое качество речи, чем  в стандарте GSM. Это во многом определяется применением кодирования речи.

В системе CDMA для  преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой используется вокодер с переменной скоростью  кодирования, в основу работы которого положен алгоритм с ЛП кода - CELP. Этот алгоритм учитывает особенности  человеческой речи. Вокодер перекодирует цифровой поток, имеющий скорость 64 кбит/с, в поток со скоростью 8 или 13 кбит/с. В ходе этого преобразования информационный поток делится на кадры, и содержащие паузы интервалы удаляются. Результирующий поток имеет скорость от 1 до 8 кбит/с. Вокодер приемной стороны объединяет кадры в единый поток и делает обратное преобразование. Другой важной особенностью вокодера с переменной скоростью кодирования является использование адаптивного порога для определения требуемой скорости кодирования данных. Уровень порога изменяется в соответствии с фоновым шумом. Результатом этого является подавление фона и улучшение качества речи даже в шумной обстановке. Вокодер позволяет подмешивать в речевой канал вторичный трафик, т.е. служебную информацию.

Оценка  качества кодирования речи

При оценке качества кодирования и сопоставлении  различных кодеков оцениваются  разборчивость речи и качество синтеза (качество звучания) речи. Для оценки разборчивости речи используется метод DRT (диагностический рифмованный  тест). В этом методе подбираются  пары близких по звучанию слов, отличающихся отдельными согласными, которые многократно  произносятся рядом дикторов, и по результатам испытаний оценивается  доля искажений. Метод позволяет  получить как оценку разборчивости  отдельных согласных, так и общую  оценку разборчивости речи.

Для оценки качества звучания используется критерий DAM (диагностическая  мера приемлемости). Испытания заключаются  в чтении несколькими дикторами (мужчинами и женщинами) ряда фраз, которые прослушиваются на выходе тракта связи рядом экспертов-слушателей, выставляющих оценки по 5-балльной шкале. Результатом является средняя субъективная оценка, или средняя оценка мнений (MOS). Хотя этот метод является субъективным, его результаты по сопоставлению  различных типов кодеков при проведении испы- таний одними и теми же группами дикторов и экспертов-слушателей являются достаточно объективными, и на них основываются выводы и решения.

В табл. 6 приведены  результаты оценки четырех типов  кодеков. Близкие к шкале MOS результаты дает объективный метод оценки качества с использованием понятия кепстрального расстояния (Cepstrum Distance - CD).

Существует множество  вариантов кодеков речи, из которых  приходится выбирать кодек для ССС. Например, при разработке стандарта GSM были исследованы шесть типов  кодеков, после чего выбор был  остановлен на кодеке RPE-LTP. Работа по выбору типа кодека для стандарта GSM была завершена  в 1988 г., а в 1989 г. был предложен  метод VSELP, принятый затем в стандарте D-AMPS. Работы по совершенствованию кодекса  речи продолжаются и в настоящее  время. Обоими стандартами (D-AMPS и GSM) предусмотрено  введение полускоростного кодирования, которое сможет увеличить пропускную способность канала связи в два раза. В числе исследуемых вариантов для стандарта D-AMPS рассматривается возможность введения векторного квантователя параметров линейных спектральных пар с расщеплением и межкадровым предсказанием, а для стандарта GSM - использование метода кодирования CELP.

Таблица 6. Оценка кодеков  речи по шкале MOS

Тип кодека	Темп  передачи информации, кбит/с	Оценка MOS
РСМ	64	4.12
ADPCM	13	3.78
RPE-LTP (стандарт GSM)	13	3.58
VSELP (стандарт D-AMPS)	8	3.44
CELP (стандарт CDMA)	4,8  9,6	3  3,7
QCELP (стандарт CDMA)	13	4.02

 

Обслуживание  вызова в сетях стандарта CDMA

После включения  питания ПС настраивается на рабочую  частоту сети и ищет сигнал БС (в  сети используется общий для всех БС и ПС короткий код). Она обнаруживает несколько сигналов разных БС, которые  можно различить по временному сдвигу в коротком коде. ПС выбирает сигнал с большим уровнем и, таким  образом, получает когерентную опору  для осуществления последующей  демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в  соответствие 32-й код Уолша. В нем передается информация о будущем содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для формирования длинного кода. Эта информация посылается с опережением относительно информационного канала на 320 мс. Поэтому ПС имеет достаточно времени для декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким образом достигается ее синхронизация с сетевым временем. После этого ПС начинает мониторинг одного из каналов вызова.

Установление  исходящего и входящего вызовов

Если абонент  производит установление исходящего вызова, то его станция будет пытаться осуществить соединение с базовой  по одному из каналов доступа (рис. 19). В этом случае для формирования длинного кода используется двоичная маска, параметры которой индивидуальны для каждой БС сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются осуществить соединение, то возникает конфликт. Если БС не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская станция выжидает произвольное время и делает следующую попытку. После принятия вызова подвижной станции БС назначает канал для соединения, имеющий соответствующий код Уолша. После этого ПС изменяет параметры двоичной маски в соответствии со своим идентификационным номером и переходит в режим приема и передачи речевой информации. Установление входящего вызова происходит согласно диаграмме, представленной на рис. 20.

Организация эстафетной передачи

Приемники стандарта CDMA предполагают использование нескольких корреляторов одновременно. Приемник с несколькими каналами приема и  обработки сигнала получил название Rake-приемника. Он имеет 4 канала приема. В трех каналах одновременно обрабатываются три наиболее сильных сигнала (в четвертом канале постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем). Эти сигналы складываются, и таким образом в системе с кодовым разделением каналов реализуется метод временного разнесения приема. Многолучевое распространение радиосигналов, с которым приходится бороться всем стандартам сотовой связи, в данном случае становится помощником. В случае построения фиксированных сетей многолучевые отражения позволяют снизить требования к уровню сигнала, приходящего к абонентской станции.

В случае подвижной  связи абонентская станция может  одновременно принимать и обрабатывать сигналы нескольких БС. Это позволяет  осуществлять мягкую эстафетную передачу абонента между БС. Преимущество мягкой передачи заключается в том, что  исключается возможность потери связи при движении абонента вдоль  границы сот, когда имеет место  эффект «пинг-понга». Недостатком такого процесса управления является одновременное  использование двух БС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  сокращений

АССН	Associated Control Channel	Совмещенный (ассоциированный) канал управления
АСН	Access Channel	Канал доступа
ADC	Administration Center	Административный  центр
ADPCM	Adaptive Differential Pulse Code Modulation	Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ
AGC	Automatic Gain Control	Автоматическая  регулировка усиления
AMPS	Advanced Mobile Phone Service	Усовершенствованная мобильная телефонная служба
ANSI	American National Standards Institute	Американский национальный институт стандартов США, АНИС
BCCH	Broadcast Control Channel	Вещательный канал  управления
ВСН	Bose-Chaudhuri-Hooquenghem code	Код Боуза-Чоудхури-Хоквингема
BS	Base Station	Базовая станция, БС
BSC	Base Station Controller	Контроллер базовой  станции, КБС
BTS	Base Transceiver Station	Базовая приемопередающая станция
CAPICH	Common Auxiliary PICH	Общий вспомогательный  канал пилот-сигнала
СССН	Common Control Channel	Общий канал управления
ССН	Common Channel	Общий канал
ССН	Control Channel	Канал управления, КУ
CDMA	Code Division Multiple Access	Множественный доступ с кодовым разделением каналов
CELP	Code-Excited Linear Prediction	Линейное предсказание (ЛП) с кодовым возбуждением
СЕРТ	Conference of European Postal and Tele communications Operators	Европейская конференция  администраций почт и связи
СРСН	Common Physical Channel	Общий физический канал (ФК)
CS	Channel Switching	Коммутация каналов, КК
DAM	Diagnostic Acceptability Measure	Диагностическая мера приемлемости
D-AMPS	Digital AMPS	Цифровой AMPS
DAPICH	Dedicated Auxiliary PICH	Выделенный вспомогательный  канал пилот-сигнала
DB	Data Base	База данных, БД
DCCH	Dedicated Control Channel	Выделенный канал  управления
DCH	Dedicated Channel	Выделенный канал
DCS	Digital Cellular System	Цифровая система  сотовой связи
DPCH	Dedicated Physical Channel	Выделенный физический канал (ФК)
DQPSK	Differential Quadrature Phase Shift Keying	Дифференциальная  квадратурная фазовая манипуляция
DRT	Diagnostic Rhyme Test	Диагностический рифмованный  тест
DTCH	Dedicated Traffic Channel	Выделенный канал  трафика
EIA	Electronic Industries Alliance	Альянс представителей электронной промышленности
ETACS	Enhanced TACS	Усовершенствованный TACS
ETSI	European Telecommunications Standards Institute	Европейский институт стандартов связи
FACH	Forward Access Channel	Канал прямого доступа, КПД
FCH	Fundamental Channel	Основной канал
FDMA	Frequency Division Multiple Access	Множественный доступ с частотным разделением каналов
GMSK	Gaussian Minimum Shift Keying	Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом
GPS	Global Positioning System	Глобальная система  определения местоположения
GSM	Global System for Mobile Communications	Глобальная система  мобильной связи (CMC)
HLR	Home Location Register	Домашний регистр  местоположения
IEEE	Institute of Electrical and Electronic Engineers	Институт инженеров  электротехники и электроники США
IMT-2000	International Mobile Telecommunications-2000	Международная система  мобильной электросвязи-2000
IN	Intelligent Network	Интеллектуальная  сеть, ИС
IS	Interim Standard	Промежуточный стандарт
ISDN	Integrated Services Digital Network	Цифровая сеть с  интеграцией служб, ЦСИС
ITU	International Telecommunications Union	Международный союз электросвязи, МСЭ
ITU-T	International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization	Сектор стандартизации средств электросвязи МСЭ
JDC	Japanese Digital Cellular	Японский стандарт цифровой сотовой связи
LCCH	Leash Control Channel	Жестко закрепленный канал управления
MOS	Mean Opinion Score	Средняя оценка мнений
МS	Mobile Station	Подвижная (мобильная) станция, ПС
MSC	Mobile Services Switching Center	Центр коммутации (ЦК) подвижной связи
NMT	Nordic Mobile Telephone	Скандинавская система  подвижной телефонной связи
NTT	Nippon Telephone and Telegraph system	Японская система  телефона и телеграфа
ОМС	Operations and Maintenance Center	Центр управления и  обслуживания
OQPSK	Offset Quadrature Phase Shift Keying	Квадратурная фазовая  манипуляция со смещением
PA	Power Amplifier	Усилитель мощности
РСН	Paging Channel	Канал вызова
РСМ	Pulse Code Modulation	Импульсно-кодовая  модуляция, ИКМ
PCS	Personal Communications Systems	Система персональной связи, СПС
PDC	Personal Digital Cellular	Персональная цифровая сотовая связь
PDN	Packet Data Network	Сеть пакетной передачи
PICH	Pilot Channel	Канал пилот-сигнала
PLMN	Public Land Mobile Network	Сотовая сеть связи  общего пользования (СОП)
PSTN	Public Switched Telephone Network	Телефонная сеть общего пользования, ТфОП
QPSK	Quadrature phase shift keying	Квадратурная фазовая  манипуляция
RACH	Random Access Channel	Капал случайного доступа
RPE-LTP	Regular pulse excited long term predictor	Линейное предсказание с возбуждением регулярной последовательностью  импульсов и долговременным предсказателем
RTMS	Radio Telephone Mobile System	Мобильная радиотелефонная  система
SCH	Synchronization Channel	Канал синхронизации
SCH	Supplemental Channel	Дополнительный  канал
SDCCH	Standalone Dedicated Control Channel	Выделенный закрепленный канал управления
SIM	Subscriber Identity Module	Модуль идентификации  абонентов (SIM-карта)
TACS	Total Access Communications System	Общедоступная система  связи
ТСН	Traffic Channel	Канал трафика, КТ
TDMA	Time Division Multiple Access	Множественный доступ с временным разделением каналов
TIA	Telecommunications Industry Association	Промышленная ассоциация в области связи
TRX	Transceiver	Приемопередатчик
ТТС	Telecommunications Technology Committee	Японский Комитет  техники электросвязи
UPCH	User Packet Channel	Канал передачи абонентских  пакетов
VAD	Voice Activity Detector	Детектор речевой  активности
VAD	Voice Activity Detection	Детектор активности речи
VLR	Visitor Location Register	Гостевой регистр  местоположения
VSELP	Vector Sum Excited Linear Prediction	Линейное предсказание с возбуждением векторной суммой WAE

AT	Абонентский терминал
АЦП	Аналого-цифровой преобразователь
БД	База данных
БППС	Базовая приемо-передающая станция
БС	Базовая станция
КБС	Контроллер базовой  станции
КТ	Канал графика
КУ	Канал управления
ЛК	Логический канал
ЛП	Линейное предсказание
МС	Мобильная (подвижная) связь
МСЭ	Международный союз электросвязи
НСД	Несанкционированный доступ
ОК	Обратный канал
ПД	Передача данных
ПК	Персональный компьютер
ПС	Подвижная (мобильная) станция
ПСП	Псевдослучайная последовательность
РСС	Радиотелефонная система  связи
СБС	Система базовой  станции
СКК	Сеть с коммутацией  каналов
CMC	Система (сеть) мобильной  связи
СПР	Система персонального  радиовызова
СПС	Сеть (система) персональной связи
СПС	Сеть подвижной  связи
ССПС	Сеть персональной спутниковой
ССС	Система сотовой  связи
СТС	Сотовая телефонная сеть
ТфОП	Телефонная сеть общего пользования
ФК	Физический канал
ФМ	Фазовая модуляция
ЦАП	Цифро-аналоговый преобразователь
ЦК	Центр коммутации
ЧМ	Частотная модуляция
ШПС	Широкополосный  сигнал
ШШС	Шумоподобный широкополосный сигнал

 

 

 

Использованная  литература 

1. Антонян А.Б. Подвижная сотовая связь в России на пороге третьего тысячелетия // Технологии и средства связи, 1997, № 5, с.44-48. 
2. Андрианов В.Н., Соколов А.В., Средства мобильной связи. - СПб.: БХВ-Санкт- Петербург, 1999 
3. Быховский М.А. Методика расчета абонентской емкости в сетях сухопутной стационарной радиотелефонной связи на основе технологии CDMA // Мобильные системы, 1998, № 3, с. 27-29 
4. Ворсано Д. Кодирование речи в цифровой телефонии // Сети и системы связи, 1996, № 1, с. 84-87 
5. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: Эко-Трендз, 1997, 238 с. 
6. Невдяев Л. CDMA: IS-95 // Сети, 2000, № 3 
7. Невдяев Л. CDMA: архитектура радиоинтерфейса // Сети, 2000, № 1, с. 32-33 
8. Невдяев Л. CDMA: канальная структура // Сети, 2000, № 2 
9. Невдяев Л. CDMA: расширение спектра // Сети, 2000, № 5 
10. Невдяев Л. CDMA: управление мощностью // Сети, 2000, № 4, с. 18-19 
11. Невдяев Л. Стандарты 3G // Сети, 2000, № 6 
12. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Зимина Д.Б. – М.: Радио и связь, 1998, 248 с. 
13. Толмачев Ю.А. Универсальные мобильные системы связи. Перспективы развития // Электросвязь, 1999, № 4, с. 4-5.