4.4.14 Склад і призначення обладнання стільникової системи зв'язку стандарту is-95

На рисунку 4.29 наведено узагальнену структурну схему ССЗ стандарту IS-95, основні елементи якої базові станції (BTS), контролер базових станцій(BSK), центр комутації рухомого зв язку(MSK), центр управління та обслуговування (OMC), база даних (ДB) про абонентів та обладнання аналогічні тим, які використовуються у ССЗ із МДЧР (FDМА) і МДЧвР (ТDМА). Основна відмінність полягає в тому, що до складу мережі із МДКР (CDМА) включені пристрої оцінки якості й вибору кадрів (SU). Для реалізації процедури м'якого режиму "естафетної передачі" між БС, які управляються різними контролерами (BSK), вводиться лінія передачі між BSK і SU.

Рисунок 4.29 – Узагальнена структурна схема обладнання ССЗ стандарту IS-95

М'який режим "естафетної передачі" відбувається за рахунок взаємодії абонентської станції (АС) із двома або трьома БС. Транскодер, що входить до складу основного обладнання (ЦКРЗ) оцінює якість прийому від двох БС послідовно кадр за кадром, як показано на рис.4.30.

Рисунок 4.30- Послідовність вибору кадрів, що надходять від двох БС

Процес вибору кращого кадру призводить до того, що результуючий сигнал може бути сформований у процесі безперервної комутації (безперервних перемикань з однієї БС на іншу) і наступного "склеювання" кадрів, прийнятих від різних БС, що беруть участь в "естафетній передачі". М'яке перемикання забезпечує високу якість прийому мовних повідомлень й усуває перерви в сеансі зв'язку, що має місце в ССЗ інших стандартів.

У системах IS-95 забезпечується формування і прийом широкосмугових сигналів. Результуючий виграш у відношенні сигнал/шум на виході приймача є функцією відношення ширини смуг широкосмугового і інформаційного сигналів: чим більше розширення спектру, тим більше виграш. В часовій області - це є функція відношення швидкості передачі цифрового потоку в радіоканалі до швидкості передачі базового інформаційного сигналу. У стандарті IS- 95 відношення складає 128 разів, або 21 дБ.

. Це дозволяє системі працювати при рівні інтерференційних перешкод, що перевищують рівень корисного сигналу на 18 дБ, оскільки обробка сигналу на виході приймача вимагає перевищення рівня сигналу над рівнем перешкод всього на 3 дБ. В реальних умовах рівень перешкод значно менший.

4.4.15 Принципи обробки сигналів в стільниковій системі зв'язку стандарту is-95

Для модуляції сигналу в системі зв'язку стандарту IS-95 використовується три види функцій: «коротка» і «довга» псевдовипадкові послідовності ( ПВП ) і функції Уолша порядків від 0 до 63. Всі вони є загальними для базових і мобільних станцій, проте мають різне призначення .

Типи кодів та їх функції в стандарті IS-95 наведені у табл. 4.5.

Таблиця 4.5 Типи кодів та їх функції в стандарті IS-95

Тип сигналу	Довжина коду	Функції що виконуються
		Базова станція	Мобільна станція
Код Уолша	64	Кодове ущільнення або розподіл 64 каналів CDMA	Завадостійке кодування
Короткий код	32768	Розподіл сигналів базових станцій за величиною циклічного зсуву	Код з одинаковим фіксованим циклічним зсувом – як опорний сигнал скремблера
Довгий код		Проріджений довгий код – як опора послідовність скремблера	Довний код з різними циклічними зсувами – як адресна послідовність

Розглянемо питання обробки сигналів в стільниковій системі зв'язку стандарту IS-95 більш детально.

У системі IS-95 кодовий поділ сигналів (кодових каналів) у прямому частотному каналі (від АС до БС) реалізований на основі використання 64 видів послідовностей, які формуються за законом функцій Уолша. У кожному з кодових каналів для модуляції сигналів, що передаються, використовується одна з 64 функцій Уолша. Для передачі інформаційної послідовності по кожному з кодових каналів використовується відповідна функція Уолша (рядок матриці Уолша-Адамара, що відрізняються від функцій Уолша заміною нулів на мінус одиниці), причому при зміні знака біта інформаційного повідомлення фаза послідовності Уолша змінюється на 180^о. Послідовності Уолша взаємно ортогональні, тому взаємні перешкоди між кодовими каналами базової станції відсутні. Перешкоди по кодових каналах БС створюють лише сусідні базові станції, які працюють у тій же смузі частот.

Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що приймаються з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціальних приймачів, які входять до складу БС.

Розширення спектру забезпечується за рахунок модуляції сигналу короткою псевдовипадковою послідовністю(ПВП) з частотою символів (чипів) 1,23 МГц. Більш точно ця частота складає 1,2288 МГц, причому 1228,8 = 9,6х128, так що при швидкості передачі інформаційної бітової послідовності 9,6 кбіт/с тривалість одного біта відповідає 128 символам (чипам) псевдо випадковій модулюючій послідовності, тобто база сигналу дорівнює 128. Смуга сигналу з розширеним спектром по рівню 3 дБ складає 1,25 МГц.

Відмінність сигналів різних БС забезпечується за рахунок використання для розширення спектру сигналу на всіх базових станціях однакових “коротких” ПВП, але зі зсувом, кратним 64 чипам для кожної з БС. Тобто адреси базових станцій розрізнюються величиною зсуву короткої ПСП Довжина “короткої” ПВП дорівнює символів (чіпів). За рахунок додавання до “короткої” ПВП “0” її довжина зростає до символів (чіп), що забезпечує можливість призначити індивідуальні коди 512 ( ) базовим станціям.

Використання довгої ПСП забезпечує шифрування сповіщень. Крім того, на довгу ПСП накладається маска (код, адреса) АС.

Таким чином,у прямому каналі (від БС до АС) у процесі модуляції сигналу використовуються:

- функції Уолша для розрізнення різних фізичних каналів даної БС;

- довга ПВП для шифрування повідомлень;

- коротка ПВП для розширення спектру сигналу і розрізнення сигналів різних БС.

Послідовність обробки сигналів в передавальному тракті базової станції наведена на рис.4.31.

Рисунок 4.31- Схема обробки сигналів в передавальному тракті базової станції.

Для управління потужністю сигналу АС передбачена передача відповідного сигналу управління.

Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що прийняті з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціальних приймачів, які входять до складу БС.

На АС теж застосовуються ортогональні коди Уолша, але не для ущільнення кодових каналів (як на БС), а для підвищення перешкодостійкості. З цією метою вхідний потік даних із швидкістю 28,8 кбіт/с розділяється на пакети по 6 біт, і кожному з них однозначно ставиться у відповідність одна з 64 послідовностей Уолша. У результаті швидкість кодованого потоку на вході модулятора зростає до 307,2 кбіт/с (28,8х64/6=307,2). Це кодування однаково для всіх фізичних каналів. На приймальному кінці використовуються 64 паралельні декодери (дешифратори), кожний з яких налаштований на свою функцію Уолша, і ці декодери (дешифратори) розпізнають (декодують) прийняті 6-бітові символи.

Сигнали від різних АС розрізнюються на БС за рахунок того, що кожен з них має адресу, за який використовується однакова “довга” ПВП, але з різним циклічним зсувом для різних АС. Швидкість передачі “довгої” ПВП дорівнює 1,2288Мчіп/с. Використання довгої ПСП забезпечує кодування фізичного каналу (маски,адресу АС) і шифрування сповіщень.

Розширення спектру сигналу абонентських станцій здійснюється за рахунок модуляції (шляхом скремблювання) сигналу, як і на базових станціях, короткою псевдовипадковою послідовністю (ПВП).

Для регулювання рівня сигналу, що приймається з БС,формується і предається на БС сигнал управління потужністю.

Послідовність обробки сигналів в передавальному тракті абонентській станції наведена на рис. 4.32.

Передача повідомлень в ССЗ стандарту IS-95 здійснюється кадрами тривалістю 20 мс. Швидкість передачі може змінюватися від 1,2 до 9,6 кбіт/с, але в межах одного кадру вона незмінна.

Для захисту інформації від помилок використовуються завадостійкі коди (циклічний, згортковий). Якщо в прийнятому кадрі виявлена неприпустимо велика кількість помилок, то цей кадр стирається.

Рисунок 4.32 - Схема обробки сигналів в передавальному тракті абонентській станції

Максимальна швидкість перетворення мовного сигналу у код ері становить 9,6 кбіт/с. Після завадостійкого кодування й розширення спектра сигналу швидкість передачі інформації на одній несучій становить 1228,8 кбіт/с, що визначає базу сигналу В_ся 1228,8/9,6 = 128.

У зворотному каналі, як і в прямому, для захисту від помилок використовуються завадостійке кодування ( згортковий код ) і перемеження на інтервалі 20 мс. В результаті кодування швидкість в інформаційному каналі збільшується до 28,8 кбіт/с.

На рис.4.33 наведена спрощена структурна схема, що пояснює принцип роботи системи стандарту IS-95. Інформаційний сигнал кодується кодом Уолша, потім змішується з несучою, спектр якої заздалегідь розширюється перемножуванням з сигналом генератора псевдовипадкового шуму (ПВП). Кожному інформаційному сигналу призначається свій код Уолша, потім усі сигнали об'єднуються в передавачі, пропускаються через фільтр, і загальний шумоподіний сигнал випромінюється передаючою антеною.

На вхід приймача поступають корисний сигнал, фоновий шум, перешкоди від БС сусідніх осередків і від AС інших абонентів. Після ВЧ-фільтрації сигнал поступає на корелятор, де відбувається стиснення спектру і виділення корисного сигналу в цифровому фільтрі за допомогою заданого коду Уолша. Спектр перешкод розширяється, і вони з'являються на виході корелятора у вигляді шуму. На практиці в АС використовується декілька кореляторів для прийому сигналів з різним часом розповсюдження в радіотракті або сигналів, що передаються різними БС.

Рисунок 4.33 - Спрощена структурна схема системи cтандарту IS-95

Як відомо,в системах, що використовують метод CDMA, , можна використовувати одну і ту ж ділянку смуги частот для роботи у всіх осередках мережі. Таке 100%-не використовування доступного частотного ресурсу - один з основних чинників, що визначають високу абонентну місткість мережі стандарту CDMA .Системи на базі CDMA мають динамічну абонентну ємність. І хоча є 64 коди Уолша (64 кодових каналів) , ця теоретична межа не досягається в реальних умовах, тому що абонентська ємність системи обмежується внутрішньо-системною інтерференцією, що викликається одночасною роботою рухомих і базових станцій сусідніх осередків.

Кількість абонентів в системі CDMA (пропускна здатність) залежить від рівня взаємних перешкод. Злагоджені фільтри БС вельми чутливі до ефекту «ближній-дальній », коли АС, що розташована поблизу БС, працює на великій потужності, створюючи неприпустимо високий рівень перешкод при прийомі інших, «дальніх» сигналів, що приводить до зниження пропускної спроможності системи в цілому. Ця проблема існує у всіх CMРЗ, проте найбільші спотворення сигналу виникають саме в CDMA-системах, що працюють в загальній смузі частот, в яких використовуються ортогональні шумоподібі сигнали. Якби в цих системах було відсутнє регулювання потужності, то вони істотно поступалися б по характеристиках стільниковим мережам на базі TDMA. Тому важливою ключовою проблемою в CDMA-системах можна рахувати індивідуальне управління потужністю кожної станції.

Пропускна здатність систем стандарту МDКР й IS-95 зокрема обмежується перешкодами, які створюють на вході приймача АС інші АС і БС (системні перешкоди). Для зменшення рівня взаємних перешкод у стандарті IS-95 здійснюється регулювання рівня потужності, що випромінюється кожною АС. Це забезпечує можливість прийому сигналів з однаковим рівнем потужності від АС, віддалених від БС на різні відстані. Чим нижче рівень потужності сигналів від АС на вході БС, тим вище ємність системи. Необхідність вирівнювати й зменшувати рівні сигналів від АС на вході БС є недоліком системи IS-95.

Сигнали у зворотному каналі не синхронізовані, тому вплив перешкод, що створюються іншими абонентськими станціями та базовими станціями, призводить до обмеження пропускної здатності мережі стандарту CDMA.

Кількість активних абонентів (М), що одночасно працюють у стільнику мережі CDMA, визначається співвідношенням

де – база сигналу (дорівнює 128 у системі IS-95);

– енергія біта інформаційного сигналу;

– спектральна потужність шуму.

– становить порядку 7-8 дБ. При цьому в трьох-секторному стільнику може одночасно обслуговуватися до 60 абонентів.

Застосування (як у стандарті GSM) системи переривчастої передачі мови призводить до зниження рівня перешкод, і, як наслідок, до збільшення пропускної здатності. Поліпшенню завадостійкості сприяє формування цифрового мовного сигналу з різними швидкостями з наступним їхнім вирівнюванням шляхом повторної передачі.

У стандарті IS-95 використовується роздільна обробка відбитих сигналів, що приходять із різними затримками, і наступне їхнє вагове додавання, що не тільки усуває негативний вплив ефекту багатопроменевості, а напроти, поліпшує якість прийому (підвищує співвідношення сигнал/шум з потужності).

Цифрова форма сигналів, передача в широкій смузі частот, захист інформації (її шифрування) для кожного абонента забезпечують якість і таємність зв'язку в системі IS-95 більше високими, ніж в інших системах.