4.5. Принципы организации каналов связи между бс и мс в стандарте cdma is-95
Рассмотрим более подробно организацию прямых и обратных каналов в ССПР с кодовым разделением каналов стандарта CDMA IS-95 Qualcomm.
В прямом направлении (БС - МС) для формирования логических каналов используются функции Уолша, а точнее Адамара-Уолша.
Набор функций Адамара-Уолша порядка 2i конструируется с помощью рекуррентного соотношения
Каждая строка матрицы (4.25) представляет собой одну из функций Адамара-Уолша. Функции принято нумеровать сверху вниз, начиная с нуля. Функции Адамара-Уолша в пределах данного набора взаимно ортогональны и ортонормированы.
Последнее обстоятельство позволяет организовать многоканальную передачу на одной несущей в пределах общей полосы частот. Здесь нужно заметить, что любая функция Адамара-Уолша представляет собой детерминированную функцию и не является псевдослучайной последовательностью. Следовательно, скалярное произведение такой функции и реализации шума, которая фактически является ПСП, может существенно отличаться от нуля. Отсюда можно сделать вывод, что функции Адамара-Уолша являются идеальными математическими объектами для кодового разделения каналов, но не пригодны для улучшения отношения сигнал/шум.
На рис. 4.12 приведена структурная схема одного канала прямой линии (Forward Link). Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 кбит/с, поэтому к цифровому потоку вокодера добавляются дополнительные корректирующие двоичные символы (8+1,6=9,6 кбит/с). Для реализации в приемнике МС прямой коррекции ошибок (без повторной передачи сообщения) в каналах используется избыточное кодирование. При этом основной цифровой поток разбивается на кадры длительностью 20 мс и подается на сверточный кодер с r = 1/2. На его выходе число битов удваивается. Затем информационный поток поступает на перемежитель, где символы специальным образом перемешиваются на интервале каждого кадра. Это делается для того, чтобы пакеты ошибок, возникающие вследствие селективных замираний, превращались после деперемежения в приемнике МС в равномерно распределенные в потоке символов одиночные ошибки. Схема прямой коррекции ошибок наиболее эффективно работает с одиночньми ошибками.
После шифратора цифровой поток поступает на канальный кодер. Если на входе кодера «О», то посылается соответствующая функция Уолша (строка матрицы (4.25)); если на входе «I» - посылается логическое отрицание символов этой же строки. В результате кодирования тактовая частота следования символов повышается до 19,2 х 64 = 1228,8 кГц и отношение Т/τо = 128. Соответственно расширяется и спектр сигнала (прямое расширение спектра).
На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами для последующей квадратурной фазовой модуляции (QPSK) несущей. Выше отмечалось, что функции Уолша не пригодны для существенного улучшения отношения сигнал/шум. Для этого в прямой линии используется ПСП. Передатчик БС может иметь относительно большую мощность, в известной степени перекрывающую среднюю мощность помех. Поэтому на БС используется короткая ПСП с периодом повторения N = 215. Длина короткой ПСП равна 32768 двоичных символов, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех БС сети.
83
Рис. 4.12
До подачи на смесители цифровые потоки в каждом канале складываются по модулю два с ПСП-1/Q компонентами (In-phase and Quadrature components) короткой ПСП. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр (КИХ-фильтр), что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра около 615 кГц. Полученные сглаженные последовательности импульсов (их называют аналоговыми сигналами) поступают на соответствующие входы смесителей (перемножителей). Выходной сигнал передатчика получается в результате объединения квадратурных каналов.
На рис. 4.13 показана упрощенная схема передатчика БС CDMA IS-95.
В каждом канале сигнал кодируется и умножается на одну из функций Уолша согласно принятому закреплению (см. рис. 4.11). Затем происходит наложение короткой ПСП, фильтрация и квадратурная модуляция.
В приемнике МС сначала вычисляется взаимно-корреляционная функция принятого сигнала с местной ПСП, в точности совпадающей с исходной псевдослучайной последовательностью, которая используется на БС. В результате принятый сигнал очищается от помех и из него выделяется сумма сигналов, адресованных мобильным станциям, каждый из которых умножен на соответствующую функцию Уолша.
Такой сигнал поступает на канальный фильтр, вычисляющий скалярное произведение функций Уолша (см. ф-лу (4.16)), в результате чего происходит сжатие спектра и образование цифрового потока с тактовой частотой 19,2 кГц, соответствующего данному каналу.
Подводя предварительные итоги, можно отметить следующее.
1. Метод кодового разделения каналов допускает использование всеми БС данного региона одной несущей частоты и одной короткой ПСП, что упрощает конструкцию мобильных телефонов.
2. Удается реализовать высокую помехоустойчивость (большую величину отношения сигнал/шум). Этой величиной можно управлять, выбирая длину ПСП.
3. В ССПР с CDMA каждому абоненту на время сеанса связи можно назначать одну из функций Уолша. Это означает, что канал не закреплен за абонентом; он назначается по запросу абонента, а по завершении сеанса может быть назначен другому абоненту.
84
Обратная линия (Reverse Link), т. е. линия от МС к БС, имеет ряд особенностей. Обратная линия состоит из двух каналов: канала доступа (Access Channel) и канала передачи сообщений (разговорного сигнала или данных).
В обратной линии для кодового разделения каналов используются не функции Уолша, а псевдослучайные последовательности. Это объясняется следующим обстоятельством. Функции Уолша взаимно ортогональны только в том случае, если они абсолютно синхронны и синфазны. т. е. если все они начинаются в один и тот же момент времени (так называемая ортогональность в точке). Стоит лишь незначительно сместить одну функцию относительно другой, как свойство ортогональности утрачивается.
В прямой линии все функции Уолша вырабатываются на БС, т. е. можно легко добиться их синфазности. Для учета времени запаздывания используется пилот-сигнал (функция Wo(t)). Распространяясь в пространстве от БС к мобильньм станциям, этот сигнал испытывает те же запаздывания, что и сигналы в остальных каналах, что может быть использовано для точной синхронизации.
85
Для синхронизации в обратной линии пришлось бы использовать столько же пилот-сигналов, сколько имеется работающих МС, что значительно усложнило бы работу всей системы. Вследствие этого на передатчиках МС для кодового разделения каналов используют ортогонализованные ПСП. Мощность передатчиков МС, как правило, невелика. Поэтому для получения достаточной помехоустойчивости в обратной линии используется длинная ПСП с периодом повторения, равным N = 242. Использование длинных ПСП заодно повышает надежность различения абонентов.
На рис. 4.14 показана упрощенная структурная схема передатчика МС. Функции Уолша используются, как отмечалось, не для разделения каналов, а для некоторого повышения помехоустойчивости относительно системных помех. Модулятор Wft) ставит в соответствие каждой группе из 6 бит информационного сообщения одну из 2 =64 функций Уолша. Расширение спектра происходит за счет длинной ПСП. При передаче все мобильные станции используют ПСП с разными циклическими сдвигами, что дает возможность приемнику БС разделять сигналы от мобильных станций сети.
Окончательное формирование информационных потоков происходит таким же образом, как и в передатчике БС, за исключением дополнительного элемента задержки на τo/2 в Q-канале для реализации смещенной (Offset) QPSK. На вход приемника БС кроме полезного сигнала попадают помехи от всех активных МС данной соты, а также соседних сот. Это означает, что емкость каждой соты ССПР с МДКР определяется числом каналов передачи МС, при котором еще обеспечивается требуемое качество связи.
Особенно сильно в часы наибольшей нагрузки качество связи снижается для периферийных МС. Это приводит к эффекту изменения размеров зоны обслуживания («дыхание» соты, cell breathing).
Рис.4.14
Для максимизации абонентской емкости системы необходимо обеспечить на входе приемника БС равенство уровней сигналов от всех МС. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы. В настоящее время управление мощностью производится с точностью до 0,5 - 1,0 дБ.
86