6. Радиоинтерфейс системы cdmaOne (is-95)

   1. Общая характеристика системы cdmaOne

С опорой на преимущества, предоставляемые технологией CDMA, компанией Qualcomm (США) была разработана ССМС общего пользования с кодовым разделением каналов. При этом основными стимулами явились увеличение абонентской емкости по сравнению с действующими ССМС, основанными на традиционном частотно/временном доступе, улучшение качества обслуживания и повышение информационной безопасности. Технические требования к системе сформулированы в ряде стандартов Ассоциации Промышленности связи (Telecommunications Industry Association – TIA), определяющих характер и порядок взаимодействия различных функциональных узлов ССМС и условия совместимости аппаратуры различных фирм–производителей.

Современные сети, базирующиеся на стандарте IS-95, обеспечивают передачу сигнала со скоростью 9,6 кбит/с (с кодированием) и 14,4 кбит/с (без кодирования), тогда как исходные спецификации cdmaOne предполагали скорость передачи 8 кбит/с, 13 кбит/с и 8 кбит/с EVRC (Enhanced Variable Rate Vocoder). В настоящее время широко применяется версия стандарта IS-95A.

Версия IS-95B основана на объединении нескольких каналов CDMA, организуемых в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Скорость может увеличиваться до 28,8 кбит/с (при объединении двух каналов по 14,4 кбит/с) или до 115,2 кбит/с (8 каналов по 14,4 кбит/с). Сети на основе IS-95B смогут обеспечивать доступ в Internet до появления систем третьего поколения. Однако для того, чтобы предоставлять услуги пакетной передачи, контроллер БС нужно дооснастить маршрутизатором. В спецификациях стандарта предусмотрено качественное улучшение характеристик обслуживания за счет снижения потерь при переходе абонента от одной БС к другой, а также повышение точности контроля мощности до 0,25 дБ, организация каналов приоритетного доступа и другие усовершенствования.

В версии IS-95С (CDMA 2000) модификации коснулись повышения частотной эффективности и увеличения емкости телефонной сети в два раза. Спецификациями предусматривается дополнительный канал с ортогональным сдвигом несущей, по которому может передаваться полный кодовый ансамбль сигналов (т. е. 64 кода Уолша), такой же, как и по синфазному каналу. Системы на базе CDMA 2000 обратно совместимы с сетями на основе IS-95A и IS-95B и сохранят прежнюю полосу частот- 1,25 МГц. По сравнению с предыдущими версиями скорость передачи в системе возрастает до 144 кбит/с; при этом сокращается энергопотребление терминала.

К числу основных стандартов рассматриваемой ССМС относятся:

IS-95 – эфирный интерфейс (радиоинтерфейс);

IS-96 – интерфейс речевых служб;

IS-97 – интерфейс мобильной станции;

IS-98 – интерфейс базовой станции;

IS-99 – интерфейс службы передачи данных.

Учитывая особую значимость радиоинтерфейса, рассматриваемую систему называют ССМС стандарта IS-95, либо, принимая во внимание технологию организации множественного доступа, системой cdmaOne.

Система IS-95 рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, причем для прямого канала (линия "вниз") выделен участок спектра 869,04…893,97 МГц, а для обратного (линия "вверх") – 824,04…848,96 МГц. Ширина полосы канала связи составляет 1,25 МГц, поэтому при развертывании ССМС IS-95 операторы могут осуществлять частотное планирование исходя из указанных полос. Однако согласно решению Федеральной Комиссии связи США, одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот, равный 12,5 МГц, как в прямом (от БС к МС), так и в обратном (от МС к БС) направлениях, что соответствует 10 физическим частотным радиоканалам с полосой в 1,25 МГц.

Как указывалось в разделе 2.5, технология организации множественного доступа с кодовым разделением каналов основана на применении сложных (spread spectrum) сигналов, полоса которых значительно превышает ширину спектра информационного сообщения. В системе IS-95 реализовано прямое расширение спектра (DSSS) с использованием функций Уолша длины 64 и двух типов псевдослучайных последовательностей (ПСП): короткой и длинной (таблица 4.3). Линия "вниз" организована на основе синхронного варианта CDMA, использующего для разделения физических абонентских каналов ансамбль сигнатур в виде функций Уолша. Асинхронный режим CDMA в обратном канале осуществлен приписыванием различным абонентам одной соты специфических сдвигов длинной ПСП.

Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к неодинаковым уровням сигналов от МС, находящимся на различных расстояниях от БС (эффект «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.

Выравнивание мощностей сигналов МС на входе приемника БС является непременным условием работоспособности линии "вверх" системы CDMA. В стандарте IS‑95 применена быстродействующая петля автоматической регулировки мощности сигналов МС, принцип действия которой описан в разделе 4.6.5. Регулировка осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 0,5 дБ и с периодичностью от нескольких микросекунд до 1,25 мc. Резерв фактора речевой активности также утилизирован в системе посредством использования речепреобразующего устройства (вокодера) с переменной частотой преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой. В зависимости от активности абонента вокодер формирует потоки данных со скоростями 8,6; 4; 2 и 0,8 кбит/с.

Требуемое качество передачи данных в системе достигается с помощью довольно мощного канального кодирования, выполняемого в несколько этапов. На первом, предварительном этапе цифровой речевой сигнал с выхода вокодера, структурированный в кадры длительностью в 20 мс, кодируется блоковым циклическим кодом (CRC) для формирования индикатора качества кадра и дополняется "хвостом", необходимым для последующего сверточного кодирования. Введение подобной избыточности увеличивает фактические скорости данных, заменяя первоначальный их набор на 9,6; 4,8; 2,4 и 1,2 кбит/с. Следующим этапом является сверточное кодирование. В прямом канале используется код с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/2, тогда как код в обратном канале, обладающем меньшей помехоустойчивостью (мощность передатчика МС весьма мала), имеет вдвое бόльшую избыточность, т.е. скорость 1/3 при той же длине кодового ограничения. Наконец, на третьем этапе выполняется перемежение информационного потока в кадре для нейтрализации эффекта пакетирования ошибок.

Помимо перемежения для борьбы с быстрыми замираниями в системе использовано и многолучевое разнесение, т.е. приемники на основе алгоритма RAKE (см. раздел 3.2.1.5). Для этого на БС используется минимум четыре, а на МС – три параллельно работающих коррелятора. Помимо этих корреляторов, настраиваемых на определенную задержку, в каждом приемнике имеется еще и сканирующий по задержке канал, позволяющий осуществлять настройку RAKE-каналов на сигналы с наибольшей интенсивностью.

Наличие нескольких параллельных каналов корреляционной обработки позволяет осуществить мягкую эстафетную передачу, (soft handoff или soft handover) при переходе МС из одной соты в другую. В процессе мягкой эстафетной передачи МС может поддерживать соединение с двумя и более БС, выбирая сигнал с большей интенсивностью. Указанная процедура позволяет поддерживать высокое качество связи при переключении МС с одной БС на другую и делает эстафетную передачу практически незаметной для пользователя.

Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых данных за счет их скремблирования выборками из вышеупомянутой длинной псевдослучайной последовательности. Ключ (маска) скремблирования индивидуален для каждой МС и формируется по секретному правилу на базе ее идентификационного номера.

Основные характеристики стандарта IS-95 и технические параметры приемо-передающего оборудования представлены в табл. 4.2.

Для систем с CDMA, и, в частности для ССМС IS-95, характерна определенная асимметрия линий "вниз" и "вверх": в первой из них (от БС) все абонентские сигналы передаются из одной пространственной точки и потому могут быть легко синхронизированы (синхронный вариант CDMA). В направлении же от БС к МС приходится применять асинхронное кодовое разделение (см. § 5.3.1). Отметим, что временные шкалы отдельных БС сети IS-95 также синхронизированы. Для этого каждая БС оборудована приемником радионавигационной системы GPS NAVSTAR. Благодаря единому системному времени, кодовое разделение сигналов различных БС, занимающих один и тот же частотный канал, осуществлено за счет применения различных сдвигов одной и той же короткой ПСП.

Таблица 4.2. Основные характеристики стандарта IS-95

Параметр стандарта	Значение
Диапазон частот передачи, МГц:
МС	824,040…848,860
БС	869,040…893,970
Относит. нестабильность несущей частоты:
МС	 2,5 10-6
БС	 5 10-8
Вид модуляции несущей частоты:
МС	OQPSK
БС	QPSK
Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц
по уровню –3 дБ	1,23
по уровню –40 дБ	1,5
Тактовая частота ПСП, МГц	1,2288
Количество каналов на одной несущей:
МС: канал доступа	1
канал обратного трафика	1
БС: пилотный канал	1
канал синхронизации	1
канал персонального вызова	1…7
канал прямого трафика	61…55
Скорость передачи данных в канале, бит/с:
канал синхронизации	1200
канал персонального вызова и доступа	4800,9600
канал трафика	1200, 2400, 4800, 9600
Кодирование информации в каналах:
МС: канал доступа и обратного трафика	Сверточ. код с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/3.
БС: канал синхронизации, персонального вызова и прямого трафика.	Сверт. код с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/2.
Требуемое отношение сигнал/шум, дБ	6…7
Макс. эффектив. излучаемая мощность, Вт:
МС: (3-го , 2-го и 1-го класса)	1,0; 2,5; 6,3
БС	до 50
Точность управления мощностью передатчика, дБ	 0,5
Чувствительность приемника, дБм:
МС	–105
БС	–117

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. 4.3).

Таблица 4.3. Параметры кодовых последовательностей в стандарте IS-95