Второе поколение сотовых систем – цифровые системы.

В этой секции мы рассмотрим самые важные цифровые сотовые сети, которые вошли в употребление в первой половине 1990-ых. Мы часто обращаемся к этим системам как второму поколению сотовых систем.

Глобальная система мобильных коммуникаций (GSM). GSM работает в полосе частот, близких 900 МГц, и она стала наиболее широко используемым вторым поколением сотовых технологий. В GSM информация об абоненте сохранена на микропроцессорной карточке – смарт-карте, благодаря которой абонент может сменить свой мобильный телефон в любое время. Когда он вставляет свою смарт-карту в новый телефон, то он сохраняет доступ к тому же самому обслуживанию, что и ранее. Метод доступа, используемый в GSM – доступ с временным разделением каналов, в котором каждый частотный канал разделен на множество коридоров во времени передачи по одному на каждого пользователя.

Цифровая сотовая система на 1 800 МГц. Цифровая сотовая система на 1 800 МГц также известна как GSM-1800. Она основана на технологии GSM, но работает в полосе частот, близких 1 800 МГц, и обеспечивает намного более высокую емкость, чем GSM в терминах числа пользователей. GSM-1800- технология для европейского варианта сети персональных коммуникаций (PCN), но она используется и в других частях из мира также. Цель PCN состоит в том, чтобы обеспечить массовые персональные телекоммуникации в городских областях.

Сеть персональных коммуникаций и её услуги. Отметим здесь, что термин персональные коммуникации относится к сотовым мобильным коммуникациям, в которых вызов адресован человеку, который носит терминал - сотовый телефон, но он не адресован фиксированному телефонному аппарату как в обычной телефонной сети. Сеть персональных коммуникаций PCN просто означают микросотовые системы, которые предоставляют дешевое и высокопроизводительное обслуживание -персональные коммуникации (PC), а также ручной портативный терминал с длительным сроком службы аккумулятора.

Отметим, что все системы с полосой частот, лежащей выше диапазона 1800-1900 МГц, упоминаются как системы персональных коммуникаций, а системы с полосой частот ниже 1 ГГц упоминаются как сотовые системы.

Персональные коммуникации и PC-1900. Система GSM-1900 основана на технологиях GSM-1800 и DCS -1800, но приспособлена к распределению частот в Северной Америке. Эти три системы на основе GSM настолько подобны, что с помощью многорежимной мобильной станции абонент может использовать все три сети с тем же самым терминалом и подпиской (той же самой смарт-картой). Мы иллюстрируем структуру и операции этой системы как пример современной цифровой сотовой системы.

Цифровая сотовая сеть в Северной Америке.И Соединенные Штаты и Канада внедряют цифровые технологии, чтобы увеличить емкость и качество существующей системы аналоговой сотовой сети. Североамериканская цифровая сотовая система (NADC) осуществляет цифровые радиокоммуникации в полосе частот аналоговой сотовой сети. Система NADC делит каждый аналоговый канал на шесть временных коридоров (слотов). С помощью разделения во времени три или шесть (при половинной скорости передачи - 32 кбит/с) пользователей разделяют между собой аналоговый канал с шириной полосы частот 30 кГц. Терминалы со способностью к двум скоростям передачи используют цифровую систему, когда она доступна, в противном случае используется аналоговое обслуживание. Система NADC в состоянии обеспечить обслуживание для даже самого старого терминала аналоговой сети. Общие каналы контроля аналоговых сетей и NADC совместимы и мобильная станция, аналоговой или цифровой модальности, сначала ищет общий канал контроля, а потом сообщает сети информацию о своей модальности. После признания цифровой модальности мобильного телефона, сеть назначает цифровой транспортный канал для вызова по мобильному телефону. Если цифровой транспортный канал не доступен, то вместо него назначается аналоговый канал. После того как канал назначен, сеть указывает MС номер канала (частоту), номер временного коридора, выбор времени и мощности передачи. Выбор времени передачи необходим во всех системах с временным разделением каналов. Отдаленная MС должна начинать передачу раньше, чем MС, близко расположенная к БС, иначе следующие друг за другом передачи от двух взаимодействующих мобильных станций будут накладываться друг на друга в приемнике БС. Канал поддерживается до тех пор, пока сеть путем контроля не установит, что время коммуникации закончилось.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Стандарт CDMA был отобран в начале 1990-ых, чтобы стать основным, цифровым сотовым стандартом в Соединенных Штатах. Главное различие между технологией CDMA и другими технологиями, обсужденными ранее - то, что в многоканальной передаче радиосигналов эта система использует не частотное или временное, а кодовое разделение каналов. Для этого мобильные системы используют широкую полосу частот, в которой каждый пользователь представлен с помощью уникального кода. Этот уникальный код используется для распространения сигнала с широкой полосой частот и обнаружения этого сигнала на приемном конце маршрута. Американская система CDMA также упоминается как узкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов.

Принцип действия CDMA.Операционный принцип радиопередачи CDMA не столь легко понятькак частотное или временное разделение каналов. Рис. 12.3 показывает очень упрощенно операции системы CDMA. Для облечения понимания на рисунке показано, что скорость передачи кодовых данных в 10 раз выше, чем скорость передачи информационных данных. В реальных системах CDMA скорость передачи кодовых данных более чем в 100 раз выше скорости передачи информационных данных.

В передатчике над пользовательскими данными и стелющимися кодовыми данными выполняется логическая операция «исключающее ИЛИ» или суммирование по модулю 2. Суммирование по модулю 2 означает: 0Å0=0; 0Å1=1, 1Å0=1; 1Å1=0. Другими словами, операция «исключающее ИЛИ» дает на выходе 1 (высокий уровень), когда пользовательские и кодовые данные не совпадают (разные), и дает на выходе 0 (низкий уровень), пользовательские и кодовые данные совпадают. В нашем упрощенном примере, биты кода, которые далее будем называть просто «кодом», и биты информационных данных, которые для простоты назовем «данными», после суммирования по модулю 2 дадут биты в 10 раз короче, чем биты оригинальных данных. Известно, что чем короче импульсы, тем шире спектр они имеют. Таким образом спектр каждого бита информационных данных стал после суммирования с кодом в 10 раз более широким, т.е. спектр информационных данных занял теперь в 10 раз более широкую полосу частот. После модуляции несущего колебания, которое используется как переносчик сигнала, широкая полоса частот будет занята и радиосигналом CDMA, который излучается антенной.

В приемнике полученный сигнал сначала демодулируется, а затем тот же самый код используется для повторения операции «исключающее ИЛИ», чтобы восстановить информационные данные. Восстановленные данные занимают полосу частот в 10 раз меньше, чем радиосигнал CDMA . Мы можем вообразить что приемник, используя правильный код, перенёс энергию сигнала из широкой полосы частот в узкую (основную) полосу частот.

Побочные сигналы от других пользователей будут суммироваться с другими кодовыми данными, поэтому на входе ФНЧ приемника они будут восприниматься как случайные сигналы с широким спектром, как показано на рис. 12.3. Большинство этих сигналов будет отфильтровано в фильтре низких частот ФНЧ приемника, тогда как большинство нужных данных легко пройдут через ФНЧ. На выходе ФНЧ побочные сигналы будут замечены как шум на вершине желательных данных. Регенератор обнаружит нужные данные и это обнаружение будет свободным от ошибок, если шум не слишком высок.

Рис. 12.3 Операционный принцип CDMA.

Для точности операции приемник должен быть синхронизирован с передатчиком и одновременно используемые коды должны совпасть во времени в приемнике и передатчике, чтобы минимизировать интерференцию. Система CDMA также требует точного и частого регулирования уровней мощности, потому что используемые мощности влияют как на отношение сигнал/шум, так и на взаимные помехи от одновременной работы пользователей. Принцип кодового разделения каналов обеспечивает много преимуществ по сравнению с частотным или временным разделением каналов. Он использует радио-ресурсы более эффективно, и снижает чувствительность к замираниям и узкополосным радиопомехам. Он рассчитан на работу МС с низкой мощностью передачи, так что риск облучения для пользователей переносных телефонов не значительный.

Система IS-95 CDMA. СистемаCDMA представляет собой беспроводную радиосеть, которая использует радиосигналы с распределенным спектром в диапазоне 800 MГц, используя принцип кодового разделения каналов. Система CDMA поддерживает операции двух модальностей (цифровой и аналоговой) точно так же, как система NADC. Ресурсы CDMA существуют в той же самой полосе частот, что и ресурсы традиционной системы сотовой связи, они представляют 41 канал в диапазоне 1.23 МГц. Пользователи CDMA используют свои уникальные коды, чтобы работать в этом диапазоне. Общие каналы контроля также работают в полосе частот CDMA, используя их собственные коды распределения, которые известны MС.

Когда MС находится в пассивном состоянии, она использует код FOCC, чтобы слушать сеть и быть в состоянии готовности, например, чтобы получить пейджинговое сообщение о поступившем вызове. Когда вызов получил соединение, новый код выделяется пользователю для коммуникации в выделенном канале.CDMA - интересная технология, и она обеспечивает много таких функций, которые мы еще не обсудили, типа программной передачи полномочий или их изъятия. Чтобы выполнить эти задачи, MS может использовать более чем одну БС (работающими с теми же самыми несущими частотами) в то же самое время, но с различными кодами. Много БС получают сигнал от одной MС одновременно, а МС может комбинировать сигналы, полученные от различных БС. MС не нуждается в переключениях от одной БС к другой в определенный момент времени как это имеет место в сетях множественного доступа с частотным и временным разделением каналов.

Мы ограничиваем наше рассмотрение CDMA и других сотовых систем этим кратким введением самых важных сетей.