Сотовые системы связи с кодовым разделением каналов
CDMA-системы являются частным случаем асинхронных многоадресных систем, основанных на квазиортогональных ШПС с так называемым прямым преобразованием (см.рис. 16.14). В главе 8 были рассмотрены принципы организации многоканальной сети связи на основе разделения сигналов по форме, в частности на рис. 8.7 представлен пример ШПС сигнала на основе ЧВМ.
Системы и сети связи с ШПС занимают особое место среди различных систем связи, что объясняется их свойствами. Во-первых, они обладают высокой помехоустойчивостью при действии мощных помех. Во-вторых, обеспечивают кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот. И, в-третьих, они обеспечивают совместимость приёма информации с высокой достоверностью и измерения параметров движения объекта с высокой точностью и разрешающей способностью.
Ретроспектива
Любые попытки современных «технических журналистов» отдать лавры первенства США в области создания теории и практики ШПС/CDMA-систем — от лукавого. Ещё в 30-е годы прошлого века в трудах советских учёных и в первую очередь Залуженного деятеля науки и техники РСФСР Д.В.Агеева (1911-1997 г.г.) излагались основные идеи нового метода кодового разделения каналов, которые получили своё широкое развитие в послевоенное время. Более того, они были реализованы на практике, в частности, в оборонной области (системы дальней радиорелейной и тропосферной связи, системы ПВО, системы управления летальными аппаратами и др.).
В годы «холодной войны» американцы, и их саттелиты по НАТО, всячески пытались вскрыть наши ШПС-системы связи и другого назначения. Наиболее яркими примерами этого являются: угон самолёта МИГ-25 в Японию предателем Беленко 1976 году и катастрофа южнокорейского Боинга 1983 году, сбитого над территориальными водами СССР.
В «лихие» 90-е годы наш отечественный оборонно-промышленный комплекс (ОПК), чтобы как-нибудь выжить в условиях катастрофического недофинансирования, предложил создать полностью отечественную систему сотовой (мобильной) связи с кодовым разделением каналов (CDMA) на основе прямого преобразования. В это время у американцев активно использовались ШПС-системы на основе ЧВМ (рис. 8.7), но не в гражданской сфере, и тем более не в системах сотовой связи.
Так вот, представители ОПК обратились за помощью к руководству Федерального агентства правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации (ФАПСИ) с целью дальнейшего продвижения проекта российской CDMA-системы·, так как генеральный директор ФАПСИ имел прямой выход на Президента России. Объяснялось это просто, тогдашний министр связи г-н Булгак «наотрез» отказался, даже от самой идеи CDMA-системы. Его слова были примерно такими: «мы (т.е. Россия) идём в Европу, а там — GSM». После обращения генерального директора ФАПСИ к первому Президенту России, последний все материалы проекта передал всё тому же Булгаку, который фактически совершил стратегическую ошибку, заблокировав проект.
А дальше было следующее. Известная американская фирма «Qualcomm» предложила нашим разработчикам проекта работу в США и «спокойно переправила» их через океан. Сам проект не был секретным, а имел гриф «для служебного пользования», и поэтому почти вся команда проектировщиков уехала в США без каких-либо проблем. Уже в США проект был восстановлен, на его основании был принят американский национальный стандарт сотовой связи четвёртого поколения! А через год американцы продемонстрировали результаты «нашего» же проекта в России. И российский телекоммуникационный бизнес начал покупать это американское CDMA-оборудование. На нашем рынке сотовой связи появились новые бренды: «СОНЕТ» (обанкротилась), «SkyLink», «SkyNet», «I-Tell», «Кодотел» и др.
Преимущества
Очевиден вопрос: «А почему американские специалисты коренным образом «переориентировались» на CDMA-системы?» Дело в том, что использование ШПС в системах передачи информации даёт ряд важных преимуществ, а именно:
1) возможность приёма сигналов с высокой достоверностью при мощности помех в полосе сигнала, много большей, чем мощность сигнала. Отсюда следует:
a) возможность функционирования системы связи в условиях, когда в некоторой области на поверхности земли или в пространстве затруднено выявление факта её работы приёмными устройствами, не располагающими сведениями о законе формирования сигнала (высокая разведзащищённость*);
b) с экологической точки зрения, ШПС являются более безопасными, по сравнению с сигналами, используемыми FDMA- и TDMA-системах мобильной связи;
2) значительное повышение помехоустойчивости против ряда преднамеренных помех, а также импульсных и узкополосных;
3) повышение разрешающей способности сигналов и, как следствие этого, возможность значительного улучшения работы системы в условиях многолучёвого распространения радиоволн (что является очень серьёзной проблемой для FDMA- и TDMA-систем мобильной связи в городах и крупных населённых пунктах);
4) возможность передачи дополнительной информации по «загруженному» каналу;
5) возможность построения асинхронных многоадресных систем с ретрансляторам и с разделением адресов (каналов) по форме или коду (т.е. систем множественного доступа с кодовым разделением каналов, при этом сами системы доступа асинхронны, так как сообщения пользователей в систему поступают не регулярно, а произвольным образом);
6) возможность построения асинхронных многоадресных систем без ретрансляторов с использованием некоторых специальных разновидностей ШПС;
7) возможность создания систем передачи информации, в которых затруднено пеленгование и сопровождение источников излучения ШПС.
Помимо перечисленных выше фундаментальных преимуществ, сотовые CDMA-системы позволяют значительно эффективнее использовать частотный диапазон, о чём свидетельствует рис. 16.13.
| DF1 |
| DF2 |
| DF2 |
| DF2 |
| DF3 |
| DF3 |
| DF3 |
| DF4 |
| DF4 |
| DF4 |
| DF5 |
| DF5 |
| DF5 |
| DF6 |
| DF6 |
| DF6 |
| DF7 |
| DF7 |
| DF7 |
| DF |
| а) |
| б) |
| Диапазон частот, используемый в соте |
Рис. 16.13. Распределение диапазонов частот в TDMA-системе (а) и CDMA-системе (б)
Основные принципы построения CDMA-систем
В отечественной телекоммуникационной литературе описание основных принципов CDMA-систем сопровождается чрезвычайно сложным и порой громоздким математически аппаратом, и поэтому в данной главе мы применим ряд упрощений и обобщений, которые позволят читателю без излишней детализации понять сущность организации множественного доступа с кодовым разделением каналов и структуру передаваемых ШПС, а также процесс их формирования, передачи и приёма абонентской (мобильным телефоном пользователя) и базовой станциями. Для этого рассмотрим рис. 16.14, на котором представлена упрощённая модель соты в CDMA-системе мобильной радиосвязи.
| ś1(t) |
| ś2(t) |
| ś3(t) |
| ś4(t) |
| ś5(t) |
| ś6(t) |
| ŚS |
| Зона «А» |
| Зона «Б» |
| Зона «В» |
| Зона «Г» |
| Зона «Д» |
| Базовая CDMA-станция |
Рис. 16.14. Модель соты в CDMA-системе мобильной радиосвязи
Предположим, что в соте (рис. 16.14) одновременно работают (ведут телефонные переговоры) шесть пользователей сотовой связи. В точке приёма базовой станции (БС) соты имеет место суммарный сигнал:
ŚS = ś1(t) + ś2(t) + ś3(t) + ś4(t) + ś5(t) + ś6(t) ,
| DF1 |
| Защитный диапазон |
| DF4 |
| DF6 |
| f |
| A |
| Рис. 16.15. Принцип частотного разделения сигналов АС в соте |
ŚS = śDF1(t) + śDF2(t) + śDF3(t) + śDF4(t) + śDF5(t) + śDF6(t) ,
При временном (TDMA) разделении сигналов (каналов) каждой АС выделяется индивидуальный временной интервал, который не пересекается (ортогонален) ни с одним временным интервалом других АС (рис. 16.16).
ŚS = śDT1(t) + śDT2(t) + śDT3(t) + śDT4(t) + śDT5(t) + śDT6(t) .
| Рис. 16.16. Принцип временного разделения сигналов АС в соте |
| DT1 |
| Защитный интервал |
| DT4 |
| DT6 |
| t |
| A |
Рассмотрим упрощённую структурную блок-схему (рис. 16.17) формирования сигнала АС si(t). Речевой сигнал (речевое сообщение) преобразуется в электрический сигнал, который подвергается аналого-цифровому преобразованию и компрессии. После этого цифровой сигнал подвергается помехоустойчивому кодированию и модуляции. В современных CDMA-стандартах используется свёрточное кодирование и двоичная фазовая модуляция (ФМ-2, ОФМ-2). Далее фазоманипулированный сигнал (рис. 16.18) перемножается с ШПС, вырабатываемым генератором широкополосных сигналов¨. Затем результирующий сигнал усиливается передатчиком и передаётся в эфир.
| Передатчик |
| si(t) |
| Кодер источника (АЦП) |
| Источник речевого сигнала |
| Кодер канала (помехоустойчивый код) |
| Модулятор (ОФМ-2) |
| Перемножитель ´ |
| Генератор ШПС |
Рис. 16.17. Упрощённая структурная блок-схема формирования сигнала АС si(t)
В Главе 8 были затронуты некоторые свойства ШПС. В частности, ШПС называется сигнал, у которого произведение спектра DF на длительность T (база сигнала) много больше единицы:
B = DFT >> 1 .
| Рис. 16.18. Частотный спектр ОФМ-сигнала |
| DFОФМ |
| f |
| A |
B = DF /R
характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра передаваемого сообщения.
Из рис. 16.17 видно, что ФМ(ОФМ)-сигнал перемножается с ШПС, тогда выходной сигнал АС si(t) можно представить как произведение двух сигналов:
si(t) = sФМi(t) ´ φi(t) ,
где φi(t), i = 1…6 — i-ый ШПС. Следовательно, в точке приёма базовой CDMA-станции соты имеет место суммарный сигнал:
ŚS = śФМ1(t)φ1(t) +śФМ2(t)φ2(t) +śФМ3(t)φ3(t) +śФМ4(t)φ4(t) +
+śФМ5(t)φ5(t) +śФМ6(t)φ6(t) .
Из этого выражения следует, что система ШПС φi(t) должна обладать следующими свойствами:
a) все ШПС должны быть взаимно ортогональными (или квазиортогональны, т.е. линейно независимыми):
φm(t) ´ φn(t) = 0 , при m ≠ n ; и φm(t) ´ φn(t) = 1 , при m = n ;
b) все ШПС должны обладать хорошими корреляционными свойствами, предполагая малую величину боковых выбросов АКФ, т.е. предельная величина бокового выброса не должна превышать 1/M , где M — длина периода ШПС (рис. 16.19).
Рассмотренным выше свойствами обладают функции Уолша, Радемахера, последовательности Баркера и так называемые M-последовательности·,а такжеряд других функций, которые могут выступать в роли «переносчиков» сигналов различных каналов (абонентов).
| M-½ |
| Rk |
| k |
| б) |
| 1 |
| Rk |
| k |
| -1/M |
| а) |
| 1 |
| 1 при k = iM, -1/M при k ≠ iM), где i = ± 0, 1, 2, … |
| Rk = |
Рис. 16.19. Примеры АКФ: М-последовательности (а) и усечённой (б)
М-последовательности (т.е. непериодической последовательности длиной в период М)
В частности, в североамериканском стандарте IS-95 предусматривается использование функций Уолша wali(t) (рис. 16.20). Теперь запишем суммарный сигнал в точке приёма БС соты CDMA-системы с учётом использования функций Уолша:
ŚS = śФМ1(t)wal1(t) +śФМ2(t)wal2(t) +śФМ3(t)wal3(t) +śФМ4(t)wal4(t) +
+śФМ5(t)wal5(t) +śФМ6(t)wal6(t) .
| t |
| t |
| t |
| t |
| t |
| A |
| Рис. 16.20. Пример базисных периодических функций Уолша |
ŚS ´wal3(t) = [śФМ1(t)wal1(t) +śФМ2(t)wal2(t) + +śФМ3(t)wal3(t) +śФМ4(t)wal4(t) +
+śФМ5(t)wal5(t) +śФМ6(t)wal6(t)] ´ wal3(t) =
=śФМ1(t)wal1(t)wal3(t)+śФМ2(t)wal2(t)wal3(t)+
+śФМ3(t)wal3(t) wal3(t)+śФМ4(t)wal4(t)wal3(t)+
+śФМ5(t)wal5(t) wal3(t)+śФМ5(t)wal6(t)wal3(t)= = śФМ3(t) .
Полученный результат представляет собой сигнал (т.е. выделенный сигнал третьей АС), который «прошёл радиоканал» и подвергся воздействию радиопомех, и поэтому отличается от сигнала переданного АС (сигнал «зашумлён»). Однако применение на передающей стороне помехоустойчивого кодирования позволяет на приёмной стороне исправить в полученной (после демодуляции) двоичной последовательности большинство ошибок и тем самым обеспечить высокое качество сообщения в соответствие с заданными параметрами.
Аналогичные процессы и процедуры осуществляются каждой АС при приёме суммарного сигнала, сформированного и переданного БС в соте.
| f |
| f |
| f |
| f |
| f |
| f |
| f |
| A |
| Уровень естественных помех |
| A |
| Уровень естественных помех |
| ś1(t) |
| ś2(t) |
| ś3(t) |
| ś4(t) |
| ś5(t) |
| ś6(t) |
| а) |
| б) |
Рис. 16.21. Пример мгновенного спектр сигнала ŚS : суммарный (а)
и разложенный (б) на составляющие мгновенные спектры сигналов АС si(t)
Спектральное представление разделения сигналов АС в CDMA-системах
В теории спектрального анализа имеет место понятие мгновенного спектра сигнала, т.е. спектра в определенный момент времени. Следует отметить следующие свойства частот гармонических составляющих спектра:
1. не зависят от времени;
2. для данного сигнала в любой момент времени существует конечное, счётное или несчётное, множество спектральных составляющих с различными частотами;
3. при прохождении сигнала через линейную цепь с постоянными параметрами не изменяются, могут измениться только амплитуды и начальные фазы;
4. являются аргументом передаточной функции линейной цепи;
5. измеряются с помощью анализаторов спектров, т.е. набора фильтров (резонаторов) или перестраиваемого резонатора.
На рисунке 16.21 представлен мгновенный спектр сигнала ŚS : суммарный (а) и разложенный (б) на составляющие сигналы АС si(t). Из этого рисунка следует, что сигнал каждой АС имеет свой уникальный мгновенный спектр частот, который изменяется во времени (а именно, амплитуды частот гармонических составляющих спектра). Более того, для каждой АС мгновенный спектр её сигнала si(t) остаётся уникальным (т.е. не перекрывается мгновенными спектрами других сигналов АС) в любой момент времени. В этом и заключается принцип кодового разделения (различения) сигналов АС. Безусловно, что некоторое перекрытие спектров существует, это связано с неидеальными АКФ и взаимными корреляционными функциями квазиортогональных последовательностей, т.е.:
φm(t) ´ φn(t) ≈ 0 , при m ≠ n ; и φm(t) ´ φn(t) ≈ 1 , при m = n .
Очевидно, что для достижения наибольшей эффективности, с точки зрения разделения сигналов АС, требуется система точной тактовой синхронизации АС в соте. Для решения этой задачи используется выделенный общий канал сигнализации (ОКС), по которому передаётся единый тактовый сигнал, используемый всеми АС в соте.
Другим основным назначением ОКС является передача сигналов регулирования мощности передатчиков каждой АС. Необходимость таких сигналов следует из рис. 16.14, на котором представлено несколько зон соты (зоны «А» … «Д»). АС, находясь в конкретной зоне, получает сигнал ОКС, по которому она определяет дальность БС в соте (т.е. на каком расстоянии от БС находится АС). Таким образом, все активные АС в соте, регулируя мощности своих выходных сигналов, обеспечивают равность мощностей всех выходных сигналов в точке приёма БС, что также обеспечивает наибольшую эффективность CDMA-системы при выделении сигналов АС.
Также с помощью ОКС решаются и другие технологические задачи, среди которых передача сигналов занятости, перегрузки канала, вызова и сброса соединения и др.
По оценкам некоторых экспертных компаний в области сотовой связи, в 2010 году число пользователей CDMA-систем сотовой связи достигло 500 млн. чел. В процентном отношении наибольшее число пользователей таких систем приходится на США, Южную Корею и Китай.
· Представители НПО «Алмаз» передали в ФАПСИ итоговый отчёт по результатам НИОКР. Фактически, на тот
момент (1994 год) были готовы рабочие (действующие) макеты базовой CDMA-станции и двух носимых
CDMA-аппаратов телефонной радиосвязи.
* Это «информация к размышлению» о защите персональных данных (Федеральный закон РФ от 27 июля 2006
года № 152-ФЗ «О персональных данных»).
¨ В этом и заключается смысл принципа «прямого преобразования», т.е. непосредственное перемножение
узкополосного сигнала и ШПС.
· Под М-последовательностью понимается линейная рекуррентная последовательность с периодом М = 2n – 1,
где n — максимальная степень генераторного полинома.
Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 1156;