Радиоинтерфейс системы CDMAone (IS-95)

Interim Standard 95 (IS 95) определяет требования к радиотелефонным системам связи с применением сигналов расширенного спектра ( метод прямой последовательности DS/SS)) для обеспечения множественного доступа. Этот стандарт был разработан корпорацией Qualcomm для работы в спектре частот, используемом аналоговыми системами связи (AMPS) в США. Системы AMPS используют полосу шириной 25 МГц для передачи сигнала от базовой станции к мобильному устройству (прямой канал) в диапазоне 869-894 МГц и полосу такой же ширины для обратной передачи сигнала (обратный канал) в диапазоне 824-849 МГц. При работе IS-95 в каждый отдельный момент времени используется система CDMA с шириной полосы 1,25 МГц, а мобильные устройства соответствуют одновременно двум стандартам (AMPS и CDMA). Согласно решению Федеральной Комиссии связи США, одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот, равный 12,5 МГц, как в прямом, так и в обратном канале, что соответствует 10 физическим частотным радиоканалам с полосой 1,25 МГц.

Основные характеристики системы:

Каждый канал расширяется на полосу шириной 1,25 МГц, после чего фильтруется для ограничения спектра.

Скорость передачи элементарных сигналов =1,2288 млн. элементарных сигналов в секунду. Номинальная скорость передачи данных, называемая режимом RS1 (Rate Set 1) равна 9,6 Кбит/с. Улучшенный скоростной режим RS2 соответствует скорости передачи данных 14,4 Кбит/с.

Модуляция данных осуществляется с помощью двоичной фазовой манипуляции (BPSK) с применением расширения сигнала методом QPSK. При этом каждый квадратурный компонент несущей является сигналом BPSK, модулированным данными.

Используется сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби

Для разнесения по времени используется устройство временного уплотнения импульсных сигналов с интервалом 20 мс.

Сигналы с многолучевым распространением обрабатываются RAKE – приемником. Для пространственного разделения используются две антенны в каждом секторе ячейки.

Для разделения по каналам применяется ортогональное кодовое уплотнение.

Регулирование мощности позволяет минимизировать энергию передаваемого сигнала, и, следовательно, уменьшить интерференцию.

Резерв фактора речевой активности учитывается использованием речеобразующего 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; 0,8 кбит/с

12.2 Прямой канал связи ( линиz «вниз»)

Требуемое качество передачи данных в системе достигается с помощью мощного канального кодирования. На первом этапе сигнал с выхода вокодера , в котором с помощью метода линейного предсказания LPC производится черновая оцифровка голосового сигнала со скоростью 8 кбит/с, структурируется в кадры длительностью 20 мс и кодируется блоковым циклическим кодом. При этом скорости передачи данных возрастают до 9,6; 4,8; 2,4; 1,2 кбит/с. Далее сигнал проходит этап сверточного кодирования. В прямом канале используется код с длиной кодового ограничения 9 и скоростью ½.. Следующие три шага включают сложение по модулю 2 двоичных значений псевдослучайных кодов и ортогональных последовательностей (применяется для обеспечения конфиденциальности абонентов), распределение по каналам и определение базовой станции. В целях конфиденциальности используются псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины с 42-разрядным регистром сдвига. В системе со скоростью передачи 1, 2288 млн. элементарных сигналов в секунду такой код повторяется с периодом приблизительно в 41 день. Системы стандарта IS- 95 используют идентичное оборудование для кодирования всех базовых станций и мобильных устройств. Индивидуальным является только циклический сдвиг ПСП. Пользователям, которые связываются между собой, не нужно знать кодовые модификации друг друга, т.к. базовая станция проводит демодуляцию и повторную модуляцию всех обрабатываемых сигналов.

Для распределения по каналам с последующим расширением спектра используется код Уолша ( Walsh cover). Код является ортогональным и генерируется с помощью матрицы Адамара. В стандарте IS-95 код Уолша характеризуется матрицей 64 х 64, где каждая строка соответствует отдельному коду. Каждая строка соответствует отдельному коду, поэтому прямой канал связи можно разбить на 64 ортогональных канала.

Следующий применяемый код называют коротким, т.к. он основан на 15- разрядном регистре сдвига . Короткий код можно представить в виде «адреса» базовой станции. Использование этого кода требует наличия двух регистров сдвига: одного в синфазном канале (I), другого – в квадратурном (Q). Каждая базовая станция для определения своего местоположения применяет особый сдвиг кодов I и Q, каждый из которых состоит из 64 элементарных сигналов (чипов). Таким образом становится возможным получить 512 уникальных адресов. Шаг сдвига ПСП однозначно определяет размер соты (или сектора), при котором мобильная станция (МС) с гарантией определяет базовую станцию (БС). При сдвиге в 64 чипа радиус соты составит порядка 15, 5 км.

На рисунке 12.1. Приведена упрощенная схема передачи сигнала в прямом канале CDMA.

Рисунок 12.1. Упрощенная схема передачи голоса в прямом канале CDMA

Архитектура линии «вниз»

Логические каналы линии «вниз» включают:

Пилотный ( или контрольный) канал (pilot channel)

Синхронизационный канал ( synchronization channel)

Канал персонального вызова (paging channel)

Канал прямого трафика (forward traffic channel)

Стандартом IS-95 предусматривается организация одного пилотного канала, одного канала синхронизации, от одного до семи каналов вызова ( в зависимости от абонентской нагрузки на БС) и от 55 до 62 каналов прямого трафика. Отображение логических каналов на физические осуществляется с помощью ортогональных функций Уолша.

В пилотном канале используется функция Уолша , т.е. последовательность из одних нулей. Мощность, определенная пилотному каналу, обычно на 4 – 6 дБ превышает мощность в канале трафика. Информационные данные по пилотному каналу не передаются. Как можно видеть из рисунка 12.2, фактически в пилотном канале передается только пара ПСП-I и ПСП-Q , т.е. комплексная ПСП.

Рисунок 12.2. Структурная схема пилотного канала

После перемножения с квадратурными ПСП сигнал в каждом из квадратурных плеч квадратурного фазоманипулированного (КФМ) модулятора фильтруется для формирования приемлемого спектра и перемножается со сдвинутыми на 90⁰ гармоническими колебаниями центральной частоты. Суммирование выходов квадратурных плеч дает модулированный сигнал, в котором пилотная компонента совпадает с произведением пилот-сигнала (т.е. константы) с четырехфазно манипулированной несущей.

После вхождения в синхронизм с пилот-сигналом МС располагает информацией о фазе принимаемой несущей, временных границах чипов и периодов короткой ПСП.

Для приема сообщений нужно знать границы кадров, точное время в системе, значение циклического сдвига ПСП данной БС, идентификаторы БС и контроллера мобильных станций (MSC), значение мощности сигнала в пилотном канале, параметры длинной ПСП, скорость передачи данных в канале персонального вызова. Структуру физического канала синхронизации поясняет рисунок 12.3. Данные канала синхронизации, поступающие со скоростью 1200 бит/с, подаются на вход сверточного кодера, с выхода которого снимается двоичная последовательность со скоростью 2400 бит/с , поступающая далее на устройство повторения, после которого скорость потока данных удваивается до 4800 бит/с. Информация, передаваемая по каналу, структурируется в кадры, каждый кадр совпадает с одним периодом короткой ПСП и содержит 32 бита исходных данных. После блокового перемежения поток данных подвергается прямому расширению спектра путем сложения по модулю 2 с присвоенной каналу синхронизации функцией Уолша . Каждому биту информационного потока с выхода перемежителя ( скорость 4,8 кбит/с) сопоставляется чипов, т.е. четыре периода последовательности Уолша.

Рисунок 12.3. Структурная схема канала синхронизации

БС может передавать синхросообщение, занимающее несколько кадров подряд, вследствие чего передаваемые данные могут подвергаться определенной структурной организации, называемой капсулированием.

Канал персонального вызова предназначен для вызова МС и передачи ей системной информации. После получения БС сигнала подтверждения от МС по этому же каналу передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Сообщения, передаваемые по каналу вызова, могут быть четырех типов:

· Заголовок

· Пейджинг

· Ордер

· Назначение каналов

Заголовок содержит информацию о важнейших параметрах конфигурации системы и передается на МС в виде следующих типовых сообщений:

Параметры системы ( параметры эстафетной передачи – порог включения, порог выключения, значение таймера выключения, параметры регулировки мощности в прямом канале и т.д.)

Параметры доступа ( конфигурация канала доступа МС – число проб установления доступа, время ожидания подтверждения, интервал между попытками доступа, начальное значение мощности излучения в канале доступа, шаг приращения мощности излучения и др.)

Граничный список – перечень циклических сдвигов ПСП соседних БС или секторов для оптимизации эстафетной передачи.

Пейджинговое сообщение содержит вызов, адресованный либо конкретной МС, либо группе МС.

Сообщение типа «ордер» охватывают широкий класс команд управления МС. Данные сообщения используются для подтверждения регистрации МС, ее блокировки в состоянии сбоя и др.

Сообщения о назначении каналов указывают МС выделенный канал трафика, назначают ей другой канал персонального вызова и т.д.

Структурная схема формирования каналов персонального вызова представлена на рисунке 12.4.

В отличие от канала синхронизации, скорость поступления информации в канале персонального вызова составляет 4,8 или 9,6 кбит/с. Исходный битовый поток проходит через сверточный кодер и (только при входной скорости 4,8 кбит/с) устройство повторения, так что при любой из двух начальных скоростей скорость кодированного потока оказывается равной 19,2 кбит/с. После блокового перемежения в пределах 20-милисекундного кадра поток данных скремблируется децимированной длинной ПСП и подвергается расширению спектра: суммируется с функцией Уолша из набора . Символы как длинной, так и короткой ПСП имеют частоту следования 1,2288 Мчип/с, поэтому для скремблирования потока после перемежения из длинной ПСП выбирается каждый 64-тый символ ( децимация с индексом 64). Поскольку сообщения в канале вызова могут занимать много кадров, используется капсулирование информации.

Рисунок 12.4. Структурная схема канала вызова

Канал прямого трафика служит для передачи речевой информации и данных, а также информации сигнализации от БС к МС. Структура канала прямого трафика показана на рисунке 12.5. В канале прямого трафика присутствует устройство мультиплексирования потока информационных данных и битов регулировки мощности, а также поддержание набора четырех различных скоростей 9,6; 4,8; 2,4; 1,2 кбит/с, выбираемых в соответствии с текущей речевой активностью абонента. Выравнивание скоростей осуществляет устройство повторения: поток данных с максимальной скоростью проходит повторитель без изменения, а скорость потока с более низкими значениями увеличивается за счет посимвольного повторения в 2, 4 и 8 раз соответственно. Основной целью подобного выравнивания является снижение уровня внутрисимвольных помех. Улучшение помеховой ситуации достигается снижением излучаемой мощности, пропорциональным числу повторения символов. Например, четырехкратное повторение символа при наименьшей (1,2 кбит/с) скорости речевого сообщения позволяет в четыре раза уменьшить мощность по сравнению с максимальной (9,6 кбит/с) входной скорости без ухудшения достоверности передачи данных. После символьного повторителя блок информационных данных подвергается процедуре блокового перемежения на длительности кадра 20 мс, а затем скремблируется децимированной длинной ПСП, причем состояние генератора ПСП определяется электронным серийным номером (electronic serial number – ESN) МС в соответствии с некоторым секретным ключом.

Рисунок 12.5. Структурная схема канала прямого трафика

Скремблированные данные далее мультиплексируются с командами регулировки мощности передатчика МС – определенные символы потока данных заменяются битами регулировки мощности (power control bits – PCB). Мультиплексированный поток данных манипулирует канальную поднесущую, в качестве которой используется одна из последовательностей Уолша и с чиповой скоростью 1,2288 Мчип/с, причем номер последовательности Уолша однозначно определяет номер канала прямого трафика. Помимо скоростей 9,6; 4,8; 2,4; 1,2 кбит/с вокодер может поддерживать набор скоростей вида 14,4; 7,2; 3,6; 1,8 кбит/с . В этом случае скорость сверточного кода изменяется до ¾ для поддержания прежней скорости 19,2 кбит/с на входе блокового перемежителя.