Стандарт сотовой связи CDMA-IS-95

Рис. 2

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. 3 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. 1). 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, 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.

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.

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. 3 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 ?_o/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.3

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.

связь широкополосный передатчик сотовый

3. УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ПЕРЕДАТЧИКОВ В СТАНДАРТЕ CDMA-IS-95

Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использова-нием сложного алгоритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым абонентским терминалом, до необходимого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусматривается три механизма регулировки мощности:

> В прямом канале -- разомкнутая петля

> В прямом канале -- замкнутая петля

> В обратном канале

При передаче информации базовой станцией и приеме ее подвижной стан-цией будем говорить о прямом канале. Под обратным каналом будем подра-зумевать канал, в котором подвижная станция передает, а базовая принима-ет сообщения.

Рассмотрим процесс регулирования мощности передающих устройств в об-ратном канале. Каждая подвижная станция непрерывно передает инфор-мацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой ин-формации базовая станция распределяет излучаемую мощность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает боль-шее затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель регулировки мощности в обратном канале -- оптимизация площади соты. Регулирование мощности как в прямом, так и в обратном ка-нале влияет и на срок службы аккумуляторов подвижных станций. Тесты показывают (рис. 4), что средняя излучаемая мощность подвижной стан-ции в CDMA меньше, чем в системах, использующих другие методы досту-па. Это непосредственно связано с такими параметрами радиотелефона, как длительность непрерывного занятия канала и время нахождения в режиме ожидания.

Рис. 4

Рис. 5

Процесс регулирования мощности в прямом канале происходит несколько иначе. В нем возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (ра-зомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля), как это показано на рис. 5.

Рассмотрим открытый цикл регулирования мощности (менее точный). Подвиж-ная станция после включения ищет сигнал базовой станции. После синхрониза-ции подвижной станции по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с базовой станцией. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности приня-того сигнала должна быть постоянна и равна -- 73 дБ. Если уровень принятого сигнала, например, равен -- 85 дБ, то уровень излученной мощности должен быть равен + 12 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют различные уровни затухания при распрост-ранении и по-разному подвержены воздействию помех.

Рассмотрим процесс регулирования мощности при замкнутом цикле. Меха-низм регулирования мощности при этом позволяет точно отрегулировать мощность передаваемого сигнала. Базовая станция постоянно оценивает ве-роятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает про-граммно заданный порог, то базовая станция дает команду соответствующей подвижной станции увеличить мощность излучения. Регулировка осуществ-ляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повторяется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каждая подвижная стан-ция излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обес-печения приемлемого качества речи. За счет того, что все подвижные стан-ции излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности, и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость систе-мы возрастает. Подвижные станции должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне -- до 85 дБ.

Такие факторы, как число пользователей и расстояние до них от базовой стан-ции влияют на значение максимальной излучаемой мощности. Принимая это во внимание, можно сказать, что требования к линейности передаточной фун-кции усилителя мощности, работающего при изменении уровня входного сигнала в пределах 20 дБ, чрезвычайно высоки. Линейность передаточной функции усилителя -- фактор, критичный при обеспечении желаемых харак-теристик системы. Требуемую линейность обеспечивают сложные и дорого-стоящие методы линеаризации (усилители с предварительными искажения-ми или усилители со связью вперед). Спектр излучаемого CDMA-сигнала, который получается в результате объединения множества кодированных по Уолшу базовых сигналов, близок к спектру шумового сигнала с отношением пикового значения к среднему около 11 дБ. Это означает, что для достижения одинакового качества связи в базовой станции GSM необходим усилитель с выходной мощностью 44 Вт; в стандарте D-AMPS (АДС) это значение снижа-ется до 31 Вт, а в CDMA -- до 10 Вт. Поэтому значительный теоре-тический запас энергопотенциала в радиоканале, который получается за счет использования метода расширения спектра, при сопоставимой практической реализации базового оборудования оказывается значительно меньше. Поэто-му системы с кодовым разделением каналов не обеспечивают ожидаемого увеличения площади радиопокрытия базовой станции.

В системе CDMA применяются квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) в базовой и смещенная QPSK в подвижных станциях. При этом информация извлекается путем анализа изменения фазы сигнала, поэтому фазовая ста-бильность системы -- критичный фактор при обеспечении минимальной ве-роятности появления ошибки в сообщениях. Применение смещенной QPSK позволяет снизить требования к линейности усилителя мощности подвиж-ной станции, так как амплитуда выходного сигнала при этом виде модуля-ции изменяется значительно меньше. До того, как интерференционные по-мехи будут подавлены методами цифровой обработки сигналов, они должны пройти через высокочастотный тракт приемника и не вызвать насыщения ма-лошумящего широкополосного усилителя (МШУ) и смесителя. Это заставля-ет разработчиков системы искать баланс между динамическими и шумовы-ми характеристиками приемника.

Размещено на http://www.allbest.ru/