Анализ состояния беспроводной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Основные принципы системы беспроводной передачи CDMA

В технологии CDMA возможно обеспечение высокого качества речи при одновременном снижении излучаемой мощности и уровне шумов. Результатом является постоянное высокое качество передачи речи и данных с минимальной средней выходной мощностью. В сотни раз меньшее значение выходной мощности в отличие от других, используемых в настоящее время стандартов -- отличительное качество технологии CDMA при рассмотрении двух немаловажных факторов: воздействия на организм человека и продолжительности работы без подзарядки аккумулятора.

Емкость CDMA от десяти до двадцати раз выше, чем у аналоговых систем, и в три-шесть раз превышает емкость других цифровых систем. Сети, построенные на ее основе, эффективно используют радиочастотный ресурс, благодаря возможности многократного использования одних тех же частот в сети.

По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый «код» служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи.

Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту не только от несанкционированного доступа, но и прослушивания.

Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками.

Абонент не хочет оставаться без связи при пересылке факса, когда телефон длительное время занят. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивающий одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи.

Концепция CDMA

В зоне покрытия электромагнитной волны в среде беспроводной связи приоритетной задачей для любой системы передачи является установление соединения по каналам между абонентами сети связи. Фактически эту задачу решает подвижная связь с множественным доступом. В настоящее время используются следующие режимы беспроводной связи с множественным доступом: FDMA в аналоговых системах, TDMA и CDMA в цифровых системах. Теоретической основой для реализации соединения с множественным доступом является принцип разделения сигнала, то есть дифференцирование сигналов, поступающих от различных терминалов за счет надлежащей организации сигналов на стороне передачи: на стороне приема производится выделение сигналов из поступающих сигнальных комбинаций устройством распознавания сигналов.

Рисунок 1.1 - Временные области и частотные диапазоны передачи FDMA, TDMA и CDMA

Под множественным доступом с частотным уплотнением (FDMA) понимается способ организации подвижной связи с множественным доступом на основе разделения несущих частот передаваемого сигнала; под множественным доступом с временным уплотнением (TDMA) подразумевается способ организации подвижной связи с множественным доступом на основе разделения моментов времени передачи сигналов; под множественным доступом с кодовым уплотнением (CDMA) понимается способ организации подвижной связи с множественным доступом за счет использования различных кодовых шаблонов передаваемого сигнала. На рисунке 1.2 показаны временные области и частотные диапазоны FDMA, TDMA и CDMA во время передачи сигналов.

Таким образом, CDMA означает модулирование сигналов с использованием различных ортогональных псевдослучайных адресных кодов на стороне передачи и демодулирование комбинированных сигналов с использованием тех же самых псевдослучайных адресных кодов на стороне приема для получения исходного сигнала.

Концепция расширения спектра

В системе передачи CDMA используется технология расширенного спектра. Так называемая технология расширенного спектра используется для преобразования исходных сигналов в сигналы передачи с гораздо более широкой полосой частот с целью повышения помехозащищенности системы связи.

Рисунок 1.2 - "Ромашка" частотного плана AMPS

Рисунок 1.3 - Частотный план CDMA

беспроводная связь коммутационный сотовый

Структура системы беспроводной передачи CDMA

В системе связи CDMA под псевдо-случайным адресным кодом понимается периодическая кодовая последовательность с высокими показателями самокорелляции, но нулевой или очень низкой взаимной корреляцией. В зависимости от режима модуляции сигналов системы CDMA можно разделить на две категории: системы DS-CDMA (CDMA c прямым расширением спектра) и системы MC-CDMA (CDMA с несколькими несущими).

В системе DS-CDMA используется определенный код для расширения спектра исходного сигнала во временной области на стороне передачи, и тот же самый код используется для декодирования сигналов на стороне приема с целью получения требуемых сигналов. В системе MC-CDMA (CDMA с несколькими несущими) используется определенный код для расширения спектра исходных сигналов в частотной области на стороне передачи, а декодирование сигналов осуществляется тем же способом для получения требуемых сигналов. Так как система MC-CDMA работает в частотном диапазоне, на стороне передачи должен использоваться метод быстрого преобразования Фурье (FFT), а на стороне приема должно использоваться обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT).

Рисунок 1.4 - Схема передачи и приема системы CDMA

В коммерческой системе сотовой подвижной связи CDMA используется комбинация технологии CDMA с технологией DS, в результате чего формируется система DS-CDMA. На рисунке 1-3 показана упрощенная схема передачи системы DS-CDMA.

В CDMA применены следующие основные принципы:

Сигналы, передаваемые в прямом или обратном направлении, должны предварительно кодироваться и соответствующим образом декодироваться в процессе приема;

Режим передачи: частотное уплотнение в дуплексном режиме (FDD).

Кодирование речи производится в режиме линейного предсказания Qualcomm-кодом (Q-CELP) с регулируемой скоростью (1, 1/2, 1/4).

Для исправления ошибок канала используется комбинация сверточного кодирования и чередования пакетов.

В прямом направлении используется модуляция QPSK, в обратном направлении модуляция р/4-QPSK.

Скорость передачи сигнала с расширенным спектром: 1,2288 Мбит/с.

Используемая полоса частот. В дипазоне 450 Мгц - 450-457.475 МГц (обратный канал/приемная BS), 460-467.475 МГц (прямой канал/передающая BS). В дипазоне 800 Мгц - 824-849 МГц (обратный канал/приемная BS), 869-894 МГц (прямой канал/передающая BS).

Разнесение несущих каналов: 1,25 МГц

Основные технологии, используемые в системе беспроводной передачи CDMA

В системе беспроводной передачи CDMA применяется несколько новых технологий, позволяющих значительно повысить защищенность, стабильность работы и качество обслуживания системы.

Технология кодирования речи. В системе беспроводной передачи CDMA применяется технология вокодера с переменной скоростью (Q-CELP), обеспечивающая минимизацию скорости передачи данных и максимальное повышение качества обслуживания. В Q-CELP используются разностные сигналы квантования векторов кодовой таблицы, а скорость вывода данных настраивается на основе уровня активизации речевого сигнала. Как правило, для обычного двухстороннего разговора средняя выходная скорость передачи данных может быть в два или более раз ниже наивысшей скорости передачи данных.

Технология активизации речевого сигнала. Вероятность нахождения речевого сигнала мобильного абонента в постоянно активном состоянии составляет 35%. В системе передачи CDMA (когда один и тот же канал беспроводной связи совместно используется всеми мобильными абонентами) эта концепция используется для снижения (или даже уменьшения до нуля) мощности передачи контроллера выходной скорости вокодера в тот момент, когда между абонентами не происходит обмена информацией, что позволяет примерно в три раза повысить пропускную способность системы.

Технология синхронизации. В системе передачи CDMA синхронизация реализуется за счет полного использования ортогональности кодов с расширенным спектром. Эта технология синхронизации позволяет обеспечить ортогональность сигналов различных каналов, не приводя к возникновения помех (фактически, ошибка синхронизации может вызвать незначительные помехи). Реализация синхронизированной системы CDMA осуществляется в три этапа: проверка синхросигналов, установление и удержание синхронизации.

Технология управления мощностью. В системе передачи CDMA предварительным условием разделения сигналов различных терминалов подвижной связи средствами CDMA является одинаковая мощность сигналов, передаваемых по разным каналам. Для поддержания приблизительно одинаковой мощности сигналов различных каналов используется функция управления мощностью сигналов, передаваемых базовой станцией и терминалом подвижной связи. Технология управления мощностью включает в себя технологию управления мощностью в прямом направлении и технологию управления мощностью в обратном направлении. Технология управления мощностью в обратном направлении делится, в свою очередь, на технологию управления мощностью при разомкнутом шлейфе, в котором задействован только терминал подвижной связи, и на технологию управления мощностью при замкнутом и внешнем шлейфе, в котором задействованы терминал подвижной связи и базовая станция. В обеих этих технологиях управления мощностью (в прямом и обратном направлении) должно соблюдаться следующее правило: быстрое понижение мощности и медленное повышение мощности.

Технология мягкого хэндовера между сотами. В системе передачи CDMA под мягким хэндовером понимается межсотовое переключение каналов, в основу которого положен принцип "подключения к новой соте до отключения от предыдущей соты"; мягкий хэндовер может выполняться в трех случаях: между разными секторами в зоне действия одного и того же BTS, между разными зонами BTS в пределах зоны действия одного и того же BSC и между разными зонами BSC в пределах зоны действия одного и того же MSC.

Технология разнесения каналов. Для полного устранения ослабления сигналов, обусловленного их многолучевым распространением, в системе передачи CDMA использована технология разнесения. В системе передачи CDMA реализуется три типа разнесения: временное разнесение, частотное разнесение и пространственное разнесение.

Технология множественного доступа.

1) КодУолша

Дифференциация прямых каналов: в каждом прямом субканале с кодовым уплотнением системы CDMA используется функция Уолша (Walsh) 64-го порядка со скоростью передачи 1,2288 Мбит/с для расширения спектра, за счет чего обеспечивается взаимная ортогональность всех прямых субканалов с кодовым уплотнением. С программой генерирующей коды Уолша по методу матрицы Хадамарда можно ознакомится в приложении 1. Коды Уолша полученные по этому методу приведены ниже, в таблице 1.1. Они полностью соответствуют табличным значениям [1], [2].

2) PN-код

Короткий код 215-1: дифференциация базовых станций;

Длинный код 242-1: дифференциация терминалов подвижной связи в обратном направлении и скремблирование в прямом направлении.

В CDMA используется две m-последовательности, длины которых соответственно равны 242-1 (г=42) и 215-1 (г=15). В прямом канале m-последовательность длиной 242-1 используется для скремблирования служебного канала; m-последовательность длиной 215-1 используется для ортогональной модуляции прямого канала. Различные базовые станции используют для модуляции m-последовательности с разностью фаз не менее 64 битов. В обратных каналах m-последовательность длиной 242-1 используются для прямого расширения спектра, при этом каждому абоненту присваивается некоторая фаза т-последовательности. Вычисляемые по номеру ESN абонента фазы этих m-последовательностей распределяются в произвольном порядке без повтора; обратные каналы этих абонентов являются ортогональными по отношению друг к другу. Для выполнения ортогональной модуляции обратного служебного канала используется также PN-код длиной 215-1, однако поскольку не требуется определять базовые станции служебных каналов, то для всех терминалов подвижной связи используется m-последовательность одной и той же фазы, при этом сдвиг фазы равен 0.

RAKE-приемник. В системе передачи CDMA имеется три коррелятора и один коррелятор поиска для приемника прямых каналов (терминала подвижной связи). Сигналы после демодуляции QPSK посылаются на эти три коррелятора, которые осуществляют прием и разделение сигналов, поступающих с трех трактов. Коррелятор поиска выдает значения задержки 1, 2 и З соответствующих адресных кодов. Затем система приема, в соответствии с результатами сравнения данных задержки и ширины кодового элемента, определяет соответствующий способ выборки и оценки трактов и схем взвешенного анализа, из которых предполагается прием сигналов, и определяет максимальное отношение S/N для выходных сигналов. В приемнике обратного канала (на базовой станции) используется практически такой же режим обработки сигналов, как и в приемнике прямого канала, за исключением того, что в нем имеется дополнительная схема приема с пространственным разнесением.

Технология организации сети и управления. Подвижная связь может быть реализована только путем создания крупномасштабной сети. Следовательно, важную роль играет технология организации сети и управления. Современные технологии цифровой подвижной связи объединяют в себе не только достижения высоких технологий беспроводной и проводной связи, но также и технологии компьютерного управления и построения сети. Аналогичным образом, множество высококачественных функций системы CDMA реализуется на основе представленных в системе сложных, гибких и надежных технологий организации сети и управления.

Функции начального управления реализуются в радиоинтерфейсе (то есть в ит-интерфейсе между терминалом подвижной связи и базовой станцией) через пилот-канал, канал синхронизации и пейджинг-канал в прямом направлении и через канал доступа в обратном направлении. После установления связи управление может быть реализовано только посредством мультиплексированных услуг сигнализации в прямом и обратном канале, например, межсотовый хэндовер, технология управления мощностью и т.д.

Кроме того, между базовой трансиверной станцией (BTS) и контроллером базовой станции (Abis-интерфейс), между BSC и коммутационным центром подвижной связи (MSC) и между BSC, находящихся под управлением одного и того MSC, используются довольно сложные интерфейсы, технологии сигнализации, организации сети, эксплуатации и техобслуживания (ОМС) и управления, наиболее сложные из которых представлены в MSC. Следовательно, с точки зрения обеспечения защиты сети крайне важное значение имеет эффективное сетевое управление.

Архитектура системы подвижной связи CDMA

Как показано на рисунке 1-5, в структуру системы CDMA входит система цифровой подвижной связи CDMA и связанные с ней другие сети связи. Система CDMA состоит из трех независимых подсистем: терминал подвижной связи (MS), подсистема базовой станции (BSS) и подсистема сетевой коммутации (NSS). На рисунке 1-5 символами A, Abis, Um, В, С, D, Е, Н, М, N, О, Р представлены интерфейсы между функциональными объектами (см таблицу 1.2). В зависимости от конфигурации функциональных объектов в физических блоках, некоторые интерфейсы выполняют функции внутренних интерфейсов, и не требуется их соответствие унифицированным стандартам на интерфейсы. Ai, Di и Pi - это интерфейсы, обеспечивающие соединение цифровой сети подвижной связи CDMA с другими сетями связи.

Рисунок 1.5 - Архитектура системы сотовой подвижной связи CDMA.

Подсистема базовой станции (BSS)

BSS - это собирательный термин, используемый для оборудования беспроводной связи и оборудования управления беспроводными каналами, обслуживающего одну или несколько сот. Как правило, в состав BSS входит один или несколько контроллеров базовых станций (BSC) и базовых трансиверных станций (BTS).

Коммутационный центр подвижной связи (MSC)

MSC представляет собой функциональный объект, предназначенный для выполнения функций управления и коммутации в терминалах подвижной связи, находящихся в зоне его обслуживания, а также части функций автоматического проключения абонентского трафика между сетью CDMA и другими коммутируемыми сетями общего пользования или между абонентами и другими MSC.

Шлюзовой коммутационный центр подвижной связи (GMSC)

Если абонент, не являющийся абонентом сети CDMA, посылает вызов на терминал CDMA-абонента, то этот вызов маршрутизируется сначала в MSC сети CDMA (то есть GMSC), который запрашивает соответствующий HLR и направляет вызов в MSC, обслуживающий вызываемого абонента.

Регистр местоположения визитеров (VLR)

VLR - это регистр местоположения, используемый MSC для запроса информации. Он обеспечивает хранение и обновление данных о мобильных абонентах, перемещающихся в зону обслуживания этого VLR. Этот VLR может быть интегрирован в MSC или может быть установлен отдельно; если эти объекты объединены друг с другом, то В-интерфейс выполняет функции внутреннего интерфейса.

Опорный регистр местоположения (HLR)

HLR - это регистр местоположения, предназначенный для регистрации идентификаторов абонентов, включая абонентскую информацию (ESN, MDN, IMSI (MIN), информацию об услугах, данные о текущем местоположении, действительное время и т.д.). HLR может располагаться в MSC или может быть установлен отдельно. Если эти объекты объединены друг с другом, то С-интерфейс выполняет функции внутреннего интерфейса.

Центр аутентификации (AUC)

Центр аутентификации представляет собой функциональный объект, предназначенный для управления аутентификационной информацией, связанной с терминалами подвижной связи. Он обеспечивает аутентификацию мобильных абонентов, хранение параметров аутентификации мобильных абонентов и генерацию и передачу соответствующих параметров по запросу MSC/VLR. AUC может быть объединен с регистром HLR или может устанавливаться отдельно. Если эти объекты объединены друг с другом, то Н-интерфейс выполняет функции внутреннего интерфейса.

Центр обработки коротких сообщений (МС или SC)

МС или SC отвечает за прием, хранение и передачу коротких сообщений абонентов, а также сохранение связанных с абонентом данных о коротких сообщениях.

Объект коротких сообщений (SME)

SME - это функциональный объект, предназначенный для объединения и разбиения коротких сообщений на фрагменты. Этот объект может быть расположен в MSC, HLR или SC.

Центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС)

ОМС обеспечивает оператора связи функциями эксплуатации и технического обслуживания сети, управления зарегистрированной информацией о мобильных абонентах и функциями планирования сети с целью повышения эффективности работы и качества обслуживания системы. В зависимости от основных выполняемых функций технического обслуживания различают два типа ОМС: OMC-S и OMC-R. OMC-S главным образом используется для технического обслуживания MSS, a OMC-R - для технического обслуживания BSS.

В связи с постоянным ростом абонентов сотовой связи и все большими требованиями, предъявляемыми к их обслуживанию, все более актуальным становится вопрос модернизации систем сотовой связи. Стандарт GSM, пользующийся сейчас наибольшей популярностью, в ближайшем будущем может исчерпать свои возможности, к тому же, он не дает возможности для расширения спектра предоставляемых услуг, либо это потребует значительных затрат, что отразится на стоимости. Так как стандарт GSM нерационально использует предоставляемые частоты, невозможно увеличивать число абонентов без значительного ухудшения качества.

На смену стандарту GSM постепенно приходит стандарт CDMA, который начинает пользоваться все большей популярностью. Внедрение стандарта CDMA поможет решить назревающие проблемы.

Качество передачи голоса в данном стандарте намного выше, спектр предоставляемых услуг достаточно широк и существует возможность его расширения, качество предоставляемых услуг находится на высоком уровне. Немаловажную роль играет и более низкая стоимость предоставления данных услуг, что, в свою очередь, привлечет большое число абонентов. За счет скачкообразной перестройки частоты рационально используются предоставляемые ресурсы, что позволяет увеличивать количество абонентов без ухудшения качества предоставляемых услуг.

Стандарт CDMA является новой ступенью в развитии систем связи, стандартом третьего поколения. Развитие экономики, промышленности, движение общества вперед невозможно без качественных средств связи, поэтому очень важно вовремя модернизировать систему связи, чтобы на высоком уровне удовлетворять потребности населения, предприятий и т.д.

Также при установке данной станции появится возможность создания в будущем сотовой сети на территории всей области, что обеспечит надежной связью даже самые удаленные поселки, а это не только звонки близким, но и возможность получить помощь.

Важную роль играет и полная защита информации от несанкционированного доступа, так как частота передачи между приемником и передатчиком постоянно изменяется и подключиться к разговору на сегодняшний день невозможно. За счет этого достигается полная конфиденциальность разговоров и передаваемой информации.

Таким образом, я считаю, что сотовая связь стандарта CDMA имеет большие перспективы развития, способна удовлетворить растущие запросы абонентов по качеству предоставляемой связи и других услуг. Высокое качество вязи в этом стандарте сочетается с приемлемой ценой, более низкой, чем при стандарте GSM. Также станции стандарта CDMA легко модернизируются, расширяются и комплектуются дополнительными модулями. Сейчас ведутся разработки по внедрению стандарта WCDMA на базе CDMA для передачи видео данных, видеозвонков и т.д.

Размещено на Allbest.ru