Системы сотовой связи с кодовым разделением каналов

Системы сотовой связи с кодовым разделением каналов

Первый действующий стандарт мобильной сотовой связи с кодовым разделением каналов IS-95 был разработан фирмой QUALCOMM (США). Основная цель разработки – увеличение пропускной способности системы сотовой связи не менее, чем на порядок, по сравнению с аналоговыми системами. Хотя технология CDMA была достаточно хорошо изучена, и даже реализована в некоторых областях связи (например, в военной), её использование в системах коммерческой сотовой связи сдерживал ряд серьезных проблем. Важнейшие из них – необходимость быстродействующей и высокоточной системы регулировки мощности, трудности, возникающие при синхронизации адресных последовательностей, и недостаточно высокий уровень технологии изготовления оборудования.

Система рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц. Общая полоса частот канала связи составляет 1, 25 МГц, так что при развертывании сотовых сетей cdma. One операторы могут формировать частотный план на основе таких полос. В соответствии с нормами Федеральной Комиссии Связи США (Federal Communications Commission) одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот 12. 5 МГц в стволах MS-BS и BS-MS, что соответствует 10 полосам по 1. 25 МГц.

Система CDMA QUALCOMM построена по методу прямого расширения спектра частот. В каналах системы используют помехоустойчивое кодирование и перемежение передаваемых сообщений. В стандарте применяют раздельную обработку отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на BS используют 4, а на MS - 3 параллельно работающих коррелятора. Наличие параллельных каналов корреляционной обработки позволяет осуществить мягкий режим эстафетной передачи (soft handover) при переходе мобильного абонента из одной соты в другую. В процессе мягкой эстафетной передачи MS могут сопровождать 2 и более базовых станций. Принятые меры позволяют поддерживать высокое качество связи при переключении MS с одной базовой станции на другую и делают эстафетную передачу практически незаметной для пользователя.

Быстродействующая система автоматического регулирования мощности (АРМ) передатчиков MS не только обеспечивает заданный средний уровень сигнала приеме на BS, но и существенно компенсирует быстрые замирания на трассе распространения. Эффективная работа системы АРМ MS облегчает работу приемника BS, снижает уровень внутрисистемных шумов, увеличивает помехоустойчивость и повышает пропускную способность сети связи.

Высокую пропускную способность системы CDMA QUALCOMM обеспечивают также за счет использования речевой активности абонентов: в стандарте применен алгоритм прерывистой передачи речи и вокодер CELP (code excited linear prediction) с переменной скоростью преобразования речевого сигнала. Стандарт cdma. One гарантирует безопасность передаваемых сообщений и данных об абонентах. Он имеет более сложный, чем GSM, радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу сообщений с использованием составных адресных поднесущих, сформированных на основе функций Уолша и М- последовательностей. Безопасность связи обеспечивают также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений.

Прямой канал связи состоит из одного пилотного канала (pilot channel), одного канала синхронизации (synchronization channel), и 62 других каналов Эти 62 канала могут быть полностью использованы для передачи прямого трафика (forward traffic channels), однако до 7 из них можно использовать и в качестве каналов персонального вызова (paging channels).

Для разделения каналов служат кодовые БФМ- последовательности, сформированные на базе ансамбля ортогональных функций Уолша. Адресная последовательность W 0 (константа) предназначена для организации пилотного канала, а адресная последовательность W 32 (меандр) – для организации канала синхронизации. Каналы персонального вызова и прямого трафика используют другие 62 адресные последовательности. В прямом канале связи функции Уолша используют для кодового разделения рабочих каналов (в обратном канале связи их функциональное назначение будет иным).

В передающем тракте BS перенесение сигналов в каналах на адресные поднесущие производят в 2 этапа. На первом этапе последовательность информационных символов модулирует (операция «сумма по модулю 2» ) адресную БФМ-последовательность на основе функций Уолша (Wi) с тактовой частотой 1. 2288 Мчип/с. На втором этапе полученный поток скремблирует ( «сумма по модулю 2» ) псевдослучайные БФМ- последовательности PNI и PNQ (PN- pseudonoise) в синфазном (I) и квадратурном (Q) каналах. Эти псевдослучайные последовательности (ПСП) не совпадают между собой и являются известными М- последовательностями. Они одинаковы для всех 64 каналов и имеют тактовую частоту 1. 2288 Мчип/с.

Поскольку в пилотном канале используют функцию Уолша W 0 (константу), то адресную последовательность в нем фактически определяют квадратурные ПСП PNI и PNQ. В канал синхронизации данные поступают со скоростью 1200 бит/с. После сверточного кодирования (9, 1/2) их скорость возрастает до 2400 символов/с. Затем информация поступает на устройство повторения, и на его выходе поток имеет скорость 4800 символов/с. Далее следует процедура блокового перемежения, в ходе которой информацию перемежают в пределах кадров 20 мс.

Пилотный сигнал Кодовый Скрембле Уст Логический ноль модулятор р ройс I тво 4800 бит/с Данные о лине синхро- Блоковый Сверточный 1. 2288 йног низации пер Q кодер Мчип/с о (9. 1/2) еме весо 1200 бит/с жи- вого 19200 симв/с тел I сло Данные о ь жен I персо- нальном (20 мс) Блоковый Скрембле ия Сверточный Устрой- вызове кодер пе р Q ство пов (9. 1/2) ре 1. 2288 - ме Мчип/с торения жи I 9600 бит/с 19200 симв/с Генератор - 4800 9600 длинного те 2400 4800 кода (242 -1) ль 1. 2288 Q (20 мс) Мчип/с 19200 симв/с 19200 бит/с Инфор-мация прямого I трафика Сверточный Устрой- Блоковый кодер пер Мульти ство пов - (9. 1/2) Q - еме плексер 1. 2288 Q торения жи- Мчип/с 1. 2288 тел Мчип/с 9600 симв/с 19200 симв/с Генератор ь 4800 9600 длинного Информация о PNI PNQ (20 мс) регулировании 2400 4800 кода (242 -1) мощности Генератор ПСП (215) 1200 2400 передатчика мобильной станции Структурная схема передающего тракта BS

Перемежение применяют для преобразования пакетов ошибок, возникающих при передаче в канале связи, в одиночные ошибки. Это позволяет уменьшить вероятность ошибки при декодировании информации. На выходе перемежителя скорость потока по-прежнему составляет 4800 символов/с. После проведения «подготовительных» операций информация поступает на модулятор последовательностей Уолша. Каждый символ на входе модулятора имеет длительность, равную четырем периодам последовательности Уолша: 1. 2288 Мчип/с = 64 7 4 4800 символов/с (64 – количество чипов на периоде функции Уолша, или длина кода). Очевидно, что на выходе модулятора тактовая частота потока также будет 1. 2288 Мчип/с.

Для передачи речи по каналам прямого трафика стандартом предусмотрено использование вокодера CELP с переменной скоростью преобразования 8550, 4000, 2000 или 800 бит/с в зависимости от параметров речи абонента. Информацию в каналах трафика передают кадрами по 20 мс. При этом скорость передачи кодированной речевой информации, поступающей в канал, постоянна в течение кадра и составляет 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с. Сверточный кодер с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/2 удваивает скорость потока: 19 200, 9600, 4800 или 2400 символов/с на выходе соответственно.

Для выравнивания скорости потоков кодированной речевой информации применяют устройство повторения: данные на его выходе всегда следуют со скоростью 19 200 символов/с: 1 19 200 символов/с, 2 9600 символов/с, 4 4800 символов/с, 8 2400 символов/с

Чем больше кратность повторения символов, тем меньшую мощность используют для их передачи по каналу связи при фиксированной суммарной энергии посылки исходного символа. Это позволяет уменьшить уровень взаимных помех в системе и увеличить пропускную способность сети. При приеме MS заранее неизвестны скорость передачи информации и кратность повторения символов в текущем кадре. Поэтому декодер MS предпринимает 4 попытки декодирования принятой посылки с четырьмя возможными скоростями передачи и кратностями повторения. Истинную скорость передачи определяют по минимуму обнаруженных декодером ошибок.

Длинный код (на основе М-последовательности) несет информацию об индивидуальном номере абонента в сети. Маска, необходимая для генерирования длинного кода, записана в ПЗУ MS. Тактовая частота при генерировании длинного кода − 1. 2288 Мчип/с, но устройство децимации (на рис. не показано) понижает тактовую частоту до 19 200 бит/с, оставляя лишь каждый шестьдесят четвертый символ в последовательности. Модифицированный длинный код с выхода дециматора поступает на один вход скремблера; на другой вход со скоростью 19 200 символов/с поступает информация с выхода блокового перемежителя.

Скремблер производит операцию «сумма по модулю 2» над входными потоками информации. Следует отметить, что скремблирование информации длинным кодом является еще и мощным криптографическим средством, обеспечивающим высокую степень конфиденциальности передаваемых сообщений. Скремблированные данные мультиплексируют с информацией о регулировании мощности передатчиков MS: определенные символы потока данных на входе мультиплексера заменяют битами команд регулировки мощности.

После мультиплексирования информация со скоростью 19 200 символов/с поступает на кодовый модулятор. Номер функции Уолша, применяемой в адресной последовательности, однозначно определяет номер канала трафика данной BS. С выхода модулятора сложный сигнал с тактовой частотой 1. 2288 Мчип/с направляют в квадратурные каналы (I и Q), где он скремблирует ПСП, применяемые во всех 64 каналах.

Последняя группа каналов – каналы персонального вызова. Они служат для передачи MS системной информации и команд управления. При вызове, исходящем от MS, когда она производит запрос по каналу доступа о предоставлении ей канала трафика, BS подтверждает запрос и передает команду настроиться на выделенный канал прямого трафика. Для этого также используют каналы персонального вызова. За несколькими исключениями структура канала персонального вызова повторяет структуру канала прямого трафика. Различия состоят в том, что данные в каналы вызова поступают со скоростью 9600, 4800 или 2400 бит/с, информацию в них не мультиплексируют с командами регулировки мощности, и, наконец, используют другую маску длинного кода.

Сформированные в прямом канале связи квадратурные составляющие сигналов во всех 64 CDMA-каналах затем объединяют и суммируют с весами в режиме линейного сложения. Синфазную и квадратурную компоненты получившегося группового сигнала фильтруют в основной полосе частот и подают на схему 4 - позиционной фазовой манипуляции ФМ-4 (quaternary phase shift keying – QPSK), где видеосигнал переносят на промежуточную частоту. Манипулированный групповой сигнал на промежуточной частоте затем переносят с промежуточной частоты на несущую, подают на линейный усилитель мощности, и через полосовой фильтр направляют к передающей антенне BS.

Непрерывно излучаемый BS пилотный сигнал, выполняет несколько функций. Уровень мощности сигнала, излучаемого в пилотном канале, постоянен и на 4. . . 6 д. Б выше, чем в каналах трафика. MS использует пилотный сигнал для захвата несущей частоты, после чего отслеживает его с точностью до фазы и выделяет опорное колебание, необходимое для когерентной обработки сигналов данной BS приеме. Измеряя мощность пилотных сигналов BS, MS может использовать полученные данные при эстафетной передаче, а также при регулировании мощности передатчика.

Адресная последовательность пилотного канала (короткий код) представляет собой ПСП PNI и PNQ, каждая из которых является М-последовательностью. Все BS в системе используют один короткий код, но с разными циклическими сдвигами. По циклическому сдвигу короткого кода можно выделять и различать сигналы, излучаемые BS в разных сотах и секторах. Циклические сдвиги имеют равномерный шаг 64 чипа. Это означает, что даже в районах с микросотовой структурой есть твердая гарантия того, что сигналы разных BS можно различить приеме. Если сеть содержит более 511 BS, то легко добиться того, чтобы BS с одинаковыми циклическими сдвигами короткого кода не были одновременно в зоне радиовидимости одной MS.

Для обеспечения точности циклических сдвигов стандарт cdma. One использует концепцию синхронизированных BS. Единое время в системе и высокую стабильность тактовых частот поддерживают с помощью спутниковой системы радионавигации GPS (Global Positioning System). RAKE-приемник MS имеет в своем составе 3 параллельных канала корреляционной обработки сигналов и 1 дополнительный, сканирующий канал. После захвата несущей частоты MS обрабатывает посылки в пилотном канале BS, выделяя из принимаемого многолучевого сигнала наиболее мощные компоненты. На этом этапе, этапе поиска сигналов BS, MS использует вспомогательный сканирующий канал. Последующая обработка сигналов трех выбранных лучей в ветвях корреляционного приемника позволяет MS отслеживать данные сигналы в присутствии аддитивных и мультипликативных помех и оценивать с заданной точностью их амплитуды, фазы и временные задержки

Измеряя временные задержки сигналов выделенных лучей, MS подстраивает в корреляторах циклические сдвиги опорных ПСП и синхронизируется с BS по короткому коду. После этого MS начинает сканировать канал синхронизации, использующий тот же короткий код, с тем же циклическим сдвигом, что и пилотный канал. Каналы синхронизации всех BS используют одну функцию Уолша W 32 и служат для синхронизации MS с сетью. Скорость передачи данных по каналу синхронизации составляет 1200 бит/с, а длина кадра равна периоду повторения короткого кода (26. 66 мс). Поскольку канал синхронизации жестко связан по тактовой частоте и по сдвигу циклического кода с пилотным каналом, MS получает доступ к синхроинформации той BS, на пилотный канал которой она настроилась.

Сообщение канала синхронизации содержит: данные о точном времени в системе; циклический сдвиг короткого кода данной BS; информацию идентификации BS и MSC; мощность сигнала в пилотном канале; параметры длинного кода; скорость передачи данных в канале персонального вызова. Принимая сообщение канала синхронизации, MS получает необходимую информацию для начальной синхронизации с сетью.

По завершении процедур начальной синхронизации MS настраивается на канал персонального вызова. Тем самым она получает доступ к системной информации и может принимать команды управления. Если команды управления с BS не поступают, MS переходит в режим ожидания, продолжая прослушивать канал персонального вызова и поддерживая готовность к установлению соединения. Скорость передачи информации в канале персонального вызова составляет 9600, 4800 или 2400 бит/с. Маска длинного кода зависит от номера канала вызова и циклического сдвига ПСП в пилотном канале. MS настраивается на канал персонального вызова, либо перебирая имеющиеся каналы (до семи каналов в полосе 1. 25 МГц), либо по команде с BS.

Система сотовой связи cdma. One адаптивна. Ее конфигурацию можно выбрать, исходя из конкретных условий развертывания сети. Тип конфигурации передают с помощью четырех сообщений заголовка: параметров системы (System Parametr Message); параметров доступа (Access Parametr Message); граничного списка (Neighbour List Mesasge); списка каналов CDMA (CDMA Channel List Message). Параметры системы несут информацию о конфигурации канала персонального вызова, параметрах регистрации, вспомогательных параметрах при поиске пилотного сигнала и т. д.

Сообщения в каналах персонального вызова могут быть четырех типов: заголовок (Overhead Message); пейджинг (Paging Message); ордер (Order Message); назначение каналов (Channel Assigment Message).

Параметры доступа содержат сведения о конфигурации канала доступа MS (см. далее) и некоторые параметры управления. Граничный список содержит данные, позволяющие ускорить процесс эстафетной передачи − например, циклический сдвиг короткого кода в пилотном канале и другие характеристики BS соседних сот. Список каналов CDMA позволяет MS узнать расположение тех полос (с шириной 1. 25 МГц) частотного плана, в которых размещены каналы персонального вызова.

Пейджинг содержит сообщения (страницы), адресованные одной или нескольким MS. Эти сообщения обычно передают те BS, которые находятся в зоне поиска MS при входящем вызове в сеть. При скорости передачи 9600 бит/с один канал персонального вызова может обеспечить передачу около 180 страниц в течение одной секунды. Соответственно 7 каналов могут передавать около 1260 страниц в секунду. Ордер охватывает широкий класс сообщений управления конкретными MS. Их используют для подтверждения регистрации MS, для блокировки MS в состоянии сбоя и т. д. Сообщения о назначении каналов позволяют указать MS выделенный канал трафика, назначить ей другой канал персонального вызова, или передать команду о переключении MS в аналоговую систему сотовой связи.

Информацию в канале персонального вызова можно передавать как в обычном режиме, так и в режиме временного разделения (time division multiplexing − TDM), когда сообщения, адресованные той или иной MS, передают в заранее известных временных интервалах − слотах. Период повторения слотов, предназначенных для одной MS, может находиться в пределах 2. . . 128 с. Положение выделенного ей слота MS узнает при регистрации на BS. Работа в TDM-формате позволяет MS сканировать только нужные слоты, отключаясь в перерывах между ними. Более того, структура сообщений в канале персонального вызова такова, что в большинстве случаев MS достаточно сканировать не весь слот, а лишь его часть. Принятые меры обеспечивают существенную экономию источника питания, когда MS находится в состоянии ожидания.

Применение пилотного сигнала и трехканального RAKE- приемника делает возможным когерентный прием сигналов BS с трехкратным временным разнесением и последующим когерентным объединением ветвей. Все это обеспечивает существенный энергетический выигрыш приеме и, как следствие, высокую помехоустойчивость системы. Чем больше мощность пилотного сигнала, тем выше качество приема в прямом канале связи. Однако введение большого запаса по мощности в пилотном канале неэкономно расходует частотно-временной ресурс системы и снижает ее пропускную способность.

Каналы прямого трафика служат для передачи сообщений трафика (речь и данные абонентов) и служебной информации (сигнализация) с BS на MS. Кодированная речевая информация поступает в каналы трафика кадрами по 20 мс. Скорость передачи в зависимости от параметров речи абонента составляет 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с и постоянна в течение кадра. В паузах речи скорость информационного потока автоматически понижают до минимального значения. Передача трафика с адаптивной скоростью минимизирует уровень внутрисистемных помех и повышает пропускную способность сети.

По выделение MS канала трафика сигнализация проходит непосредственно через него. Служебная информация, передаваемая по каналу прямого трафика, может быть четырех типов: сообщения управления вызовом, сообщения управления эстафетной передачей, команды регулирования мощности, информация обеспечения безопасности связи и аутентификации абонентов.

Стандартом предусмотрены два возможных режима сигнализации. При первом режиме (blank-and-burst) служебные сообщения передают со скоростью 9600 бит/с так, что кадры системной информации замещают кадры трафика. Второй режим (dim-and-burst) обеспечивает передачу трафика и сигнализацию в одном кадре: преобразование речи в вокодере при этом осуществляют не быстрее, чем 4000 бит/с (4800 бит/с в канале), а оставшийся ресурс используют для сигнализации. Результирующий кадр, таким образом, состоит из двух частей − трафика и служебной информации, а скорость передачи в нем составляет 9600 бит/с. Усложнение структуры кадра в режиме dim-and-burst позволяет повысить качество передачи речи по сравнению с режимом blank-and-burst.

. К обратным каналам в стандарте cdma. One относят канал доступа (access channel) и канал обратного трафика (reverse traffic channel). После блокового перемежения информации в пределах кадров длительностью 20 мс поток со скоростью 28 800 символов/с поступает на кодер Рида-Соломона I рода. В процессе кодирования поток двоичных символов на входе кодера разбивают на пакеты по 6 символов. Каждый пакет однозначно определяет число от 0 до 63 в десятичной системе счисления. На выходе кодера каждому пакету ставят в соответствие одну из 64 функций Уолша: 0002 = 0010 - W 0; 000 0012 = 0110 -W 1; …………… 101 0102 = 4210 -W 42; …………… 1112 = 6310 - W 63.

В итоге скорость информационного потока на выходе кодера составляет: Важно отметить, что в обратном канале связи функции Уолша используют для помехоустойчивого кодирования информации, но не для расширения спектра частот и формирования адресных последовательностей, как это делают в прямом канале. После кодирования данные поступают на кодовый модулятор и скремблер, которые расширяют базу сигнала и формируют его «адресные признаки» .

В кодовом модуляторе применяют длинный код. Все MS в сети используют один и тот же длинный код в каналах обратного трафика, но с разными циклическими сдвигами. Каждая MS характеризуется индивидуальным значением циклического сдвига длинного кода. По величине сдвига BS различают сигналы обслуживаемых MS. Маски длинного кода в каналах прямого и обратного трафика совпадают, но в канале обратного трафика не используют дециматор, так что структура кодовой последовательности сохраняется, а тактовая частота остается неизменной: 1. 2288 Мбит/с.

Сложный сигнал с тактовой частотой 1. 2288 Мчип/с с выхода кодового модулятора направляют в квадратурные каналы скремблера. Здесь сигнал суммируют «по модулю 2» с коротким кодом. Все MS в системе используют один короткий код - тот же, что и в пилотных каналах BS. Однако циклический сдвиг короткого кода фиксирован и одинаков для всех MS. Затем результирующий сигнал фильтруют в основной полосе частот и подвергают 4 -позиционной фазовой манипуляции со сдвигом (OQPSK- offset quaternary phase shift keying). Взаимный временной сдвиг сигналов в квадратурных каналах, равный половине чипа, вводят для того, чтобы фаза манипулированного сигнала изменялась с шагом ±p/2. В этом случае одновременная смена символов в каждом из квадратурных каналов не вызовет нежелательных провалов огибающей радиосигнала. Манипулированное сообщение переносят с промежуточной частоты на несущую, усиливают по мощности, подвергают полосовой фильтрации и направляют к антенне MS.

При приеме сигналов на BS используют пространственное разнесение; кратность разнесения зависит от количества антенн. RAKE-приемник BS имеет 4 параллельных канала корреляционной обработки сигналов в каждой ветви пространственного разнесения, что позволяет осуществлять прием сигналов с 4 - кратным временным разнесением. В каждом канале обрабатывают сигнал одного из выделенных лучей. Поиск наиболее мощных компонент принятого многолучевого сигнала производят с помощью двух дополнительных сканирующих каналов приемника.

Поскольку в стандарте cdma. One MS не излучают пилотных сигналов, в обратном канале связи используют некогерентную обработку сигналов приеме. Последующее некогерентное сложение ветвей дает значительный энергетический выигрыш и увеличивает помехоустойчивость системы в целом.

В упрощенном виде принцип работы приемника можно пояснить следующим образом. После преобразования на промежуточную частоту, балансной демодуляции и низкочастотной фильтрации сигнал поступает в каналы корреляционной обработки (структура одного канала показана на рис. ). Квадратурные составляющие сигнала суммируют «по модулю 2» сначала с длинным (242 -1) кодом, а затем - с коротким (215).

Опорные кодовые последовательности подают на сумматоры с нужными циклическими сдвигами и временными задержками. Продукты суммирования поступают в блоки корреляторов. Каждый из блоков состоит из 64 параллельно включенных корреляторов. На опорные входы корреляторов подают сигналы на основе функций Уолша W 0 – W 63. После этого синфазные составляющие одноименных каналов блоков складывают и возводят сумму в квадрат. То же проделывают и с квадратурными составляющими. Затем с помощью операций суммирования и извлечения квадратного корня находят амплитуды откликов на выходе каждого из 64 субканалов. Точно такие же операции выполняют и в других трех параллельных ветвях приемника. На этапе некогерентного объединения выходы одноименных субканалов каждой из ветвей складывают с равными весами: где j − номер субканала, а − статистика сигнала на выходе RAKE-приемника в k-й ветви пространственного разнесения. Решающую статистику Zj получают в результате весового сложения статистик отдельных ветвей.

Порядковый номер j каждого субканала (номер функции Уолша в нем) соответствует пакету из шести двоичных символов. Решающее устройство выбирает субканал с максимальным Zj и, таким образом, декодирует код Рида-Соломона I рода − далее на деперемежитель и сверточный декодер поступают символы пакета. Снимая модуляцию сигнала ортогональными последовательностями Уолша, приемник BS осуществляет «прием в целом» и действует по оптимальному правилу: формирует решающую статистику для всех возможных типов посылок и выбирает ту посылку, которой соответствует максимальная статистика. Такая обработка сигналов позволяет свести к минимуму вероятность ошибки и обеспечить качественную связь в условиях некогерентного приема, при воздействия замираний.

MS использует канал доступа для связи с BS, пока ей еще не выделен канал трафика. Скорость передачи данных по каналам доступа составляет 4800 бит/с. Маска длинного кода зависит от номера канала доступа, номера текущего канала персонального вызова, информации идентификации BS и циклического сдвига ПСП в пилотном канале BS. По каналу доcтупа MS передает: запрос на установление соединения; ответ на пейджинговое сообщение в канале персонального вызова; данные при регистрации в системе. Все каналы доступа, которые может использовать MS, приписаны к определенным каналам персонального вызова (до 32 каналов доступа на 1 канал персонального вызова); работа BS и MS на ассоциированных каналах упрощает протоколы обмена.

Процесс выбора и использования канала доступа мобильной станцией случаен: MS произвольно конфигурирует канал из имеющегося набора масок и циклических сдвигов длинного кода. Поэтому несколько MS, настроенных на один канал персонального вызова, могут попытаться одновременно вести передачу на одном канале доступа, что, конечно, вызовет сбой. BS постоянно контролирует текущее количество MS, использующих каналы доступа, чтобы предотвратить сбои и удержать отношение с/ш в обратном канале связи в заданных пределах. В случае необходимости определенные MS (например, с низким приоритетом) получают команду освободить канал доступа. Для управления и контроля пользованием каналами доступа BS передает информацию о параметрах доступа (Ассess Parametr Message) в заголовке (Overhead Message) канала персонального вызова.

Каналы обратного трафика служат для передачи речи и данных абонентов с MS на BS, а также для сигнализации, когда MS уже выделен канал трафика. Стандарт cdma. One позволяет организовать до 62 каналов обратного трафика, приходящихся на 1 канал персонального вызова. При обработке в тракте канала обратного трафика низкоскоростные информационные кадры (4800, 2400 или 1200 бит/с) компрессируют и передают со скоростью 9600 бит/с, а образовавшиеся пробелы распределяют по псевдослучайному закону.

Регистрация мобильных станций. Регистрация MS - процесс, в ходе которого MS извещает BS о своем местонахождении и передает ей некоторую служебную информацию (например, номер слота в канале персонального вызова). Между частотой регистраций и размером зоны поиска MS существует определенный баланс, который поддерживает оператор сотовой связи. Если MS вообще не будет регистрироваться, MSC лишится сведений о том, включена ли MS, находится ли она в его зоне обслуживания, а если находится, то где именно. Поэтому зона поиска MS будет чрезмерно велика (фактически, вся территория охвата сети), а нагрузка на каналы персонального вызова высока, так как поисковые сообщения придется передавать во всех секторах сети. С другой стороны, частые регистрации позволят MSC локализовать зону поиска MS с большой точностью и тем самым, казалось бы, снизить нагрузку на каналы персонального вызова. Однако это увеличит нагрузку на каналы доступа, а, следовательно, и на каналы персонального вызова, по которым BS передают подтверждение регистрации.

Таким образом, эксплуатация системы сотовой связи предполагает поддержание некоторого оптимального соотношения между частотой регистраций и размером зоны поиска MS, при котором сетевой ресурс используется наиболее эффективно. Стандарт cdma. One предусматривает 8 возможных форм регистрации MS в сети. 1. При включении MS. MS регистрируется каждый раз при включении, а также при переходе на обслуживание в сеть из другой системы, в том числе из аналоговой системы сотовой связи. 2. При выключении MS. 3. По сигналу таймера. 4. По измеренной дистанции. MS регистрируется, как только расстояние между ней и местом ее последней регистрации превысит порог. 5. По зоновому принципу. MS регистрируется при переходе в новую зону сети. 6. При изменении контрольных параметров. Например, при изменении номера слота в канале персонального вызова. 7. По команде с BS. 8. По умолчании. Каждый раз при успешном использовании мобильной станцией канала доступа BS может установить ее местонахождение.

Первые 6 форм регистрации − автоматические, поскольку MS регистрируется без дополнительных указаний со стороны BS. При проведении автоматических регистраций у оператора сети есть возможность по своему усмотрению устанавливать пороговые значения контрольных величин (время срабатывания таймера, пороговая дистанция, размер зоны и т. п. ). Для повышения эффективности процесса целесообразно применять комбинацию сразу нескольких форм регистраций. Информацию об используемых формах регистрации и соответствующих контрольных величинах BS передают по каналам персонального вызова с помощью сообщения системных параметров (System Parameter Message). Например, при регистрации по измеренной дистанции BS сообщают свои координаты и пороговую дистанцию. Каждый раз, получая координаты новой BS, MS определяет текущее расстояние до места последней регистрации. Как только порог будет превышен, последует процедура регистрации и новая BS станет точкой отсчета и центром текущей зоны поиска MS.

Прохождение вызовов. Стандарт cdma. One предусматривает обслуживание вызовов трех типов: исходящий из сети − MS инициирует соединение с абонентом стационарной телефонной сети общего пользования (PSTN); входящий в сеть − абонент PSTN инициирует соединение с MS; внутрисетевой − одна MS инициирует соединение с другой MS, в этом случае все процедуры, связанные с обслуживанием вызова, проходят внутри сети сотовой связи, без обращения к PSTN (англ. Public Switched Telephone Network- коммутируемые телефонные сети общего пользования).

Рассмотрим обслуживание исходящего из сети вызова. После набора номера и нажатия клавиши MS посылает на BS начальное сообщение; BS извещает MSC о поступившем запросе на соединение. MSC проверяет номер MS, резервирует линию PLMN-PSTN (англ. PLMN-Publik Land Mobile Network – сеть сухопутной подвижной связи общего пользования) и посылает подтверждение на BS; BS присваивает MS канал трафика. MS принимает сообщение BS по каналу прямого трафика и начинает передачу по каналу обратного трафика. BS принимает посылку MS и по каналу прямого трафика передает сообщение о завершении инициализации канала трафика. Система cdma. One обеспечивает быстрое выделение MS канала трафика. При этом сигнализация проходит с минимальной скоростью передачи данных, а следовательно и с минимальной мощностью передачи. Это позволяет экономно расходовать частотно-временной ресурс, снизив до предела интерференционные помехи. По завершении инициализации канала трафика BS разрешает MS использование индивидуального длинного кода для повышения безопасности связи.

При входящем в сеть вызове MSС принимает поступивший от PSTN вызов, проверяет номер адресуемой MS и инициирует ее поиск. MS принимает поисковое сообщение по каналу персонального вызова и передает ответ по каналу доступа, после чего ей выделяют канал трафика. Инициализация канала трафика протекает по аналогии обслуживания исходящего из сети вызов.

Мягкая эстафетная передача. Стандарт cdma. One фирмы QUALCOMM допускает три возможных сценария эстафетной передачи (ЭП) MS: межсистемная − между сотами разных зон обслуживания, с разными MSC, или при переходе из одного частотного диапазона (1. 25 МГц) в другой; межсистемная ЭП всегда жесткая (hard handover); межсистемная, с переключением MS в аналоговую систему сотовой связи − жесткая ЭП; внутрисистемная − в пределах одной зоны обслуживания, без изменения диапазона частот; может проходить в мягком режиме (soft handover). В свою очередь, внутрисистемная мягкая ЭП может быть трех типов: межсотовая − MS переходит из одной соты в другую (soft handover); межсекторная − MS переходит из одного сектора в другой внутри соты (softer handover); межсотовая/межсекторная − в процессе ЭП MS поддерживает связь с разными сотами/секторами (soft/softer handover).

Алгоритм жесткой эстафетной передачи хорошо известен. Когда уровень мощности принимаемого от MS сигнала становится меньше заданного порога, обслуживающая BS посылает сообщение на MSC. По сигналу MSC BS соседних сот с помощью специальных сканирующих приемников измеряют уровни сигналов, принимаемых от данной MS. Если результаты измерений хотя бы одной из BS превышают некоторый порог, MSC инициирует ЭП. При этом MSC выделяет MS один из свободных каналов трафика в новой соте и переключает вызов из старой соты в новую. При жесткой ЭП неизбежны перерывы в связи; их длительность зависит от качества системы.

В ходе мягкой ЭП MS одновременно использует несколько каналов связи (старые и новые). Так, в системе CDMA QUALCOMM при межсотовой ЭП может быть задействовано до трех соседних сот, а при межсекторной − 2 сектора одной соты. Последующая обработка кадров, переданных/принятых BS, обеспечивает высокое качество связи и делает ЭП практически незаметной для абонента. В системе cdma. One все MS, находящиеся в активном режиме или в режиме ожидания, измеряют параметры пилотных сигналов BS и сравнивают их с порогами. На основании измерений каналы той или иной BS относят к одному из четырех списков: активные каналы (active set); каналы-кандидаты (candidate set); граничные каналы (neighbour set); остальные каналы (remaining set).

Активные каналы − текущие рабочие каналы, используемые MS: MSC по результатам измерений MS формирует список активных каналов и передает его на мобильные терминалы. Каналы-кандидаты − каналы, по своим параметрам близкие к активным. Если при мягкой ЭП необходим дополнительный рабочий канал, его выбирают из списка кандидатов. Граничные каналы − те, которые хотя бы по одному из критериев не могут быть отнесены к основным, но, тем не менее, достаточно «сильны» . Все оставшиеся каналы причисляют к последнему классу.

В процессе работы MS отслеживает наиболее сильные многолучевые компоненты сигналов в пилотном канале и оценивает их мощность. Полученные оценки MS сравнивает с двумя порогами: порогом включения Tadd (add threshold); порогом исключения Tdrop (drop threshold). Как только уровень любого пилотного сигнала, не относящегося в данный момент к списку активных, превышает порог Tadd , MS сообщает его мощность (Pilot Strength Measurement Message) на BS по каналу обратного трафика, а BS сигнализирует на MSC. Каждый MSC системы cdma. One содержит селектор (рис. ), который: обрабатывает результаты измерений MS; определяет, нужно ли инициировать ЭП; посылает запрос контроллеру MSC, если мягкая ЭП возможна.

BS Контроллер MSС Монитор диагностики Интерфейс сопряжения Коммутатор с PSTN MS каналов Селектор (ИКМ-кодек, ЦАП/АЦП) MSС BS Рис. 13. 16 Мягкая эстафетная передача MS в системе сdma. One

Контроллер MSC обрабатывает поступивший запрос и подключает нужный контроллер BS (BSC). BSC принимает запрос, выделяет MS свободный канал трафика и посылает подтверждение на МSC. Селектор МSC по команде контроллера инициирует передачу на выделенном канале и передает на BSC команду начать ЭП. BSC транслирует команду на MS, которая: получает команду и настраивается на выделенный новый канал трафика; посылает на BS сообщение об установлении режима мягкой ЭП по каналу обратного трафика; начинает работу в режиме мягкой ЭП, используя выделенные каналы. При мягкой ЭП задействованные BS восстанавливают кадры трафика, переданные MS по обратному каналу, и транслируют их на MSC. В случае межсотовой/межсекторной ЭП BS предварительно комбинирует сигналы, принятые в двух секторах одной соты. Селектор (рис. ) анализирует качество приема в каждой ветви пространственного разнесения и из поступающих кадров клиппирует результирующий сигнал. MS, принимая сигналы разных BS, подвергает их когерентной обработке с последующим оптимальным весовым сложением.

Передвижения мобильного абонента изменяют энергетику принимаемых MS сигналов. При падении уровня сигнала одного из активных пилотных каналов ниже порога Tdrop MS запускает специальный таймер (handover drop timer) и вместе с измеренной мощностью передает на BS (и далее на MSC) текущее значение таймера. Если в течение отведенного времени уровень критического сигнала снова возрастет и превысит порог Tdrop, таймер сбрасывают и останавливают, а канал оставляют в списке активных. Если порог превышен не будет, селектор принимает решение о завершении ЭП, удаляет текущий канал из списка активных, сигнализирует об этом MS и сообщает контроллеру MSC о завершении ЭП. По сигналу MSC BSС отключает канал трафика и пополняет им банк свободных каналов. Эстафетная передача MS на этом завершается.

Рассмотренный пример демонстрирует мягкую ЭП, когда MS находится в активном режиме (regular handover). Процесс будет протекать по другому, если MS пребывает в режиме ожидания (idle handover). В режиме ожидания MS также непрерывно сканирует сигналы пилотного канала; при обнаружении более сильного пилотного сигнала MSС может инициировать процесс эстафетной передачи. В соответствии с протоколом стандарта cdma. One MS принимает системную информацию по каналу персонального вызова. С помощью временного разделения канал персонального вызова делят на слоты длительностью по 80 мс каждый.

В процессе мягкой ЭП MS в состоянии ожидания сканирует все слоты канала персонального вызова «новой» BS (т. е. работает в режиме без временного разделения). Как только MS получает хотя бы одно адресованное ей сообщение по каналу персонального вызова от «новой» BS, она переходит в режим с временным разделением и на этом процесс мягкой ЭП завершается. Эффективность мягкой ЭП во многом зависит от правильности выбора порогов Tadd, Tdrop и времени срабатывания таймера. Установка низких порогов и большого времени срабатывания таймера приводит к расширению списка активных каналов и снижению частоты обновления списков. Качество связи при этом выше, поскольку в ЭП участвует больше BS, и следовательно, приеме доступна большая кратность разнесения. Но при этом возрастает нагрузка на каналы прямого трафика, повышается уровень взаимных помех в прямом канале.

Установка высоких порогов и малого времени срабатывания таймера увеличивает частоту обновления списков, но сохраняет системный ресурс, поскольку меньшее количество BS будет задействовано в эстафетной передаче. Кратность разнесения приеме и качество связи при этом упадут, а скорость передачи системной информации между MS и BS возрастет, что опять-таки соответствует повышению нагрузки на систему. Анализируя качество связи при мягкой ЭП в стандарте cdma. One, необходимо понимать, что увеличение числа задействованных BS не может обеспечить неограниченный рост качества передачи. Это происходит потому, что, сколько бы BS не адресовалось к данной MS, принять текущий кадр она в состоянии только от двух «наилучших» из них (2 ветви приемника MS обрабатывают сигналы одной BS, 1 ветвь − сигналы другой BS, после чего сигналы ветвей суммируют). В обратном канале связи стандарт предусматривает пространственное разнесение с последующим клиппированием лучших кадров селектором MSC. Иными словами, каждый раз при формировании текущего кадра выбирают сигнал, принятый одной из BS, участвующих в мягкой ЭП.

Регулирование мощности. В системе сотовой связи cdma. One мощность передачи регулируют и в прямом и в обратном каналах связи. Однако «полноценное» регулирование мощности в широком динамическом диапазоне осуществляют только на MS. В прямом канале регулировка носит скорее номинальный характер: мощность BS изменяют в узком динамическом диапазоне для грубой коррекции отношения с/ш в приемном тракте MS. Такое решение продиктовано самой идеологией построения сотовой сети. Свободное перемещение абонентов обуславливает произвольное положение MS на территории обслуживания. Следовательно, физический канал связи MS-BS будет в каждом случае индивидуален − характер затуханий, медленных и быстрых замираний сигналов MS, находящихся у абонентов, будет разный. Поэтому для приведения уровней сигналов MS на входе приемника BS к заданному диапазону необходима быстродействующая прецизионная система автоматического регулирования мощности (АРМ) в обратном канале связи.

В прямом канале фильтрация группового сигнала на трассе распространения ВS-МS приводит к эквивалентным изменениям канальных сигналов, т. е. посылки, переданные по каналам некоторой BS, испытывают одинаковые затухания и замирания. Следовательно, энергетические соотношения между отдельными сигналами в пределах группового сообщения одной BS будут выдержаны приеме на MS. Уникальность трасс распространения для каждой из MS здесь уже не играет такой роли, как в обратном канале на трассе распространения MS-BS, и регулирование мощности в прямом канале связи можно проводить менее тщательно, чем в обратном. По существу, главное требование при регулировке мощности передатчиков BS в стандарте cdma. One сводится к обеспечению минимально допустимого среднего уровня сигнала приеме на MS. Это, конечно, ограничивает возможности системы, но одновременно и упрощает ее, так как отпадает необходимость в сложных внутрисетевых взаимодействиях для балансирования мощности между отдельными BS.

Регулирование мощности в обратном канале. Согласно стандарту, все BS в сети могут вести передачу в одном диапазоне частот. Наряду с другими сигналами каждая из BS излучает пилотный сигнал постоянной мощности. По циклическому сдвигу короткой ПСП MS определяет, какой BS данный сигнал был передан. Однако уровень мощности принятого сигнала в пилотном канале также позволяет MS оценить потери на трассе распространения от данной BS до MS. При этом MS использует информацию в канале синхронизации о мощности передатчика BS, приходящейся на излучение пилотного сигнала. В соответствии с оцененным уровнем потерь MS устанавливает такую мощность передатчика, при которой уровень сигнала на входе приемника BS лежит в заданных пределах. Это так называемое регулирование мощности по схеме без обратной связи (ОС) (open loop). Оно предназначено для компенсации эффектов затухания и медленных замираний в обратном канале связи и имеет период регулирования около 30 мс. Принцип работы АРМ без ОС схож с принципом работы АРУ приемника.

Поскольку прямой и обратный каналы связи в системе cdma. One разнесены по частоте (частотное дуплексирование каналов), они имеют различные коэффициенты передачи. В диапазонах частот, соответствующих прямому и обратному каналам, будут близки лишь средние значения затухания мощности сигнала на трассе распространения. Вследствие того, что быстрые замирания сигналов в этих частотных диапазонах протекают в общем случае независимо, мгновенные значения уровней принимаемых сигналов будут различны. Поэтому после приема и обработки сигнала MS BS оценивает отношение с/ш в тракте приемника и сравнивает его с порогом. Величину с/ш измеряют, исходя из соотношения амплитуд Zj сигналов на выходе субканалов корреляторов и частоты ошибочных кадров FER (frame error rate). По расхождению измеренного и порогового отношений с/ш BS вырабатывает решение и посылает MS по каналу прямого трафика корректирующие данные о точной подстройке уровня мощности передатчика. MS получает команды регулирования каждые 1. 25 мс и изменяет мощность передатчика с шагом ± 0. 5 д. Б в динамическом диапазоне 85 д. Б. Это быстрое регулирование мощности по схеме с ОС (closed loop), главная задача которого состоит в компенсации эффектов быстрых замираний.

В целях повышения эффективности работы системы стандарт cdma. One использует концепцию адаптивного регулирования мощности: опираясь на измерения частоты ошибок в приемниках BS, MSC определяет оптимальные пороговые отношения с/ш для каждой из обслуживаемых MS. Применение адаптивных порогов позволяет уменьшить вероятность работы MS с избыточной мощностью и, как следствие, повысить спектральную эффективность системы. При передаче команд регулирования BS использует дельта- модуляцию, при которой одна команда либо увеличивает, либо уменьшает мощность передатчика MS на фиксированный дискрет. Многочисленные исследования показали, что данный механизм регулирования (bang-bang control) становится эффективным, когда частота поступления команд регулирования как минимум на порядок превышает максимальную действующую частоту в спектре фединга. Приблизительно оценить возможности быстрой АРМ MS в системе cdma. One можно на следующем примере.

BS оценивает отношение с/ш в тракте приемника и сравнивает его с порогом. Величину с/ш измеряют, исходя из соотношения амплитуд Zj сигналов на выходе субканалов корреляторов и частоты ошибочных кадров FER (frame error rate). При движении абонента со скоростью 60 км/ч максимальный доплеровский сдвиг сигнала по частоте в диапазоне 800 МГц (диапазон cdma. One) составляет, как в этом нетрудно убедиться, 44. 4 Гц. Следовательно, нижний порог частоты эффективного регулирования равен 444 Гц, в то время как период регулирования, предусмотренный стандартом, составляет 1. 25 мс, что соответствует частоте 800 Гц. Если при этом учесть, что скорость перемещения мобильных абонентов во время сеанса связи, как правило, бывает значительно ниже приведенной в примере, можно сделать вывод о том, что для борьбы с быстрыми замираниями система АРМ MS обладает достаточным потенциалом.

Результирующую мощность передатчика MS формируют две системы: с ОС и без ОС, но система АРМ с ОС более динамична: она способна обеспечить большую скорость изменения мощности передатчика MS, чем АРМ без ОС. В итоге доминирующее влияние оказывает система с ОС, ориентированная на борьбу с быстрыми замираниями. В целом совместное использование двух механизмов регулирования мощности передатчиков MS должно обеспечить системе АРМ точность и динамичность.

Регулирование мощности в прямом канале. Регулирование мощности передатчиков BS проводят на основании измерений и команд MS, т. е. по схеме с ОС. Для каждого канала прямого трафика мощность регулируют индивидуально. Основная цель АРМ в прямом канале − ограничение уровня внутрисистемных помех за счет уменьшения излучаемой BS мощности. При этом стремятся, чтобы каждая MS работала с минимально допустимым средним уровнем мощности принимаемого сигнала. В процессе регулирования BS периодически начинает уменьшать мощность излучения в канале трафика. Мощность понижают до тех пор, пока MS не зарегистрирует превышения порогового уровня частоты ошибочных кадров (FER) и не пошлет запрос на увеличение мощности передатчика BS. Получая команды MS, BS повышает мощность излучения в соответствующих каналах трафика, при этом она перераспределяет выделенный ей системой и жестко ограниченный ресурс мощности. Изменения мощности излучения каналов трафика в этом случае невелики и составляют 0. 5 д. Б в диапазоне ± 6 д. Б. Такое регулирование проводят с периодом 15. . . 20 мс, т. е. приблизительно с частотой следования кадров информации на выходе вокодера.

Ресурс мощности, выделяемый передатчикам BS, в совокупности с коэффициентом направленного действия антенн сот и секторов является важнейшим параметром при развертывании сети сотовой связи cdma. One, поскольку он обеспечивает эффективное формирование территории охвата сети на базе ячеек разных размеров. Превышение лимита излучаемой мощности в одном из секторов приведет к возрастанию внутрисистемных помех во всей области засветки антенны. Как следствие, упадет отношение с/ш в приемных трактах MS соседних сот, ухудшится качество связи, произойдут разрывы соединений. Любой дисбаланс мощности передатчиков BS, который не вызвал бы заметных последствий в системах FD/TDMA (там секторы с одинаковым частотным планом разделены защитной дистанцией), приводит к неотвратимым сбоям в системе CDMA. Все рабочие каналы при кодовом разделении могут использовать единый частотно-временной ресурс, а значит MS, находящиеся в ближайших «засвеченных» секторах, в первую очередь ощутят перегрузку по интерференционным помехам.

Уже в 1995 году компания QUALCOMM предложила к внедрению несколько эволюционных технологий на базе стандарта IS-95, которые на основе объединения нескольких логических каналов CDMA позволяют увеличить в несколько раз скорость передачи данных в прямом канале. Версия стандарта IS-95 B позволяет: - увеличить скорость до 76, 8 кбит/с путем объединения 8 каналов по 9, 6 кбит/с ; - повысить точность системы управления мощностью передатчика мобильной станции до 0, 25 д. Б (вместо 0, 5 д. Б в IS- 95 А); - ввести дополнительные каналы приоритетного доступа и ряд других усовершенствований; - обеспечить одновременную работу каналов передачи данных и голосового трафика. С точки зрения классификации технологий сотовой подвижной связи стандарт IS-95 B относится к поколению 2, 5 G.

К системам третьего поколения можно отнести стандарт CDMA 2000 1 x. RTT, который является членом семейства IMT- MC(англ. IMT-2000 Multi Carrier-стандарт на многочастотную систему CDMA с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом для применения в парных полосах частот) и представляет усовершенствованную версию стандарта IS- 95 B. Стандарт CDMA 2000 1 x. RTT (RTT англ. Radio Transmission Technology-технология радиодоступа. Совокупность аппаратных и программных средств, протоколов организации связи, методов модуляции, кодирования и шифрования, определяющих способ передачи информации по радиоканалам) обеспечивает одновременную передачу речи и низкоскоростную передачу данных в режиме коммутации каналов (КК), а также высокоскоростную (до 153 кбит/с) ПД - в режиме коммутации пакетов (КП) при использовании полосы частот 1, 25 МГц. Дальнейшее развитие систем семейства стандарта IMT-MC предпологает. что при сохранении стартовой полосы частот (1 x=1, 25 МГц) будет происходить расширение полосы частот до 20 МГц, широкое использование пакетной передачи данных (сегмент 1 x. EV-DO) и применение комбинированных систем, рассчитанных как для передачи речи, так и передачи данных в пакетном режиме (сегмент 1 x. EV-DV). Сети мобильной связи стандартов cdma. One и CDMA 2000 1 X полностью совместимы.

В стандарт CDMA 20001 X введены ряд изменений, улучшающих качество радиоинтерфейса, повышающих скорость передачи данных и обеспечивающих большую пропускную способность сети. Эти изменения в первую очередь касаются архитектуры сети и организации высокоскоростной передачи данных. Учитывая опыт эксплуатации сетей стандарта cdma. One, были приняты следующие решения: 1. Для работы на скоростях передачи выше 9, 6 кбит/с введены дополнительные каналы, организованные на базе ортогональных канализирующих кодов, которые подстраиваются под требуемые скорости передачи. 2. Обеспечена возможность когерентного приема сигналов в обратном канале за счет введения пилотного сигнала, излучаемого абонентской станцией, который позволяет базовой станции отслеживать частоту и фазу несущей каждой из обслуживаемых абонентских станций. 3 Изменен вид манипуляции с бинарной ФМ. на КФМ. При этом длина посылки, а значит и коэффициент расширения удваиваются, так что даже при использовании прежней полосы в 1, 25 МГц он оказывается равным 128. Объём ансамбля канализирующих ортогональных кодов Уолша становится вдвое больше, что означает удвоение сотовой ёмкости.

(продолжение) 4. В добавление к общему пилотному каналу в прямом канале введены вспомогательные выделенные пилотные каналы (по одному на абонентскую станцию), предназначенные для настройки антенной решётки с адаптивным формированием луча (smart antenna), осуществляющей пространственную селекцию индивидуальных абонентских станций или групп абонентских станций. Условия распространения в лучах такой антенны, направленных на разные абонентские станции, различны, поэтому точная их настройка по общему пилотному сигналу невозможна. 5. Расширен диапазон применяемых методов канального помехоустойчивого кодирования. Помимо свёрточных кодов для высокоскоростной передачи данных используются турбокоды.

Важные усовершенствования касаются также и организации физического уровня. Высокоуровневое представление сетевой модели CDMA 2000 приведено на рис , где показаны три основные части: ядро сети (Core Network- CN), сеть радиодоступа (Radio Access Network - RAN) и мобильная станция (Mobile Station - MS). Базовая сеть (ядро) состоит из двух сегментов, основанных на технологии коммутации каналов (CS сегмент) и на технологии коммутации пакетов (PS сегмент). Итак, CN- ядро сети, разделено на две части. Одна часть поддерживает стандарт IS-41 и связана c сетью общего пользования (PSTN-Public Switched Telephon Network).

Другая часть PCN поддерживает стандарт беспроводной IP- сети IS-835 и связана с сетью IP (Internet Protocol-IP), или интернет. Интерфейсы с PSTN и с сетью IP называют аналоговым интерфейсом (Ai) и пакетным интерфейсом (Pi), соответственно. Абонентская (мобильная) станция (MS) и сеть радиодоступа (RAN) связаны между собой через Um-радиоинтерфейс.

Рассмотрим более детально сегмент, основанный на технологии коммутации пакетов (PS сегмент). Абонентская (мобильная) станция (MS) по сути является мобильным абонентским терминалом (АТ), предназначенным для работы в сети интернет, содержит терминальное оборудование (Terminal Equipment –TE), являющееся устройством обработки данных, и мобильный терминал (Mobile Terminal, MT), обеспечивающий связь с сетью радиодоступа RAN (рис. 3. 18). Терминальное оборудование TE может состоять из персонального компьютера или ноутбука. Трафик между TE и MT передается по последовательному интерфейсу Rm в форме потока байтов.

Структура сети CDMA 2000 Pi IS-835 IP PCN Um A MS RAN Ai IS-41 PSTN CN

Структура абонентской станции (абонентского терминала) Rm Um TE MT RAN

Сеть радиодоступа (RAN) обеспечивает связь между ядром сети CN и абонентской станцией MS. Её главные функции заключаются в обслуживании, управлении вызовами и мобильностью. Архитектура и интерфейсы сети радиодоступа RAN показаны на рис. .

В состав RAN входят базовые станции (BTS), контроллеры базовых станций (BSC) и оборудование управления пакетной передачей данных (PCF). Базовые станции может содержать от трёх до шести секторов и связаны с контроллером базовых станций по первичному цифровому каналу 2, 048 Мбит/с (T 1/E 1). Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими базовыми станциями, которые обеспечивают связь с абонентскими станциями через радиоинтерфейс, производит упаковку информации, передаваемой в PDSN (англ. Publik Data Switched Network –сети общего пользования с коммутацией данных), и её распаковку при передаче в обратном направлении. Под управлением контроллера базовых станций осуществляются радиоизмерения в каналах радиосвязи, регулируется мощность передатчиков абонентских станций, реализуется процесс инициализации повторной передачи кадров, переданных с ошибками.

Архитектура и интерфейсы RAN CN MSC/VLR/HL PDSN R A 1/A 2 A 10/A 11 RAN R-P BSC/PCF A 3/A 7 Abis BTS

Оборудования управления пакетной передачей данных (PCF) предназначено для того, чтобы в максимальной степени сделать подсистемы сети универсальными и стандартно применимыми в сетях передачи данных. Функции узла управления пакетами может выполнять отдельное устройство, но, как правило, он интегрирован с BSC, задачи которого заключаются в обеспечении интерфейса обмена между BSC и PDSN (инкапсуляции пакетов), а также в контроле активности и управление режимами работы абонентов. Если абонентская станция находится в “спящем” режиме и получает прибывающий трафик, то PCF буферизирует эти данные и инициализирует вывод абонентской станции из этого режима. Таким образом, этот узел отвечает за режим неразрывной сессии связи (Always On), описанный ниже.

Всех абонентов сети, работающих в режиме мобильного интернета, можно разделить на активных и пассивных (бездействующих). Активные принимают или передают информацию в данный момент. Пассивные не передают и не принимают информацию, например, пользователь может просматривать «закаченную» из интернета страницу. В пассивном (спящем) режиме пользователь не задействует радиоресурс сети. Благодаря этому увеличивается пропускная способность сети. Однако, находясь в пассивном режиме, пользователь должен постоянно быть «на связи» , а система должна быстро восстановить необходимое соединение. Ранее отмечалось, что АТ входит в пассивный ( «спящий» ) режим в зависимости от состояния двух таймеров. Один из них находится в мобильном устройстве и может быть настроен пользователем, второй - в сети и контролируется оборудованием управления пакетной передачей данных PCF. По истечении наименьшего времени одного из таймеров абонентский терминал переходит в пассивный режим. Данные, необходимые для восстановления соединения (IP-адрес, состояние радиосеанса и PPP) хранятся в PCF, где сохраняется информация о режиме работы каждого пользователя в данный момент времени. Если устройству, находящемуся в «спящем» режиме, присылается информационный пакет, PCF сохраняет его в своём буфере и даёт команду контроллеру базовой станции на установление канала передачи данных. При этом у АТ сохраняются прежние параметры сеанса связи. Благодаря этому экономится ресурс сети и практически мгновенно восстанавливается соединение. Возможна ситуация, когда восстановление связи невозможно, потому что сеанс PPP был разорван. Это сигнализирует о том, что абонентский терминал был выключен пользователем или вышел из зоны действия сети. В этом случае переданные пакеты вернутся в маршрутизатор и будут размещены “black hole” или исчезнут по прошествии некоторого времени.

Функциональная схема простого IP доступа Home Access Provider Network Visited Access Provider SS 7 MSC Network HLR Network A 1 IP VAAA Network Home IP Network A 10/A 11 P P Source RAN Serving PDSN P-P BAAA Broker Target Network MS Target RAN PDSN Um A 10/A 11

При передаче данных в пакетном режиме участвует только PS сегмент CN, который содержит оборудование аутентификации (Authentication), идентификации (Authorization) и учета (Accounting), т. е. AAA - сервер, оборудование доступа к внутренним ресурсам (HA) и узел обслуживания пакетной передачи данных (Packet Data Service Node -PDSN). Последний представляет собой шлюз между RAN и IP сетью (Интернет/Интранет).

AAA серверы могут быть классифицированы на три категории: домашний AAA (HAAA), визитный AAA (VAAA) и брокер AAA (BAAA). PCN привязан к RAN через интерфейс A 10/A 11. Точкой соединения к RAN является PCF. Главная задача PCN заключается в том, чтобы обеспечить абонентской станции (терминалу) свободный доступ к сети IP. Чтобы обращаться к сети IP, абонентский терминал должен получить IP- адрес. Существует два метода, с помощью которых PCN может обеспечить абонентской станции доступ к IP сети: простой и мобильный. Отличием между ними является процедура, в ходе которой был получен IP-адрес, и способ которым пакеты передаются между абонентским терминалом и IP сетью

Простой IP доступ. Системная служба доступа динамически назначает IP-адрес абонентскому терминалу. IP-адрес остается неизменным, пока пользователь остается в географической зоне сети. Если он покидает эту зону, то должен получить новый IP- адрес, который является топологически правильным в новой зоне. Функциональная схема простого IP доступа показана на рис. . Здесь P-P относится к интерфейсу между двумя PDSN, а P относится к пакетному интерфейсу, основанному на IP.

Мобильный IP доступ. Предполагает поддержку абонентским терминалом IP–адреса при перемещении из одной сети в другую. Назначает IP-адрес домашняя сеть, а не сеть системной службы доступа. Функциональная схема мобильного IP доступа представлена на рис. При поддержке мобильного IP доступа PCN также исполняет функции foreign agent (FA) и home agent (HA). Функцию FA выполняет PDSN.

Функциональная схема мобильного IP доступа Home Access Provider Network SS 7 Visited Access Provider MSC Networkk HLR Network A 1 IP VAAA Network Home IP Network A 10/A 11 P P A 10/A 11 A 10/ P P A 11 BAAA Source RAN Serving PDSN Broker P-P Network Target MS Target RAN P Home PDSN Agent Um A 10/A 11

Отличием фрагмента сети, построенного на технологии коммутации пакетов (PS сегмент), является отсутствия узлов коммутации каналов. Здесь нет центра коммутации мобильной связи (MSC). Вместо него в сети появляется узел, отвечающий за коммутацию пакетов – PDSN и обеспечивающий работу служб доступа к сетям передачи данных с коммутацией пакетов для мобильных пользователей Интернета посредством маршрутизации IP- данных. Таким образом, PDSN является маршрутизатором доступа в Интернет. Весь трафик пакетных данных сети проходит через PDSN. За установление связи между абонентским терминалом и PDSN отвечает протокол PPP. PDSN передает информацию, полученную от абонентского терминала к домашнему ААА серверу, который производит его аутентификацию. В зависимости от ответа домашнего сервера ААА, PDSN предоставляет или отказывает в услугах пакетной передачи абонентскому терминалу. Она также обрабатывает и пропускает учетную информацию, полученную с PCF на домашний ААА сервер. PDSN имеет IP- адрес и работает как маршрутизатор, передавая пакеты в IP сеть или от IP сети. PDSN регистрирует и обрабатывает пакеты согласно профилю Qo. S (англ. Quality of Service – показатель качества обслуживания).

Например, основываясь на IP-адресах и номерах портов источника и адресата, PDSN фильтрует поступающий трафик. После фильтрации RAN может обеспечить соответствующий Qo. S по интерфейсу Um. В случае простого IP обслуживания, PDSN может назначить IP-адрес мобильной станции или подтвердить адрес, назначенный домашним ААА сервером. Для мобильного IP доступа, PDSN поддерживает функции FA (foreign agent), такие как поддержка процедур мобильной IP регистрации, детуннелирование и передача пакетов абонентскому терминалу. Протокол IKE (Internet Key Exchang) FA устанавливает безопасную связь с HA (home agent). PDSN предоставляет абонентскому терминалу собственный динамический адрес и позволяет назначить адрес HA. В течение мобильной IP регистрации, абонентский терминал может потребовать специфический IP-адрес, который был бы его собственным адресом, или может позволить HA назначить IP-адрес динамически. Точно так же абонентская станция может указать адрес ее HA. Если IP- адрес не определен, то он динамически назначается PDSN после того, как PDSN получает адрес от HAAA абонентской станции.

Стандарт CDMA 20001 x. EV-DO был принят в 2000 году Ассоциацией индустрии телекоммуникаций США (TIE). Высокая спектральная эффективность сегмента CDMA 20001 x. EV-DO достигается благодаря использованию целого ряда усовершенствований: долгосрочной оценки параметров радиоканала и предсказания допустимой скорости передачи; адаптации параметров радиоинтерфейса (вида модуляции, относительной скорости кодирования и скорости передачи) в зависимости от ситуации, которая оценивается приемником абонентского терминала и по специальному каналу передается на базовую станцию; быстрого выбора обслуживающего сектора (ячейки) по наилучшему отношению сигнал/шум+помехи; временного мультиплексирования (TDM) поверх кодового уплотнения каналов на линии «вниз» , при котором системное время делится на кадры, состоящие из 16 временных интервалов (тайм слотов –TS) длительностью 1. 667 Мс и каждому из активных пользователей выделяется в кадре от одного до 16 TS; постоянной работе передатчиков базовых станций на максимальной мощности;

(продолжение) специальных алгоритмов распределения TS между пользователями (планировщиков - scheduling algorithms), которые позволяют реализовать потенциальную возможность увеличения суммарной пропускной способности сектора (sector aggregate throughput) за счет использования разброса и колебаний по времени параметров радиоканалов различных пользователей (multi-user diversity); гибридной схемы автоматически повторяемого запроса H-ARQ (англ. Automatic Repeat Re. Quest- автоматический запрос на повтор. Метод защиты от ошибок, основанный на поблочной передаче данных с автоматическим контролем ошибок на приемной стороне и повторном запросе тех блоков данных, в которых обнаружены ошибки) и возрастающей избыточности (incremental redundancy) досрочного окончания передачи (early termination); малой мощность излучения передатчиков базовых станций при отсутствии передачи по каналу трафика на линии «вниз» (малой мощность излучения служебных каналов), что позволяет снизить внутрисистемные помехи.

В стандарте CDMA 2000 1 x. EV-DO используется специфическая технология достижения высоких скоростей передачи данных. При этом учтена асимметричная природа передачи данных по сети IP. Известно, что существенно большие объемы данных передаются от сети к пользователю, чем от пользователя в сеть. Объем трафика по нисходящей линии по отношению к трафику в восходящей линии может изменяться в соотношениях от четырех к одному и до шести к одному, а в некоторых случаях − даже выше. Эта асимметричная картина учтена в технологии 1 x. EV‑DO, где применяются различные методы доступа к каналам передачи данных по линиям «вверх» и «вниз» .

Для передачи данных по линии «вверх» в рассматриваемом стандарте используется классический множественный доступ с кодовым разделением каналов. При этом канал шириной в 1, 25 МГц равнодоступен максимум 59 пользователям. В линии «вниз» использован метод коллективного доступа с временным разделением каналов, что позволяет получить целый ряд преимуществ. Так, в любой момент времени обеспечивается передача полной мощности базовой станции единственному сетевому пользователю. Это определяет передачу пользовательских данных с самой высокой скоростью, достигающей пиковой величины 2, 4 Мбит/c, за счет максимально возможного соотношения сигнал/шум на входе приемника терминала доступа.

В стандарте используется протокол IP (протокол маршрутизации в среде интернет) для передачи данных без шва по сети интернет или любой частной IP сети. Поскольку в сети интернет также имеет место асимметричность потоков данных, (поток данных по линии «вниз» намного более высок, чем поток данных по линии «вверх» ), эти потоки между терминалом доступа и приемопередатчиком базовой станции тоже являются асимметричными, что заложено в основу рассматриваемого стандарта. Пиковые скорости передачи данных составляют: в канале «вниз» − 2457, 6 кбит/с; в канале «вверх» − 153, 6 кбит/с Скорость передачи данных автоматически устанавливается на основании уровня сигнала, измеренного терминалом доступа. Скорость передачи, которая фактически обеспечена для любого терминала доступа, определяется не только степенью его подвижности, но в значительно большей мере − условиями распространения радиоволн.

Структура прямого канала (линия «вниз» ) показана на рис. 3. 22 Данные в прямом канале передаются с использованием кодового разделения. Пилотный канал использует нулевую функцию Уолша. Он используется для начальной синхронизации абонентской станции (автоподстройка фазы, частоты и времени задержки) и оценки параметров прямого канала приёмником абонентской станции. Синхронизация необходима для когерентного приёма сигналов. Измеряя мощность пилотных сигналов базовой станции, абонентская станция может использовать полученные данные при эстафетной передаче и регулировании мощности передатчика. В сегменте 1 x. EV-DO в отличие от системы CDMA 2000 1 x пилотный канал излучается не непрерывно, а только в течение определённых временных интервалов.

Временная структура линии «вниз» состоит из кадров (фреймов) длительностью 26, 6 мс. Все кадры состоят из 16 слотов длительностью по 1, 67 мс, что соответствует 2048 чипам. Слот делиться на два подслота, каждый из которых содержит пилотный канал PICH, располагающийся в центре подслота. Симметрично относительно пилотного канала располагаются по два канала управления доступом к среде MAC. В пассивном слоте данные могут отсутствовать. В эти моменты передаётся только служебная информация.

Структура прямого канала (канала «вниз» ) Прямой канал Канал управления Пилотный канал Канал управления Каналы трафика доступом к среде Канал блокирования Канал управления Канал активности управления скоростью мощностью «вверх»

Канал управления доступом к среде (Media Access Control, MAC) подразделяется на три канала: управления мощностью линии «вверх» (Reverse Power Control), активности (Reverse Activity) и блокирования управления скоростью (Data Rate Control Lock). Канал блокирования управления скоростью в обратном канале (канал «вверх» ) используется в кольце управления скоростью, а также при операции эстафетной передачи. Канал активности является общим каналом и используется для индикации степени загрузки линии “вверх”. Канал управления мощностью обеспечивает управление мощностью линии «вверх”. Канал управления объединяет в себе функции каналов синхронизации и пейджинга. С его помощью абонентская станция получает информацию о точном времени в системе, базовых станциях и т. д. Каналы трафика в отличие от системы CDMA 2000 1 x представляет собой канал многократного использования сектора, работающий в режиме временного мультиплексирования, который в каждый момент времени обслуживает только одного пользователя. Кодовое разделение позволяет определить конкретного пользователя, который в каждый момент времени обслуживается. Таким образом, в 1 x. EV-DO используется кодовое разделение каналов в режиме временного мультиплексирования.

Передача данных в канале «вниз» может быть осуществлена на фиксированных значениях скоростей, при этом используются различные типы модуляции и размеры пакетов (табл. 3. 4). Передача на различных скоростях вызвана неодинаковыми требованиями к отношению сигнал/помеха для различных режимов. Такое решение позволяет рационально использовать радиоресурсы сети. Скорость назначается абонентам в зависимости от условий, в которых они находятся. Благодаря этому количество ошибочных пакетов сокращается и пропадает необходимость в повторной передаче (механизм работы адаптивной модуляции и кодирования будет рассмотрен далее).

Структура обратного канала (линия «вверх» ) приведена на рис. 3. 24. Данные в обратном канале передаются с использованием кодового разделения. Обратный канал состоит из канала доступа и каналов трафика.

Структура обратного канала (канала «вверх» ) Обратный канал связи Канал доступа Канал трафика Пилотный канал Канал данных Канал квитирования Канал управления Канал данных доступом к среде Канал управления Канал индикации скорости скоростью

Канал доступа необходим для обеспечения соединения абонентской станции с базовой станцией, для регистрации в сети и для передачи служебной информации, передаваемые абонентской станцией. Он состоит из пилотного канала и канала данных. Первый требуется для синхронизации, второй непосредственно для передачи сообщений. Канал трафика используется для передачи пользовательской и служебной информации. Он состоит из пилотного канала, канала управления доступом к среде, каналов квитирования и данных. Канал управления доступом в свою очередь состоит из каналов индикации скорости и управления скоростью. С помощью первого абонентская станция сообщает скорость передачи данных в обратном канале. Второй используется в процедуре адаптивной модуляции и скорости, о которой будет сказано позже. Канал квитирования необходим для автоматически повторяемого запроса. Данные в канале «вверх» передаются со скоростями от 9, 6 до 153, 6 кбит/c. Начальная скорость передачи — 9, 6 кбит/с. Впоследствии скорость передачи может быть увеличена или уменьшена в зависимости от загруженности базовой станции.

В системе CDMA 2000 1 x. EV-DO быстрая повторная передача кадров, принятых с ошибками, принципиально важна для поддержания высокой скорости передачи данных. Отличительной особенностью этой системы является то, что гибридная схема автоматически повторяемого запроса используется на физическом уровне. Это позволяет существенно повысить скорость обмена информацией. Для реализации её механизма в линии «вверх» появляется канал квитирования. Если абонентская станция получает пакет с ошибками и не может его исправить, то она по каналу квитирования передаёт “ 1”, который сигнализирует базовой станции о повторении передачи. Соответственно испорченные пакеты не проходят на более высокие уровни.

Гибридная схема автоматически повторяемого запроса тесно связана с понятием мультислотовой передачи и осуществляется при помощью чередования 4 слотов. Таким образом, три интервала по 1, 67 мс разделяют моменты передачи слотов, входящих в мультислотовый пакет, что обеспечивает время, необходимое абонентской станции для декодирования части принятого пакета и посылки подтверждения на базовую станцию (сектор) по каналу квитирования линии “вверх”. Если сигнал подтверждения получен для всех выделенных слотов, то оставшиеся слоты не передаются и освободившиеся интервалы времени могут быть выделены для передачи других пакетов, в том числе для других пользователей. Досрочное прекращение передачи многослотового пакета увеличивает суммарную скорость передачи данных в системе.

Информация для определённого пользователя передаётся в первом, пятом, девятом и тринадцатом слотах. Промежуток в три слота используется для других абонентов. Он необходим пользователю для демодуляции, декодирования пакета и передачи сообщения по каналу квитирования. Если происходит многократная ошибка и абонентский терминал пользователя не способен восстановить часть пакета или пакет, то по каналу квитирования передается “ 1” и передача повторяется. Чередование четырёх слотов образует четыре независимых потока, каждый из которых может быть использован для передачи пакетов одному или нескольким пользователям одновременно. Последовательная доставка пакетов на более высокие уровни стека протоколов осуществляется благодаря расшифровке преамбулы каждого пакета. Следует отметить, что канал квитирования оказывает минимальное влияние на пропускную способность линии «вверх» , так как практически одновременно только один канал квитирования является активным.

В системах подвижной связи ситуация в радиоканалах постоянно меняется в зависимости от характера перемещения абонентской станции, рельефа местности, растительности, окружающей застройки, расстояний до базовой станции, метеоусловий и многих других факторов. Уровень сигнала и соотношение сигнал/помеха подвержены особенно интенсивным колебаниям в условиях плотной городской застройки из-за многолучевого распространения радиоволн. Радиоканалы становятся подвержены изменениям, даже если абонент не перемещается. Каждая абонентская станция ведёт постоянный анализ сигнальной ситуации в радиоканале и, в частности, принимаемой мощности сигнала от базовой станции. На основе данных анализа абонентская станция определяет оптимальный вид модуляции, скорость кодирования и оценивает возможное значение скорости передачи данных.

Абонентская станция Пилотный Требуемая БС сигнал скорость Оценка с/п по Предсказание Выбор типа пилотному состояния канала пакета сигналу Сравнение PER c Пороги порогом и корректировка скорости ПД Ошибки Декодирование пакета Пакеты Сигнал квитирования Схема управления скоростью передачи

Схема управления скоростью передачи приведёна на рис. 3. 25. Предположим, что абонент «закачивает» файл данных, открывает страницу интернета. Соотношение сигнал/помеха в радиоканале “вниз” оценивается по пилотному каналу. Абонентская станция выбирает базовую станцию, которая обеспечивает самое высокое качество приёма данных. Ввиду временной задержки от момента оценки канала связи до момента его использования для передачи информации необходимо прогнозирование (предсказание) состояния радиоканала на момент передачи данных. Максимально возможная скорость передачи данных определяется по пороговому значению отношения сигнал/помеха. Далее абонентская станция по каналу управления скоростью посылает индекс DRC (Data Rate Control, управление скоростью передачи данных). В соответствии с этим индексом назначаются скорость, размер пакета и количество тайм слотов. Следует отметить, что этот запрос абонентская станция может посылать каждые 1, 67 мс.

Во время сеанса связи производится расчёт отношения количества пакетов принятых с ошибками к общему количеству принятых пакетов PER (Packed Error Rate). В зависимости от этого значения корректируется скорость передачи данных в канале трафика, которая может изменяться в течение одного сеанса множество раз. Это особенно полезно в условиях быстрых замираний. Алгоритм динамического изменения скорости повышает эффективность передачи, так как уменьшается число ошибочных пакетов и повторов передач. Временное разделение каналов на линии «вниз» позволяет программно управлять пропускной способностью Основное назначение программы – максимизация средней пропускной способности. Помеховая ситуация в канале пользователя представляет собой первичный фактор при определении скорости передачи данных, которую он может получить. Как уже отмечалось, в течение одного сеанса связи динамически изменяется скорость передачи данных. На базовой станции установлена программа распределения пропускной способности. Она учитывает скорости передачи, запрашиваемые различными пользователями, и решает, какой из них будет обслуживаться в каждый конкретный момент времени с требуемой скоростью.

Приоритет каждого отдельного пользователя зависит от следующих факторов: -превышения величины запрашиваемой скорости относительно остальных пользователей; -превышения величины запрашиваемой скорости относительно средней скорости рассматриваемого мобильного терминала (MТ); -времени, прошедшего с момента поступления запроса. Когда несколько пользователей ожидают возможности передачи информации, условия приёма в каждом конкретном случае могут быть разными. Базовая станция может выделять тайм слоты в первую очередь тем MТ, для которых в данный момент сложились наиболее благоприятные условия в расчёте на то, что для других MТ через некоторое время условия в радиоканале улучшатся.

Алгоритм, предусмотренный в CDMA 2000 1 x. EV-DO, позволяет использовать преимущества динамического изменения скорости передачи данных. При имеющемся соотношении сигнал/помеха в радиоканале для каждого пользователя осуществляется доставка данных на соответствующих пиковых скоростях передачи. В случае если значение соотношения сигнал/помеха в радиоканале ниже минимально допустимого, доставки данных не происходит. Например, условия радиосвязи приводят к тому, что у одного из пользователей скорость передачи колеблется между низкими и высокими значениями при среднем значении 614, 4 кбит/с. В системе CDMA 2000 1 x. EV-DO для этого пользователя будет установлено минимально допустимое значение скорости передачи равное среднему значению. Если при текущем соотношении сигнал/помеха эта скорость передачи не может быть реализована, пакеты не передаются.

Для пользователей, которые находятся в худших условиях, предусмотрено постепенное увеличение их приоритета. Чем больше прошло времени с момента запроса, тем выше приоритет. Программа учитывает совокупность всех факторов и решает, какой пользователь будет обслужен первым. Алгоритм рассчитан на то, что пользователи с высоким отношением сигнал/помеха будут обслужены раньше и с большей скоростью. Тем самым, быстрее завершается сеанс передачи данных и, как следствие, улучшается помеховая обстановка для других пользователей. Эффективность алгоритма повышается при увеличении количества подвижных пользователей, состояние радиоканала которых постоянно меняется. Однако, для пользователей, находящихся длительное время в сложной сигнально-помеховой обстановке, алгоритм распределения пропускной способности не в состоянии обеспечить бесперебойную радиосвязь.

Применение программы управления пропускной способностью характерно при передаче данных. Ее использование в системах с голосовым трафиком менее эффективно. Это вызвано тем, что для речевых услуг недопустимо превышение заданного времени задержки при передаче пакетов по сети. Обмен данными происходит по радиоканалу, поэтому важными являются вопросы безопасности, для достижения которой в радиосети CDMA 2000 1 x. EV-DO используются новейшие алгоритмы. Для шифрования данных используется «Усовершенствованный стандарт шифрования» (Advanced Encryption Standard - AES), сочетающий в себе простоту и высокую производительность. Используется ключ длиной 128 бит, который обеспечивает 340*1036 возможных комбинаций. Процедуры аутентификации включаются сразу после включения питания абонентского терминала (АТ), который в нашем случае состоит из ноутбука (TE) и мобильного терминала (MT). Процесс аутентификации и перехода в режим шифрации приведён на рис. 3. 26.

При первом подключении АТ обращается к сети, используя свой внутрисистемный номер (IMSI), присваиваемый абоненту оператором. По нему RADIUS сервер находит данные об абоненте: секретные ключи и список услуг, на которые подписан абонент. Затем инициализирует процесс обмена ключами, который основан на протоколе передачи секретных ключей с использованием алгоритма шифрования с открытым ключем (Diffie-Hellman). RADIUS сервер формирует случайное число ANRand и рассчитывает первый открытый ключ: , где величины g и p рассчитываются на основе секретного ключа и внутрисистемного номера IMSI. Этот открытый ключ посылается ниже и вкладывается в сообщение обмена ключами. Получив это сообщение, АТ начинает формировать ответ. Генерируется случайное число ATRand и рассчитывается второй открытый ключ: , где величины g и p рассчитываются на основе секретного ключа и внутрисистемного номера IMSI и соответствуют одноимённым величинам приведённым выше. Этот ключ вкладывается в сообщение ответа

Далее происходит расчёт сессионного ключа (Skey). В абонентском терминале и RADIUS сервере он производится соответственно по формулам: , . Если абонент подлинный и знает секретные данные, то сессионные ключи должны совпасть. С помощью них происходит шифрование и формирование ключей аутентификации, которые рассчитываются на обеих сторонах. При их совпадении разрешается процедура назначения IP-адреса. Для обеспечения надёжной защиты передаваемой по радиоканалам информации система безопасности должна обеспечить некоррелированность формирования ключей, сгенерированных для различных запросов и ответов как одного абонента, так и для запросов и ответов разных абонентов. Выполнение этих требований гарантирует получение независимых сессионных ключей и обеспечивает необходимую стойкость алгоритма шифрования. Если требуется большая безопасность, то возможно применение различных технологий защиты, используемых в сети интернет. Отдельные файлы можно зашифровывать различными программами. Существуют технологии построения виртуальных сетей, благодаря которым обеспечивается большая защита трафика на всём пути его следования.

После включения питания абонентский терминал приступает к инициализации, в течение которой происходит определение типа системы, начальная синхронизация по сигналу пилотного канала, выделение синхросигнала и подстройка системного времени. Далее включается процесс аутентификации в сети CDMA 2000 1 x. EV-DO. После аутентификации происходит процесс назначения IP –адреса. Процесс распределения IP –адресов показан на рис. 3. 29. Контроллер базовой станции запрашивает от RADIUS сервера настройки данного АТ, при помощи которых он определяет, имеет ли устройство статический IP-адрес или требует динамического назначения. Если абонентский профиль указывает на динамическую адресацию, то контроллер базовой станции отправляет команду DHCP серверу, в котором производится процесс выделения IP-адреса и формирование ответа, направляемого обратно в контроллер базовой станции. Информация об адресе сохраняется на время сессии в RADIUS сервере. Конечным шагом процесса является доставка IP-адреса по радиоинтерфейсу абонентскому устройству. Если профиль сконфигурирован статическим адресом, то запроса к серверу абонентский динамической конфигурации не происходит. IP-адрес может назначаться на всё время нахождения пользователя в сети или на время, определяемое значением таймера. Каждый раз по истечении времени таймера будет назначаться новый адрес. Время таймера – конфигурируемый параметр. Как только IP-адрес назначен, абонентский терминал может начать передачу или приём информации, или перейти в “спящий” режим.

Шаг 4 КБС отсылает ответ DHCP к АТ Шаг 2 КБС запрашивает данные об АТ и определяет Radius Шаг 1 Server нуждается ли АТ запрашивает Шаг 4 АТ в IP-адресе соединение DHCP назначает адрес и посылает его к КБС Шаг 1 АТ запрашивает соединение Процесс распределение IP-адресов

Система CDMA 2000 1 x. EV-DO использует интернет как среду распространения и, соответственно, поддерживает все сетевые услуги и протоколы совместимые с протоколом интернета. Иерархия протоколов показана на рис. 3. 28.

На рис. 3. 28 изображена многоуровневая модель взаимодействия сети CDMA 2000 1 x. EV-DO. При передаче на следующий уровень данные проходят процедуру инкапсуляции, которая представляет собой процесс преобразования, позволяющий осуществить передачу данных через сеть в прозрачном режиме. Формирование инкапсулированного пакета осуществляется путём добавления к нему заголовка и вспомогательной информации. При передаче в сетях с многоуровневой иерархией инкапсулированный пакет содержит несколько заголовков разного уровня. Заголовок содержит информацию, которая является полезной только для соответствующего уровня в каждом сетевом объекте на пути следования данных. Когда пакет будет доставлен получателю и начнёт подниматься по смежным уровням, заголовки соответствующих уровней будут последовательно удаляться.

AT BTS BSC/PCF PDSN Cервер Application TCP or UDP/IP PPP RLP 1 x. EV-DO Airlink Иерархия протоколов при работе в режиме мобильного интернета

Протокол беспроводного доступа CDMA 2000 1 x. EV-DO (Airlink 1 x. EV-DO) и протокол радиолинии (RLP) являются физическим уровнем в модели взаимодействия открытых систем (OSI). Они создают интерфейсы для подключения систем к физическим средствам соединения (радиоканалу) и передачу последовательности битов. Первый из них также выполняет функцию обнаружения и исправления ошибок. С помощью протокола радиолинии данные от различных АТ собираются в цифровые потоки на линии «вверх» . АТ соединён с узлом сервиса пакетной передачи данных по протоколу двухточечного соединения (PPP). На этом уровне используется проверка ошибок с помощью циклического избыточного кода (CRC). Интернет-протокол является базовым и соответствует третьему (сетевому) уровню модели OSI. С помощью него создаются виртуальные пути для передачи данных. Сам протокол не исправляет ошибки, а только сообщает об их появлении.

TCP–протокол управления передачей, приблизительно соответствует транспортному уровню, с помощью которого реализуется организация сеанса связи между двумя пользователями в сети. Кроме того, в его функции включается исправление ошибок и, что очень важно, отслеживание прохождения данных по сети. TCP также служит для организации повторной передачи потерянных данных. Протокол дейтаграмм пользователя (UDP) относится к протоколам без установления логического соединения и предназначен для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, входящих в единую сеть с коммутацией пакетов. В отличие от протокола TCP, в протоколе UDP отсутствует подтверждение приёма блоков данных, что делает его намного проще, но менее надёжным, причем его преимущество заключается в меньшем времени обработки, и, следовательно, в малом времени задержки. Оба этих протокола опираются на услуги IP. На этом уровне информация из дейтаграмм посылается в прикладной программе адресату. На прикладном уровне выполняется управление заданиями, идентификация пользователей по паролям, адресам, электронным подписям. Система использует стандартные протоколы OSI и обладает прозрачностью.

Всех абонентов сети, работающих в режиме мобильного интернета, можно разделить на активных и пассивных (бездействующих). Активные принимают или передают информацию в данный момент. Пассивные не передают и не принимают информацию, например, пользователь может просматривать «закаченную» из интернета страницу. В пассивном (спящем) режиме пользователь не задействует радиоресурс сети. Благодаря этому увеличивается пропускная способность сети. Однако, находясь в пассивном режиме, пользователь должен постоянно быть «на связи» , а система должна быстро восстановить необходимое соединение. Ранее отмечалось, что АТ входит в пассивный ( «спящий» ) режим в зависимости от состояния двух таймеров. Один из них находится в мобильном устройстве и может быть настроен пользователем, второй - в сети и контролируется оборудованием управления пакетной передачей данных PCF. По истечении наименьшего времени одного из таймеров абонентский терминал переходит в пассивный режим. Данные, необходимые для восстановления соединения (IP-адрес, состояние радиосеанса и PPP) хранятся в PCF, где сохраняется информация о режиме работы каждого пользователя в данный момент времени. Если устройству, находящемуся в «спящем» режиме, присылается информационный пакет, PCF сохраняет его в своём буфере и даёт команду контроллеру базовой станции на установление канала передачи данных. При этом у АТ сохраняются прежние параметры сеанса связи. Благодаря этому экономится ресурс сети и практически мгновенно восстанавливается соединение. Возможна ситуация, когда восстановление связи невозможно, потому что сеанс PPP был разорван. Это сигнализирует о том, что абонентский терминал был выключен пользователем или вышел из зоны действия сети. В этом случае переданные пакеты вернутся в маршрутизатор и будут размещены “black hole” или исчезнут по прошествии некоторого времени.

GSM BSS BTS BSC BTS ISDN GMSC ISDN MSC/VLR ТФОП ТФОП USIM ТФОП HLR ME Internet, Node B SGSN GGSN X. 25 RNC Node B UE Node B RNC Базовая сеть (CN) Архитектура сети W-CDMA/GSM

Временной интервал 2560 чипов 2/3 мс Кадр TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 . . . 17 TS 14 10 мс Суперкадр F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 . . . 17 F 72 720 мс Временные характеристики W-CDMA

C 4, 0=(1, 1, 1, 1) C 2, 0=(1, 1) C 4, 1=(1, 1, -1) C 1, 1=(1) C 4, 1=(1, -1, 1, -1) C 2, 1=(1, -1) C 4, 3=(1, -1, 1) SF=1 SF=2 SF=4 Принцип формирования каналообразующих кодов

Плоскость управления Пользовательская плоскость L 3 Сквозной радиоканал RRC PDCP Cигнальный сквозной радиоканал BMC L 2 RLC Логические каналы MAC Транспортные каналы L 1 Физический уровень Архитектура протоколов радиоинтерфейса W-CDMA

1 кадр=10 мс 1 субкадр=2 мс 1 TS 2 -3 TS HS-SCCH HS-PDSCH 19200 чип=2, 5 субкадра=7, 5 TS=5 мс 2 TS=1, 33 мс HS-PDCCH Структура каналов при HSDPA

Архитектура интегрированной сети UMTS и GSM Европейский стандарт 3 -го поколения UMTS развертывают на базе действующих сетей GSM. В состав UTRAN входят контроллеры RNC (Radio Network Controller) и узлы базовых станций (Node B). 142

Основные параметры стандарта UMTS Параметр Значение Технология Сети UTRAN могут использовать две Скорость UMTS, используя разработки W-CDMA, позволяет радиодоступа взаимоувязанные технологии радиодоступа с кодовым разделением UTRA-FDD(Universal передачи поддерживать скорость передачи информации на Terrestrial Radio Access – Frequency Division теоретическом уровне до 21 Мбит/с. (при использовании Duplex – технология радиодоступа стандарта UMTS с частотным дуплексом) и UTRA- HSPA+). В настоящий момент самыми высокими TDD(Universal Terrestrial Radio Access - скоростями считаются 384 Кбит/с для мобильных станций Time Division Duplex - технология радиодоступа стандарта UMTS с временным технологии R 99 и 7, 2 Мбит/с для станций HSDPA в дуплексом) режиме передачи данных от базовой станции к Диапазон частот - парные (симметричные) полосы частот 1920 - 1980 МГц ( «вверх» ) и 2110 -2170 МГц ( «вниз» ) мобильному терминалу предназначаются для использования в FDD- Радиоинте UMTS развёртывается путём внедрения технологий режиме; - непарные (несимметричные) полосы частот рфейсы радиоинтерфейса W-CDMA, TD-CDMA, или TD-SCDMA 1900 -1920 МГц и 2010 -2025 МГц на «ядро» GSM. В настоящий момент большинство предназначаются для использования в TDD- режиме операторов, работающих на сетях UMTS, выбирают в Минимальный 5 МГц в TDD- и FDD-режимах качестве технологии воздушного интерфейса W-CDMA частотный разнос между несущими Кадровая Базовая длительность кадра составляет 10 мс. Кадр разбит частотами структура на 15 временных интервалов (time slots): TS 0 …TS 14, Сетка частот 200 к. Гц каждый длительностью 2/3 мс. В одном TS размещено 2560 чипов. При SF=256 в одном TS передают 10 Радиус соты 1 -1, 5 км символов. Кадры объединены в суперкадры; в одном Чиповая скорость базовый вариант на основе технологии UTRA- суперкадре 72 кадра, а его длительность составляет 720 FDD (W-CDMA) предусматривает передачу мс. Это длина 6 мультикадров каналов трафика стандарта информации с чиповой скоростью 3, 84 Мчип/с GSM. Длительность одного чипа ≈ 0, 2604 мкс 143

Методика построения начального приближения сети Этап 1: Определение числа каналов трафика Для повышения точности построения Количество каналов трафика, приходящихся на сектор начального приближения сети применяется (соту) для однородной речевой нагрузки: модель сотовой сети, используемая при анализе внутрисистемных помех, воздействующих на приемник BS: Для передачи однородных данных: Стандарт Загрузка сот Количество каналов окружения трафика Основное уравнение CDMA для текущего CDMA - 100% - загрузка; - 24 канала; отношения с/п на символ в обратном канале 2000 - 50% - загрузка; - 29 каналов; связи: - 25% - загрузка. - 33 канала. WCDMA - 100% - загрузка; - 80 каналов; - 50% - загрузка; - 98 каналов; - 25% - загрузка. - 111 каналов. 144

Этап 2: Определение пространственных параметров сети Исходные данные для расчета пространственных Дальность связи (радиус соты с точки зрения параметров сети с точки зрения абонентской емкости: абонентской нагрузки): - число каналов трафика на сектор (соту) ; - вероятностью блокировки вызова ; где k = 1. 25 – коэффициент, - активность одного абонента в ЧНН Эрл; учитывающий необходимость взаимного перекрытия - число абонентов сети ; сот для обеспечения хэндовера. - число секторов на БС – D; -площадь зоны обслуживания . Для среднего и малого города с высотой антенны BS 30 м, высотой антенны MS 1, 5 м и несущей частотой Максимально-возможное число абонентов, которое 1950 МГц допустимые потери на трассе с помощью может обслужить сектор базовой станции: модели COST 231–Hata: Число секторов в сети: Откуда радиус соты с точки зрения бюджета потерь: Число БС в сети: Если R ( по потерям) ≈ R (по абонентской емкости), где D - число секторов на БС. то выполняются требования по покрытию и емкости сети и ресурсы используются наиболее рационально, а если данное требование не выполняется, то надо Площадь БС: произвести расчет заново для улучшения ситуации, изменяя определенные параметры. 145

Этап 3: Определение мощности передатчика БС Расчет линии «вниз» аналогичен расчету линии Мощность шума на входе приемника мобильной «вверх» , однако имеется ряд отличий. Ограничения по станции: уровню сигнал/помеха для конкретного пользователя: Мощность сигнала: Каждая базовая станция излучает сигналы, состоящие из каналов трафика и общих каналов. Мощность передатчика базовой станции: Мощность общих каналов управления составляет 0. 2 от максимальной мощности сигнала. Мощность каналов трафика при телефоном трафике: Средний уровень мощности группового сигнала на , выходе передатчика базовой станции: Мощность сигнала: Поскольку абоненты распределены по соте равномерно, плотность вероятности нахождения абонента в точке соты с координатами : Для обеспечения уверенного приема сигналов синхронизации Плотность теплового шума: 146

Этап 4: Распределение кодовых сдвигов по секторам (сотам) сети Все BS в сети используют один Средний радиус кластера равен: короткий код, но с разными циклическими сдвигами. По циклическому сдвигу короткого кода можно выделять и различать сигналы, Соты и сектора с идентичными излучаемые BS в разных сотах и кодовыми сдвигами будут разнесены секторах. на расстояние: Сектора и соты сети группируются в кодовые кластеры, максимальная Назначение циклических сдвигов размерность которых ( , 512), где - количество сот, 512 – короткого кода может быть максимально возможное количество осуществлено подобно назначению секторов в кластере, а - частот в сотовых сетях с частотным и секторность сот. частотно-временным разделением каналов – на основе кластерных структур. 147

Пример синтеза сети Исходными данными для расчета примера синтеза сети являются: Число секторов в сети: - речевая услуга, скорость передачи которой R = 12. 2 кбит/с ; - = 30 км² - площадь зоны обслуживания; секторов. - = 35 тыс. – число абонентов сети; Число БС в сети: - = 2 % - вероятность блокировки вызова; базовых станций. - Эрл - активность одного абонента в ЧНН. В ходе расчета бюджетом потерь при определении исходных где D = 3 - число секторов на БС. данных были определены допускаемые потери на распространение до Площадь БС: границ ячейки (с учетом быстрых и медленных замираний). км² Максимальную дальность связи при F =1950 МГц, =30 м, =1, 5 м, по уравнению COST 231–Hata для большого города (large city), Дальность связи (радиус соты с точки зрения абонентской нагрузки): км. км, Число каналов трафика, исходя из абонентской емкости (нагрузки): где k = 1. 25 – коэффициент, учитывающий каналов. необходимость взаимного перекрытия сот для обеспечения хэндовера. Таким образом, - это максимальное количество одновременно Так как, R ( по потерям) = 1. 6 км и R (по абонентской обслуживаемых абонентов, или, иначе, количество каналов, емкости) = 1. 6 км, то это означает, что при работе сети приходящихся на сектор (соту). выполняются требования по покрытию и емкости сети и Определить максимально-возможное число абонентов. производить пересчет не требуется. Но необходима Зная число каналов трафика для системы обслуживания с отказами проверка еще и с точки зрения бюджета потерь. После и вероятность блокировки вызова, пользуясь таблицей Эрланга, можно выбора радиуса соты определяется зона покрытия: найти телефонную нагрузку (трафик) на сектор (соту): Эрл. км², где k 1 = 0. 8 – Зная активность одного абонента в ЧНН, легко определить коэффициент, учитывающий необходимость взаимного максимально-возможное число абонентов: перекрытия сот для обеспечения хэндовера. Число базовых станций: абонентов. базовых станций. 148

Построение сети с помощью программного комплекса ONEGA RPLS DB 3 G Для построения сети с помощью программного комплекса ONEGA RPLS DB 3 G используются данные и результаты расчета из примера синтеза сети начального приближения. При планировании сети соблюдаем следующую последовательность действий: 1. Создаем проект сети. 2. Создаем площадки размещения БС. 3. Создаем на площадках объекты (БС, сектора с антеннами и т. д. ). 4. Создаем район расчета и включаем в него БС. 5. Создаем модель трафика (в нашем примере речевой трафик) со ссылкой на район расчета. Создаем конфигурацию сети для района расчета. 6. Выполняем расчет конфигурации сети 3 G. 7. Анализируем полученные результаты расчетов по таблицам и картам. Карта местности и часть таблицы с результатами расчета конфигурации сети: 149

Выводы Целью данной дипломной работы было повышение эффективности функционирования интегрированных сетей сотовой связи третьего поколения GSM/WCDMA. Для этого разработан алгоритм и методика построения начального приближения сетей WCDMA стандарта сотовой связи третьего поколения UMTS. Результаты расчета примера синтеза сети предоставляют возможность реально представить конфигурацию сети и сопоставить все рассчитанные параметры. Применение системы методик планирования сетей сотовой связи третьего поколения, представлено в виде построения сети с помощью программного комплекса планирования 3 G сетей подвижной связи ONEGA RPLS DB 3 G. В дипломной работе произведен расчет примера синтеза сети начального приближения и синтеза сети с помощью программного комплекса ONEPLAN Radio Planning System DB 3 G. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что разработанные методики построения начального приближения сети являются верными и расчет, полученный с помощью разработанных методик, является максимально точным и не требуются дополнительные оптимизационные решения. Разработанный алгоритм и методики соответствуют современным представлениям и перспективам развития системы планирования сетей сотовой связи третьего поколения. В заключение можно сказать, что планирование сетей стандарта сотовой связи третьего поколения UMTS имеет важное значение, поскольку в настоящее время основным фактором, определяющим развитие мобильной связи, является то, что UMTS позволяет предоставлять высококачественную голосовую телефонию, а также открывают дорогу ко многим дополнительным возможностям, таким как: высокоскоростная передача данных и потокового видео, мобильный интернет, различные приложения на основе интернета и мультимедиа. Одним из главных выводов данной дипломной работы является следующее: результаты проделанной работы осуществимы в практической деятельности и могут использоваться операторами сотовой связи при построении сетей стандарта сотовой связи третьего поколения UMTS. 150

Спасибо за внимание ! 151