ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Система цифрового мобільного радіозв’язку CDMA. Загальна характеристика та принципи функціонування.

CDMA-метод кодового разделения, при котором в каждом сеансе абоненты одновременно в одной и той же полосе частот работают сигналами, не влияющими друг на друга.

Теория CDMA начала создаваться еще до второй мировой войны на основе разделения сигналов по форме с использованием ортогональных функций. После войны технология CDMA стала использоваться в военных беспроводных системах связи. Однако сложность и высокая стоимость препятствовали до недавнего времени гражданскому применению CDMA.

Широкому распространению система CDMA обязана американской компании Qualcomm, которая изучила и развила принципы CDMA, заложила основы промышленного стандарта СDMA(IS-95) и разработала набор микросхем, выполняющие основные математические операции с ортогональными сигналами (IS-95). Другими словами, компания Qualcomm обеспечила условия, когда внедрение CDMA в гражданских целях стало выгодно.

В отличие от технологии FDMA и TDMA, где в качестве несущих применяются узкополосные сигналы, CDMA использует широкополосные, т.е. ширина спектра радиосигнала во много раз превышает спектр исходного информационного сигнала.

Расширение спектра дает следующие преимущества по сравнению с узкополосным подходом:

– повышенная помехоустойчивость;

­– широкополосный сигнал практически невозможно обнаружить, поскольку он воспринимает как повышенный уровень шума;

– широкополосный сигнал трудно подавить, так как большинство естественных и искусственных помех имеют узкополосную природу.

В системе CDMA все абоненты используют один и тот же широкий радиоканал. Сигналы разных абонентов в канале отличаются специальными кодами, которые уникальны для сигнала каждого абонента. Сигналы абонентов одной базовой станции являются ортогональными, поэтому взаимные помехи между ними отсутствует.

Принцип разделения сигналов CDMA аналогичен ситуации во время международного приема, когда люди разговаривают на разных языках одновременно.

Вы слышите все разговоры как неясный шум, а понимаете только тот, язык который знаете. Другими словами, приемные устройства CDMA принимают («слышать») сигналы всех абонентов одновременно, но выделяют только тот, код которого «знают». Число разговаривающих людей строго не ограничено и определяется только уровнем помех от других говорящих. Другими словами, максимальное число пользователей CDMA зависит от трафика и поэтому не является определенным.

Один из широкополосных сигналов, несущий в CDMA информационные сигналы нескольких абонентов, называются радиоканалом.Любая система CDMA имеет минимум два радиоканала: прямой – для передачи от БС на мобильные станции и обратный – для передачи от мобильной станции на БС.

Обычно прямой и обратный радиоканалы размешаются на разных частотах, что обеспечивает полнодуплексное соединение. В CDMA абоненты используют один и тот же радиоканал, а их сигналы в радиоканале отличаются «кодами». Для формирования кодового сигнала используют ортогональное расширение спектра с помощью функций Уолша и псевдослучайных последовательностей.

Ширина полосы радиоканала фиксирована и составляет 1,25 МГЦ. В одной такой полосе теоретически может размещаться 55 речевых каналов, однако реально используют 20, другими словами, в диапазоне 2*1,25 МГЦ может одновременно вместить 20 разговоров. Прямой и обратный радиоканалы разделяются в сотовом варианте CDMA промежутком 45 МГЦ, а в персональном – 80 МГЦ.

 

Системы CDMA большой емкости могут иметь несколько пар прямых/обратных радиоканалов.

хотя группы каналов CDMA могут разрешаться вплотную на частотной оси, между каналами CDMA и каналами других систем должен оставаться «промежуток безопасности » - 270 кГц.

Поскольку кроме собственной речи нужно передавать и принимать много служебной информации, необходимой для установления, поддержания и разделения, радиоканалы состоят из каналов нескольких типов.

Прямойрадиоканал состоит из каналов четырех типов:

1. Ведущий канал.Работает непрерывно и используется мобильной станцией для начальной синхронизации от базовой станции по времени, частоте и фазе. После начальной синхронизации мобильная станция начинает принимать данные по каналу синхронизации.

2. Канал синхронизации.Обеспечивает идентификацию базовой станции, передает информацию об уровне мощности и сетевой времени. После полной синхронизации мобильная станция начинает мониторинг по одному из каналов вызова.

3. Каналы вызова.Обеспечивает передачу информации для установления соединения.

4. Канал трафика.Обеспечивает передачу речи.

Обратный радиоканал состоит из каналов двух типов:

1. Каналы доступа.Обеспечивают получение служебной информации от мобильной станции, когда она не использует канал трафика.

2. Каналы трафика. Обеспечивает прием речи.

 

Для преобразования аналогового сигнала речи в цифровой сигнал используется алгоритм с линейным предсказанием кода CELP. Алгоритм CELP учитывает особенности голоса человека и является приближенным. Такой подход к кодированию речи приводит к тому, что необходимая скорость передачи битов снижается с 64 до 8 или 13 Кбит/с, а следовательно уменьшается требуемая полоса.

Преобразования аналогового сигнала или сигнала ИКМ в сигнал CELP и обратно осуществляется устройством, называемым вокодером (голосовой кодер /декодер). Вокодер передающей стороны выполняет прямое преобразование и делит поток информации на кадры, а вокодер приемной стороны объединяет кадры в единый поток и делает обратное преобразование.

В системе CDMA применяется усовершенствованный алгоритм QCELP (Qualcomm CELP) с переменной скоростью кодирования. Вокодер такого типа является интеллектуальным устройством, автоматически замедляющий темп кодирования, когда речевая активность абонента снижается (пауза в разговоре или слушание). Это позволяет уменьшить общие помехи в канале CDMA, увеличив емкость системы.

Другой важной особенностью вокодера с переменной скоростью является использования адаптивного порога для определения требуемой скорости кодирования данных. Уровень порога изменяется в соответствии с фоновым шумом. Результатом изменения порога является подавление фона и улучшение качества речи даже в шумной обстановке.

Вокодерное преобразование используется только в речевых каналах, иными словами в каналах трафика.

Одной из важных преимуществ CDMA – использование одной и той же полосы частот всеми абонентами не только в одной соте, но и в нескольких.

Чтобы устранить конфликты (интерференцию) между сигналами разных базовых станций (БС) в системах FDMA и TDMA традиционно используют план частотного планирования 1:7, когда определенная частота снова повторяется в 8-й соте. Другими словами, лишь 1/7-ю частотного диапазона, выделенного оператору, можно использовать в одной соте.

В системе CDMA одна и та же полоса частот используется всеми абонентами во всех сотах, что означает применение частотного плана 1:1 (см. выше). Это не только упрощает первичное проектирование сот, но и требует пересмотра частотного плана при добавление новой соты.

Простейшая конфигурация CDMA имеет простые (односекторные) соты и один радиоканал, использующийся во всех сотах. Для увеличения числа абонентов такой системы применяют два метода. Первый основан на увеличения числа пар радиоканалов. Пара прямой/обратный радиоканал называется «выделенной частотой» (FA). Второй основан на разделении соты на секторы и использование вместо всенаправленной антенны секторной. При этом абонент, находящийся в данном секторе, сопровождается оборудованием этого сектора.

Таким образом, CDMA может использовать всенаправленную или секторную антенну, а в соте или секторе может быть несколько пар радиоканалов.

Качество связи в системе CDMA зависит от уровня помех, так как все абоненты используют одну и туже полосу частот. Поскольку сигналы, передаваемые БС, образуют ортогональный набор, то помехи между каналами передачи данной БС отсутствуют. Источниками помех являются другие БС и мобильные абоненты, а уровень этих помех определяет порог пропускной способности системы CDMA.

Для снижения шумов в канале очень важно, чтобы сигналы всех мобильных станций, (МС) принимались на данной БС с одинаковым уровнем мощности, независимо от расстояния между абонентом и БС. Для этого необходимо тщательно регулировать мощность передатчика МС.

С другой стороны, может случится так, что в определенный момент в данную соту попадает слишком много абонентов, но снижать мощность МС уже нельзя из-за достижения минимального порога распознавания сигнала. Следовательно, необходимо уменьшить мощность передатчика БС. При этом абоненты на границе соты автоматически попадают в соседние соты и нагрузка на данную соту снизится.

рис.4 рис.5

Для решения этих задач в стандарте CDMA предусмотрена эффективная система регулировки мощности с обратной связью, которая включает прямую регулировку (регулировку мощности базовой станции) и обратную (регулировку мощности мобильной станции).

Основная цель прямой регулировки – оптимизировать количество мобильных абонентов в соте, т.е. не допустить перегрузки оборудования. Основная цель обратной регулировки – обеспечить такой уровень излучения МС, чтобы он, с одной стороны, был достаточен для обработки на БС, а с другой – был минимален, поскольку приводит к шумовому вкладу для других абонентов.

Другими словами, система регулировки мощности максимизирует число абонентов, которые могу говорить одновременно. Поскольку более жесткие требования предъявляются к управлению именно мощность МС, то обратная регулировка включает три алгоритма: открытую петлю, закрытую петлю, собственную петлю. Все три алгоритма работают одновременно, обеспечивая высокую эффективность подстройки уровня мощности.

При пересечения границы соты или сектора мобильную станцию должна начать сопровождать новая БС или ее секторное оборудование. Передача управления с одной БС на другую или с одного сектора на другой называется «эстафетной передачей» или «переключением». В традиционных узкополосных системах существует только «жесткое» переключение, когда один канал отключается перед тем, как произойдет включение другого канала. При этом могут возникать нежелательные явления такие, как прерывание речи и эффект «пинг-понга».

В системе CDMA кроме «жесткого» переключения существует «мягкое», когда на границе сот мобильную станцию одновременно сопровождает одна или более БС. Поскольку передача информации существует по кадрам, система в режиме «мягкого» переключения имеет возможность выбирать лишний кадр.

Аналогом «мягкого» переключения для многосекторной конфигурации CDMA является «сверхмягкое». Оно заключается в одновременной работе каналов обеих секторов. «Мягкое» и «сверхмягкое» переключение есть только в системе CDMA. Это значительно улучшает качество связи на границах сот и секторов за счет устранение эффекта «пинг-понга» и прерывание речи.

Регистрация процесс, во время которого МС информирует БС о своем местоположении. Регистрация позволяет БС более эффективно отслеживать положение мобильных абонентов для установления входящих к ним соединений.

Если бы регистрации не было, то нагрузка на БС была бы очень высока, поскольку необходимую информацию в каналах вызова обязаны передавать все БС. Регистрация позволяет уменьшить нагрузку на эти каналы, но зачет нагрузки на каналы доступа. Существует восемь форм регистрации:

1. Регистрация по включению питания. МС регистрируется при включении ее питания.

2. Регистрация по выключения питания. МС регистрируется по выключению ее питания.

3. Регистрация по таймеру. МС регистрируется при истечении определенного времени, отсчитываемого таймером.

4. Регистрация по расстоянию. МС регистрируется при удалении на определенное расстояние от места последней регистрации.

5. Регистрация по зоне. МС регистрируется при попадании в новую зону.

6. Регистрация по изменениию параметров. МС регистрируется при изменении одного из своих параметров.

7. Регистрация по запросу. МС регистрируется, когда этого требует базовая станция.

8. Регистрация неявная. Неявное определение местоположения МС, когда та занимает канал доступа.

Первые шесть форм регистрации называются автономными, поскольку инициатором является сама мобильная станция в ответ на некоторое событие. Хотя система поддерживает восемь форм регистрации, конкретная базовая станция может временно разрешить или запретить отдельные формы, уравновешивая нагрузку между каналами доступа.

Подводя итоги, можно перечислить следующие основные преимущества CDMA перед другими системами сотовой связи.

1. Емкость CDMA в 10-20 раз превышает емкость аналоговых систем и в 3-6 раз емкость других цифровых систем.

2. CDMA экономит частотный ресурс, поскольку один и тот же диапазон можно использовать во всех сотах и секторах сети.

3. CDMA не требует сложного планирования сот за счет повторного использования частот.

4. CDMA обладает высокой помехоустойчивостью благодаря широкополосному сигналу, не подверженному селективному затуханию.

5. CDMA является единственной технологией, поддерживающей «мягкое переключение» и обеспечивающий высокое качество связи на границе сот за счет выбора наилучшего сигнала.

6. Абонентское оборудование CDMA поддерживает аналоговый стандарт AMPS, что позволяет накладывать новую сеть на уже существующую.

7. На основе CDMA можно создать не только сотовые, но и беспроводные (WLL) и персональные (PCS) системы связи. За счет распределенного спектра сигнал CDMA имеет малую амплитуду, что удлиняет в 3 раза время жизни батарей в телефоне и снижает пиковую излучаемую мощность, влияющую на здоровье.

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти