Принципи побудови мереж CDMA

Про стрімке завоювання CDMA світового ринку телекомунікацій говорять наступні цифри. Не дивлячись на відносну новизну (перша стільникова система рухливого радіозв'язку спільного користування в цьому стандарті була відкрита для комерційної експлуатації у вересні 1995 р. в Гонконзі), вже в 1996 р. в Південній Кореї працювала комерційна мережа з 2 млн. користувачів. У цьому ж році в США 60% новій номерній ємкості було введено за допомогою стандарту CDMA, який міцно утримує перше місце як по кількості охоплюваного населення, так і по числу операторів, що використовують дану технологію. Мережі цього стандарту розповсюдженні в сусідніх з Україною державах - Росії, Молдові і Польщі.

Загальні відомості

Система CDMA побудована по методу прямого розширення спектру частот на основі використання 64 видів псевдовипадкових послідовностей (ПСП), сформованих згідно із законом функцій Уолша. Мовні повідомлення передаються за допомогою мовоперетворюючого пристрою з алгоритмом Celр. Використання системи переривистої передачі мови на основі детектора активності мови і вокодера з алгоритмом CELP у поєднанні із змінною швидкістю перетворення аналогового мовного сигналу в цифровій сприяє зниженню взаємних перешкод в мережі і збільшенню її ємкості. Це відбувається через те, що абонентський термінал (АТ) випромінює сигнал тільки на інтервалах активності мови, які складають близько 35% тривалості розмови. На лінії від базової станції до абонентського терміналу ("вниз") адресною ознакою кодового каналу служить одна з 64 ортогональних функцій Уолша, а на лінії "вгору" - квазіортогональні довгі ПСП. Зв'язок в системі CDMA організовується за стільниковим принципом з використанням всіх типових елементів стільникової мережі рухливого радіозв'язку. При відношенні енергії інформаційного символу до спектральної щільності шуму 7...8 дб і допустимій частоті помилок 1% можна організувати 60 активних каналів на трьохсекторну стільнику. Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що приймаються з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціального приймача, що входить до складу базової станції (БС).

Діапазон робочих частот від АТ до БС лежить в межах 824-849 Мгц, а у зворотному напрямі - в межах 869-894 Мгц. Таким чином, дуплексне рознесення рівне 45 Мгц. Спільна смуга частот кожного радіоканалу - 1,23 Мгц. По краях робочого діапазону частот, виділеного операторові мережі CDMA, рекомендується передбачити наявність захисних смуг. Якщо по сусідству працює система AMPS, ширина захисної смуги повинна складати 270 кгц, якщо яка-небудь інша система зв'язку - захисну смугу слід збільшити до половини основної смуги, тобто до 615 кгц. Стандарт CDMA дає можливість використовувати одну і ту ж частоту, що несе, по всій мережі у всіх сотах. Коефіцієнт повторного використання частоти для CDMA дорівнює 1.

Взаємодія базової станції і терміналу

Базова станція, керована контроллером і сполучена з ТФОП за допомогою інтерфейсу, як який зазвичай використовується так званий центр комутації рухливого зв'язку, може одночасно використовувати 64 канали передачі, з яких один канал, - пілотний, один - для синхронізації, сім каналів - для персонального виклику, останні 55 - для передачі мовних повідомлень. У напрямі "вниз" канали називають прямими. Пілотний канал використовується для початкової синхронізації АТ з мережею і для контролю за сигналами БС за часом, частоті і фазі. Канал синхронізації забезпечує ідентифікацію БС, контроль рівня випромінювання пілотного сигналу, а також фазу ПСП БС. Канал виклику використовується для виклику АТ і для призначення після встановлення з'єднання каналу зв'язку. Канал прямого трафіку служить для передачі мовних повідомлень і даних. У нім організований також безперервний субканал управління потужністю шляхом заміщення декілька біт мовних даних із швидкістю 800 біт/с. Передача "0" означає, що абонентська станція повинна збільшити рівень своєї вихідної потужності на 1 дб, а передача "1" - зменшити на 1 дб. Максимально можлива швидкість зміни потужності складає 16 дб (у 40 разів) протягом 20 мс. Динамічний діапазон регулювання - 84 дб.

Таке регулювання дозволяє АТ працювати з мінімально необхідною потужністю випромінювання, даючи можливість БС приймати сигнали абонентських терміналів з практично однаковим рівнем потужності незалежно від видалення. Це забезпечує як мінімізацію взаємних перешкод в мережі і збільшення її ємкості, так і вищу екологічну безпеку АТ для користувача. Проте при планеруванні мережі необхідно враховувати, що розмір сотів має бути приблизно однаковий. Інакше виникають перешкоди від АТ, що знаходяться в сусідніх сотах. Радіус соти в місті може досягати 4-5 км., в сільській місцевості - від 7-8 до 25-30 км., залежно від рельєфу місцевості і висоти розташування антен. У напрямі від АТ до БС канали називають зворотними. До їх числа входять канал доступу і канал зворотного трафіку. Канал доступу використовується для встановлення викликів і відповідей на повідомлення, передавані по каналу виклику, і для передачі команд і запитів на реєстрацію в мережі.

У кожному каналі БС при передачі використовується одна з 64 послідовностей Уолша. Зміні знаку біта інформації відповідає поворот на 180 градусів фази використовуваної послідовності. Унаслідок ортогональності послідовностей перешкоди між каналами передачі відсутні. Вони виникають тільки від сусідніх БС, що працюють на тій, що тій же несе і використовують ту ж послідовність, але з іншим циклічним зрушенням. У абонентському терміналі ортогональні сигнали використовуються для підвищення перешкодостійкості каналів. При цьому кожній групі з 6 біт інформаційного повідомлення відповідає одна з 64 послідовностей Уолша. Різні циклічні зрушення ПСП в абонентських терміналах дозволяють БС при прийомі розділити сигнали від АТ.

Абонентський термінал може знаходитися в одному з чотирьох станів: ініціалізації, черговому, доступу, активному. В стані ініціалізації АТ веде пошук пілотного каналу на нульовій функції Уолша. Виявивши його, він знаходить на 32-ій функції Уолша канал синхронізації. З повідомлення, передаваного по каналу синхронізації, АТ отримує дані про конфігурацію системи і її тимчасовій структурі. На наступному етапі АТ входить в режим чергового стану, виявляє канал персонального виклику і веде безперервний контроль за повідомленнями, що поступають. Ці повідомлення від БС можуть містити всі необхідні дані, щоб ініціювати виклик або прийняти його від іншого абонента. В разі проходження виклику АТ переходить в стан доступу. При успішній спробі доступу АТ входить в активний стан.

Передача повідомлень

Передача повідомлень в мережі здійснюється кадрами. При цьому в каналах застосовуються: згортальне кодування "вниз" із швидкістю 1/2, "вгору" - 1/3, декодер Вітербі з м'яким рішенням, передаваних повідомлень. Використовувані принципи прийому дозволяють аналізувати помилки в кожному інформаційному кадрі і стирати кадр при перевищенні допустимого рівня, тим самим підтримуючи високу якість передачі мови. Крім того, в системі CDMA використовуються роздільна обробка відбитих від будівель сигналів, що приходять з різними затримками, і подальше їх вагове складання, що значно знижує негативний вплив ефекту многолучевості. При роздільній обробці променів в кожному каналі прийому на БС використовуються чотири що паралельно працюють корелятора, а в ношеному абонентському терміналі - три корелятори.

У системі CDMA передбачений режим м'якої естафетної передачі (soft handoff) під час переходу абонента з соти в стільнику. При цьому АТ підтримує зв'язок одночасно з двома або трьома БС, проводячи безперервний пошук всіх пілот-сигналов на робочій частоті з фіксацією їх рівнів. В разі виявлення досить сильного пілот-сигнала, що не належить до обслуговуючого його вічка (сектору), він посилає повідомлення своєї базової станції. На основі повідомлень, що поступають від різних БС, контроллер базових станцій приймає рішення, яка БС буде залучена в процедуру естафетної передачі, призначає цій БС вільну функцію Уолша з належного набору і повідомляє їй код АТ. Обслуговуючою БС поступає команда направити АТ повідомлення про початок процедури естафетної передачі. Абонентський термінал, що приймає інформацію одночасно від двох БС, вибирає кращий мовний кадр з двох. Аналогічним чином мережевий інтерфейс, приймаючи одну і ту ж інформацію від двох БС, вибирає кращу на основі покадрового порівняння.

CDMA: канальна структура

При першому знайомстві з канальною структурою читач стикається з великою кількістю загадкових абревіатур. Але насправді принцип їх утворення досить простий: спочатку одна або дві англійські букви, що позначають спеціальну характеристику (ознаку) даного логічного каналу (див. таблицю), потім ще дві букви - завжди CH (Channel). Підхід зберігається незалежно від стандарту.

Класифікація та типові позначення каналів

Ознака	Позначення	Назва каналу
Напрямок зв'язку	F	Прямий (Forward)
	R	Зворотній (Reverse)
Тип канала	L	Логічний (Logical)
	P	Фізичний (Physical)
Назначение канала	A	Доступ (Access)
	P	Викличний (Paging)
	S	Сигналізації (Signaling)
	T	Трафіку (Traffic)
Спосіб організації зв'язку	A	Суміщений (Associated)
	B	Широкомовний (Brodcast)
	С	Загальний (Common)
	D	Виділений (Dedicated)
	SD	Автономний (Stand-alone)
Допоміжні канали	A	Допоміжний (Auxiliary))
	PI	Пілот-сигналу (Pilot)
	S или SYNC	Синхроканал (Synchronization)

Важливу роль у системах на базі CDMA грає канал передачі пілот-сигналу (Pilot Channel), що випромінюється кожною базовою станцією безперервно в широкомовному режимі і може бути прийнятий одночасно всіма мобільними станціями, розташованими в зоні її обслуговування. Для встановлення початкової синхронізації використовується синхроканал F-SYNC. Традиційно передача дзвінків з базової станції на мобільний здійснюється за допомогою пейджингового каналу PCH (Paging Channel), а багатостанційний доступ реалізується через ACH (Access Channel).

Для надання різних послуг зв'язку в CDMA використовуються два типи каналів. Перший з них називається фундаментальним (FCH, Fundamental Channel), а другий - додатковим (SCH, Supplemental Channel). Послуги, які надаються через цю пару каналів, залежать від схеми організації зв'язку. Канали можуть бути адаптовані для певного виду обслуговування та працювати з різними розмірами кадру, використовуючи будь-яке значення швидкості з двох швидкісних рядів: RS-1 (1500, 2700, 4800 і 9600 біт / с) або RS-2 (1800, 3600, 7200 і 14 400 біт / с). Визначення і вибір швидкості прийому здійснюється автоматично.

З третім поколінням CDMA все набагато складніше. У cdma2000 збережена існуюча канальна структура, однак кількість видів каналів збільшена до 15. Перш за все, введені три додаткових пілот-сигнали: два допоміжних у прямому каналі - CAPICH (Common Auxiliary PICH) і DAPICH (Dedicated Auxiliary PICH) і одна в зворотному - R-PICH. CAPICH використовується за наявності на базової станції рознесених антен, DAPICH - при використанні абонентських антен з вузьким променем спрямованості, а R-PICH виконує початкову синхронізацію для базової станції.

Крім того, для організації зв'язку в прямому і зворотному напрямках додатково введені загальний (CCCH, Common CCH) і виділений (DCCH, Dedicated CCH) канали управління, які за призначенням аналогічні каналах PCH (у прямому каналі) і ACH (в зворотному каналі).

На відміну від IS-95 і cdma2000 в стандартах UTRA (ETSI, Європа) і W-CDMA (ARIB, Японія) запропонований інший принцип розподілу каналів, заснований на обліку взаємозв'язку між об'єктами різних ієрархічних рівнів. При цьому можуть бути виділені три типи каналів:

1. логічні, які обслуговуються на підрівні L2/LAC і забезпечують взаємодію між протоколами L2/MAC і #більш високими рівнями;
2. транспортні, які обслуговуються на підрівні L2/MAC і забезпечують взаємодію між протоколами #фізичного і більш високих рівнів;
3. фізичні, що формуються на самому нижньому рівні L1.

Існують дві групи логічних каналів: управління CCH (Control Channel) і трафіку TCH (Traffic Channel). По каналах управління передаються викличні та службові повідомлення, сигналізація, команди управління потужністю і діаграмою спрямованості, а по каналу трафіку - інформаційні потоки.

Канали управління, в свою чергу, поділяються на загальні (CCCH, Common CCH) і виділені (DCCH, Dedicated CCH). У рекомендації МСЕ (ITU-R M.1035) був також запропонований третій тип каналу - жорстко закріплений, що одержав позначення (LCCH, Leash CCH). В даний час в системах на базі протоколу CDMA він не використовується.

Загальні канали CCCH призначені для передачі керуючої інформації та сигналізації в режимі, не орієнтованому на з'єднання. Є чотири види таких каналів: широкомовні (BCCH, Broadcast CCH), прямого доступу (FACH, Forward ACH), пейджингові PCH і довільного доступу (RACH, Random ACH).

Двосторонній радіозв'язок між базовою і мобільного станціями здійснюється по двох каналах. У мережах з комутацією каналів дані передаються по виділеному каналу трафіку (DTCH, Dedicated TCH), а пакетна інформація - по каналу передачі абонентських пакетів (UPCH, User Packet Channel).

Транспортні канали, що зв'язують фізичний рівень з більш високими, так само як і логічні, поділяються на дві групи: загальні CCH, які не потребують ідентифікації мобільної станції в робочій смузі, і виділені DCH, в яких мобільна станція однозначно пов'язана з фізичним каналом, тобто з певним кодом і частотою. Перші доступні групі абонентів - зв'язок організовується одночасно між базовою і декількома мобільними станціями, а по виділеному передаються дані або сигналізація.

Одне з відмінностей між проектами W-CDMA і UTRA полягає в різному числі типів виділених каналів. У W-CDMA один тип - DTCH, а в UTRA їх аж три: DTCH, автономний (SDCCH, Stand-alone DCCH) і суміщений (ACCH, Associated CCH). У каналі DTCH передбачено швидка зміна швидкості передачі (кожні 10 мс). ACCH використовується для спільної передачі керуючої інформації з потоку даних.

Фізичні канали визначають якісні показники та режими передачі інформації. Їх головні характеристики - код, частота і фазовий зсув. Вони також поділяються на загальні (CPCH, Common Physical Channel) і виділені (DPCH, Dedicated Physical Channel) канали. За загальним каналу управління (CCPCH, Common Control Physical Channel) передається виклична керуюча інформація. Для передачі символів пілот-сигналу використовується окремий канал синхронізації (SCH, Synchronization Channel).

Для організації зв'язку з конкретним користувачем виділено спеціальний канал DPCH, по якому передаються як інформація абонента, так і управляючі сигнали, допоміжні пілот-символи керування діаграмою спрямованості антени, а також біти управління потужністю та інші службові дані.

Унікальність технології з кодовим поділом каналів полягає в тому, що кожний логічний канал відображається на фізичний «індивідуально», з притаманними йому швидкістю передачі і кодом.

Так як число каналів на мережевому рівні значно більше, ніж на канальному, то в одному транспортному каналі зазвичай поєднують кілька низькошвидкісних логічних (рис. 2). При переході від транспортного до фізичного рівня канали теж можна об'єднувати, при цьому прийнято пейджингового канал PCH і канал доступу FACH відображати на загальний фізичний канал «вниз», а канал доступу RACH - на загальний фізичний канал «вгору».

Переваги та недоліки стандарту

Переваги
Система безпровідного доступу, побудована за технологією CDMA, забезпечує стандартний набір мовних і немовних послуг, типовий для цифрових стільникових систем другого покоління. Цей набір включає передачу мови з високою якістю, передачу даних і факсограмм, а також додаткові послуги: переклад з'єднання на іншого абонента, конференц-зв'язок і голосову пошту. Проте описані вище принципи побудови системи CDMA визначають наступні її переваги перед іншими стандартами стільникового зв'язку, роблячи цю технологію привабливішою як для операторів, так і для абонентів. Технологія CDMA забезпечує велику ємкість мережі в порівнянні з іншими відомими технологіями побудови стільникових мереж за рахунок як більшого числа каналів на 1 Мгц виділеної смуги частот, так і повторного використання каналів зв'язку на даній території. Наприклад, допустиме співвідношення сигнал/перешкода в каналах GSM складає 9 дб, в аналогових каналах - 17...18 дб. Це дозволяє забезпечити повторне використання частот при меншому територіальному рознесенні базових станцій і тим самим збільшити ємкість мереж GSM приблизно удвічі в порівнянні з аналоговим стандартом TAGS, а при використанні напівшвидкісного мовного кодека - в чотири-п'ять раз. Стандарт CDMA дає можливість використовувати одну і ту ж частоту по всій мережі у всіх сотах. Ємкість в даному випадку збільшиться по відношенню до AMPS до десяти разів. До додаткового підвищення ємкості приводить і використання детектора активності мови і вокодера з алгоритмом CELP. Порівняльні характеристики систем стандартів CDMA і TDMA приведені в таблиці.

Використання у всіх сотах однієї і тієї ж частоти приводить, по суті, до виключення необхідності частотного планерування при проектуванні мережі. Планерування зводиться до того, щоб соти за розміром були приблизно однакові. Крім того, технологія обробки сигналу з ефектом багатопроменевого поширення підвищує інтенсивність сигналу, дозволяючи збільшити розмір соти.

Оскільки в технології CDMA інформація розподілена по широкому спектру і кодована, сигнал важко виявити і прослухати. Тобто технологія безпечніша в порівнянні з іншими стільниковими системами з точки зору захисту інформації. Кодування мовних сигналів із змінною швидкістю дозволяє мовним бітам передаватися з тією швидкістю, яка необхідна для забезпечення високої якості мови. Це економить заряд батареї мобільного телефону, збільшуючи тривалість розмови. До цього ж приводить пониження потужності АТ до мінімально необхідною для роботи в мережі. Додатковою перевагою є велика екологічна безпека системи (випромінювана потужність мінімальна і, крім того, розподілена по широкому спектру частот). Реалізація "м'якого" переходу з соти в стільнику (з сектора в сектор) виключає переривання розмови при перетині абонентом кордону соти.

Недоліки
Недоліків у CDMA небагато, хоча на вирішення деяких проблем знадобився не один десяток років. Головним стримуючим фактором її практичного застосування довгі роки була, як уже зазначалося, складність обладнання. І хоча поява [DSP-процесорів][1] призвело до деякого його спрощення, коло виробників, яким до снаги створювати таку апаратуру (особливо базові станції), не назвеш широким.

Інший недолік - виникнення взаємних перешкод, що погіршують умови прийому при зростанні числа активних абонентів, що позначається на зв'язку периферійних віддалених абонентських станцій. Так, у міру збільшення завантаження системи можуть зменшуватися розміри зони обслуговування і погіршуватися завадової обстановка («дихання» соти, cell breathing). Головні ж камені спотикання на шляху впровадження технології CDMA - висока чутливість до розкиду потужностей абонентських станцій і складність синхронізації базових станцій. Перша з цих проблем була вирішена за рахунок створення унікальної високоточної системи управління потужністю (крок 0,5-1 дБ, швидкість 0,8 або 1,6 кбіт / с), а друга - за допомогою сигналів GPS.

Для підвищення якості зв'язку однієї абонентської станції за допомогою м'якого перемикання каналів потрібно одночасно виділяти для неї два або більше каналів, що знижує пропускну здатність загального каналу радіозв'язку. Нарешті, для користувачів серйозним недоліком є необхідність виділення операторам CDMA-мереж широких ділянок спектра