Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы системы сотовой связи с кодовым разделением каналов мож­но пояснить на таком простом примере. Предположим, что вы находитесь в большом ресторане или магазине, где непрерывно разговаривают на раз­ных языках. Несмотря на окружающий шум (многоголосье), вы понимаете своего партнера, если он говорит на одном с вами языке. На самом деле, в от­личие от других цифровых систем, которые делят отведенный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (ТDМА) признаку, в стандарте CDMA передаваемую информацию колируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить сно­ва, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигна­лов, которые не мешают друг другу. Центральными понятиями метода много­станционного доступа с кодовым разделением каналов в реализации компании Qualcomm являются расширение спектра методом прямой последовательно­сти (Direct Sequence Spread Spectrum), кодирование по Уолшу (Walsh Coding) и управление мощностью.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи инфор­мации. Так например, низкочастотный сигнал может быть передан с помо­щью амплитудной модуляции (AM) в полосе частот, в 2 раза превосходящей полосу частот этого сигнала. Другие виды модуляции, такие как частотная модуляция (ЧМ) с малой девиацией и однополосная AM, позволяют осуще­ствить передачу информации в полосе частот, сравнимой с полосой частот информационного сигнала. В широкополосной системе исходный модулиру­ющий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколь­ко килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть не­сколько мегагерц. Последнее осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным ко­дирующим сигналом.

Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, оп­ределяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с ин­формационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой по­лосе частот, т. е. его спектр расширяется.

Метод широкополосной передачи был открыт К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возмож­ностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с задан­ным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи ин­формации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для пере­дачи информации.

Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополос­ный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключает­ся в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополос­ного шумоподобного сигнала ШПС (рис. 3.34). Узкополосный сигнал умно­жается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состо­ящую из N бит длительностью r ₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 3.34. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая по­следовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сиг­нала, передаче широкополосного сигнала и выделении из него полезного сиг­нала путем преобразования спектра принятого широкополосного сигнала в первоначальный спектр информационного сигнала.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдо­случайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выиг­рыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отноше­ния ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области — это функ­ция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к ско­рости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 от­ношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сиг­нала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует пре­вышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных усло­виях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов час­тотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте под­вергается замираниям вследствие многолучевого характера распростране­ния. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обыч­но не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавле­нию десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спект­ра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортого­нальные коды Уолша. Коды Уолша — одни из немногих ортогональных ко­дов, которые можно использовать для кодирования и последующего объеди­нения ряда информационных сигналов. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отри­цания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональ­ных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе все­гда будет логический «О», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от базовой станции к абонентскому терминалу) для разделения пользовате­лей. В системах, использующих стандарт IS-95, все абонентские станции рабо­тают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемни­ков базовой станции квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко — близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспе­чила бы одинаковый уровень принимаемых базовой станцией сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы. На рис. 3.35 приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип ра­боты системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уол-шу, затем смешивается с несущей, спектр которой предварительно расширя­ется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума (ПСП). Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной.

Рис. 3.35. Принцип работы системы сотовой связи стандарта CDMA

На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от базо­вых станций соседних ячеек и от подвижных станций других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спект­ра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе корреля­тора в виде шума. На практике в подвижной станции используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными базовыми станциями.

В системах, основанных на других методах доступа, необходимо планиро­вать распределение частотного ресурса между соседними ячейками, с тем чтобы предотвратить взаимное влияние сигналов соседних ячеек. В систе­мах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псев­дослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы час­тот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса — один из основных факторов, определяю­щих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. В системах, использующих методы доступа с временным или частотным разделением каналов, абонентская емкость ячейки жестко ограничена и определяется числом доступных каналов связи или времен­ных интервалов. В противоположность этому системы на базе CDMA име­ют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, выз­ванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек. На рис. 3.36 проиллюстрировано влияние друг на друга основных показателей системы (числа абонентов, площади радиопокрытия базовой станции, качества речи в канале).

Эти показатели взаимосвязаны, и нельзя одновременно достичь максималь­ных значений каждого из них. Приходится искать компромисс. Такая взаи­мосвязь является достоинством системы, поскольку дает возможность гиб­кого проектирования сети. Например, в густонаселенных районах можно принести в жертву площадь покрытия, увеличив число абонентов, а на окра­инах за счет снижения их числа увеличить площадь зоны обслуживания (ка­чество речи в обоих случаях можно сохранить одинаковым). В реальных сис­темах подвижной сотовой связи речь идет о 25 — 35 абонентах на одну базовую станцию или сектор. В системах фиксированного абонентского радиодоступа их больше (около 45 абонентов). Во время испытаний в Челябинске, где развернута сеть беспроводной местной связи CDMA WLL, а не сотовая сеть CDMA, на расстоянии 8 км от базовой станции нормально функционировало 56 абонентских терминалов. Наглядно распределение нагрузки на базовую станцию, в зависимости от количества вызовов и места расположения стан­ции в сети, представлено на рис. 3.37.

Рис. 3.36. Динамическая емкость системы стандарта CDMA	Рис. 3.37. Распределение нагрузки в сети стандарта CDMA