Глава 2

В системах сотовой связи, и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» Информации во бремени; с тем, как это делается, мы познакомимся подробнее в разд. 2.4.4. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM, PDC. Особенно нагляден в этом отношении стандарт D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы; с вводом полускоростного кодирования этот коэффициент увеличится еще в два раза. Заметим попутно, что разделение во времени может использоваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английское TDD - Time Division Duplex). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское FDD - Frequency Division Duplex), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные од-: на относительно другой.

Метод TDMA, однако, сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических Структур и адаптивного распределения каналов, речь о которых впереди (подразд. 2.4.3.5). Известное преимущество в этом отношении может иметь метод CDMA. Мы рассмотрим его в следующем подразделе, где приведем также дополнительные соображения о сопоставлении его с методом TDMA.

2.4.3.4. Множественный доступ с кодовым разделением <

Множественный доступ с кодовым разделением (английское CDMA - Code Division Multiple Access) прост только на уровне феноменологического описания метода (рис. 2.28): в нем большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот - не менее 1 МГц. По-существу же метод CDMA достаточно сложен, и не только в отношении принципов построения, но и в плане практической реализации. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме. Подробное рассмотрение и обсуждение метода несколько затрудняется, кроме того, тем, что при обилии публикаций теоретического характера опыт его практического применения пока ограничен.

Частота f

Af Af Af

Пользователь N

Пользователь 3

Пользователь 2

Пользователь 1

Время t

Рис. 2.26. Метод FDMA в координатах время - частота

Частота f

Af Af Af

Время t

, Рис. 2.27. Метод TDMA в координатах время - частота

Частота f

Пользователи 1, 2, 3.....N

Времяt

Рис. 2.28. Метод CDMA в координатах время - частота

Последовательность нашего знакомства с методом CDMA будет такой: сначала мы отметим общие принципы метода и вытекающие из них общие достоинства; затем рассмотрим некоторые детали технической реализации, что, по нашему мнению, должно облегчить как понимание принципов, так и оценку технических возможностей; после этого обсудим основные технические особенности метода, многие из которых в зависимости от точки зрения иногда преподносятся или как его достоинства, или же как недостат-ки; в заключение мы подведем итоги, в том числе в сопоставлении \ с методом TDMA. При этом мы будем в значительной мере ориентироваться на технические решения, заложенные в американском стандарте IS-95 и реализованные в разработках компании Qualcomm (США) - это первые и пока единственные практические проработки по методу CDMA в применении к сотовой связи.

Существующие работы относились к областям военной и спутниковой связи, где главными достоинствами CDMA были скрытность и высокая помехоустойчивость. Основная особенность метода CDMA - это работа в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами. Система связи, реализующая CDMA, является системой с расширенным спектром (английское spread spectrum) - спектр информационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом * . Для получения ширины спектра более 1 МГц (а это, как мы увидим ниже, принципиально важно для успешной работы в условиях многолучевого распространения) длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс. С практически используемыми методами кодирования информации мы познакомимся несколько ниже. Указанные общие принципы - расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов - однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

Помехоустойчивость метода - по отношению как к узкополосным, так и широкополосным помехам - может быть пояснена следующим образом. Модуляция сигнала псевдослучайной последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. При этом подбор задержки демодулирую-щей последовательности производится экспериментально с точно-

*) Другой вариант расширения спектра - скачки по частоте (frequency hopping) - мы рассмотрим в разделе 2.4,5.3.

стью ДО дискрета последовательности, и правильному значению задержки соответствует максимальный отклик на выходе фильтра-демодулятора; описанная схема обработки соответствует так называемому корреляционному приему [18]. Если помеха узкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т.е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе Wss, в результате чего в узкую полосу сигнала Wg попадает лишь 1 /G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G = Wss/s ~ выигрыш обработки (processing gain), равный отношению полосы расширенного спектра Wss к полосе Ws исходного сигнала. Например, при Wss = 1.23 МГц и Ws= 19,2 кГц выигрыш обработки составляет G s 65. Если же помеха широкополосная - с полосой порядка Wss или шире, то демодуляция не изменяет ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадает ослабленной во столько раз, во сколько ее полоса шире полосы Ws исходного сигнала.

Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения также непосредственно связана с корреляционным приемом. Если корреляционный приемник имеет несколько каналов и каждый из них может быть настроен на свою задержку сигнала, то разные каналы могут быть согласованы по задержке с сигналами, прошедшими по разным путям, а сигналы с выходов всех каналов после соответствующего выравнивания во времени могут быть просуммированы. Описанная схема носит название рейк-приемника (RAKE receiver - в буквальном переводе прием-ник-ГРАБЛ1/1\ происхождение этого названия обусловлено своеобразной формой импульсной характеристики приемника, напоминающей редкую гребенку с острыми зубцами или грабли). Если учесть, что замирания сигнала (фединг), связанные с многолучевым распространением, caMii по себе являются частотно-селективными и заметно ослабляются при полосе сигнала более 200...300 кГц, то ослабление замираний в методе CDMA на 20...30 дБ по сравнению с FDMA или TDMA представляется вполне естественным. При этом в методе CDMA исключается применение эквалайзера, но сохраняется целесообразность разнесенного приема. Что касается емкости системы, то ее возрастание при использовании метода CDMA не столь очевидно, и мы вернемся к этому вопросу несколько позднее в пределах этого же раздела.

Перейдем к вопросам технической реализации метода CDMA.

В технических решениях компании Qualcomm в применении к сотовой связи расширение спектра обеспечивается за счет модуляции сигнала псевдослучайной последовательностью с частотой следования дис/срегов (английский термин chip - буквально щепка, остоло/с, фрагмент) 1,23 МГц. Более точно эта частота составляет .2288 МГц, причем 1228,8 = 9,6 «128, так что при частоте инфор-ационной битовой последовательности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дискретов псевдослучайной моду-

1=F1

Рис.2.29. Графики функций Уолша восьми первых порядков

лирующей последовательности. Полоса сигнала с расширенным спектром по уровню 3 дБ составляет \Nss - 1.23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Если говорить точнее, то для модуляции сигнала используется три вида функций: «короткая» и «длинная» псевдослучайные последовательности и функции Уолша (Walsh functions) порядков от О до 63. Последние широко используются в цифровой обработке сигналов и являются в некотором смысле дискретным аналогом синусоид (косинусоид) кратных частот; в качестве иллюстрации на рис.2.29 представлены графики функций Уолша восьми первых порядков. Длина короткой псевдослучайной кодовой последовательности составляет 2-1 = 32767 знаков, длинной псевдослучайной последовательности - 22-1 s 4,4 .102 знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова (для функций Уолша имеется в виду дискрет функций высшего порядка) и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

Для кодирования речи используется алгоритм CELP (Code Excited Linear Prediction - линейное предсказание с кодовым возбуждением) с переменной частотой выдачи информации. Кодер поддерживает частоты кодирования 8, 4, 2 и 1 кбит/с, которым соответствуют скорости передачи информации в канале 9,6; 4,8; 2,4 и 1,2 кбит/с. И в подвижной, и в базовой станциях используются многоканальные рейк-приемники (3 канала - в подвижной станции, 4 канала - в базовой), причем помимо настраиваемых на определенную задержку каналов в каждом из них имеется сканирующий

по задержке канал, что позволяет выбрать для настраиваемых каналов сигналы с наибольшей интенсивностью.

В прямом канале (от базовой станции к подвижной, рис.2.30) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной базовой станции; модуляция длинной псевдослучайной последовательностью (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой псевдослучайной последовательностью (квадратурная фазовая манипуляция двумя псевдослучайными последовательностями одинакового периода) -для расширения полосы и различения сигналов разных базовых станций.

Решение последней задачи - различение сигналов разных станций - обеспечивается тем, что все базовые станции используют одну и ту же пару коротких псевдослучайных последовательностей, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями; при этом все физические каналы одной базовой станции имеют одну и ту же фазу последовательности.

Более конкретное назначение функций Уолша различных порядков: функция Уолша нулевого порядка (И/о) кодирует пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется подвижной станцией для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов; функция IV32 кодирует канал синхронизации, по которому передается также ряд служебных сообщений; функции используются для кодирования каналов вызова - их число может составлять от О до 7; остальные функции Уолша, вместе с оставшимися от каналов вызова (если число последних меньше семи), используются для кодирования каналов трафика, и число последних может составлять от 55 до 62. Для защиты информации от ошибок в прямом канале используется сверточ-ное кодирование с длиной ограничения 9 и скоростью 1 /2, а также перемежение на интервале 20 мс.

В обратном канале (от подвижной станции к базовой, рис.2.31) модуляция сигнала короткой псевдослучайной последо- вательностью (квадратурная фазовая манипуляция двумя псевдослучайными последовательностями одинакового периода) используется только для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару последовательностей с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной псевдослучайной последовательностью (бинарная фазовая манипуляция) помимо шифрования сообщений несет информацию о подвижной станции в виде ее закодированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных подвижных станций одной ячейки за счет индивидуального для каждой станции сдвига последовательности. Пилот-сигнала в обратном канале нет, поэтому синхронное детектирование здесь не используется.