Маска подвижной станции

Маска физического канала

Маска базовой станции

Генератор длинной псевдослучайной последовательности

Исходный цифровой сигнал

Генератор функции Уолша Щ

Генератор коротких

псевдослучайных последовательностей

Модуляция функцией Уолша

Расширение спектра

Цифровой сигнал с расширенным спектром

Сигнал управления мощностью

Рис.2.30. Упрощенная функциональная схема обработки сигналов в передающем тракте базовой станции (метод CDMA в разработке компании Qualcomm)

Маска подвижной станции (физического канала)

Генератор функций Уолша

W0...W63

Генератор длинной псевдослучайной

последовательности

Генератор коротких псевдослучайных

последовательностей

Исходный цифровой сигнал

Цифровой сигнал с расширенным спектром

Сигнал управления мощностью

Рио.2.31. Упрощенная функциональная схема обработки сигналов в передающем тракте подвижной станции (метод CDMA в разработке компании Qualcomm)

Но зато функции Уолша используются для кодирования 6-би-товых групп символов - при этом задействованы все 64 функции Уолша, поскольку 64 - 2; это кодирование одинаково для всех физических каналов, а на приемном конце используются 64 параллельных канала, каждый из которых настроен на свою функцию Уолша, и эти каналы распознают (декодируют) принятые 6-битовые символы. В обратном канале, как и в прямом, для защиты от ошибок используются сверточное кодирование с длиной ограничения 9, но со скоростью 1/3 (т.е. с вдвое большей избыточностью -это тоже мера компенсации отсутствия синхронного детектирования) и перемежение на интервале 20 мс.

Подчеркнем, что описанные выше технические решения изначально были ориентированы на сочетание с североамериканским стандартом AMPS - как альтернатива методу TDMA при переходе от аналоговой обработки к цифровой.

Рассмотрим теперь подробнее технические особенности метода CDMA и попытаемся объяснить, за счет чего он может претендовать на обеспечение более высокой емкости системы сотовой связи.-

Главным фактором в решении задачи получения предельной емкости является то обстоятельство, что в CDMA основной вклад в отношение сигнал/помеха (или, точнее, в отношение несущая/помеха - Carrier to Interference ratio, С/1) вносят мешающие сигналы других физических каналов (других пользователей) в «своей» (рабочей) ячейке, поскольку все физические каналы используют одну и ту же широкую полосу частот, тогда как в FDMA и TDMA помехо-вый фон создается каналами связи, работающими в других ячейках (более или менее удаленных от рабочей - в зависимости от числа ячеек в кластере) в том же частотном канале, а для TDMA -и в том же временном слоте. Поэтому в CDMA тщательная регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на базовых станциях и использование фактора «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи) в сочетании с оперативным изменением числа задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически - по месту, по конкретно складывающейся ситуации - реализовать предельно малое допустимое значение С/1, т.е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. В методах FDMA и TDMA это нереализуемо, прежде всего в Отношении первого фактора - регулировки уровней сигналов, так как такая регулировка возможна только по критериям своих («удаленных») ячеек, без учета отношения С/1 в рассматриваемой рабочей ячейке. Поскольку в силу сложности законов распространения и затухания сигналов уровень помех от других ячеек оказывается величиной случайной и с достаточно большой дисперсией, "Гчктически это приводит к необходимости выбирать размер кластера G известным запасом, чтобы отношение С/1 с достаточно большой вероятностью не опускалось ниже допустимого г;орога, а

ЭТО и означает некоторое недоиспользование (в среднем) частотных ресурсов системы. Практически же в FDMA и TDMA столь оперативной, как в CDMA, регулировки уровней сигналов обычно не производится, фактор «речевой активности» используется не всегда, а секторизация применяется фактически как вариант дробления ячеек. Кроме того, комбинированное использование в CDMA нескольких достаточно сложных и эффективных методов кодирования позволяет снизить порог С/1 по сравнению с FDMA и TDMA. В методе CDMA имеется, очевидно, и возможность оперативной регулировки порога С/1, например кратковременного его снижения (при соответствующем ухудшении характеристик связи) для обеспечения этапа передачи обслуживания.

Из сказанного однозначно следует, что в CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн и отработка «речевой активности» являются принципиально важными и обязательными элементами метода. При этом регулировка уровней производится как в прямом канале (дискрет 0,5 дБ, управление с обратной связью, периодичность 15...20 мс), так и в обратном (дискрет 0,5 дБ, управление без обратной связи, время реакции несколько микросекунд и с обратной связью - периодичность 1,25 мс), причем в обратном канале регулировка столь оперативна, что существенно сглаживает даже быстрые (релеевские) замирания сигнала. Указанные выше технические особенности метода CDMA, равно как и некоторые другие, можно при желании трактовать и как его достоинства, и как недостатки. Действительно, именно эти особенности обеспечивают высокие характеристики метода, и в этом смьюле они, конечно, выступают как достоинства. Кроме того, они дают и •некоторые дополнительные преимущества, например отработка «речевой активности» позволяет соответственно экономить энергию источника питания. С другой стороны, реализация этих особенностей достаточно сложна, что, разумеется, достоинством не является. Мы не будем вдаваться в более подробное обсуждение этих аспектов и ограничимся изложенной констатацией. Отметим еще несколько технических деталей по методу CDMA.

В этом методе нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же полоса частот. Если, в терминах разработки Qualcomm, под CDMA отведена полоса более широкая, чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23 МГц (возможно, с некоторым защитным интервалом между поддиапазонами) используется во всех ячейках с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7-ячеечном кластере методов FDMA и TDMA).

В методе CDMA реализуется так называемая «мягкая передача обслуживания» {soft handoff): когда подвижная станция пои-,

ближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух базовых станций - рабочей ячейки и одной из смежных - становятся соизмеримыми по уровню (это фиксируется подвижной станцией и сообщается на базовую станцию рабочей ячейки), по команде с центра коммутации через базовую станцию смежной ячейки организуется второй канал связи с той же подвижной станцией; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. подвижная станция принимает сигналы одновременно от двух базовых станций, используя технические возможности рейк-приемника - возможности приема двух «копий» одного и того же сигнала, смещенных между собой во времени. Так продолжается до тех пор, пока подвижная станция не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй базовой станции не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую базовую станцию закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается. «Мягкая передача обслуживания», безусловно, повышает качество и надежность связи, но ее организация обходится отнюдь не бесплатно; помимо того, что в процессе передачи обслуживания подвижная станция занимает не один физический канал, а два (по одному каналу в двух ячейках), регулировка уровня сигнала подвижной станции может производиться лишь по одной из ячеек, а по второй сигнал может оказаться либо слабоватым, либо великоватым и с несглаженными замираниями, с вытекающими отсюда последствиями для качества связи.

Метод CDMA требует точной синхронизации базовых станций системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS (Global Positioning System - Глобальная система определения местоположения), но в результате система сотовой связи оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации (затрудняет ее несанкционированное декодирование). Наконец, высокая помехоустойчивость метода CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

Подведем итоги. Метод CDMA обладает сравнительно вьюо-кой помехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации базовых станций, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических каналов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход От FDMA к TDMA увеличивает число физических каналов втрое, а при полускоростном кодировании - вшестеро, получается, что переход От простейшего варианта TDMA («чистого» TDMA) к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов. Этот вывод едва ли можно считать окончательным, поскольку известны соображения и о более сильном фактически влиянии помех в CDMA, чем принималось в расчетах, приведших к указанным выше результатам, и о необходимости в некоторых ситуациях более плотного расположения базовых станций; и то, и другое в конечном счете ведет к снижению емкости системы. Кроме того, метод TDMA имеет дополнительные резервы, о которых не следует забывать при сопоставлении его по емкости с CDMA. Речь идет о скачках по частоте (FH -Frequency Hopping), предусмотренных, в частности, стандартом GSM, которые в сочетании с прерывистым излучением (отработкой «речевой активности») и оперативной регулировкой мощности излучения смягчают влияние релеевских замираний и снижают средний уровень помех, т.е. позволяют реализовать большие значения коэффициента повторного использования частот. К той же цели ведет и использование адаптивного распределения каналов, в том числе в сотовых сетях иерархической структуры; в отношении построения последних TDMA имеет преимущества по сравнению с CDMA. В результате методы CDMA и TDMA оказываются примерно сопоставимыми по обеспечиваемой ими емкости. Такое мнение также высказывается в имеющихся публикациях, и оно представляется в достаточной мере правдоподобным.

Отметим в заключение, что технические решения самого метода CDMA продолжают развиваться. В рамках стандарта IS-95 разработан усовершенствованный кодер речи с частотой кодирования 13 кбит/с. Помимо упоминавшихся разработок в США (стандарт IS-95) работы по CDMA проводились в Европе, в частности в рамках проекта CODIT (Code Division Testbed), входившего в программу RACE (Research and Development in Advanced Communication Technologies in Europe), но они не дали результатов такой степени завершенности, как стандарт 18-95. В мае-июне 1997 г, было объявлено об инициативе японской компании NTT DoCoMo по разработке экспериментальной системы мобильной связи третьего поколения на основе широкополосной системы CDMA (диапазон 2 ГГц, полоса 5 МГц) с участием компаний Nokia (Финляндия), Ericsson (Швеция), Motorola и Lucent Technologies (обе - США). В числе предложений по третьему поколению мобильной связи имеется и вариант комбинированной системы TDMA/CDiVIA. .

2.4.3.5. Пути повышения емкости системы сотовой связи

Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, которых она может обслужить, - очень важная характеристика, и значительная часть усилий при проектировании, создании и развитии системы в большинстве случаев направляется именно на обеспечение достаточно высокой емкости. Фактически и сама сотовая связь как таковая, основанная на принципе повторного использования частот, появилась в ответ на потребность в построении системы массовой подвижной связи при использовании жестко ограниченной полосы частот. В настоящем подразделе мы в систематизированном виде перечислим четыре основных пути повышения емкости, сознательно идя на некоторое повторение очевидных или уже упоминавшихся возможностей.

Первый - это совершенствование методов обработки сигналов, в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой, сопровождаемый переходом к более совершенным методам множественного доступа - От FDMA к TDMA и, вероятно, к CDMA, а в пределах TDMA - переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному, Пределом на этом пути являются, по-видимому, достижимые характеристики CDMA - это коэффициент порядка 20 (по числу физических каналов) при переходе От FDMA к CDMA.

Второй путь - дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот (рис.2.32); число базовых Станций при этом соответственно увеличивается, а мощность излучения - как для базовых, так и для подвижных станций - снижается. Фактически тот же эффект достигается и при использовании на базовых станциях секторных антенн, например с разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использованием в ккждом из секторов своей полосы частот (рис. 2.33). Практически ячейки с радиусом менее 300...500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход просматривается в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) бьютро перемещающихся абонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) - малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра.

Заметим попутно, что в некоторых случаях может оказаться необходимым не дробить, а наоборот - укрупнять ячейки, если трафик столь мал, что не обеспечивает достаточной загрузки базовой Станции. Если при этом радиус ячейки превышает номинальную дальность действия передатчика базовой и/или подвижной станции, для обеспечения связи в удаленных частях ячейки приходится использовать повторители, выполняющие фактически РОЛЬ ретрансляторов.