Сотовые системы связи

Многостанционный доступ с кодовым разделением и сети CDMA

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

3.1. Многостанционный доступ с кодовым разделением

Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с частотным разделением и доступа с временным разделением [).

(рис 3.1) Упрощенная структурная схема системы с кодовым разделением каналов

Каждый входной цифровой сигнал складывается ("модулируется") с отдельной "несущей", в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter) [119]. Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности ("несущей"). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

  • ортогональный многостанционный доступ;
  • неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.
    •

    3.1.1. Функции Уолша

    Для первого способа разделения применяются ортогональные функции Уолша [119, 120] и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной $$2^n$$, в которых используются только два значения: +1 и –1.

    Функции являются цифровыми "аналогами синусоид". При кодировании обычно символ +1 заменяется на 0, а –1 на 1.

    Рассмотрим систему двоичных чисел от 0 до $$2^4–1$$ (числа от 0 до 15), которые приведены в табл. 3.1.

    Она представляет собой функцию, содержащую четыре переменных ( $$x_1, x_2, x_3, x_4$$ ).

    Если предположить, что каждый разряд этих чисел поступает согласно десятичному номеру в таблице, то это можно изобразить следующими диаграммами (рис 3.2), которые представляют периодические функции, подобные синусу (инверсные переменные подобны косинусу).

    На основе этих функций могут быть получены любые другие функции Уолша на конечном отрезке от 0 до $$2^4–1$$.

    Вторая трактовка функций Уолша — это диаграмма коэффициентов при отображении двоичных чисел в двоичную систему.

    Двоичные числа
    X4 X3 X2 X1 №
    0 0 0 0 0
    0 0 0 1 1
    0 0 1 0 2
    0 0 1 1 3
    0 1 0 0 4
    0 1 0 1 5
    0 1 1 0 6
    0 1 1 1 7
    1 0 0 0 8
    1 0 0 1 9
    1 0 1 0 10
    1 0 1 1 11
    1 1 0 0 12
    1 1 0 1 13
    1 1 1 0 14
    1 1 1 1 15
    (рис 3.2) Базисные периодические функции Уолша

    Известно, что для перехода от двоичных чисел к их десятичным эквивалентам применяются весовые коэффициенты, сумма которых дает соответствующее число:

    $$D=\sum\limits_{k=0}^N a_k 2^k,$$

    где $$N$$ — число разрядов двоичного числа, $$a_k$$ — значение k-го разряда двоичного числа.

    В этом случае каждая диаграмма на рис 3.2 указывает моменты появления чисел, в которые входит заданный числовой коэффициент. Например, весовой коэффициент 2 входит в числа 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15. Этот ряд чисел отображается периодической функцией Уолша, обозначенной на рис 3.2 как диаграмма переменной $$x_2$$.

    3.1.2. Корреляция и ортогональные функции Уолша

    Как было сказано выше, для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра. Для этого они должны достаточно различаться. Степень подобия (похожести) функций в математике отображается с помощью корреляции. Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.

  • Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических функций с периодом $$T$$ определяется формулой:$$C_{ij}=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_j(t-\tau)dt.$$ Она измеряет подобие двух сигналов, сдвинутых во времени.
  • Ортогональная корреляция — это частный случай взаимной корреляции, когда эта функция равна нулю:$$C_{ij}(\tau)=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_j(t)dt=0.$$ Эти сигналы могут передаваться одновременно, поскольку они не создают взаимных помех.
  • Автокорреляция периодического сигнала определяется следующей формулой:$$R_i(\tau)=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_i(t-\tau)dt=0.$$ Она определяет подобие данной функции с ее же версией, сдвинутой во времени.
    •

    Для дискретных функций интегрирование можно заменить суммированием.

    В системах многостанционного доступа с кодовым разделением каналов применяются ортогональные функции Уолша. Одним из необходимых (но не достаточных) свойств такого кода является его сбалансированность, т. е. одинаковое число нулей и единиц.

    Ниже (табл. 3.2) показаны ортогональные функции Уолша длины $$2^3=8$$ [3, 22, 101, 120, 121].

    Заметим, что при кодировании обычно символ 0 заменяется на +1, а 1 на –1.

    Функции Уолша
    WAL(8,1)=0000 0000
    WAL(8,2)=0000 1111
    WAL(8,3)=0011 1100
    WAL(8,4)=0011 0011
    WAL(8,5)=0110 0110
    WAL(8,6)=0110 1001
    WAL(8,7)=0101 1010
    WAL(8,8)=1010 1010

    На рис 3.3 приведены диаграммы, соответствующие этим последовательностям.

    Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара [22] начиная с $$H_1=[0]$$. Матрица Адамара сформирована:

    $$H_{2n}=\left(\begin{array}{ccc}H_n H_n \\ H_n \overline H_n\end{array}\right)$$

    Коды Уолша—Адамара длины 2 и 4 будут получены соответственно:

    (рис 3.3) Диаграммы ортогональных функций Уолша.$$H_2=\left(\begin{array}{ccc}0 0 \\ 0 1 \end{array}\right)$$ $$H_2=\left(\begin{array}{cccc}0000 \\ 0101 \\ 0011 \\ 0110 \end{array}\right)$$ $$\left(\begin{array}{cccccccc}00000000 \\01010101 \\00110011 \\01100110 \\00001111 \\01011010 \\00111100 \\01101001 \end{array}\right)\begin{array}{c}8,1\\8,8\\8,4\\8,2\\8,5\\8,7\\8,3\\8,6\end{array}$$

    Полученная матрица с точностью до порядка следования совпадает с ортогональными функциями, приведенными в таблица 3.2.

    Рассмотрим пример вычисления ортогональности полученных функций. Разберем взаимную корреляцию (без сдвига) функций $$8,8 (0101 0101)$$ и $$8,6 (0110 1001)$$.

    $$\begin{array}{l}[(-1)\times(-1)]+[(1\times1)]+[(-1)\times1]+[1\times(-1)]+[(-1)\times1]+[1\times(-1)]+[(-1)(-1)]+[1\times1]=0 \atop {1\qquad\qquad 2\qquad\quad 3\qquad\quad 4\qquad\qquad 5\qquad\quad 6\qquad\qquad 7\qquad\qquad 8\qquad\quad\end{array}$$

    Согласно полученному результату эти две функции ортогональны.

    Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации функции корреляция увеличивается.

    Для сдвинутых по времени и несинхронизированных сигналов взаимная корреляция может быть не равна нулю. Они могут интерферировать друг с другом. Вот почему кодирование с помощью функций Уолша может применяться только при синхронном CDMA.

    3.1.3. Неортогональные псевдослучайные функции

    Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы с применением сдвиговых регистров, сумматоров (сложение по модулю 2) и контуров обратной связи. Рис. 3.4 иллюстрирует такой принцип.

    (рис 3.4) Генератор последовательности максимальной длины (m – последовательности)

    Максимальная длина последовательности определяется длиной регистра и конфигурацией цепи обратной связи (на рис 3.4 цепи обратной связи обозначены $$g_1$$, $$g_2$$ ). Регистр длиной $$N$$ битов может порождать свыше $$2^N$$ различных комбинаций нулей и единиц. Так как цепь обратной связи выполняет линейные операции, то если все регистры будут иметь нулевое значение, выход цепи обратной связи также будет нулевой. Поэтому, если установить все разряды на нуль, то цепь обратной связи будет всегда давать нулевой выход для всех последующих тактовых циклов, так что необходимо исключить эту комбинацию из возможных последовательностей. Таким образом, максимальная длина любой последовательности равна $$2^N–1$$. Генерируемые последовательности называются последовательностями максимальной длины, или m-последовательностями. Основное свойство таких последовательностей: автокорреляционная функция m-последовательности имеет пик при нулевом сдвиге и малый уровень боковых выбросов в остальных случаях. Это позволяет более четко выделять каналы. Конфигурации обратной связи для m-последовательности сведены в таблицу и могут быть найдены в [61].

    Последовательности, порождаемые регистрами сдвига, имеют еще много вариантов. В частности, известны последовательности Голда, порождаемые совокупностью двух регистров, последовательности Касами, порождаемые тремя регистрами, и т. д. [23, 61].

    3.1.4. Ортогональное расширение с использованием функций Уолша

    Рассмотрим систему трех каналов, которая использует три ортогональных расширяющих последовательности, применяющие ортогональные функции Уолша:

  • 1-й канал (–1, –1, –1, –1);
  • 2-й канал (-1, +1, -1, +1);
  • 3-й канал (–1, –1, +1,+1).
    •

    Предположим, что нам надо передать следующую информацию:

    Комбинация расширяющей последовательности с информацией канала получается умножением всех разрядов последовательности на значение информационного бита. На рис 3.5 показано получение такой последовательности для каждого из каналов. Это является аналогом частотной модуляции каналов.

    (рис 3.5) Преобразование исходной информации для трех каналов с помощью ортогональных последовательностей Уолша

    Теперь результаты расширения спектров каждого из каналов объединяются (суммируются), как это показано на рис 3.6 и в табл. 3.3.

    (рис 3.6) Пример ортогонального кодирования для каналообразования
    Пример ортогонального кодирования для каналообразования
    Каналы Исходная Последовательности расширенного информация спектра
    Канал 1 110 -1, -1, -1, -1 -1,-1,-1,-1 +1,+1,+1, +1
    Канал 2 010 +1,–1,+1,-1 -1,+1,-1,+1 +1, -1, +1,-1
    Канал 3 001 +1, +1,-1,-1 +1, +1,-1,-1 -1, -1, +1,+1
    Суммарный сигнал +1,-1,-1, -3 -1,+1,-3,-1 +1,-1,+3,+1

    На рис 3.7 и в табл. 3.4 показан пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций для канала 2.

    (рис 3.7) Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций.
    Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций.
    Суммарный сигнал +1,-1,-1,-3 -1,+1,-3,-1 +1,-1,+3,+1
    Последовательность канала 2 -1,+1,-1,+1 -1,+1,-1,+1 -1,+1,-1,+1
    Выход коррелятора -1,-1,+1,-3 +1,+1,+3,-1 -1,-1,-3,+1
    Выход интегратора -4 +4 -4
    Двоичный выход 0 1 0

    Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности канала 2, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал дает максимальное значение, равное либо +4, либо –4. В зависимости от этого исходный символ будет соответственно +1 или –1.

    Аналогично могут быть получены значения исходной последовательности в канале 1 и 3.

    Если попытаться восстановить сигнал с использованием ортогональной последовательности, не входящей в суммарный сигнал, то получается ноль для каждого периода интеграции (табл. 3.5).

    Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций для последовательности (–1,+1,+1,–1) не входящей в суммарный сигнал.
    Суммарный сигнал +1,–1,–1,–3 –1,+1,–3,–1 +1,–1,+3,+1
    Последовательность канала 3 –1,+1,+1,–1 –1,+1,+1,–1 –1,+1,+1,–1
    Выход коррелятора –1,–1,–1,+3 +1,+1,–3+1 –1,–1,+3,–1
    Выход интегратора 0 0 0
    Двоичный выход 0 0 0

    В заключение этого раздела приведем некоторые определения, которые применяются в системах CDMA.

    Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала называются ). Чиповая скорость(chip rate) $$R_c=1/Tc$$ часто используется, чтобы характеризовать систему передачи с широким спектром и обычно измеряется в Мбит/с.

    База сигнала (processing gain — PG), иногда называемая коэффициент расширения спектра (spreading factor — SF), определяется как отношение чиповой скорости ( $$R_c$$ ) к скорости передачи информации ( $$R=1/T_B$$ ).

    $$PG=SF=R_c/R=Tb/Tc$$

    Это равенство представляет число чипов, содержащихся в одном информационном разряде. Чем выше значение базы сигнала ( $$PG$$ ), тем больше расширение. Высокий $$PG$$ также означает, что больше кодов может быть распределено на том же самом частотном канале.

    3.2. Сети на основе CDMA

    3.2.1. Общие положения

    Сети и устройства с применением многостанционного доступа с кодовым разделением каналов построены на основе стандартов, разработанных Ассоциацией производителей средств связи (TIA — Telecommunication Industry Association). В основном это стандарты [71–75]:

  • IS-95 CDMA — радиоинтерфейс;
  • IS-96 CDMA — речевые службы;
  • IS-97 CDMA — подвижная станция;
  • IS-98 CDMA — базовая станция;
  • IS-99 CDMA — службы передачи данных.
    •

    На базе серии стандартов реализована станция 2-го поколения cdma One. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте широкополосной системы 3-го поколения CDMA - 2000 [65, 82, 83].

    3.2.2. Основные услуги

  • Передача данных и речи со скоростями 9,6 Кбит/с, 4,8 Кбит/с, 2,4 Кбит/с.
  • Междугородний вызов.
  • Роуминг (национальный и международный).
  • Ждущий вызов.
  • Переадресация вызова (при отсутствии ответа, в случае занятости).
  • Конференц-связь.
  • Индикатор сообщений об ожидающих вызовах.
  • Голосовая почта.
  • Текстовая передача и прием сообщений.
    •

    3.2.3. Архитектура сети

    На рис 3.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA IS-95.

    Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM — см. рис 1.1). Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover). В центре коммутации подвижных объектов (MSC) добавлен преобразователь – транскодер (TCE — Transcoder Equipment), который преобразует выборки речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в другой.

    (рис 3.8) Архитектура сети CDMA

    3.2.4. Каналы трафика и управления

    В CDMA каналы для . В IS-95 применяются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передает одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных абонентов по служебному каналу.

    Прямые каналы

    Данные в прямом канале трафика группируются в кадр длительностью 20 мс. Пользовательские данные после предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется перемножением с одной из 64 псевдослучайных последовательностей (на основе функций Уолша) до значения 1,2288 Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность ПСП обеспечивается одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т. е. используемые в каждый момент времени фрагменты являются ортогональными). Как уже упоминалось, в системе передается пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала, принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования. Для глобальной синхронизации сети в системе используются еще радиометки от GPS(Global Position System)-спутников.

    Состав прямых каналов

    Пилотный канал (Pilot Channel) предназначен для установления начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.

    Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel) обеспечивает поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. Канал синхронизации передает синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод.

    Широковещательный канал коротких сообщений, канал вызова (Paging Channel) используется для вызова подвижной станции. Количество каналов — до 7 на соту. После приема сигнала вызова мобильная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию. После этого по каналу широковещательного вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Работает со скоростью 9600, 4800, 2400 бод.

    (рис 3.9) Каналы трафика и управления системы CDMA

    Канал прямого трафика (FTCH — Forward Traffic Channel) предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на мобильную; передает любые пользовательские данные.

    Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным, а второй — дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.

    (рис 3.10) Структура прямых каналов

    Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это указано на рис 3.10. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т. к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, и каждая из них имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов:

  • на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал;
  • на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим семи каналам также назначаются свои последовательности Уолша (W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова;
  • 55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.
    •

    Состав обратных каналов

    Канал доступа (ACH — Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа применяется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемых по каналу вызова (Paging Channel), команд и запросов на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова.

    Канал обратного трафика (RTCH — Reverse Traffic Channel) обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной станции на базовую станцию.

    3.3. Кодирование

    3.3.1. Кодирование в прямом канале

    Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша [14, 121]. Это повышает скорость информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

    (рис 3.11) Структурная схема формирования сигнала передатчиком базовой станции

    Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции (рис 3.11).

    В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

  • Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction) [67]. Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров от 4 до 16 Кбит/с).
  • Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. часть 1 "GSM"). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения $$K=9$$, скорость кодирования $$r=1/2$$.Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается ( $$r=1/2$$ ), и при входной скорости 9,6 Кбит/с выходная скорость равна 19,2 Кбит/с (384 бита в 20 мс).
  • Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала, предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажение нескольких бит информации подряд. Данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.

    Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки x 16) по строкам. Как только матрица заполнена, начинается передача информации по столбцам со скоростью записи. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько битов информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.

  • Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен, т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

    Для шифрования применяется скремблирование информационной цифровой последовательности — производится суммирование по модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой с помощью длинного кода с периодом $$2^{42}–1$$ символов при скорости 1,2288 Мбит/с (длительность чипа 813,8 нс). Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.

  • После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции "исключающее ИЛИ" (сложение по модулю два). Как уже говорилось, длинными кодами (кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины. Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна $$2^n–1$$ двоичных символов, где $$n$$ — число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с, то в прямом канале с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с используется только каждый 64-й символ длинного кода.

    Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал (по пилотному каналу). В этом канале передается нулевой информационный сигнал. Код Уолша для пилотного канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. В пилотном канале передается мощный сигнал, который содержит только короткий код. Обычно на нем излучается около 20 % общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционного момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной битовой длины.

  • На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мбит/с. Канальная скорость потока данных (19,2 Кбит/с) увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Принцип преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша — уже рассматривался выше. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой станцией. Если на входе кодера "0", то посылается соответствующий ряд матрицы (кода Уолша), если "1" — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Также функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать, и один из 64 возможных логических каналов, который определяет функция Уолша.
  • На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции "исключающее ИЛИ".

    Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной $$2^{15}=32768$$ двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Он формируется на базе двух порождающих полиномов:

    $$g(x)_I=x^{15}+x^{13}+x^9+x^8+x^7+x^5+1;$$ $$g(x)_Q=x^{15}+x^{12}+x^{11}+x^{10}+x^6+x^5+x^4+x^3+1.$$

    Блок перемножения сигнала на две функции (их называют ПСП1 — ПСП2) предназначен для перемешивания сигнала блока модуляции.

    Скорость следования символов равна 1,2288 Мбит/с. Период последовательности из 32768 чипов составляет $$26,66 мс(32768/1,2288 \times 10^6=26,6 \times 10^{–3})$$. Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом относительно нулевой последовательности. Всего на длине 32768 чипов приняты 511 сдвигов на 64 чипа каждый относительно последовательности с нулевым сдвигом. Это позволяет идентифицировать 512 сот (секторов).

    Заметим, что использование псевдопоследовательностей при модуляции позволило развить новые технологии на основе CDMA [24]: многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты (FH CDMA — Frequency Hopping CDMA) и многостанционный с псевдослучайной перестройкой по времени (TH-CDMA — Time Hopping CDMA). Принципы работы этих технологий изложены в [24].

  • Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция ФМ4, ОФМ4. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора устанавливают фильтр, который формирует специальный вид сигнала "приподнятый косинус".
    •

    Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции показана на рис 3.12. Она содержит устройства, которые осуществляют действия, обратные по отношению схеме формирования сигнала передатчиком базовой станции.

    (рис 3.12) Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

    3.3.2. Кодирование в обратном канале

    В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удаленных терминалов достигают базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

    Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична показанной на рис 3.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с, и перемежение в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша; порядковый номер этого кода соответствует двоичному числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до $$307,2 Кбит/с ((28,8/6) \times 64=307,2)$$.

    Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного коду, который используется базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей.

    Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяются регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др.

    Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

    Структурная схема приемника обратного канала (на базовой станции) аналогична схеме, приведенной на рис 3.12. Однако в приемнике принимается объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских сигналов в соответствии с кодом Уолша.

    Все базовые станции используют для кодирования каналов один и тот же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

    3.4. Некоторые примеры работы сети CDMA

    Работа сети CDMA по порядку выполнения этапов и сигналам похожа на другие сети подвижной связи и, в частности, на рассмотренную ранее сеть GSM. Однако она имеет свои особенности, связанные с кодированием сигналов, шифрованием. Наиболее заметными отличиями являются возможность проведения "мягкого хэндовера" и принципы управления мощностью, которые будут рассмотрены далее.

    3.4.1. Регистрация в сети

    После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Вероятно, что MS обнаружит несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить по временному сдвигу псевдопоследовательности. Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й код Уолша (W32). В нем передается информация о будущем содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для формирования длинного кода. Эта информация посылается с опережением относительно информационного канала на 320 мс. Поэтому подвижная станция имеет достаточно времени для декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким образом достигается синхронизация с сетевым временем. После этого подвижная станция начинает мониторинг одного из каналов вызова. Если абонент пытается войти в сеть, то его станция будет пытаться осуществить соединение с базовой по одному из каналов доступа. В этом случае для формирования длинного кода используется двоичная маска, параметры которой индивидуальны для каждой базовой станции сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются осуществить соединение, то возникает конфликт. Если базовая станция не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

    3.4.2. Обмен сигналами между мобильной и базовой приемопередающей станциями

    Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS (входящее сообщение) показан на рис 3.13 [14, 60].

    (рис 3.13) Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения CDMA

    Он во многом совпадает с уже рассмотренным выше для системы GSM. Однако для передачи используются другие каналы и другое содержание сигналов. Ниже даются некоторые комментарии к рисункам.

  • Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на соединение).
  • Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал "запрос назначения"), сообщая свой международный идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
  • Базовая станция принимает "запрос назначения", выбирает и назначает канал трафика, выбирая длинный код, общий для всех каналов данной базовой станции, после чего посылает сообщение о назначении прямого канала.
  • Мобильная станция выполняет процедуру назначения конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу, которая содержит наряду со стандартными данными (код отправителя, код назначения) еще и данные для настройки на конкретно выбранный канал, чтобы базовая станция могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.
  • Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает для MS по прямому каналу запрос на аутентификацию.
  • Мобильная станция проводит процедуру аутентификации абонента (рассматривается здесь далее) и передает ответ об аутентификации.
  • Базовая станция передает на исходную станцию сигнал о включении зуммера посылки вызова и передает мобильной станции сигнал готовности к обмену, содержащий информацию о номере вызывающего абонента (CIN — Calling Identification Number).
  • Мобильная станция передает сигнал на посылку вызова входящему абоненту и выводит на табло информацию CIN. Далее мобильная станция ждет сигнала ответа абонента. После получения этого сигнала он передает команду на снятие сигнала "посылка вызова" и передает на базовую станцию сигнал подтверждения готовности к обмену (окончание соединения).
  • Базовая станция включает приборы разговорного тракта в положение "обмен" и передает подтверждение соединения на базовую станцию.
  • Далее проходит обмен речевой информацией или данными.
    •

    Порядок обмена сигналами от BTS к MS

  • Мобильная станция при поступлении вызова абонента передает сигнал запроса о назначении канала. Этот сигнал, как и в предыдущем случае (п. 2) , содержит идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
  • После принятия этого сигнала соединения обмен сигналами повторяет предыдущий алгоритм.
    •

    3.4.3. Аутентификация и шифрование

    Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих процедур показан на рис 3.14 (для мобильной станции). В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption) [123] для генерации ключа на 128 битов. Ключ назвается "общие секретные данные" (SSD — Shared Secret Date). Эти данные генерируются на основе A-ключа, который хранится в мобильной станции, и полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE генерирует общие секретные данные (SSD). Они разделяются на две части: SSD-A (64 бита) — чтобы создавать цифровую подпись (authentication signature), и SSD-B (64 бита) — для генерации ключей, для шифрования речи и передачи сигнала сообщения. SSD может быть использован при роуминге поставщиками услуг для местной аутентификации. Новые общие секретные данные (SSD) могут быть сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети или возвращается к домашней сети.

    (рис 3.14) Принцип аутентификации и шифрования информации в системе CDMA на мобильной станции

    Цифровая подпись генерируется длиной 18 бит и посылается базовой станции, чтобы проверить принадлежность абонента к данной системе, установить его права и полномочия. При этом используется один из двух алгоритмов:

  • глобальное квитирование (Global Challenge), когда всем мобильным станциям передается в данный момент одно и то же псевдослучайное число;
  • уникальное квитирование (Unique Challenge), когда псевдослучайное число назначается при каждом запросе соединения.
    •

    Мобильная станция и сеть ведут учет истории вызовов. Это обеспечивает возможность обнаружить незаконное производство мобильных телефонов или SIM-карт.

    A-ключ может перепрограммироваться, для этого должны быть изменены данные на мобильной станции и в сетевом центре аутентификации.

    Это можно выполнить:

  • на фирме-производителе;
  • на месте продажи;
  • абонентом по телефону;
  • с помощью процедуры перепрограммирования по эфиру с использованием сервиса беспроводных услуг — OTASP (Over The Air Service Reprogramming), путем передачи информации по радиоканалу в зашифрованном виде.
    •

    Замена A-ключа на мобильной станции через OTASP обеспечивает простой способ быстро отключать обслуживание мобильной станции нелегальному пользователю или инициировать ввод новых услуг легальному абоненту.

    Мобильные станции используют общие секретные данные типа B (SSD-B) и алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE), чтобы генерировать маску частного длинного кода (Private Long Code Mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера связи.

    Он содержит сотовый ключ алгоритма шифрования сообщения — 64 бита (CMEA — Cellular Message Encryption Algorithm) и ключ данных — 32 бита (Data Key). Маска частного длинного кода используется и в мобильной станции, и в сети для изменения характеристик длинного кода. Измененный длинный код применяется для скремблирования речи, которое добавляет дополнительный уровень секретности по радиоинтерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для шифрования информации. Она просто заменяет известное значение, применяемое при кодировании CDMA сигнала, частным значением, известным только в мобильной станции и сети.

    Поэтому при таком кодировании чрезвычайно трудно подслушивать сеансы связи, не зная маску частного длинного кода.

    Дополнительно мобильная станция и сеть применяют ключ CMEA вместе с усовершенствованным алгоритмом CMEA (ECMEA — Enhanced CMEA), чтобы зашифровывать сообщения передачи служебных сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных и алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью, чтобы зашифровать и расшифровывать данные на каналах CDMA.

    3.5. Краткие итоги лекции 3

  • Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, использующая для разделения каналов псевдослучайную последовательность. Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы.
  • При кодовом разделении полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).
  • Есть два способа разделить пользователей при множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA): ортогональный многостанционный доступ и неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA).
  • Для первого типа разделения применяются ортогональные функции Уолша и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной $$2^n$$, в которых используются только два значения: +1 и –1. Функции являются цифровыми "аналогами синусоид". При кодировании обычно символ +1 заменяется на 0, а –1 на 1.
  • Для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра.
  • Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.
  • Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара.
  • Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры (сложение по модулю 2) и контуры обратной связи.
  • Последовательности для каждого из каналов получаются путем умножением всех разрядов расширяющей последовательности на значение информационного бита.
  • Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности данного канала, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал имеет максимальное значение. В зависимости от этого вычисляется значение исходного символа.
  • Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов.
  • В состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover).
  • В CDMA каналы для передачи информации в направлении от базовой к мобильной станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией от мобильной — обратными (Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с.
  • В состав прямых каналов входят: пилотный канал (PICH), канал синхронизации, канал (SCH), канал широковещательного вызова, (PCH), прямой канал трафика (FTCH). В состав обратных каналов входят: канал доступа (ACH), канал обратного трафика (RTCH).
  • Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction).
  • Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, в прямом канале используется сверточное кодирование (convolution encoding): длина кодового ограничения $$K=9$$, скорость кодирования $$r=1/2$$ (в обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3).
  • Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита, с помощью матрицы.
  • Для шифрования на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита.
  • После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации.
  • Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption).
    •
    Страницы:

    3.1. Многостанционный доступ с кодовым разделением

    Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с частотным разделением и доступа с временным разделением [).

    (рис 3.1) Упрощенная структурная схема системы с кодовым разделением каналов

    Каждый входной цифровой сигнал складывается ("модулируется") с отдельной "несущей", в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter) [119]. Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности ("несущей"). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

    Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

    Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

  • ортогональный многостанционный доступ;
  • неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.
    •

    3.1.1. Функции Уолша

    Для первого способа разделения применяются ортогональные функции Уолша [119, 120] и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной $$2^n$$, в которых используются только два значения: +1 и –1.

    Функции являются цифровыми "аналогами синусоид". При кодировании обычно символ +1 заменяется на 0, а –1 на 1.

    Рассмотрим систему двоичных чисел от 0 до $$2^4–1$$ (числа от 0 до 15), которые приведены в табл. 3.1.

    Она представляет собой функцию, содержащую четыре переменных ( $$x_1, x_2, x_3, x_4$$ ).

    Если предположить, что каждый разряд этих чисел поступает согласно десятичному номеру в таблице, то это можно изобразить следующими диаграммами (рис 3.2), которые представляют периодические функции, подобные синусу (инверсные переменные подобны косинусу).

    На основе этих функций могут быть получены любые другие функции Уолша на конечном отрезке от 0 до $$2^4–1$$.

    Вторая трактовка функций Уолша — это диаграмма коэффициентов при отображении двоичных чисел в двоичную систему.

    Двоичные числа
    X4 X3 X2 X1 №
    0 0 0 0 0
    0 0 0 1 1
    0 0 1 0 2
    0 0 1 1 3
    0 1 0 0 4
    0 1 0 1 5
    0 1 1 0 6
    0 1 1 1 7
    1 0 0 0 8
    1 0 0 1 9
    1 0 1 0 10
    1 0 1 1 11
    1 1 0 0 12
    1 1 0 1 13
    1 1 1 0 14
    1 1 1 1 15
    (рис 3.2) Базисные периодические функции Уолша

    Известно, что для перехода от двоичных чисел к их десятичным эквивалентам применяются весовые коэффициенты, сумма которых дает соответствующее число:

    $$D=\sum\limits_{k=0}^N a_k 2^k,$$

    где $$N$$ — число разрядов двоичного числа, $$a_k$$ — значение k-го разряда двоичного числа.

    В этом случае каждая диаграмма на рис 3.2 указывает моменты появления чисел, в которые входит заданный числовой коэффициент. Например, весовой коэффициент 2 входит в числа 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15. Этот ряд чисел отображается периодической функцией Уолша, обозначенной на рис 3.2 как диаграмма переменной $$x_2$$.

    3.1.2. Корреляция и ортогональные функции Уолша

    Как было сказано выше, для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра. Для этого они должны достаточно различаться. Степень подобия (похожести) функций в математике отображается с помощью корреляции. Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.

  • Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических функций с периодом $$T$$ определяется формулой:$$C_{ij}=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_j(t-\tau)dt.$$ Она измеряет подобие двух сигналов, сдвинутых во времени.
  • Ортогональная корреляция — это частный случай взаимной корреляции, когда эта функция равна нулю:$$C_{ij}(\tau)=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_j(t)dt=0.$$ Эти сигналы могут передаваться одновременно, поскольку они не создают взаимных помех.
  • Автокорреляция периодического сигнала определяется следующей формулой:$$R_i(\tau)=\frac 1T \int\limits_{-T/2}^{T/2}W_i(t)W_i(t-\tau)dt=0.$$ Она определяет подобие данной функции с ее же версией, сдвинутой во времени.
    •

    Для дискретных функций интегрирование можно заменить суммированием.

    В системах многостанционного доступа с кодовым разделением каналов применяются ортогональные функции Уолша. Одним из необходимых (но не достаточных) свойств такого кода является его сбалансированность, т. е. одинаковое число нулей и единиц.

    Ниже (табл. 3.2) показаны ортогональные функции Уолша длины $$2^3=8$$ [3, 22, 101, 120, 121].

    Заметим, что при кодировании обычно символ 0 заменяется на +1, а 1 на –1.

    Функции Уолша
    WAL(8,1)=0000 0000
    WAL(8,2)=0000 1111
    WAL(8,3)=0011 1100
    WAL(8,4)=0011 0011
    WAL(8,5)=0110 0110
    WAL(8,6)=0110 1001
    WAL(8,7)=0101 1010
    WAL(8,8)=1010 1010

    На рис 3.3 приведены диаграммы, соответствующие этим последовательностям.

    Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара [22] начиная с $$H_1=[0]$$. Матрица Адамара сформирована:

    $$H_{2n}=\left(\begin{array}{ccc}H_n H_n \\ H_n \overline H_n\end{array}\right)$$

    Коды Уолша—Адамара длины 2 и 4 будут получены соответственно:

    (рис 3.3) Диаграммы ортогональных функций Уолша.$$H_2=\left(\begin{array}{ccc}0 0 \\ 0 1 \end{array}\right)$$ $$H_2=\left(\begin{array}{cccc}0000 \\ 0101 \\ 0011 \\ 0110 \end{array}\right)$$ $$\left(\begin{array}{cccccccc}00000000 \\01010101 \\00110011 \\01100110 \\00001111 \\01011010 \\00111100 \\01101001 \end{array}\right)\begin{array}{c}8,1\\8,8\\8,4\\8,2\\8,5\\8,7\\8,3\\8,6\end{array}$$

    Полученная матрица с точностью до порядка следования совпадает с ортогональными функциями, приведенными в таблица 3.2.

    Рассмотрим пример вычисления ортогональности полученных функций. Разберем взаимную корреляцию (без сдвига) функций $$8,8 (0101 0101)$$ и $$8,6 (0110 1001)$$.

    $$\begin{array}{l}[(-1)\times(-1)]+[(1\times1)]+[(-1)\times1]+[1\times(-1)]+[(-1)\times1]+[1\times(-1)]+[(-1)(-1)]+[1\times1]=0 \atop {1\qquad\qquad 2\qquad\quad 3\qquad\quad 4\qquad\qquad 5\qquad\quad 6\qquad\qquad 7\qquad\qquad 8\qquad\quad\end{array}$$

    Согласно полученному результату эти две функции ортогональны.

    Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации функции корреляция увеличивается.

    Для сдвинутых по времени и несинхронизированных сигналов взаимная корреляция может быть не равна нулю. Они могут интерферировать друг с другом. Вот почему кодирование с помощью функций Уолша может применяться только при синхронном CDMA.

    3.1.3. Неортогональные псевдослучайные функции

    Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы с применением сдвиговых регистров, сумматоров (сложение по модулю 2) и контуров обратной связи. Рис. 3.4 иллюстрирует такой принцип.

    (рис 3.4) Генератор последовательности максимальной длины (m – последовательности)

    Максимальная длина последовательности определяется длиной регистра и конфигурацией цепи обратной связи (на рис 3.4 цепи обратной связи обозначены $$g_1$$, $$g_2$$ ). Регистр длиной $$N$$ битов может порождать свыше $$2^N$$ различных комбинаций нулей и единиц. Так как цепь обратной связи выполняет линейные операции, то если все регистры будут иметь нулевое значение, выход цепи обратной связи также будет нулевой. Поэтому, если установить все разряды на нуль, то цепь обратной связи будет всегда давать нулевой выход для всех последующих тактовых циклов, так что необходимо исключить эту комбинацию из возможных последовательностей. Таким образом, максимальная длина любой последовательности равна $$2^N–1$$. Генерируемые последовательности называются последовательностями максимальной длины, или m-последовательностями. Основное свойство таких последовательностей: автокорреляционная функция m-последовательности имеет пик при нулевом сдвиге и малый уровень боковых выбросов в остальных случаях. Это позволяет более четко выделять каналы. Конфигурации обратной связи для m-последовательности сведены в таблицу и могут быть найдены в [61].

    Последовательности, порождаемые регистрами сдвига, имеют еще много вариантов. В частности, известны последовательности Голда, порождаемые совокупностью двух регистров, последовательности Касами, порождаемые тремя регистрами, и т. д. [23, 61].

    3.1.4. Ортогональное расширение с использованием функций Уолша

    Рассмотрим систему трех каналов, которая использует три ортогональных расширяющих последовательности, применяющие ортогональные функции Уолша:

  • 1-й канал (–1, –1, –1, –1);
  • 2-й канал (-1, +1, -1, +1);
  • 3-й канал (–1, –1, +1,+1).
    •

    Предположим, что нам надо передать следующую информацию:

    Комбинация расширяющей последовательности с информацией канала получается умножением всех разрядов последовательности на значение информационного бита. На рис 3.5 показано получение такой последовательности для каждого из каналов. Это является аналогом частотной модуляции каналов.

    (рис 3.5) Преобразование исходной информации для трех каналов с помощью ортогональных последовательностей Уолша

    Теперь результаты расширения спектров каждого из каналов объединяются (суммируются), как это показано на рис 3.6 и в табл. 3.3.

    (рис 3.6) Пример ортогонального кодирования для каналообразования
    Пример ортогонального кодирования для каналообразования
    Каналы Исходная Последовательности расширенного информация спектра
    Канал 1 110 -1, -1, -1, -1 -1,-1,-1,-1 +1,+1,+1, +1
    Канал 2 010 +1,–1,+1,-1 -1,+1,-1,+1 +1, -1, +1,-1
    Канал 3 001 +1, +1,-1,-1 +1, +1,-1,-1 -1, -1, +1,+1
    Суммарный сигнал +1,-1,-1, -3 -1,+1,-3,-1 +1,-1,+3,+1

    На рис 3.7 и в табл. 3.4 показан пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций для канала 2.

    (рис 3.7) Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций.
    Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций.
    Суммарный сигнал +1,-1,-1,-3 -1,+1,-3,-1 +1,-1,+3,+1
    Последовательность канала 2 -1,+1,-1,+1 -1,+1,-1,+1 -1,+1,-1,+1
    Выход коррелятора -1,-1,+1,-3 +1,+1,+3,-1 -1,-1,-3,+1
    Выход интегратора -4 +4 -4
    Двоичный выход 0 1 0

    Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности канала 2, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал дает максимальное значение, равное либо +4, либо –4. В зависимости от этого исходный символ будет соответственно +1 или –1.

    Аналогично могут быть получены значения исходной последовательности в канале 1 и 3.

    Если попытаться восстановить сигнал с использованием ортогональной последовательности, не входящей в суммарный сигнал, то получается ноль для каждого периода интеграции (табл. 3.5).

    Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций для последовательности (–1,+1,+1,–1) не входящей в суммарный сигнал.
    Суммарный сигнал +1,–1,–1,–3 –1,+1,–3,–1 +1,–1,+3,+1
    Последовательность канала 3 –1,+1,+1,–1 –1,+1,+1,–1 –1,+1,+1,–1
    Выход коррелятора –1,–1,–1,+3 +1,+1,–3+1 –1,–1,+3,–1
    Выход интегратора 0 0 0
    Двоичный выход 0 0 0

    В заключение этого раздела приведем некоторые определения, которые применяются в системах CDMA.

    Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала называются ). Чиповая скорость(chip rate) $$R_c=1/Tc$$ часто используется, чтобы характеризовать систему передачи с широким спектром и обычно измеряется в Мбит/с.

    База сигнала (processing gain — PG), иногда называемая коэффициент расширения спектра (spreading factor — SF), определяется как отношение чиповой скорости ( $$R_c$$ ) к скорости передачи информации ( $$R=1/T_B$$ ).

    $$PG=SF=R_c/R=Tb/Tc$$

    Это равенство представляет число чипов, содержащихся в одном информационном разряде. Чем выше значение базы сигнала ( $$PG$$ ), тем больше расширение. Высокий $$PG$$ также означает, что больше кодов может быть распределено на том же самом частотном канале.

    3.2. Сети на основе CDMA

    3.2.1. Общие положения

    Сети и устройства с применением многостанционного доступа с кодовым разделением каналов построены на основе стандартов, разработанных Ассоциацией производителей средств связи (TIA — Telecommunication Industry Association). В основном это стандарты [71–75]:

  • IS-95 CDMA — радиоинтерфейс;
  • IS-96 CDMA — речевые службы;
  • IS-97 CDMA — подвижная станция;
  • IS-98 CDMA — базовая станция;
  • IS-99 CDMA — службы передачи данных.
    •

    На базе серии стандартов реализована станция 2-го поколения cdma One. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте широкополосной системы 3-го поколения CDMA - 2000 [65, 82, 83].

    3.2.2. Основные услуги

  • Передача данных и речи со скоростями 9,6 Кбит/с, 4,8 Кбит/с, 2,4 Кбит/с.
  • Междугородний вызов.
  • Роуминг (национальный и международный).
  • Ждущий вызов.
  • Переадресация вызова (при отсутствии ответа, в случае занятости).
  • Конференц-связь.
  • Индикатор сообщений об ожидающих вызовах.
  • Голосовая почта.
  • Текстовая передача и прием сообщений.
    •

    3.2.3. Архитектура сети

    На рис 3.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA IS-95.

    Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM — см. рис 1.1). Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover). В центре коммутации подвижных объектов (MSC) добавлен преобразователь – транскодер (TCE — Transcoder Equipment), который преобразует выборки речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в другой.

    (рис 3.8) Архитектура сети CDMA

    3.2.4. Каналы трафика и управления

    В CDMA каналы для . В IS-95 применяются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передает одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных абонентов по служебному каналу.

    Прямые каналы

    Данные в прямом канале трафика группируются в кадр длительностью 20 мс. Пользовательские данные после предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется перемножением с одной из 64 псевдослучайных последовательностей (на основе функций Уолша) до значения 1,2288 Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность ПСП обеспечивается одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т. е. используемые в каждый момент времени фрагменты являются ортогональными). Как уже упоминалось, в системе передается пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала, принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования. Для глобальной синхронизации сети в системе используются еще радиометки от GPS(Global Position System)-спутников.

    Состав прямых каналов

    Пилотный канал (Pilot Channel) предназначен для установления начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.

    Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel) обеспечивает поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. Канал синхронизации передает синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод.

    Широковещательный канал коротких сообщений, канал вызова (Paging Channel) используется для вызова подвижной станции. Количество каналов — до 7 на соту. После приема сигнала вызова мобильная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию. После этого по каналу широковещательного вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Работает со скоростью 9600, 4800, 2400 бод.

    (рис 3.9) Каналы трафика и управления системы CDMA

    Канал прямого трафика (FTCH — Forward Traffic Channel) предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на мобильную; передает любые пользовательские данные.

    Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным, а второй — дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.

    (рис 3.10) Структура прямых каналов

    Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это указано на рис 3.10. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т. к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, и каждая из них имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов:

  • на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал;
  • на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим семи каналам также назначаются свои последовательности Уолша (W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова;
  • 55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.
    •

    Состав обратных каналов

    Канал доступа (ACH — Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа применяется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемых по каналу вызова (Paging Channel), команд и запросов на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова.

    Канал обратного трафика (RTCH — Reverse Traffic Channel) обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной станции на базовую станцию.

    3.3. Кодирование

    3.3.1. Кодирование в прямом канале

    Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша [14, 121]. Это повышает скорость информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

    (рис 3.11) Структурная схема формирования сигнала передатчиком базовой станции

    Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции (рис 3.11).

    В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

  • Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction) [67]. Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров от 4 до 16 Кбит/с).
  • Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. часть 1 "GSM"). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения $$K=9$$, скорость кодирования $$r=1/2$$.Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается ( $$r=1/2$$ ), и при входной скорости 9,6 Кбит/с выходная скорость равна 19,2 Кбит/с (384 бита в 20 мс).
  • Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала, предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажение нескольких бит информации подряд. Данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.

    Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки x 16) по строкам. Как только матрица заполнена, начинается передача информации по столбцам со скоростью записи. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько битов информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.

  • Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен, т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

    Для шифрования применяется скремблирование информационной цифровой последовательности — производится суммирование по модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой с помощью длинного кода с периодом $$2^{42}–1$$ символов при скорости 1,2288 Мбит/с (длительность чипа 813,8 нс). Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.

  • После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции "исключающее ИЛИ" (сложение по модулю два). Как уже говорилось, длинными кодами (кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины. Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна $$2^n–1$$ двоичных символов, где $$n$$ — число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с, то в прямом канале с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с используется только каждый 64-й символ длинного кода.

    Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал (по пилотному каналу). В этом канале передается нулевой информационный сигнал. Код Уолша для пилотного канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. В пилотном канале передается мощный сигнал, который содержит только короткий код. Обычно на нем излучается около 20 % общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционного момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной битовой длины.

  • На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мбит/с. Канальная скорость потока данных (19,2 Кбит/с) увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Принцип преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша — уже рассматривался выше. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой станцией. Если на входе кодера "0", то посылается соответствующий ряд матрицы (кода Уолша), если "1" — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Также функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать, и один из 64 возможных логических каналов, который определяет функция Уолша.
  • На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции "исключающее ИЛИ".

    Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной $$2^{15}=32768$$ двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Он формируется на базе двух порождающих полиномов:

    $$g(x)_I=x^{15}+x^{13}+x^9+x^8+x^7+x^5+1;$$ $$g(x)_Q=x^{15}+x^{12}+x^{11}+x^{10}+x^6+x^5+x^4+x^3+1.$$

    Блок перемножения сигнала на две функции (их называют ПСП1 — ПСП2) предназначен для перемешивания сигнала блока модуляции.

    Скорость следования символов равна 1,2288 Мбит/с. Период последовательности из 32768 чипов составляет $$26,66 мс(32768/1,2288 \times 10^6=26,6 \times 10^{–3})$$. Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом относительно нулевой последовательности. Всего на длине 32768 чипов приняты 511 сдвигов на 64 чипа каждый относительно последовательности с нулевым сдвигом. Это позволяет идентифицировать 512 сот (секторов).

    Заметим, что использование псевдопоследовательностей при модуляции позволило развить новые технологии на основе CDMA [24]: многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты (FH CDMA — Frequency Hopping CDMA) и многостанционный с псевдослучайной перестройкой по времени (TH-CDMA — Time Hopping CDMA). Принципы работы этих технологий изложены в [24].

  • Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция ФМ4, ОФМ4. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора устанавливают фильтр, который формирует специальный вид сигнала "приподнятый косинус".
    •

    Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции показана на рис 3.12. Она содержит устройства, которые осуществляют действия, обратные по отношению схеме формирования сигнала передатчиком базовой станции.

    (рис 3.12) Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

    3.3.2. Кодирование в обратном канале

    В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удаленных терминалов достигают базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

    Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична показанной на рис 3.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с, и перемежение в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша; порядковый номер этого кода соответствует двоичному числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до $$307,2 Кбит/с ((28,8/6) \times 64=307,2)$$.

    Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного коду, который используется базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей.

    Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяются регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др.

    Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

    Структурная схема приемника обратного канала (на базовой станции) аналогична схеме, приведенной на рис 3.12. Однако в приемнике принимается объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских сигналов в соответствии с кодом Уолша.

    Все базовые станции используют для кодирования каналов один и тот же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

    3.4. Некоторые примеры работы сети CDMA

    Работа сети CDMA по порядку выполнения этапов и сигналам похожа на другие сети подвижной связи и, в частности, на рассмотренную ранее сеть GSM. Однако она имеет свои особенности, связанные с кодированием сигналов, шифрованием. Наиболее заметными отличиями являются возможность проведения "мягкого хэндовера" и принципы управления мощностью, которые будут рассмотрены далее.

    3.4.1. Регистрация в сети

    После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Вероятно, что MS обнаружит несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить по временному сдвигу псевдопоследовательности. Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й код Уолша (W32). В нем передается информация о будущем содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для формирования длинного кода. Эта информация посылается с опережением относительно информационного канала на 320 мс. Поэтому подвижная станция имеет достаточно времени для декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким образом достигается синхронизация с сетевым временем. После этого подвижная станция начинает мониторинг одного из каналов вызова. Если абонент пытается войти в сеть, то его станция будет пытаться осуществить соединение с базовой по одному из каналов доступа. В этом случае для формирования длинного кода используется двоичная маска, параметры которой индивидуальны для каждой базовой станции сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются осуществить соединение, то возникает конфликт. Если базовая станция не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

    3.4.2. Обмен сигналами между мобильной и базовой приемопередающей станциями

    Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS (входящее сообщение) показан на рис 3.13 [14, 60].

    (рис 3.13) Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения CDMA

    Он во многом совпадает с уже рассмотренным выше для системы GSM. Однако для передачи используются другие каналы и другое содержание сигналов. Ниже даются некоторые комментарии к рисункам.

  • Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на соединение).
  • Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал "запрос назначения"), сообщая свой международный идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
  • Базовая станция принимает "запрос назначения", выбирает и назначает канал трафика, выбирая длинный код, общий для всех каналов данной базовой станции, после чего посылает сообщение о назначении прямого канала.
  • Мобильная станция выполняет процедуру назначения конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу, которая содержит наряду со стандартными данными (код отправителя, код назначения) еще и данные для настройки на конкретно выбранный канал, чтобы базовая станция могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.
  • Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает для MS по прямому каналу запрос на аутентификацию.
  • Мобильная станция проводит процедуру аутентификации абонента (рассматривается здесь далее) и передает ответ об аутентификации.
  • Базовая станция передает на исходную станцию сигнал о включении зуммера посылки вызова и передает мобильной станции сигнал готовности к обмену, содержащий информацию о номере вызывающего абонента (CIN — Calling Identification Number).
  • Мобильная станция передает сигнал на посылку вызова входящему абоненту и выводит на табло информацию CIN. Далее мобильная станция ждет сигнала ответа абонента. После получения этого сигнала он передает команду на снятие сигнала "посылка вызова" и передает на базовую станцию сигнал подтверждения готовности к обмену (окончание соединения).
  • Базовая станция включает приборы разговорного тракта в положение "обмен" и передает подтверждение соединения на базовую станцию.
  • Далее проходит обмен речевой информацией или данными.
    •

    Порядок обмена сигналами от BTS к MS

  • Мобильная станция при поступлении вызова абонента передает сигнал запроса о назначении канала. Этот сигнал, как и в предыдущем случае (п. 2) , содержит идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
  • После принятия этого сигнала соединения обмен сигналами повторяет предыдущий алгоритм.
    •

    3.4.3. Аутентификация и шифрование

    Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих процедур показан на рис 3.14 (для мобильной станции). В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption) [123] для генерации ключа на 128 битов. Ключ назвается "общие секретные данные" (SSD — Shared Secret Date). Эти данные генерируются на основе A-ключа, который хранится в мобильной станции, и полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE генерирует общие секретные данные (SSD). Они разделяются на две части: SSD-A (64 бита) — чтобы создавать цифровую подпись (authentication signature), и SSD-B (64 бита) — для генерации ключей, для шифрования речи и передачи сигнала сообщения. SSD может быть использован при роуминге поставщиками услуг для местной аутентификации. Новые общие секретные данные (SSD) могут быть сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети или возвращается к домашней сети.

    (рис 3.14) Принцип аутентификации и шифрования информации в системе CDMA на мобильной станции

    Цифровая подпись генерируется длиной 18 бит и посылается базовой станции, чтобы проверить принадлежность абонента к данной системе, установить его права и полномочия. При этом используется один из двух алгоритмов:

  • глобальное квитирование (Global Challenge), когда всем мобильным станциям передается в данный момент одно и то же псевдослучайное число;
  • уникальное квитирование (Unique Challenge), когда псевдослучайное число назначается при каждом запросе соединения.
    •

    Мобильная станция и сеть ведут учет истории вызовов. Это обеспечивает возможность обнаружить незаконное производство мобильных телефонов или SIM-карт.

    A-ключ может перепрограммироваться, для этого должны быть изменены данные на мобильной станции и в сетевом центре аутентификации.

    Это можно выполнить:

  • на фирме-производителе;
  • на месте продажи;
  • абонентом по телефону;
  • с помощью процедуры перепрограммирования по эфиру с использованием сервиса беспроводных услуг — OTASP (Over The Air Service Reprogramming), путем передачи информации по радиоканалу в зашифрованном виде.
    •

    Замена A-ключа на мобильной станции через OTASP обеспечивает простой способ быстро отключать обслуживание мобильной станции нелегальному пользователю или инициировать ввод новых услуг легальному абоненту.

    Мобильные станции используют общие секретные данные типа B (SSD-B) и алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE), чтобы генерировать маску частного длинного кода (Private Long Code Mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера связи.

    Он содержит сотовый ключ алгоритма шифрования сообщения — 64 бита (CMEA — Cellular Message Encryption Algorithm) и ключ данных — 32 бита (Data Key). Маска частного длинного кода используется и в мобильной станции, и в сети для изменения характеристик длинного кода. Измененный длинный код применяется для скремблирования речи, которое добавляет дополнительный уровень секретности по радиоинтерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для шифрования информации. Она просто заменяет известное значение, применяемое при кодировании CDMA сигнала, частным значением, известным только в мобильной станции и сети.

    Поэтому при таком кодировании чрезвычайно трудно подслушивать сеансы связи, не зная маску частного длинного кода.

    Дополнительно мобильная станция и сеть применяют ключ CMEA вместе с усовершенствованным алгоритмом CMEA (ECMEA — Enhanced CMEA), чтобы зашифровывать сообщения передачи служебных сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных и алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью, чтобы зашифровать и расшифровывать данные на каналах CDMA.

    3.5. Краткие итоги лекции 3

  • Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, использующая для разделения каналов псевдослучайную последовательность. Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы.
  • При кодовом разделении полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).
  • Есть два способа разделить пользователей при множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA): ортогональный многостанционный доступ и неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA).
  • Для первого типа разделения применяются ортогональные функции Уолша и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной $$2^n$$, в которых используются только два значения: +1 и –1. Функции являются цифровыми "аналогами синусоид". При кодировании обычно символ +1 заменяется на 0, а –1 на 1.
  • Для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра.
  • Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.
  • Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара.
  • Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры (сложение по модулю 2) и контуры обратной связи.
  • Последовательности для каждого из каналов получаются путем умножением всех разрядов расширяющей последовательности на значение информационного бита.
  • Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности данного канала, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал имеет максимальное значение. В зависимости от этого вычисляется значение исходного символа.
  • Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов.
  • В состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover).
  • В CDMA каналы для передачи информации в направлении от базовой к мобильной станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией от мобильной — обратными (Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с.
  • В состав прямых каналов входят: пилотный канал (PICH), канал синхронизации, канал (SCH), канал широковещательного вызова, (PCH), прямой канал трафика (FTCH). В состав обратных каналов входят: канал доступа (ACH), канал обратного трафика (RTCH).
  • Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction).
  • Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, в прямом канале используется сверточное кодирование (convolution encoding): длина кодового ограничения $$K=9$$, скорость кодирования $$r=1/2$$ (в обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3).
  • Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита, с помощью матрицы.
  • Для шифрования на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита.
  • После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации.
  • Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption).
    •
    Предыдущее занятие Следующее занятие
    Вернуться к учебному плану
    ^