7.1.2. Особенности защиты информации от ошибок в системе сотовой подвижной радиосвязи стандарта GSM

Защита информации от ошибок. Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM используется сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные ошибки. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками.      Блочное кодирование главным образом используется для обнаружения нескорректированных ошибок.

Блочный код {n,k,t) преобразует k информационных символов в п символов путем добавления символов четности (п — k), а также может корректировать t ошибок символов.

Сверточные коды (СК) относятся к классу непрерывных помехоустойчивых кодов. Одной из основных характеристик СК является величина К, которая называется длиной кодового ограничения и показывает, на какое максимальное число выходных символов влияет данный информационный символ. Так как сложность декодирования СК по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения, то типовые значения К малы и лежат в интервале 3-10. Другой недостаток СК заключается в том, что они не могут обнаруживать ошибки. Поэтому в стандарте GSM для внешнего обнаружения ошибок используется блочный код на основе сверточного кода (2,1,5) со скоростью r = 1/2.

Наибольший выигрыш СК обеспечивает только при одиночных (случайных) ошибках в канале. В каналах с замираниями, что имеет место в GSM, необходимо использовать СК совместно с перемежением.

В GSM основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для каналов управления требуется абсолютная целостность данных и обнаружение ошибок, но допускается более длительное время передачи  и  задержки.

В соответствии с общей структурой кадров в стандарте GSM передача информационных сообщений и сигналов управления осуществляется в нормальном временном интервале (NB) TDMA кадра. Структура NB (два пакета по 57 информационных бит каждый) требует, чтобы количество кодированных бит т, соответствующих п некодированным битам в общей схеме кодирования и перемежения (рис. 7.20), равнялось бы целому числу, кратному 19. Затем эти биты зашифровываются и объединяются в I групп. Количество бит в этих группах также должно равняться 19, I групп переходят в I временных интервалов. Номер I называется степенью  перемежения.

В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения механизмов кодирования и декодирования для формирования кодов используются только несколько полиномов.  Это позволяет применять сверточный код с относительной

скоростью r = 1/2. Однако, чтобы выполнить требования формирования полноскоростного канала связи, а также привести в соответствие структуру размещения бит со структурой кадров, необходима скорость r = 244/456 = 0,535. Для выравнивания скорости в речевом канале до r = 1/2 применяют прореживание, т.е. периодический пропуск некоторых кодированных символов. Такая операция называется перфорированием, а формируемые таким образом коды называются перфорированными. При приеме декодер, зная алгоритм прореживания, интерполирует принимаемые данные.

При передаче логического быстрого совмещенного канала управления FACCH перфорирование не используется.

В табл. 7.3 приведены типы формирующих полиномов, используемых для сверточного кодирования в различных логических каналах.

Структурная схема радиотракта с блоками канального кодирования и перемежения, соответствующая элементам системы и Рекомендациям стандарта GSM, показана на рис. 7.21.

Рассмотрим более детально используемую в стандарте GSM схему кодирования и перемежения для каналов передачи речи и каналов

управления.

Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале. Обобщенная схема кодирования в полноскоростном речевом канале показана на рис. 7.22. Эта схема соответствует структурной схеме радиотракта, приведенной на рис. 7.21.

Рис. 7.22. Обобщенная схема кодирования в полноскоростном речевом канале

Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра, называемые в стандарте GSM битами 1-го класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике.

Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на 50 бит класса 1а и 132 бита класса 16 (рис. 7.23,а). Биты класса 1а дополняются тремя битами проверки на четность (рис. 7.23,6). Блочный код представляет собой укороченный систематический циклический код (53, 50) с формирующим полиномом вида g(D)  =   D³ + D + 1.

Структурная схема кодирующего устройства показана на рис. 7.24. В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего

Рис. 7.23. Алгоритм кодирования в полноскоростном речевом канале

устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность (см. рис. 7.21). После 50 тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает, и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. Сформированный в результате кадр показан на рис. 7.23. На этой стадии проводится первый шаг перемежения (рис. 7.23). Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за ними следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются так, как показано на рис. 7.23,в.   Далее

Рис. 7.24. Структурная схема кодера: а— первоначальный речевой кадр; 6— циклический код класса 1 (обнаружение ошибок); в — переупорядочение и концевая комбинация;

r — сверточный код т =   1/2, класс 1 (исправление ошибок);

д — переупорядочение и разделение; е — блочно-диагональное перемежение;

ж— разбиение на пакеты; э — перемежение пакетов

следуют четыре нулевых бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г = 1/2 (см. рис. 7.21). Структурная схема кодера и его формирующие полиномы приведены на рис. 7.25.

Как показано на рис. 7.23.г, после сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2 х 189 + 78 = 456 бит. После этого кадр из 456 бит делится   на   восемь   57-битовых   подблоков

Рис. 7.25. Структурная схема кодера и его формирующие полиномы

(рис. 7.23,д), которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению (рис. 7.22, 7.23). Результаты перемежения показаны на рис. 7.23,ж, з. Более точно, подблоки В0 и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно-диагонального перемежения (Dl/В). На рис. 7.23,е биты В0 и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет (рис. 7.23,з) включены два опережающих флага h₁, h₀, которые используются для классификации различных пакетов передачи.

Кодирование и перемежение в полноскоростном канале передачи данных. Для повышения эффективности применения сверточно-го кодирования в полноскоростных каналах передачи данных необходим длительный период перемежения. В этих каналах внутрикадровое перемежение (IBI/B) реализуется для степени перемежения I = 19, что приводит к задержке передачи данных на 19 х 116 = 2204 бита. Если биты 1-го пакета (временного интервала) до перемежения обозначить как С(Кт),  т =  1, . . ., 116, то схема перемежения,  т.е. позиции бит

после перемежения, определяется следующей формулой:

I(K+j,j+19t) = C(Km)

для всех К,  где j = m mod 19, t = m mod 6.

Эта схема перемежения иллюстрируется примером на рис. 7.26.

Кодирование   и   перемежение   в   каналах   управления.На рис. 7.27 показан алгоритм защиты от ошибок данных, передаваемых по каналам управления. Эта схема используется для всех логических каналов управления, за исключением блоков данных в канале синхронизации (SCH) и данных в канале параллельного доступа (RACH). Радиосистема принимает по линии передачи данных блоки длиной п = 184. Сначала они защищаются укороченным двоичным циклическим кодом (Fire-код) с формирующим  полиномом  вида

g(D) = {D²³ + l)(D¹⁷ + D³ + 1).

В систематическом виде последовательность кодированных циклическим кодом информационных бит над полем GF(2) отображается полиномом   вида

U(0)D²²³ + U(1)D²²² + ... + U(222)D + U(223),

где U(0),U(1),...,U(183) — информационные биты;   U (184)), U (185),  ..,U(223) — биты  проверки  на четность.

В результате сформированный блок из 224 бит (включая 40 бит проверки  на  четность) дополняется  четырьмя  концевыми  (нулевыми)

битами для получения равной защиты для последних бит.

Полученная в результате блочного кодирования последовательность подвергается кодированию сверточным кодом со скоростью г = 1/2 (идентичен коду TCH/FS), который задается полиномами:

G0 = 1 + D³ + D⁴    и    G1=l + D + D² + D⁴.

В результате сверточного кодирования формируется блок из 456 кодированных бит {С(0),..., С(455)}.

Так же, как и в полноскоростном речевом канале (см. рис. 7.23), полученная кодированная последовательность подвергается упорядочению и разделению на 8 пакетов по 57 бит {B(0),..., 5(7)}. Каждый пакет состоит из блоков. Блок j, обозначаемый B_j = {b(j, 0), b(j, 1),..., b(j, 56)}, формируется из 456 кодированных бит по правилу Ь^^ = с(к), определяемому табл.  7.4.

Блочно-диагональное и внутрикадровое перемежение осуществляется так же, как и в полноскоростном речевом канале (см. рис.7.25.е).

Полная последовательность выполнения операций кодирования и перемежения для всех каналов связи и управления GSM показана на рис. 7.28. В представленной схеме для каналов управления SACCH, РСН, AGCH, SDCCH используется блочное прямоугольное перемеже-ние/деперемежение. Алгоритм прямоугольного перемежения иллюстрируется на рис. 7.29. При перемежении кода (п, k,t)dn символьных длинных кодированных слов записываются кодирующим устройством в память перемежителя строка за строкой, а затем передаются в модулятор столбец за столбцом. В приемнике после демодулятора деперемежитель обратной операцией восстанавливает первоначальный порядок символов,  после чего осуществляется декодирование.

7.1.3. Особенности обеспечения безопасности

информации в системе сотовой подвижной радиосвязи стандарта GSM

Общая характеристика безопасности связи

Сотовые системы подвижной связи нового поколения в состоянии (^принять всех потенциальных пользователей, если будет гарантирована безопасность связи.

В стандарте GSM термин «безопасность» понимается как исключение несанкционированного использования системы и обеспечение секретности переговоров подвижных абонентов. Определены следующие механизмы безопасности в стандарте GSM:

•  аутентификация;

•  секретность передачи данных;

•  секретность абонента;

•  секретность направлений соединения абонентов.

Защита сигналов управления и данных пользователя осуществляется только по радиоканалу. Режимы секретности в стандарте GSM определяются Рекомендациями, приведенными в табл. 7.5.

Далее рассмотрим механизмы безопасности в стандарте GSM, общий состав секретной информации, а также ее распределение в аппаратных средствах GSM системы. При этом будем использовать термины и обозначения,  принятые в рекомендациях GSM.

Механизмы аутентификации. Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы в стандарте GSM реализуются механизмы аутентификации — проверки подлинности абонента.

Таблица   7.5

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который  содержит:

•  международный идентификационный  номер подвижного абонента (IMSI);

•  свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki);

•  алгоритм аутентификации  (A3).

С помощью заложенной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим  образом.

Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. Подвижная станция определяет значение отклика (SRES), используя RAND,  Ki и  алгоритм  A3:

SRES = K_i, [RAND].

Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция может осуществлять передачу сообщений. В противном случае связь прерывается и индикатор подвижной станции должен показать, что опознавание  не состоялось.

По причине секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (такая, как K_i) не подвергается обработке в модуле SIM. Процедура аутентификации иллюстрируется рис. 7.30.

Секретность передачи данных

Ключ шифрования. Для обеспечения секретности передаваемой по радиоканалу информации вводится следующий механизм защиты. Все конфиденциальные сообщения должны передаваться в режиме защиты информации. Алгоритм формирования ключей шифрования (А8) хранится в модуле SIM. После приема случайного номера RAND подвижная станция вычисляет, кроме отклика SRES, также и ключ шифрования

(К_с), используя RAND, K_i - и алгоритм А8 (рис. 7.31):

К_с = K_i [RAND].

Ключ шифрования Кс не передается по радиоканалу. Как подвижная станция, так и сеть вычисляют ключ шифрования, который используется другими подвижными абонентами. По причине секретности вычисление  K_с происходит в SIM.

Числовая последовательность ключа шифрования. Кроме случайного числа RAND сеть посылает подвижной станции числовую последовательность ключа шифрования. Это число связано с действительным значением K_с и позволяет избежать формирования неправильного ключа. Число хранится подвижной станцией и содержится в каждом первом сообщении, передаваемом в сеть. Некоторые сети принимают решение о наличии числовой последовательности действующего ключа шифрования в случае, если необходимо приступить к опознаванию или если выполняется предварительное опознавание, используя правильный ключ шифрования. В некоторых случаях это допущение реально  не обеспечивается.

Установка режима шифрования. Для установки режима шифрования сеть передает подвижной станции команду CMC (Ciphering Mode Command) на переход в режим шифрования. После получения команды CMC подвижная станция, используя имеющийся у нее ключ, приступает к шифрованию и дешифрованию сообщений. Поток передавемых данных шифруют бит за битом или поточным шифром, используя алгоритм шифрования А5 и ключ шифрования К_с. Процедура установки режима шифрования показана на рис. 7.32.

Обеспечение секретности абонента. Для исключения определения (идентификации) абонента путем перехвата сообщений, передаваемых по радиоканалу, каждому абоненту системы связи присваивается «временное удостоверение личности» — временный международный идентификационный номер пользователя (TMSI), который действителен только в пределах зоны расположения (LA). В другой зоне расположения ему присваивается новый TMSI. Если абоненту еще не присвоен временный номер (например, при первом включении подвижной станции), идентификация проводится через международный идентификационный номер (IMSI). После окончания процедуры аутентификации и начала режима шифрования временный идентификационный номер TMSI передается на подвижную станцию только в зашифрованном виде. Этот TMSI будет использоваться при всех последующих доступах к системе. Если подвижная станция переходит в новую область расположения, то ее TMSI должен передаваться вместе с идентификационным номером зоны (LAI), в которой TMSI был присвоен абоненту.

Обеспечение секретности в процедуре корректировки местоположения. При выполнении процедуры корректировки местоположения по каналам управления осуществляется двухсторонний обмен между MS и BTS служебными сообщениями, содержащими временные номера абонентов TMSI. В этом случае в радиоканале необходимо обеспечить секретность переименования TMSI и их принадлежность конкретному абоненту.

Рассмотрим, как обеспечивается секретность в процедуре корректировки местоположения, когда абонент проводит сеанс связи и при этом осуществляет перемещение из одной зоны расположения в другую.

В этом случае подвижная станция уже зарегистрирована в режиме перемещения VLR с временным набором TMSI, соответствующим прежней зоне расположения. При входе в новую зону расположения осуществляется процедура опознавания, которая проводится по старому, зашифрованному в радиоканале TMSI, передаваемому одновременно с наименованием зоны расположения LAI. LAI дает информацию центру коммутации и центру управления о направлении перемещения подвижной станции и позволяет запросить прежнюю зону расположения о статусе абонента и его данные, исключив обмен этими служебными сообщениями по радиоканалам управления. При этом по каналу связи сообщение передается как зашифрованный информационный текст с прерыванием сообщения в процессе «эстафетной передачи» на 100-150 мс.

Процедура корректировки местоположения, включающая характеристики секретности,  показана на рис. 7.33.

Общий состав секретной информации и ее распределение в аппаратных средствах GSM. В соответствии с рассмотренными механизмами безопасности, действующими в стандарте GSM, секретной считается следующая  информация:

RAND — случайное число, используемое для аутентификации подвижного  абонента;

SRES — значение отклика — ответ подвижной станции на полученное  случайное  число;

К_i — индивидуальный ключ аутентификации пользователя, используемый для вычисления значения отклика и ключа шифрования;

Kс — ключ шифрования, используемый для шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя в радиоканале;    

A3 — алгоритм аутентификации, используемый для вычисления значения отклика из случайного числа с использованием ключа Ki;

А8 — алгоритм формирования ключа шифрования, используемый для вычисления ключа Кс из случайного числа с использованием ключа   K_i;

А5 — алгоритм шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя с использованием ключа К_с;

CKSN — номер ключевой последовательности шифрования, указывает на действительное число К_с, чтобы избежать использования разных ключей на передающей и приемной сторонах;

TMSI — временный   международный  идентификационный   номер пользователя.

В табл. 7.6 показано распределение секретной информации в аппаратных средствах системы связи GSM.

Обеспечение секретности при обмене сообщениями между HLR, VLR и MSC. Основным объектом, отвечающим за все аспекты безопасности, является центр аутентификации (AUC). Этот центр может быть отдельным объектом или входить в состав какого-либо оборудования, например в регистр местоположения (HLR).

AUC решает следующие задачи:

• формирование индивидуальных ключей аутентификации пользователей K_i и соответствующих им международных идентификационных номеров абонентов (IMSI);

•  формирование набора RAND/SRES/ K_с  для каждого IMSI и раскрытие этих групп для HLR при необходимости.

Если подвижная станция переходит в новую зону расположения с новым VLR, новый VLR должен получить секретную информацию об этой подвижной станции. Это может быть обеспечено двумя способами:

•  подвижная станция проводит процедуру идентификации по своему международному номеру IMSI. При этом VLR запрашивает у регистра местоположение HLR группы данных RAND/SRES/ K_с,  принадлежащих данному IMSI;

•  подвижная станция проводит процедуру аутентификации, используя прежний временный номер TMSI с наименованием зоны расположения LAI. Новый VLR запрашивает прежний VLR для посылки международного номера IMSI и оставшихся групп из RAND/SRES/ K_с, принадлежащих этим TMSI/LAI.

Если подвижный абонент остается на более длительный период в VLR, тогда после некоторого количества доступов с аутентификацией VLR из соображений секретности потребует новые группы RAND/SRES/ К_с   от   HLR.

Все эти процедуры определены в Рекомендации GSM 09.02.

Проверка аутентификации выполняется в VLR. VLR посылает RAND на коммутационный центр (MSC) и принимает соответствующие отклики SRES. После положительной аутентификации TMSI размещается с IMSI. TMSI и используемый ключ шифрования К_с посылаются в центр коммутации (MSC). Эти же процедуры определяются в Рекомендации GSM   09.02.

Передача секретной информации по радиоканалу уже описана в предыдущих разделах и определена в Рекомендации GSM 04.08.

Модуль подлинности абонента. Введение режима шифрования в стандарте GSM выдвигает особые требования к подвижным станциям. В частности, индивидуальный ключ аутентификации пользователя K_i, связанный с международным идентификационным номером абонента IMSI, требует высокой степени защиты. Он также используется в процедуре  аутентификации.

Модуль подлинности абонента SIM содержит полный объем информации о конкретном абоненте.   SIM реализуется конструктивно в виде карточки с встроенной электронной схемой. Введение SIM делает подвижную станцию универсальной, так как любой абонент, используя свою личную SIM-карту, может обеспечить доступ к сети GSM через любую  подвижную станцию.

Несанкционированное использование SIM исключается введением в SIM индивидуального идентификационного номера (PIN), который присваивается пользователю при получении разрешения на работу в системе связи и регистрации его индивидуального абонентского устройства.

Основные характеристики модуля SIM определены в Рекомендации GSM 02.17. Состав секретной информации, содержащейся в SIM, показан  в  табл.  7.6.

В заключение следует отметить, что выбранные в стандарте GSM механизмы секретности и методы их реализации определили основные элементы передаваемых информационных блоков и направления передачи, на которых должно осуществляться шифрование (RAND/SRES/A'C от HLR к VLR; RAND и SRES — в радиоканале). Для обеспечения режима секретности в стандарте GSM решены вопросы минимизации времени соединения абонентов. При организации систем сотовой радиосвязи по стандарту GSM имеется некоторая свобода в применении аспектов безопасности. В частности, не стандартизованы вопросы использования центра аутентификации AUC (интерфейс с сетью, структурное размещение AUC в аппаратных средствах). Нет строгих рекомендаций на формирование закрытых групп пользователей и системы приоритетов, принятых в GSM. В этой связи в каждой системе связи, использующей стандарт GSM, эти вопросы решаются самостоятельно.

7.2. Практические аспекты защиты

информации в системе сотовой

подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов

7.2.1. Особенности построения и функционирования систем сотовой радиосвязи стандарта IS-95

В середине 80-х годов наряду с GSM на роль общеевропейского стандарта претендовали еще четыре кандидата, два из которых, CD900 и MATS-D, использовали различные формы кодового разделения каналов. Однако в силу ряда причин данные проекты не были востребованы при построении радиоинтерфейса Глобальной системы мобильной связи.

Несмотря на то что технология CDMA была достаточно хорошо изучена и реализована в военной связи, ее использование в системах коммерческой сотовой связи сдерживал ряд серьезных проблем. Важнейшие из них — необходимость быстродействующей и высокоточной системы регулировки мощности, сложность синхронизации адресных последовательностей и недостаточно высокий уровень технологии изготовления   оборудования.

В системе CDMA мощности сигналов подвижных станций (ПС) на входе приемника базовой станции (БС) не должны отличаться более чем на ±1 дБ. В противном случае сигналы одних абонентов будут маскироваться более мощными сигналами других, что приведет к потере связи и, как следствие, к резкому ограничению пропускной способности сети. Избежать этого можно с помощью высокоэффективной системы автоматической регулировки мощности передатчиков ПС, способной отслеживать средний уровень потерь на трассе распространения сигналов, а также медленные и быстрые замирания, возникающие при передвижении  мобильных абонентов.

Решение проблемы синхронизации адресных последовательностей осложняется тем, что, во-первых, работа в условиях многолучевого распространения сигналов значительно затрудняет точную настройку (мешают пики корреляционных функций по другим лучам), а во-вторых, передвижения мобильных абонентов приводят к необходимости постоянной подстройки генераторов адресных последовательностей БС и ПС. Это требует разработки специальных быстродействующих алгоритмов синхронизации.

И наконец, уровень развития технологической базы, прежде всего технологии изготовления СБИС, долгое время не позволял изготовить сетевое оборудование с требуемыми надежностными, массогабаритными  и  ценовыми  параметрами.

Названные проблемы были успешно решены американскими фирмами Qualcomm, InterDigital, Motorola. На основе предложений фирмы Qualcomm был принят первый действующий стандарт мобильной сотовой связи с кодовым разделением каналов IS-95 (коммерческое название cdmaOne). 28 сентября 1995 г. компания Hutchison Telephone (Гонконг) открыла коммерческую эксплуатацию сети сотовой связи на основе этого стандарта и оборудования фирмы Motorola (США).

Общая характеристика подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов стандарта IS-95

Как было упомянуто, первый действующий стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым разделением каналов (CDMA) впервые был разработан фирмой Qualcomm (США). Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов Ассоциации промышленности связи (TIA):

IS-95 — радиоинтерфейс;                                      

IS-96 — речевые службы;                               

IS-97 — подвижная  станция;                          

IS-98 — базовая станция;                                      

IS-99 — службы  передачи данных.        

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, выделенном для сотовых систем стандартов AMPS, M-AMPS и D-AMPS (стандарты TIA IS-19, IS-20, IS-54, IS-55, IS-56, IS-88, IS-89, IS-90, IS-553). Общая полоса частот канала связи составляет 1,25 МГц. Одному оператору cdmaOne может быть выделен максимальный диапазон частот 12,5 МГц в стволах ПС→БС и БС→ПС, что соответствует 10 полосам по 1,25 МГц.

Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA, поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не требуется специального оборудования шифрования сообщений.

Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений.

Основные характеристики стандарта CDMA Qualcomm и технические параметры оборудования сетей

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение. Это значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на БС используется четыре параллельно работающих коррелятора, а на ПС — три коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим эстафетной передачи (soft handoff) при переходе из соты в соту. Суть его состоит в обеспечении управления одной подвижной станцией одновременно двумя или более базовыми станциями. Как показано на рис. 7.34, транскодер, входящий в состав основного оборудования, осуществляет оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Выбор лучших кадров по результатам парных сравнений приводит к тому, что результирующий сигнал, формируемый в процессе непрерывной коммутации и «склеивания» кадров, превосходит по качеству сигналы от базовых станций, участвующих в эстафетной передаче. Мягкое переключение гарантирует высокое качество приема речевых сообщений и устраняет перерывы в сеансах связи при переходе из одной соты в другую, что имеет место в сотовых сетях связи других стандартов.

Быстродействующая система автоматического регулирования мощности (АРМ) передатчиков MS не только обеспечивает заданный средний уровень сигнала при приеме на БС, но и существенно компенсирует быстрые замирания на трассе распространения. Эффективная работа системы АРМ MS облегчает работу приемника БС, снижает уровень внутрисистемных шумов, увеличивает помехоустойчивость и повышает пропускную способность сети связи.

На рис. 7.35 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA, основные элементы которой (БС, BSC, MSC, OMS) аналогичны используемым в сотовых сетях с частотным (NMT-450/900, AMPS, TACS) и временным (GSM, DCS-1800, PCS-1900,

Рис. 7.34. Механизм эстафетной передачи в IS-95

D-AMPS, JDC) разделением каналов. Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA включены устройства оценки качества и выбора кадров (SU). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handoff).

Протоколы установления связи в CDMA, так же как в других стандартах, основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией — обратными (Reverse). Структура каналов в стандарте IS-95 показана на рис. 7.36.

Прямые каналы в CDMA:

Пилотный (ведущий) канал используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля сигналов базовой станции  по времени,   частоте и  фазе.

Канал синхронизации обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции.

После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы  установления соединения.

Канал вызова используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).

Канал прямого доступа предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции   на  подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

Канал доступа обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова (Paging Channel), команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (группируются)  с каналами  вызова.

Канал обратного трафика — обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую  станцию.

Особенности регистрации подвижных станций в системах CDMA. Особенностью функционирования систем сотовой связи является периодическая регистрация ПС. Это процедура, в ходе которой ПС извещает БС о своем местонахождении и передает ей некоторую служебную  информацию.

Эксплуатация системы сотовой связи предполагает поддержание некоторого оптимального соотношения между частотой регистрации ПС и размером зоны поиска ПС, при котором сетевой ресурс используется наиболее эффективно. Частоту регистрации ПС определяет и поддерживает оператор сотовой связи с учетом следующих особенностей. С одной стороны, если ПС не будет регистрироваться, MSC лишится сведений о том, включена ли ПС, находится ли она в его зоне обслуживания, а если находится, то где именно. Поэтому нагрузка на каналы персонального вызова высока, так как поисковые сообщения придется передавать по всей сети. С другой стороны, частые регистрации ПС, позволяя MSC локализовать зону ее поиска, увеличивают нагрузку на каналы доступа, а следовательно, и на каналы персонального вызова, по которым БС передают подтверждение  регистрации.

Стандарт cdmaOne предусматривает восемь форм регистрации ПС в  сети.

1.  При включении ПС. ПС регистрируется каждый раз при включении, а также при переходе на обслуживание в сеть из другой системы.

2.   При выключении  ПС.

3.   По сигналу таймера.

4.  По измеренной дистанции.   ПС регистрируется, как только расстояние между ней и местом ее последней регистрации превысит порог.

5.  По зоновому принципу.    ПС регистрируется  при переходе в новую  зону  сети.

6.  При изменении контрольных параметров.   Например, при изменении номера слота в канале персонального вызова.

7.   По команде с БС.

8.  По умолчанию.   Каждый раз при использовании ПС канала доступа БС может установить ее местонахождение.

Первые шесть форм регистрации — автоматические, поскольку ПС регистрируется без дополнительных указаний со стороны БС. При проведении автоматических регистрации оператор сети имеет возможность изменять (устанавливать) пороговые значения контрольных величин (время срабатывания таймера, пороговая дистанция, размер зоны и т.п.). Для повышения эффективности процесса обеспечения связи целесообразно применять комбинацию сразу нескольких форм регистрации. Информацию об используемых формах регистрации и соответствующих контрольных величинах БС передают по каналам персонального вызова с помощью сообщения системных параметров (System Parameter Message).

Например, при регистрации по измеренной дистанции БС сообщают свои координаты и пороговую дистанцию. Каждый раз, получая координаты новой БС, ПС определяет текущее расстояние до места последней регистрации. Как только порог будет превышен, последует процедура регистрации и новая БС станет точкой отсчета и центром текущей зоны  поиска   ПС.

Особенности прохождения вызовов в системах CDMA

Стандарт cdmaOne  предусматривает  обслуживание  вызовов трех типов:

•  исходящий из сети— ПС инициирует соединение с абонентом стационарной телефонной сети общего пользования (PSTN);

•  входящий в сеть — абонент PSTN инициирует соединение с ПС;

•  внутрисетевой — одна ПС инициирует соединение с другой ПС, в этом случае все процедуры,  связанные с обслуживанием  вызова, проходят внутри сети сотовой связи без обращения к PSTN. Рассмотрим обслуживание исходящего из сети вызова.

После набора номера и нажатия клавиши (SEND) ПС посылает на БС начальное сообщение; БС извещает MSC о поступившем запросе на соединение. MSC проверяет номер ПС, резервирует линию PLMN-PSTN и посылает подтверждение на БС; БС присваивает ПС канал трафика. Подвижная станция принимает сообщение БС по каналу прямого трафика и начинает передачу по каналу обратного трафика. Базовая станция принимает посылку ПС и по каналу прямого трафика передает сообщение о завершении инициализации канала трафика.

Система cdmaOne обеспечивает быстрое предоставление ПС канала трафика. При этом сигнализация осуществляется с минимальной скоростью передачи данных, а следовательно, и с минимальной мощностью передачи. Это позволяет за счет снижения уровня интерференционных помех экономно расходовать частотно-временной ресурс системы.

БС по завершении инициализации канала трафика разрешает ПС для повышения безопасности связи использовать индивидуальный длинный   код.

При входящем в сеть вызове MSC принимает поступивший от PSTN вызов, проверяет номер адресуемой ПС и инициирует ее поиск. Подвижная станция принимает поисковое сообщение по каналу персонального вызова и передает ответ по каналу доступа, после чего ей выделяют канал трафика. Инициализация канала трафика протекает аналогично рассмотренному выше случаю.

Особенности эстафетной передачи в системах CDMA. В стандарте cdmaOne фирмы Qualcomm реализовано три сценария эстафетной   передачи  (ЭП)  ПС:

•  межсистемная — между сотами разных зон обслуживания, с разными MSC, или при переходе из одного частотного диапазона (полосы частот 1,25 МГц)  в другой;

•  межсистемная ЭП всегда жесткая (hard handover);

•  межсистемная,  с переключением   ПС в аналоговую систему сотовой связи — жесткая ЭП;

•  внутрисистемная — в пределах одной зоны обслуживания, без изменения диапазона частот; может проходить в мягком режиме (soft handover).

В свою очередь, внутрисистемная мягкая ЭП может быть трех типов:

•  межсотовая — ПС переходит из одной соты в другую (soft handover);

•  межсекторная — ПС переходит из одного сектора в другой внутри соты  (softer handover);

•  межсотовая/межсекторная — в процессе эстафетной передачи ПС поддерживает связь с разными сотами/секторами (soft/softer handover).

Алгоритм жесткой эстафетной передачи в системах CDMA аналогичен алгоритмам других сотовых систем мобильной связи. Когда уровень мощности принимаемого от ПС сигнала становится меньше заданного порога, обслуживающая базовая станция посылает соответствующее сообщение в MSC. По сигналу MSC базовые станции соседних сот, используя специальные сканирующие приемники, измеряют уровни сигнала от заданной ПС. Если результаты измерений хотя бы одной БС превышают некоторый порог, MSC инициирует эстафетную передачу. При этом MSC выделяет ПС один из свободных каналов трафика в новой соте и переключает вызов из старой соты в новую. При жесткой эстафетной передаче неизбежны перерывы связи, длительности которых определяются характеристиками системы.

В ходе мягкой эстафетной передачи ПС одновременно использует несколько каналов связи (старые и новые). Так, в системе CDMA Qualcomm при межсотовой эстафетной передаче может быть задействовано до трех соседних сот, а при межсекторной — два сектора одной соты. Последующая обработка кадров, переданных/принятых БС, обеспечивает высокое качество связи и делает эстафетную передачу практически  незаметной для абонента.

В системе cdmaOne все ПС, находящиеся в активном режиме или в режиме ожидания, измеряют параметры пилотных сигналов БС и сравнивают их с пороговыми значениями.   

Рис. 7.37. Мягкая эстафетная передача в системе cdmaOne

По результатам измерений  ПС MSC заносит каждый канал БС в один из четырех списков:

•  активные каналы (active set) — текущие рабочие каналы, используемые   ПС;

•  каналы-кандидаты (candidate set) — каналы, по своим параметрам близкие к активным.    Если при мягкой эстафетной передаче требуется дополнительный  рабочий  канал,   его выбирают  из списка кандидатов;

•  граничные  каналы  (neighbour set) — каналы,   которые наиболее близки к основным каналам, но не могут быть отнесены к ним хотя бы  по одному из критериев;

•  остальные каналы (remaining set) — все оставшиеся каналы.

В процессе работы ПС отслеживает наиболее сильные многолучевые компоненты сигналов в пилотном канале и оценивает их мощность. Полученные оценки ПС сравнивает с порогом включения T_add (add threshold) и порогом исключения Т_drop (drop threshold). Как только уровень любого пилотного сигнала, не относящегося в данный момент к списку активных, превышает порог T_add, ПС сообщает о значении его мощности (Pilot Strength Measurement Message) на БС по каналу обратного трафика, а БС сигнализирует на MSC. Каждый MSC системы cdmaOne содержит селектор (рис. 7.37), который:

•  обрабатывает результаты измерений  ПС;

•  определяет необходимость инициирования эстафетной передачи;

•  посылает запрос контроллеру MSC (если мягкая эстафетная передача  возможна).

Контроллер MSC обрабатывает поступивший запрос и подключает нужный  контроллер  БС (BSC).

BSC принимает запрос, выделяет ПС свободный канал трафика и посылает подтверждение на MSC. Селектор MSC по команде контроллера  инициирует  передачу на  выделенном  канале и  передает  на  BSC команду «начать эстафетную передачу».

BSC транслирует команду на ПС, которая:

•  получает  команду  и   настраивается   на   выделенный   новый   канал трафика;

•  посылает на БС по каналу обратного трафика сообщение об установлении режима мягкой эстафетной передачи;

•  начинает работу в режиме мягкой эстафетной передачи,   используя  выделенные  каналы.

При мягкой эстафетной передаче задействованные БС восстанавливают (см. рис. 7.37) кадры трафика, переданные ПС по обратному каналу, и транслируют их на MSC. (В случае межсотовой/межсекторной эстафетной передачи БС предварительно комбинирует сигналы, принятые в двух секторах одной соты.) Селектор анализирует качество приема в каждой ветви пространственного разнесения и из поступающих кадров формирует результирующий сигнал. Подвижная станция, принимая сигналы разных БС, подвергает их когерентной обработке с последующим оптимальным  весовым сложением.

Из-за передвижений мобильного абонента изменяется энергетика сигналов, принимаемых ПС. При падении уровня сигнала одного из активных пилотных каналов ниже порога T_drop ПС запускает специальный таймер (handover drop timer) и вместе с измеренной мощностью передает на БС (и далее на MSC) текущее значение таймера. Если в течение отведенного времени уровень критического сигнала снова возрастет и превысит порог T_drop, таймер сбрасывают, останавливают, а канал оставляют в списке активных. Если порог превышен не будет, селектор принимает решение о завершении эстафетной передачи, удаляет текущий канал из списка активных, сигнализирует об этом ПС и сообщает MSC о завершении эстафетной передачи. По сигналу MSC BSC отключает канал трафика и пополняет им банк свободных каналов.    Эстафетная передача  ПС завершается.

Рассмотренный пример демонстрирует мягкую эстафетную передачу при нахождении ПС в активном режиме (regular handover). Если ПС находится в режиме ожидания (idle handover), процесс будет протекать  иначе.

В режиме ожидания ПС также непрерывно сканирует сигналы пилотного канала. При обнаружении более сильного пилотного сигнала MSC может инициировать процесс эстафетной передачи.

В соответствии с протоколом стандарта cdmaOne ПС принимает системную информацию по каналу персонального вызова. С помощью временного разделения канал персонального вызова делят на слоты длительностью 80 мс каждый. В процессе мягкой эстафетной передачи ПС в состоянии ожидания сканирует все слоты канала персонального вызова «новой» БС (т.е. работает в режиме без временного разделения). Как только ПС получает хотя бы одно адресованное ей сообщение по каналу персонального вызова от «новой» БС, она переходит в режим с временным разделением. На этом процесс мягкой эстафетной передачи  завершается.

Эффективность мягкой эстафетной передачи во многом определяется выбранными значениями порогов T_add. T_drop и времени срабатывания таймера. Выбор значений этих параметров осуществляется оператором с учетом необходимости разрешения следующих противоречий.

С одной стороны, установка низких порогов T_add, T_drop и большого времени срабатывания таймера приводит к расширению списка активных каналов и снижению частоты обновления списков. Качество связи при этом выше, поскольку в эстафетной передаче участвует большее количество БС и, следовательно, при приеме реализуется большая кратность разнесения. Но при этом возрастает нагрузка на каналы прямого трафика, повышается уровень взаимных помех в прямом канале.

С другой стороны,  при  установке высоких порогов  T_{add ,} T_drop  и  малого времени срабатывания таймера увеличивается частота обновления списков, но сохраняется системный ресурс, поскольку в эстафетной передаче будет задействовано меньшее количество БС. Это приведет к снижению кратности разнесения и качества связи при приеме, а также к повышению нагрузки на систему из-за возрастания скорости передачи системной  информации между ПС и  БС.

При этом необходимо понимать, что в стандарте cdmaOne увеличение числа задействованных при мягкой эстафетной передаче БС не может обеспечить неограниченный рост качества связи. Это происходит из-за того, что, сколько бы БС ни адресовалось к данной ПС, принять текущий кадр она может только от двух «лучших» из них (две ветви приемника ПС обрабатывают сигналы одной БС, одна ветвь — сигналы другой БС, после чего сигналы ветвей суммируются). В обратном канале связи стандарт предусматривает пространственное разнесение с последующим выбором лучших кадров селектором MSC. Иными словами, каждый раз при формировании текущего кадра выбирают сигнал, принятый одной из участвующих в мягкой эстафетной передаче базовых станций.

Особенности регулирования мощности в системах CDMA. В системах связи с кодовым разделением каналов особую актуальность приобретает решение задачи автоматической регулировки мощности, поскольку при отличии уровня сигналов в системе более чем на ±1 дБ сигналы одних абонентов будут маскироваться более мощными сигналами других. Это приведет к потере связи и, как следствие, к резкому ограничению пропускной способности сети.

В системе сотовой связи cdmaOne фирмы Qualcomm предусмотрена регулировка мощности как в прямом, так и в обратном канале связи. При этом особое внимание уделено регулированию мощности в широком динамическом диапазоне на ПС — в обратном канале.   В прямом канале регулирование мощности носит скорее номинальный характер: мощность БС изменяется в узком динамическом диапазоне для грубой коррекции отношения сигнал/шум в приемном тракте ПС.

Такое решение продиктовано особенностями построения и функционирования сети сотовой связи. Поскольку абонент с ПС свободно (произвольно) перемещается по обслуживаемой территории, физические каналы связи ПС→  БС имеют индивидуальный характер медленных и быстрых замираний сигналов. Поэтому для приведения уровня мощности сигналов ПС на входе приемника БС к заданному диапазону значений в обратном канале связи необходима быстродействующая высокоточная система автоматического регулирования мощности (АРМ).

В прямом канале на трассе распространения БС→ПС группового сигнала имеют место эквивалентные изменения канальных сигналов, т.е. посылки, переданные по каналам некоторой БС, испытывают одинаковые затухания и замирания. Следовательно, будут выдержаны энергетические соотношения между отдельными сигналами в пределах группового сообщения одной БС при приеме на ПС. Уникальность трасс распространения для каждой из ПС здесь не играет такой роли, как в канале ПС→БС, поэтому регулирование мощности в прямом канале связи проводится менее тщательно, чем в обратном. По существу, главное требование при регулировании мощности передатчиков БС в стандарте cdmaOne сводится к обеспечению минимально допустимого среднего уровня сигнала при приеме на ПС. Это, при некотором снижении возможностей системы, упрощает ее, так как отпадает необходимость в сложных внутрисетевых взаимодействиях для балансирования мощности  между отдельными   БС.

Рассмотрим некоторые технические аспекты АРМ в системе CDMA

Qualcomm.

Особенности регулирования мощности в обратном канале. Согласно стандарту IS-95 все БС в сети могут вести передачу в одном диапазоне частот. Наряду с другими сигналами каждая из БС излучает пилотный сигнал постоянной мощности. По циклическому сдвигу короткой ПСП подвижная станция определяет, какой базовой станцией был передан данный сигнал. Кроме этого, по уровню мощности принятого сигнала в пилотном канале ПС оценивает потери на трассе распространения от данной БС до ПС. Для этого ПС использует передаваемую в канале синхронизации информацию о мощности передатчика БС, приходящейся на излучение пилотного сигнала. В соответствии с оцененным уровнем потерь ПС устанавливает такую мощность передатчика, при которой уровень сигнала на входе приемника БС окажется в заданных пределах. Это так называемое регулирование мощности по схеме без обратной связи (ОС) (open loop). Оно предназначено для компенсации эффектов затухания и медленных замираний в обратном канале связи и имеет период регулирования около 30 мс.  Принцип работы АРМ без ОС

схож с принципом работы АРУ приемника и показан на рис. 7.38.

В то же время прямой и обратный каналы связи в системе cdmaOne разнесены по частоте (частотное дуплексирование каналов) и имеют различные коэффициенты передачи. В диапазонах частот, соответствующих прямому и обратному каналам, будут близки лишь средние значения затухания мощности сигнала на трассе распространения. Быстрые замирания сигналов в разнесенных частотных диапазонах протекают в общем случае независимо, поэтому после приема и обработки сигнала ПС БС оценивает отношение сигнал/шум в тракте приемника и сравнивает его с порогом. Величина сигнал/шум измеряется исходя из соотношения амплитуд Z_j сигналов на выходе субканалов корреляторов и частоты ошибочных кадров (Frame Error Rate, FER). По расхождению измеренного и порогового отношений сигнал/шум БС вырабатывает решение и посылает ПС по каналу прямого трафика корректирующие данные о точной подстройке уровня мощности передатчика. Подвижная станция получает команды регулирования каждые 1,25 мс и изменяет мощность передатчика с шагом ±0,5 дБ в динамическом диапазоне 85 дБ. Это быстрое регулирование мощности по схеме с обратной связью (ОС) (closed loop), главная задача которого состоит в компенсации эффектов быстрых замираний. Для минимизации задержки в петле регулирования соответствующие командные биты передаются без помехоустойчивого сверточного кодирования. Такое решение, несмотря на снижение качества работы системы АРУ из-за роста вероятности ошибки при передаче

бит управления, позволяет отслеживать быстрые замирания сигнала.

В стандарте cdmaOne для повышения эффективности работы сети реализована концепция адаптивного регулирования мощности: опираясь на измерения частоты ошибок в приемниках БС, MSC определяет оптимальные пороговые отношения сигнал/шум для каждой из обслуживаемых ПС. Применение адаптивных порогов позволяет уменьшить вероятность работы ПС с избыточной мощностью и, как следствие, повысить спектральную эффективность системы.

БС для передачи команд регулирования мощности ПС использует дельтамодулированные сигналы, которые либо увеличивают, либо уменьшают мощность передатчика ПС на фиксированную величину. Такие сигналы в системе cdmaOne позволяют эффективно отслеживать быстрые замирания при движении абонента со скоростью до 110 км/ч.

Таким образом, результирующую мощность передатчика ПС определяют две системы АРМ: с ОС и без ОС. Однако доминирующее влияние оказывает система с ОС, ориентированная на борьбу с быстрыми замираниями. В целом совместное использование двух механизмов регулирования мощности передатчиков ПС обеспечивает системе АРМ точность  и  динамичность.

Особенности регулирования мощности в прямом канале. Регулирование мощности передатчика БС осуществляется по командам ПС на основании проводимых ими измерений, т.е. по схеме с ОС. Для каждого канала прямого трафика мощность регулируется индивидуально. Основная задача системы АРМ в прямом канале — ограничение уровня внутрисистемных помех за счет уменьшения излучаемой БС мощности. При этом стремятся, чтобы каждая ПС работала с минимально допустимым средним уровнем мощности принимаемого сигнала.

В процессе функционирования БС периодически реализует процедуру уменьшения мощности излучения в канале прямого трафика. Мощность понижается до тех пор, пока ПС не зарегистрирует превышение порогового уровня частоты ошибочных кадров (FER) и не пошлет запрос на увеличение мощности передатчика БС. Базовая станция по командам ПС перераспределяет выделенный ей системой жестко ограниченный ресурс мощности, повышая мощность излучения в соответствующих каналах трафика. Изменения мощности излучения каналов трафика в этом случае невелики и составляют «0,5 дБ в диапазоне ±6 дБ. Такое регулирование проводится с периодом 15-20 мс, т.е. приблизительно с частотой следования кадров информации на выходе вокодера.

7.2.2. Особенности защиты информации в системе

сотовой радиосвязи стандарта IS-95

Аспекты безопасности в стандарте IS-95. Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых сообщений и данных об абонентах.   Прежде всего, он имеет более сложный, чем GSM, радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемежения с последующим «расширением» передаваемых сигналов с помощью составных широкополосных сигналов, сформированных на основе 64 видов последовательностей Уолша и псевдослучайных последовательностей с количеством элементов  2¹⁵  и  (2⁴² - 1).

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации  и  шифрования сообщений.

В стандарте IS-95 реализована процедура аутентификации, соответствующая стандарту IS-54B. Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи, осуществляется также с использованием процедур стандарта   IS-54B.

В ПС хранится один ключ А и один набор общих секретных данных. Подвижная станция может передавать «цифровую подпись» для аутентификации, состоящую из 18 бит. Эта информация передается в начале сообщения (в ответе ПС на запрос сети при поиске станции), добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных, передаваемых по каналу доступа. В ПС предусмотрена возможность обновления  общих секретных данных.

В стандарте IS-95 реализован режим «частный характер связи», обеспечиваемый использованием секретной маски в виде длинного кода. Этот процесс также аналогичен процессу формирования маски в виде длинного кода, описанному в стандарте IS-54B.

Особенности защиты информации в прямом канале связи системы cdmaOne. Прямой канал (ствол) связи системы cdmaOne включает 64 рабочих канала (рис. 7.39): один пилотный канал (pilot channel), один канал синхронизации (synchronization channel) и 62 канала передачи данных, из которых до 7 каналов могут быть использованы в качестве каналов персонального вызова (paging channel), а остальные (от 55 до 62 каналов) — для передачи прямого трафика (forward traffic channel). Для разделения каналов служат кодовые бинарные фазоманипулированные (БФМ) последовательности, представленные в табл. 7.7, сформированные на базе ансамбля ортогональных функций Уолша по следующему  алгоритму:

Адресная последовательность W₀ (константа) предназначена для организации пилотного канала, а адресная последовательность W32 (меандр) — для организации канала синхронизации. Каналы персонального вызова и прямого трафика используют другие 62 адресные последовательности.

Обратите внимание: в прямом канале связи функции Уолша используются для кодового разделения рабочих каналов (в обратном канале связи их функциональное назначение принципиально иное).

Как показано на рис. 7.40,в передающем тракте БС перенесение сигналов в каналах на адресные поднесущие осуществляется в два этапа. На первом этапе последовательностью информационных символов модулируют (операция «сумма по модулю 2») адресную БФМ-последовательность, сформированную на основе функций Уолша (W_i-) с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с. На втором этапе полученным потоком скремблируют («сумма по модулю 2») псевдослучайные БФМ-последовательности PN_I и PNq (PN — pseudonoise) в синфазном (I) и квадратурном (Q) каналах. Эти псевдослучайные последовательности (ПСП) не совпадают между собой и являются М-последовательностями. Они одинаковы для всех 64 каналов и имеют тактовую частоту 1,2288  Мбит/с.

В пилотном канале используется функция Уолша W₀, определяющая формирование последовательности из 64 нулей. Поэтому результирующая адресная последовательность в пилотном канале фактически определяется псевдослучайными последовательностями PN_I и PNq квадратурных каналов I и Q, являющимися М-последовательностями длиной 2¹⁵ символов (короткий код), сформированные на основе полиномов пятнадцатой степени PN_I(x) — х¹⁵ + х¹³ + х⁹ + х⁸ + х⁷ + х⁵ + 1 и PNq(x) = х¹⁵ + х¹² + х¹¹ + х¹⁰ + х⁶ + х⁵ + z⁴ + х³ + 1.

В канал синхронизации данные поступают со скоростью 1200 бит/с. После сверточного кодирования (9, 1/2) их скорость возрастает в 2 раза — до 2400 бит/с.    Затем информационная последовательность поступает на устройство повторения, на выходе которого формируется информационный поток со скоростью 4800 бит/с.

Далее следует процедура блокового перемежения в пределах кадров длительностью 20 мс. Перемежение применяется для преобразования возникающих при передаче в канале связи пакетов ошибок в одиночные ошибки. Это позволяет существенно снизить вероятность ошибки при декодировании информации. На выходе блокового перемежителя скорость информационного потока не изменяется — 4800 бит/с.

После перемежения информационная последовательность поступает на модулятор последовательностей Уолша. На входе модулятора каждый символ информационной последовательности имеет длительность, равную четырем периодам (по 64 бита) последовательности   Уолша:

1,2288 Мбит/с = 64·4·4800 бит/с.

На выходе модулятора тактовая частота информационного потока составляет 1,2288 Мбит/с. В канале синхронизации используется функция Уолша W₃₂, определяющая формирование последовательности типа   «меандр».

В каналах прямого трафика для передачи речи предусмотрено использование вокодера CELP с переменной (в зависимости от параметров речи абонента) скоростью преобразования: 8550, 4000, 2000 или 800 бит/с. Информация в каналах трафика передается кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи кодированной речевой информации, поступающей в канал, постоянна в течение кадра и составляет 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с. Сверточный кодер с длиной кодового ограничения 9 и скоростью 1/2 удваивает скорость информационного потока на выходе: 19200, 9600, 4800 или 2400 бит/с соответственно. Для выравнивания скорости потоков кодированной речевой информации до скорости 19200 бит/с применяется устройство повторения:

Рис. 7.40. Структурная схема передающего тракта базовой станции

19200 х 1 = 19200 бит/с; 9600 х 2 = 19200 бит/с; 4800 х 4 = 19200 бит/с; 2400 х 8  =  19200 бит/с.

Чем больше кратность повторения символов, тем меньшая мощность используется для их передачи по каналу связи. Это позволяет снизить уровень взаимных помех в системе и увеличить пропускную способность сети.

На ПС при приеме неизвестны скорость передачи информации и кратность повторения символов в текущем кадре. Поэтому декодер ПС осуществляет четыре варианта декодирования принимаемых сигналов с различными сочетаниями скорости передачи и кратности повторения. Истинная скорость передачи определяется по минимуму обнаруженных  ошибок.

Длинный код, формируемый на основе линейного полинома 42-й степени Р(х) = х⁴² + ж³⁵ + х³³ + х³¹ + х²⁷ + х²⁶ + х²⁵ + х²² + ж²¹ +х¹⁹ + х¹⁸ + х¹⁷ + х¹⁶ + х¹⁰ + х⁷ + х⁶ + х⁵ + х³ + х² + х + 1, являющийся М-последовательностью длиной 2⁴² - 1 яз 4,4 • 10¹² бит, несет информацию об индивидуальном номере абонента в сети.

Рис. 7.41.  Структура маски длинного кода канала прямого трафика

Необходимые для генерирования длинного кода данные — маска (начальное заполнение генератора) записаны в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) ПС. Они содержат 42 бита и включают фиксированную для всех каналов прямого трафика преамбулу из 10 бит и уникальный идентификатор обслуживаемой ПС — 32-битовый серийный номер (рис. 7.41).

Генерирование длинного кода осуществляется с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с, после чего устройство децимации (на рис. 7.40 не показано) понижает тактовую частоту до 19200 бит/с, оставляя каждый шестьдесят четвертый символ исходной последовательности. Сформированный таким образом длинный код поступает на один из входов скрем-блера. На второй вход поступает информационная последовательность с выхода блокового перемежителя (также со скоростью 19200 бит/с). Скремблер осуществляет суммирование по модулю 2 входных потоков. Скремблирование информации длинным кодом является мощным криптографическим средством, обеспечивающим высокую степень конфиденциальности  передаваемых сообщений.

Скремблированные данные мультиплексируют с информацией о регулировании мощности передатчиков ПС. Для этого отдельные символы поступающего на вход мультиплексора потока данных заменяют символами команд регулирования  мощности.

После мультиплексора поток данных со скоростью 19200 бит/с поступает на вход кодового модулятора. Номер применяемой в адресной последовательности функции Уолша однозначно определяет номер канала трафика БС. С выхода модулятора сложный сигнал с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с направляется в квадратурные каналы I и Q, где осуществляется его скремблирование едиными для всех 64 каналов псевдослучайными  последовательностями PN_I и PNq.

Каналы персонального вызова служат для передачи ПС системной информации и команд управления. Структура канала персонального вызова повторяет структуру канала прямого трафика. Различие состоит в том, что данные в каналы вызова поступают со скоростью 9600, 4800 или 2400 бит/с, информация в них не мультиплексируется с командами регулировки мощности и применяется другая маска длинного  кода  (рис.   7.42).                                                                                 

Сформированные в прямом канале связи квадратурные составляющие сигналов всех 64 рабочих каналов объединяются (суммируются

Рис. 7.42.  Структура маски длинного кода канала персонального вызова

с весами) в режиме линейного сложения. Сформированный групповой сигнал, имеющий синфазную и квадратурную компоненты, фильтруется в основной полосе частот (1,25 МГц) и поступает на схему 4-позиционной фазовой манипуляции ФМ-4 (Quaternary Phase Shift Keying, QPSK), где осуществляется его перенос на промежуточную частоту. Далее групповой сигнал переносится с промежуточной частоты на несущую, усиливается линейным усилителем мощности, и излучается передающей антенной   БС.

Особенности использования пилотного канала. Пилотный сигнал, непрерывно излучаемый БС, обеспечивает выполнение несколько функций. Во-первых, уровень мощности сигнала, излучаемого в пилотном канале, постоянен и на 4-6 дБ выше, чем в каналах трафика. Подвижная станция использует пилотный сигнал для выделения опорного колебания, необходимого для когерентной обработки сигналов БС при приеме. Во-вторых, результаты измерения мощности пилотных сигналов используются ПС при эстафетной передаче и при регулировании мощности передатчика БС. В-третьих, пилотный сигнал содержит информацию о едином времени, получаемую БС от спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR/GPS (Global Positioning System) каждую  четную  секунду.

Адресная последовательность пилотного канала (короткий код) представляет собой периодические последовательности PN_I и PNq, сформированные на основе полиномов пятнадцатой степени PN_I(x) = = x¹⁵ + x¹³ + x⁹ + x⁸ + x⁷ + x⁵ +1 и PN_Q(x) = x¹⁵ + x¹² + x¹¹+x¹⁰ + x⁶ + +х⁵ + х⁴ + х³ + 1, каждая из которых имеет длину 2¹⁵ = 32768 символов и периодом повторения 2¹⁵ бит/1,2288 Мбит/с = 26,66 мс.

Все БС в системе используют один короткий код, но с разными циклическими сдвигами. Сигналы, излучаемые БС в разных сотах и секторах, различаются по циклическому сдвигу короткого кода. Циклические сдвиги имеют равномерный шаг 2⁶ = 64 символа. То есть возможно 2¹⁵/2⁶ — 1 = 511 различных циклических сдвигов короткого кода относительно положения с условно нулевым сдвигом. Это означает, что даже в районах с микросотовой структурой существует твердая гарантия того, что сигналы разных БС будут распознаны при приеме. Даже если сеть содержит более 511 БС, то несложно добиться того, чтобы БС с одинаковыми циклическими сдвигами короткого кода не оказались одновременно в зоне радиовидимости одной  ПС.

Для обеспечения высокой точности циклических сдвигов в стандарте cdmaOne реализована концепция синхронизированных БС. Единое время в системе и высокая стабильность тактовых частот поддерживаются с помощью спутниковой системы радионавигации NAVSTAR/GPS.

Приемник ПС имеет в своем составе три параллельных основных канала корреляционной обработки сигналов и вспомогательный сканирующий канал. На первом этапе работы — этапе поиска сигналов БС, ПС использует вспомогательный сканирующий канал. Подвижная станция после захвата несущей частоты обрабатывает пилотный сигнал БС и выделяет из принимаемого многолучевого сигнала три наиболее мощные компоненты. Последующая обработка сигналов трех выбранных лучей в ветвях корреляционного приемника позволяет ПС отслеживать сигналы БС в условиях аддитивных и мультипликативных помех и оценивать с заданной точностью их амплитуды, фазы и временные задержки.

Такое применение трехканального приемника и пилотного сигнала делает возможным когерентный прием сигналов БС с трехкратным временным разнесением и последующим когерентным объединением ветвей. Это обеспечивает существенный энергетический выигрыш при приеме и, как следствие, высокую помехоустойчивость системы.

Особенности использования канала синхронизации. Процедура синхронизации ПС с БС фактически является процедурой доступа ПС к ресурсам сети  через данную  БС.

Подвижная станция синхронизируется с БС по короткому коду. Для этого ПС измеряет временные задержки сигналов в выделяемых лучах и подстраивает в корреляторах циклические сдвиги опорных ПСП. Далее ПС начинает сканировать канал синхронизации, использующий тот же короткий код, с тем же циклическим сдвигом, что и пилотный канал.

Каналы синхронизации всех БС используют одну функцию Уолша W32, обеспечивающую формирование меандра. Скорость передачи данных по каналу синхронизации составляет 1200 бит/с, а длина кадра равна периоду повторения короткого кода (26,66 мс). Поскольку канал синхронизации жестко связан по тактовой частоте и по сдвигу циклического кода с пилотным каналом, ПС получает доступ к синхроинформа-ции той БС, на пилотный канал которой она настроилась.

Сообщение канала синхронизации (Sync. Channel Massage) содержит:

•  данные о точном  времени  в системе;

•  циклический сдвиг короткого кода данной БС;

•  информацию идентификации  БС и  MSC;

•  мощность сигнала  в пилотном  канале;

•  параметры  длинного  кода;                                                           

•  скорость передачи данных в канале персонального вызова. Принимая сообщение канала синхронизации, ПС получает необходимую  информацию  для  начальной  синхронизации  с сетью,   т.е.  для доступа   в  сеть.

Особенности  использования  каналов  персонального вызова.

По завершении процедуры начальной синхронизации ПС настраивается на канал персонального вызова либо по команде с БС, либо в результате перебора имеющихся каналов (до семи каналов в полосе 1,25 МГц). Тем самым она получает доступ к системной информации и начинает принимать команды управления. Если команды управления от БС не поступают, то ПС переходит в режим ожидания, продолжая прослушивать канал персонального вызова и поддерживая готовность к установлению  соединения.

Скорость передачи информации в канале персонального вызова составляет 9600, 4800 или 2400 бит/с. Маска длинного кода зависит от номера канала персонального вызова и циклического сдвига ПСП в  пилотном   канале.

В каналах персонального вызова используются сообщения четырех  типов:                                                        

•  заголовок (Overhead  Message);     

•  пейджинг (Paging Message);      

•  ордер  (Order Message);

•  сообщение о назначении каналов (Channel Assigment Message).

Рассмотрим  их более подробно.

Система сотовой связи cdmaOne адаптивна. Ее конфигурация выбирается с учетом конкретных условий развертывания сети.  Информация о конфигурации системы доводится до абонентов с помощью четырех типов сообщений  заголовка:

• сообщение о параметрах системы (System Parametr Message);

•  сообщение о параметрах доступа (Access Parametr Message);

•  граничный список (Neighbour  List Message);

•  список каналов CDMA (Channel List Message).

Сообщение о параметрах системы содержит информацию о конфигурации канала персонального вызова, параметрах регистрации, вспомогательных параметрах при поиске пилотного сигнала и т.д.

Сообщение о параметрах доступа содержит сведения о конфигурации канала доступа ПС и некоторые параметры управления.

Граничный список содержит данные, позволяющие ускорить процесс эстафетной передачи, например циклический сдвиг короткого кода в пилотном канале, и другие параметры БС собедних сот.

Список каналов CDMA предоставляет ПС информацию о нахождении  каналов персонального вызова.

Пейджинг представляет собой сообщения (страницы), адресованные одной или нескольким ПС. Эти сообщения обычно передают те БС, которые находятся в зоне поиска ПС при входящем вызове в сеть. При скорости передачи 9600 бит/с один канал персонального вызова обеспечивает передачу до 180 страниц в течение одной секунды. Соответственно по семи каналам может быть передано до 1260 страниц в секунду.

Ордер охватывает широкий класс сообщений управления конкретными ПС, используемых для подтверждения регистрации ПС, для блокирования  ПС в состоянии сбоя и т.д.

Сообщения о назначении каналов .предназначены для предоставления ПС информации о выделяемом ей канале трафика, об изменении канала персонального вызова или для передачи команды о переключении  ПС в аналоговую систему сотовой связи.

Информация в канале персонального вызова передается либо сплошным потоком, либо в режиме временного разделения (Time Division Multiplexing, TDM), когда сообщения, адресованные конкретной ПС, передаются в заранее определенных временных интервалах — слотах. Период повторения слотов, выделенных для одной ПС, составляет от 2 до 128 с. Информацию о выделенном слоте ПС получает при регистрации на БС. Работа в TDM-формате позволяет ПС сканировать только свои слоты, отключаясь в перерывах между ними. Это обеспечивает существенную экономию источника питания ПС в состоянии ожидания.

Особенности использования каналов прямого трафика. Каналы прямого трафика предназначены для передачи сообщений трафика (речь и данные абонентов) и служебной информации (сигнализация) с  БС  на   ПС.

Кодированная речевая информация поступает в каналы трафика кадрами по 20 мс. При этом скорость передачи постоянна в течение кадра и составляет 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с в зависимости от параметров речи абонента. В паузах речи скорость информационного потока автоматически понижается до минимального значения. Передача трафика с адаптивной скоростью минимизирует уровень внутрисистемных помех и повышает пропускную способность сети.

Служебная информация, передаваемая по каналу прямого трафика,  может быть четырех типов:

• сообщения управления  вызовом,                      

• сообщения управления эстафетной передачей,

• команды регулирования  мощности,

• информация   обеспечения   безопасности  связи   и   аутентификации с      абонентов.

Стандартом предусмотрены два режима передачи служебной информации (сигнализации). При первом режиме (blank-and-burst) служебные сообщения передаются со скоростью 9600 бит/с. При этом кадры системной (служебной) информации замещают кадры трафика. Второй режим (dim-and-burst) обеспечивает передачу трафика и служебной информации в одном кадре: преобразование речи в вокодере при этом осуществляют не быстрее, чем 4000 бит/с (4800 бит/с в канале), а оставшийся ресурс используется для сигнализации. Результирующий кадр, таким образом, состоит из двух частей — трафика и служебной

Рнс.7.4З. Структура обратного канала связи системы cdmaOne

информации, а скорость передачи в нем составляет 9600 бит/с. Усложнение структуры кадра в режиме dim-and-burst позволяет повысить качество передачи речи по сравнению с режимом blank-and-burst.

Особенности защиты информации в обратном канале связи системы cdmaOne. Обратный канал (ствол) связи системы cdmaOne составляют (рис. 7.43) каналы доступа (access channel) (до 32) и каналы обратного трафика (reverse traffic channel) (до 64).

Канал доступа используется совместно с каналом персонального вызова для регистрации ПС в сети и выполнения начальных процедур по установлению соединения, то есть до предоставления ПС канала обратного трафика. Скорость передачи информации в канале доступа 4800 бит/с. Структурная схема передающего тракта канала доступа представлена на рис. 7.44. Как видно из рисунка, алгоритмы обработки информации в канале доступа и в канале обратного трафика аналогичны.

Канал обратного трафика предназначен для передачи речевых сообщений и служебной информации с ПС на БС. Речь абонента, преобразованная CELP-вокодером, со скоростью 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с поступает в тракт канала обратного трафика на сверточный кодер, имеющий длину кодового ограничения 9 и скорость 1/3. В процессе кодирования скорость потока данных возрастает (утраивается) до 28800, 14400, 7200 или 3600 бит/с соответственно. Затем, как и в прямом канале, в устройстве повторения скорость потока доводится до постоянной величины, равной 28800 бит/с: 28800 х 1 = 28800 бит/с; 14400 х 2 = 28800 бит/с; 7200 х 4 = 28800 бит/с; 3600 х 8 = 28800 бит/с.

После блокового перемежения информации в пределах кадров длительностью 20 мс поток со скоростью 28800 бит/с поступает на кодер Рида-Соломона I рода. Процесс кодирования осуществляется в два этапа. Сначала входящий поток двоичных символов разбивается на пакеты по 6 символов. При этом каждый пакет однозначно определяет число от 0 до 63 в десятичной системе счисления. После чего каждому пакету ставят в соответствие последовательность, имеющую период 64 бита и

Рис. 7.44. Структурная схема передающего тракта подвижной станции

сформированную с использованием одной из 64 функций Уолша:

После кодирования скорость информационного потака на выходе кодера составляет

28800 бит/с • 64 бит/6 бит = 307200 бит/с.

Важно отметить, что в обратном канале связи последовательности, сформированные с использованием функций Уолша, применяют для помехоустойчивого кодирования информации, в то время как в прямом канале их используют для расширения спектра частот и формирования адресных последовательностей.

После кодирования данные поступают на кодовый модулятор и скремблер, где осуществляется расширение базы сигнала и формирование его «адресных признаков».                                             В кодовом модуляторе применяется длинный  код (L =2⁴²-1).Все ПС сети в каналах обратного трафика используют один и тот же длинный код, но с различными значениями циклического сдвига. По величине сдвига БС различают сигналы обслуживаемых ПС. Маски длинного кода в каналах прямого и обратного трафика совпадают. При этом в канале обратного трафика не используется дециматор, поэтому структура кодовой последовательности сохраняется и тактовая частота остается неизменной — 1,2288 Мбит/с.

Сложный сигнал с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с с выхода кодового модулятора поступает в квадратурные каналы скремблера. Здесь осуществляется суммирование по модулю 2 сигнала с коротким кодом (L = 2¹⁵) — ПСП PN_I и PNq. Все ПС в системе используют один короткий код — тот же, что и в пилотных каналах БС. Однако циклический сдвиг короткого кода фиксирован и одинаков для всех ПС.

Далее результирующий сигнал фильтруется в основной полосе частот (1,25 МГц) и подвергается 4-позиционной фазовой манипуляции со сдвигом — СФМ-4 (Offset Quaternary Phase Shift Keying, OQPSK). Взаимный временной сдвиг сигналов в квадратурных каналах, равный половине бита, вводится для того, чтобы фаза манипулированного сигнала изменялась-с шагом ±7г/2. В этом случае одновременная смена символов в каждом из квадратурных каналов не вызовет нежелательных провалов огибающей радиосигнала. Манипулированное сообщение переносится с промежуточной частоты на несущую частоту, усиливается по мощности, подвергается полосовой фильтрации и подается на антенну   ПС.

Для повышения качества приема сигналов на БС реализуется пространственное разнесение с кратностью, определяемой количеством устанавливаемых антенн. RAKE-приемник БС включает четыре параллельных канала корреляционной обработки сигналов в каждой ветви пространственного разнесения, что позволяет осуществлять прием сигналов с 4-кратным временным разнесением. В каждом канале обрабатывается сигнал одного из выделенных лучей. Поиск наиболее мощных компонент принятого многолучевого сигнала производится с помощью двух дополнительных сканирующих каналов приемника.

Поскольку в стандарте cdmaOne ПС не излучают пилотных сигналов, в обратном канале связи при приеме используется некогерентная обработка сигналов. Последующее некогерентное сложение ветвей позволяет получить значительный энергетический выигрыш, что повышает помехоустойчивость системы в целом. Рассмотрим особенности функционирования приемника  БС (рис. 7.45).

После преобразования (перенос спектра сигнала на промежуточную частоту, балансная демодуляция и низкочастотная фильтрация) сигнал поступает в каналы корреляционной обработки (на рис. 7.45 показана структура одного канала). Квадратурные составляющие сигнала суммируются по модулю 2 сначала с длинным (2⁴² — 1) кодом, а затем — с коротким (2¹⁵).   При этом опорные кодовые последовательности по-

РИС. 7.45. Структурная схема канала корреляционной обработки приемника БС

ступают на сумматоры с требуемыми циклическими сдвигами и временными задержками. Результирующие последовательности поступают в блоки корреляторов. Каждый такой блок состоит из 64 параллельно включенных корреляторов. На опорные входы корреляторов поступают последовательности, сформированные на основе функций Уолша W₀-W_63. После корреляционной обработки производится суммирование выходных сигналов одноименных ветвей блоков корреляторов и возведение полученной суммы в квадрат. Эта процедура выполняется отдельно для синфазных и квадратурных составляющих сигнала. Затем посредством операций суммирования и извлечения квадратного корня находятся амплитуды откликов на выходе каждого из 64 субканалов.

Те же операции  выполняются  и  в трех других параллельных ветвях приемника БС. Далее выходы одноименных субканалов каждой из ветвей складывают с равными весами (этап некогерентного объединения):

где j — номер субканала, a Z — статистика сигнала на выходе RAKE-приемника в k-й ветви пространственного разнесения. Решающая статистика Z_j вычисляется в результате весового сложения статистик отдельных  ветвей.

Порядковый номер j каждого субканала (номер функции Уолша) соответствует пакету из шести двоичных символов. Решающее устройство выбирает субканал с максимальным Z_j, определяя тем самым текущие 6 бит информационной последовательности, и декодирует код Рида-Соломона 1-го рода. Далее символы восстановленной последовательности поступают на деперемежитель и сверточный декодер.

Таким образом, приемник БС осуществляет «прием в целом», функционируя по оптимальному правилу: формирует решающую статистику для всех возможных типов посылок и выбирает ту посылку, которой соответствует максимальная статистика. Такая обработка сигналов позволяет свести к минимуму вероятность ошибки и обеспечить качественную связь в условиях некогерентного приема, при воздействии замираний.

Особенности использования каналов доступа. Каналы доступа используются ПС для связи с БС до выделения им каналов обратного  трафика.

Скорость передачи данных по каналам доступа составляет 4800 бит/с. Маска длинного кода зависит от номера канала доступа, номера текущего канала персонального вызова, информации идентификации БС и циклического сдвига ПСП в пилотном канале БС.

ПС по каналу доступа  передает:

•  запрос на установление соединения;

•  ответ на пейджинговое сообщение в канале персонального вызова;

•  данные при регистрации  в системе.

Все каналы доступа, которые может использовать ПС, приписаны к определенным каналам персонального вызова (до 32 каналов доступа на один канал персонального вызова). Использование БС и ПС жестко связанных (ассоциированных) каналов упрощает протоколы обмена.

Процесс выбора канала доступа ПС случаен. Подвижная станция конфигурирует канал произвольно из имеющегося набора масок и циклических сдвигов длинного кода. Это может привести к тому, что несколько ПС, настроенных на один канал персонального вызова, начнут одновременно вести передачу, что, конечно же, вызовет сбои в их работе. Для предотвращения сбоев и удержания отношения сигнал/шум в обратном канале связи в заданных пределах БС постоянно контролирует текущее количество  ПС,   использующих  каналы  доступа.    При необходимости отдельным ПС (например, с низким приоритетом) дается команда освободить канал доступа. Для управления процессом использования каналов доступа БС передает информацию о параметрах доступа (Access Parameter Message) в заголовке (Overhead Message) канала персонального  вызова.

Особенности использования каналов обратного трафика. Каналы обратного трафика служат для передачи речи и данных абонентов с ПС на БС, а также для сигнализации, когда ПС уже выделен канал  трафика.

Стандарт cdmaOne позволяет организовать до 62 каналов обратного трафика на один канал персонального вызова.

Особенностью является то, что при обработке в тракте канала обратного трафика низкоскоростные информационные кадры (4800, 2400 или 1200 бит/с) компрессируют и передают со скоростью 9600 бит/с. Образовавшиеся при этом пробелы распределяются по псевдослучайному закону.

Структура сигналов в каналах системы cdmaOne. Системы сотовой связи стандарта IS-95 в меньшей мере, по сравнению с другими стандартами, привязаны к временной структуре пакетов передачи данных. Однако системы cdmaOne входят в ряд модификаций базового стандарта AMPS IS-54, сопрягающихся между собой и имеющих стробируемые пакеты данных. Это определило структуру сигналов системы   cdmaOne.

Канал синхронизации до процедуры кодирования представляет собой последовательность бит, передаваемых со скоростью 1,2 кбит/с кадрами по 32 бита длительностью 26,6(6) мс, состоящими из одного пакета и объединенными в суперкадры (три кадра) длительностью 80 мс. ' Синхронизирующая последовательность представлена на рис 7.46. Она состоит из сообщений и может иметь различную длину.

Каждое сообщение состоит из 8-битового поля MSG-L, переносящего информацию о длине последовательности в байтах (до 148 байт = 1184 бита); собственно тела сообщения MSG-B длиной 2-2002 бита (если оно не пустое), в том числе и индикатора вида сообщения MSG-T из 8 бит (в пустом сообщении MSG-T отсутствует); проверочной комбинации CRC (30 бит) и последовательности заполняющих бит Pd (нулей), доводящих общую длину капсулы сообщения до длины кратной 93 битам (93 x N). Капсула разбивается на блоки длиной 31 бит, которые совместно с дополнительным флаговым битом S формируют кадры, при этом S первого кадра суперкадра имеет значение 1, а в других двух кадрах — 0. Общая длина синхропоследовательности кратна числу суперкадров: по битам — N х 96 бит, по времени — N х 80 мс.

Вычисление проверочной комбинации для содержания битовых полей MSG-L и MSG-B в каналах синхронизации и других каналах, использующих CRC длиной 30 бит, осуществляется на основе порождающего

Рис. 7.46. Кадровая структура канала синхронизации

полинома g(х) = х³⁰ + х ²⁹ + х²¹ + х²⁰ + х ¹⁵ + х ¹³ + х ¹² + х ¹¹ + х ⁸ + х ⁷ + х ⁶ + х ² + х + 1 по следующему алгоритму.                                       

До начала вычисления  CRC все ячейки регистра сдвига заполняются логическими единицами  и все ключи  переводятся в верхнее положение (рис. 7.47).   Счетчик тактов работы принимает значение к =< (8 + длина тела сообщения в битах) бит.   После этого осуществляется к тактов работы регистра, для которого в качестве входных символов используются биты полей  MSG-L и MSG-B.  После этого ключи переводятся в нижнее  положение  и осуществляется 30 тактов работы  регистра,  выходные символы которого на этом интервале и формируют проверочную  комбинацию CRC.

Канал персонального вызова до процедур кодирования имеет две скорости передачи информации — 9,6 и 4,8 кбит/с и состоит из стробированных пакетов длительностью 20 мс и полупакетов длительностью 10 мс. Их битовая длина определяется скоростью передачи: 192 бита на пакет при скорости 9,6 кбит/с и 96 бит на полупакет при скорости 4,8 кбит/с. Сообщения канала персонального вызова имеют разную битовую длину и разделены на капсулы типовой структуры (рис. 7.48).

Капсула включает в себя сообщение, состоящее из индикатора MSG-L (8 бит) длины капсулы в байтах (до 148 байт = 1184 бита), тела сообщения MSG-B длиной 2.. .1146 бит, в том числе, когда сообщение не пустое, в него входит указатель типа сообщения MSG-T (8 бит) и проверочная комбинация CRC длиной 30 бит. Информация, содержащаяся в капсулах, передается с помощью пакетов канала персонального вызова, состоящих из двух полупаетов длительностью 10 мс, содержащих 0,01V бит, где V — эквивалент скорости канала (9,6 или 4,8 кбит/с).

Рис. 7.47. Схема вычисления CRC в канале синхронизации

Первый бит полупакета S является флаговым, а остальные 0,01V —1 Биты — частью капсулы. Восемь полупакетов формируют кадр длительностью 80 мс. Если по завершении сообщения вызывного канала до следующего флагового бита S осталось восемь и более бит, то биты заполнения не используются, а сразу начинается передача следующего сообщения (асинхронной капсулы), при этом флаговому биту присваивается значение 0. В случае, когда капсула сообщения передается непосредственно после флагового бита, ему присваивается значение 1. Первое вызывное сообщение каждого кадра транслируется в виде синхронной капсулы. Завершающим элементом временной структуры канала персонального вызова,  имеющим длительность 163,84 с (2048

кадров),  является  цикл.

Канал прямого трафика до процедуры кодирования имеет четыре скорости передачи информации: 1,2; 2,4; 4,8 и 9,6 кбит/с. Цифровые потоки с этими скоростями стробируются 20-миллисекундными пакетами. Сообщения канала прямого трафика имеют разную битовую длину и разделены на капсулы типовой структуры (рис. 7.49).

Капсула включает в себя сообщение, состоящее из индикатора MSG-L (8 бит) длины капсулы в байтах (до 148 байт = 1184 бита), тела сообщения MSG-B длиной 16-1160 бит, в том числе, когда сообщение не пустое, в него входит указатель типа сообщения MSG-T (8 бит) и проверочной комбинации CRC длиной 16 бит.

Длина капсулы должна быть кратна битовой длине 20-миллисе-кундных пакетов, для чего при необходимости сообщение дополняется нулевыми битами заполнения Pd. В пакет длительностью 20 мс в зависимости от скорости передачи входит различное число бит: при скорости 9,6 кбит/с — 192 бита (172 информационных), при скорости 4,8 кбит/с — 96 бит (80 информационных), при скорости 2,4 кбит/с — . 48 бит (40 информационных), при скорости 1,2 кбит/с —- 24 бита (16

Рис. 7.49.  Пакетная структура канала прямого трафика

информационных). Структура информационных битовых полей (до введения в пакеты хвостовых и индикаторных бит) зависит от назначения пакетов  (рис.   7.50).

При высокой скорости передачи (9,6 кбит/с) первый бит ММ индицирует применение мультиплексирования передаваемой информации (ММ = 0 — не применяется, ММ = 1 — применяется), затем в случае его использования следуют указатели ТТ и ТМ разделения пакета на подпакеты первичного, вторичного (в перспективе) информационного и сигнализационного трафика.   Пакеты более низких скоростей задействуются только для передачи первичного трафика.

Мультиплексирование информационного поля пакетов канала прямого трафика представлено  в  табл.   7.8.

В ПС работает один из двух каналов — либо канал доступа, либо канал обратного трафика.

Канал доступа инициирует вхождение в связь и запрос на соединение. Поэтому работа канала доступа начинается с тестирования — попыток установления связи (до 16 попыток) путем передачи блока данных с увеличением мощности излучения ПС от минимальной до необходимой (16 градаций мощности).   В блоках данных содержится необходимая адресная и идентификационная информация.

Рис. 7.51.  Пакетная структура канала доступа

Функционально блок данных содержит 20-миллисекундные пакеты (до 10 и более). При скорости передачи 4,8 кбит/с в пакет входит 96 бит (88 информационных и  8 хвостовых)  (рис.  7.51).

Капсула сообщения канала доступа состоит из индикатора MSG-L (8 бит) длины капсулы в байтах (до 110 байт, 880 бит), тела сообщения MSG-B длиной 2-842 бита, в том числе, когда сообщение не пустое, в него входит указатель типа сообщения MSG-T (8 бит), проверочной комбинации CRC длиной 30 бит и бит заполнения Pd, доводящий длину капсулы до величины,  кратной 96 битам.

Канал обратного трафика имеет ту же пакетную структуру, что и канал прямого трафика. Отличие заключается в большей чем в канале прямого трафика длине тела сообщения MSG-B (2-2016 бит), кроме того, все пакеты, включая пакет передачи данных при скорости 9,6 кбит/с, ориентированы на передачу только первичного трафика.