Глава 2

СИСТЕМА МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ CDMA

2.1. 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 [45, 80, 105]. Она не использует для разделения доступа ни частоты, ни времени. Хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ. Упрощенная структурная схема системы CDMA приведена на рис. 2.1.

Каждый входной цифровой сигнал складывается (модулируется) с отдельной несущей, в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). Она передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала. 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 spectrum) [119]. Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от своей псевдослучайной последовательности. 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 взаимонезависимыми.

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.

2.1.1. Функции Уолша

Для первого способа разделения каналов — ортогонального многостанционного доступа— применяются ортогональные функции Уолша [119, 120] и функции, получаемые на их базе. Это — набор ортогональных последовательностей длиной 2", в которых используются только два значения +1 и -1. При кодировании обычно символ 0 заменяется на -1, а 1 — на +1.

Рассмотрим систему двоичных чисел от 0 до 2⁴ - 1 (числа от 0 до 15), которые приведены в табл. 2.1. Она представляет собой функцию, содержащую четыре переменных (х\, х₂, х₃, хд).

Если предположить, что каждый разряд этих чисел поступает на вход системы последовательно во времени согласно десятичному номеру в таблице, то это можно изобразить диаграммами (рис. 2.2), которые представляют собой периодические функции, подобные синусу (инверсные переменные подобны косинусу) и сдвинутые по фазе на одно временное положение. На основе этих функций могут быть получены любые другие функции Уолша на конечном отрезке от 0 до 2⁴ - 1.

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

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

где N — число разрядов двоичного числа; а_к — значение к- то разряда двоичного числа.

В этом случае каждая диаграмма на рис. 2.2 указывает моменты появления чисел, в которые входит заданный весовой 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. 2.2 как диаграмма переменной х₂.

2.1.2. Корреляция и ортогональные функции Уолша

Как было сказано выше, для объединения нескольких каналов при их кодовом разделении 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 следующие виды корреляции: взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.

1. Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических функций с периодом Т определяется формулой:

Она измеряет подобие двух сигналов, сдвинутых во времени. 2. Ортогональная корреляция — это частный случай взаимной корреляции, когда эта функция равна нулю

Сигналы, удовлетворяющие этому условию, могут передаваться одновременно (х = 0), поскольку не создают взаимных помех. 3. Автокорреляция   периодического   сигнала   определяется   следующей формулой:

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.

В табл. 2.2 показаны ортогональные функции Уолша длины 2³ = 8 [3, 22, 101, 120, 121]. Напомним, что при кодировании обычно символ 0 заменяется -1, а 1 — на+1.

В обозначении WAL (I,J) I — первая цифра, обозначает длину последовательности, вторая равна п - 1, где п — число интервалов функции (изменений полярности).

На рис. 2.3 приведены диаграммы, соответствующие функциям Уолша, приведенным в табл. 2.2.

Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара [22]. Начиная с Н\ = [0] матрица Адамара может быть сформирована:

Полученная матрица Н₈ с точностью до порядка следования совпадает с ортогональными функциями, приведенными в табл. 2.2. Для того, чтобы облегчить сравнение с табл. 2.2, справа от матрицы приведены номера функций по табл. 2.2.

Рассмотрим пример определения ортогональности полученных функций. Оценим взаимную корреляцию (без сдвига) функций 8.8 (0101 0101) и 8.6 (ОНО 1001).

Согласно полученному результату эти две функции ортогональны.

Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации значение 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 использоваться только при синхронном CDMA.

2.1.3. Неортогональные псевдослучайные функции

Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы с использованием сдвиговых регистров, сумматоров (сложение по модулю 2) и контуров обратной связи. Рис. 2.4 иллюстрирует такой принцип.

Максимальная длина последовательности определяется разрядностью регистра и конфигурацией цепей обратной связи (на рис. 2.4 цепи обратной связи обозначены g_b g₂). Регистр длиной N битов может порождать свыше 2^N различных комбинации 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 нулевым. Поэтому, если установить все разряды в 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 т-последователъностями. Основное свойство таких последовательностей состоит в том, что 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 сводятся 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].

2.1.4. Ортогональное расширение с использованием функций Уолша

Рассмотрим систему трех каналов, которая использует три ортогональных расширяющих последовательности, применяемые для расширения спектра в системах с кодовым разделением и представленные ортогональными функциями Уолша:

1-й канал — расширяющая последовательность (-1, -1, -1, -1);

2-й канал — расширяющая последовательность (-1,+1, -1, +1);

3-й канал — расширяющая последовательность (-1, -1, +1,+1).

Предположим, что необходимо передать следующую информацию:

Комбинация расширяющей последовательности с информацией канала получается умножением всех разрядов последовательности на значение информационного бита. На рис. 2.5 показано получение такой последовательно стиz с информацией 3-го канала для каждого из каналов. Это является аналогом частотной модуляции каналов.

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

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

Если попытаться восстановить сигнал с использованием ортогональной последовательности, не входящей в суммарный сигнал, то получается ноль для каждого периода интегрирования (табл. 2.5).

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

Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала называется чипом. Интервал Ть представляет собой период одного информационного разряда, Т_с — период одного чипа (см. рис. 2.6). Чиповая скорость (chip rate) R_c = УТ_С часто используется, чтобы охарактеризовать систему передачи с широким спектром и обычно измеряется в Мчип/с.

База сигнала (PG —Processing Gain), иногда называемая коэффициентом расширения спектра (SF — Spreading Factor), определяется как отношение чиповой скорости R_c к скорости передачи информации (R = УТь).

PG = SF = R_c/R = T_b/T_c

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

2.2.  Сети на основе CDMA

 2.2.1.   Общие положения

Сети и устройства, основанные на применении многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), построены на основе стандартов, разработанных Ассоциацией производителей средств связи (TIA — Telecommunication Industry Association). В основном это стандарты, приведенные в [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 система 2-го поколения cdmaOne. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте широкополосной системы 3-его поколения cdma2000 [65, 82, 83].

Основные услуги, которые могут предоставляться сетью CDMA:

- передача данных и речи со скоростями 9,6 кбит/с, 4,8 кбит/с, 2,4 кбит/с;

- междугородный вызов;

- роуминг (национальный и международный);

- ждущий вызов;

- переадресация вызова (при отсутствии ответа в случае занятости);

- конференцсвязь;

- индикатор сообщений о ждущих вызовах;

- речевая почта;

- текстовая передача и прием сообщений.

2.2.2. Архитектура сети

На рис. 2.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA стандарта 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 стандарта IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными BSC, вводятся линии передачи между SU и BSC. В центре коммутации мобильной связи (MSC) устанавливается преобразователь-транскодер ТСЕ, который преобразует выборки речевого сигнала из одного цифрового формата в другой.

2.2.3.   Каналы трафика и управления

В CDMA каналы для передачи от базовой станции к мобильной станции называются прямыми (forward). Каналы для приема информации от мобильной станции к базовой называются обратными (reverse) [14, 31, 48, 59, 60, 75]. Для обратного канала стандарт 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 со скоростью 1,2288 Мчип/с. Пропускная способность прямого канала — 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 кбит/с. Состав каналов в системе CDMA стандарта IS-95 показан на рис.

Используются 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 кодовые комбинации для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, который имеет высокий уровень мощности и обеспечивает пользователей возможностью 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 мобильных станций по специальному 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 путем увеличения скорости исходного сигнала. Это осуществляется перемножением исходного сигнала на одну из 64 псевдослучайных последовательностей (на основе функций Уолша), у которых скорость передачи равна 1,2288 Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается ПСП, с помощью которой его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность фрагментов ПСП обеспечивается одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т.е используемые в каждый момент времени ПСП 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 также радиометки от спутников системы глобального позиционирования GPS.

Рассмотрим типы прямых каналов.

Пилотный канал (PICH — 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 (РСН — Paging Channel) используется для вызова мобильной 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.

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 различных 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 осуществляются автоматически.

Каждому логическому каналу назначается своя последовательность Уол-ша, как это указано на рис. 2.10. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т.к. последовательностей Уолша, которым ставятся в соответствие логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину 64 бита. Из всех 64 каналов:

- на 1-й канал назначается первая последовательность Уолша (W0), которой соответствует пилотный канал;

- на следующий канал назначается тридцать вторая последовательность Уолша (W32), следующим семи каналам так же назначаются свои последовательности Уолша (Wl, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова;

- 55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.

Состав обратных каналов

К обратным каналам относятся:

Канал доступа (АСН — Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова (РСН), команды и запросы 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 на базовую станцию.

2.3.  Кодирование

2.3.1.   Кодирование в прямом канале

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

Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции (рис. 2.11). В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

1. 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 определяется добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров составляет от 4 до 16 кбит/с).

2. Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для обеспечения на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. 1.8.2.). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения К = 9, скорость кодирования г = 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 (г = 1/2) и при входной скорости 9,6 кбит/с выходная скорость равна 19,2 кбит/с (384 бита за 20 мс).

3. Сигнал поступает в блок перемежения, 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, что делается для равномерного распределения в потоке данных, потерянных во время передачи битов. 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.

Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 кбит/с 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки х 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.

4. Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию    накладывается    маска   (псевдо последовательность)   длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений неэффективен, т.к. для перебора всевозможных значений маски придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.                                                       

Для шифрования применяется скремблирование информационной цифровой последовательности. Для этого производится суммирование по модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой с помощью длинного кода с периодом 2⁴² - 1 символов при скорости 1,2288 Мчипа/с (длительность чипа 813,8 не). Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.

5. После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции «исключающее ИЛИ» (сложение по модулю два). Как 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" -1 двоичных символов, где п — 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 Мчип/с используется только каждый 64-й символ длинного кода.

Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, то 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.

6. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т.е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, генерируемой со скоростью 1,2288 Мчип/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, порождаемого функцией Уолша), если «1» — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Так же 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) логический канал, который определяет функция Уолша.

7-8. 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 2¹⁵ = 32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мчип/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

Блоки перемножения сигнала на ПСШ и ПСП2 предназначены для перемешивания сигналов в двух каналах блока квадратурной модуляции.

Скорость следования символов — 1,2288 Мчип/с. Период последовательности из 32768 чипов составляет 26,66 мс (32768/1,2288х10⁶ = 26,66х1(Г³ с). Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдо последовательностей. Псевдопоследовательности для каждого абонента различаются временным сдвигом относительно последовательности с нулевым сдвигом. 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]. Это — многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты — FH CDMA (Frequency Hopping CDMA) и многостанционный доступ с псевдослучайной перестройкой по времени — ТН CDMA (Time Hopping CDMA). Принципы работы этих технологий изложены в [24]. 

9. В блоке модуляции сигнала в системе CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция.

Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Этот фильтр уменьшает занимаемую полосу частот на выходе модулятора и формирует специальный вид сигнала — «приподнятый косинус». Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора.

Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции показана на рис. 2.12. Она содержит устройства, осуществляющие действия, обратные тем, которые выполняет схема формирования сигнала передатчиком базовой станции, пронумерованные теми же номерами, что и блоки на рис. 2.11.

2.3.2.   Кодирование в обратном канале

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

Структура схемы формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична, показанной на рис. 2.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью кодирования 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 которого 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)х64 = 307,2).

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

Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяется 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 аналогична схеме, приведеннной на рис. 2.12. Однако, в приемнике обратного канала 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 15-разрядный код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

2.4. Некоторые примеры работы сети CDMA

Работа сети CDMA в части выполнения этапов и по составу сигналов 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.

2.4.1. Регистрация в сети

После включения мобильная станция 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 от 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. Этот сигнал передается по каналу SCH, которому поставлена в соответствие последовательность Уолша W32 (см. рис. 2.10). 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. Когда базовая станция не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, абонентская выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

2.4.2. Обмен сигналами между мобильной и базовой приемопередающей станциями

Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS (входящее сообщение) показан на рис. 2.13 [14, 60]. 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 рисунку.

1. Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на соединение).

2. Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал «запрос назначения канала»), сообщая свой идентификационный номер (MIN — Mobile Identification Number), электронный серийный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).

3. Базовая станция принимает «запрос назначения канала», определяет и назначает канал трафика, выбирая общий для всех каналов данной базовой станции длинный код. После этого посылает сообщение о назначении прямого канала.

4. Мобильная станция выполняет процедуру назначения конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу, которая содержит, наряду со стандартными данными (код отправителя, код назначения), данные для настройки на конкретно выбранный канал для того, чтобы базовая станция могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.

5. Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает для MS по прямому каналу номер этого канала и запрос на аутентификацию.

6. Мобильная  станция  проводит процедуру  аутентификации  абонента (рассматривается далее) и передает ответ на аутентификацию.

7. 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).

8. 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 абонент передает сигнал на снятие сигнала посылки вызова и передает на базовую станцию сигнал подтверждения готовности к обмену (окончание соединения).

9. Базовая станция включает приборы разговорного тракта в положение «обмен» и передает подтверждение соединения на базовую станцию.

10. Далее происходит обмен речевой информацией или данными.

Порядок обмена сигналами от BTS к MS следующий:

- мобильная станция при поступлении вызова абонента передает сигнал запроса о назначении канала. Этот сигнал, как и в п. 2, содержит идентификационный номер MIN и электронный номер оборудования ESN;

- после принятия этого сигнала обмен сигналами повторяет предыдущий алгоритм.

2.4.3. Аутентификация и шифрование

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих процедур показан на рис. 2.14. В системе CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE, Cellular Authentication and Voice Encryption) [123] для генерации ключа длиной 128 битов, называемый «общие секретные данные» (SSD — Shared Secret Date). Эти данные генерируются на основе А-ключа, который хранится в мобильной станции, и полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE генерирует общие секретные данные. Они разделяются на две части: SSD-A длиной 64 бита, используемую для создания цифровой подписи, и SSD-B (64 бита) — для генерации ключей при шифровании речи. SSD могут быть использованы при роуминге поставщиками услуг для местной аутентификации. Новые общие секретные данные могут быть сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети или возвращается к домашней сети.

Цифровая подпись генерируется длиной 18 битов и посылается базовой станции с целью проверки принадлежности абонента к данной системе, установления его прав и полномочий. 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 обнаружения незаконного использования мобильных телефонов или SIM-карт.

А-ключ может быть перепрограммируем, для чего должны быть изменены данные на мобильной станции и сетевом центре аутентификации. А-ключи могут быть перепрограммированы одним из следующих способов:

а) на фирме-производителе;

б) на месте продажи;

в) абонентом по телефону;

г) с помощью процедуры перепрограммирования по эфиру с использованием сервиса беспроводных услуг OTASR (Over The Air Service Reprogram-ming) путем передачи информации по радиоканалу в зашифрованном виде.

Замена А-ключа на мобильной станции через OTASR обеспечивает простой способ быстрого отключения обслуживания нелегальному пользователю мобильной станции или инициирования ввода новых услуг легальному абоненту.

Мобильные станции используют общие секретные данные типа В (SSD-B) и алгоритм CAVE для генерирования маски частного длинного кода (private long code mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера связи. Он использует сотовый ключ алгоритма шифрования сообщений (СМЕА — Cellular Message Encryption Algorithm) — 64 бита, и ключ данных (Data Key) — 32 бита. Маска частного длинного кода используется и в мобильной станции, и в сети для изменения характеристик длинного кода. Измененный длинный код используется для скремблирования речи, которое обеспечивает дополнительный уровень секретности передачи по радиоинтерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для шифрования информации, она просто заменяет известное значение, используемое 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 используют ключ СМЕА вместе с усовершенствованным алгоритмом СМЕА — ЕСМЕА (Enhanced СМЕА), чтобы зашифровать сообщения служебных сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных и алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью, чтобы зашифровать и расшифровывать данные.

2.5. Мягкая передача вызова и управление мощностью в системах CDMA

По характеру передачи соединения разделяют [22,111]:

- жесткий хэндовер — hard handover;

- мягкий (межсотовый) хэндовер — soft (intercell) handover;

- более мягкий (межсекторный) хэндовер — softer (intersector) handover.

При жесткой передаче соединения процесс переключения проводится без разрыва связи, но сопровождается ухудшением связи в момент переключения частот. Чаще всего прерывание и восстановление связи воспринимается абонентом как «щелчок» в трубке.

При жестком хэндовере осуществляется переход к новой базовой станции. При этом изменяются пилотные сигналы (используется новый набор, относящийся к новой соте), проводится подстройка кадров трафика под систему синхронизации новой соты.

Сценарии жесткого хэндовера включают:

- хэндовер между базовыми станциями или секторами, имеющими разные несущие частоты CDMA;

- хэндовер при замене одного пилот-сигнала на другой пилот-сигнал (непересекающиеся наборы активных пилот-сигналов);

- хэндовер от CDMA к аналоговой системе и от аналоговой системы к CDMA.

При мягкой передаче соединения предусматривается одновременная работа мобильной станции с более чем одной базовой станцией. В процессе хэндовера мобильная станция передает одну и ту же информацию обеим базовым станциям. Каждая базовая станция получает сигнал от мобильной станции с соответствующей задержкой распространения и затем передает его на устройство оценки качества и выбора кадров (SU — Selector Unit). Другими словами, две копии одного и того же кадра передаются SU, которое выбирает лучший кадр и бракует другой. Переключение рабочего канала с одной базовой станции на другую происходит без ухудшения качества соединения. При этом используется пилот-сигнал из одного и того же набора пилот-сигналов соты. Такой процесс еще называют хэндовером с разнесением каналов (diversity handover). Разнесение улучшает характеристики канала в сети с замираниями. Главное преимущество мягкого хэндовера — разнесение трасс для прямых и обратных каналов трафика. Оно делается для того, чтобы уменьшить интерференцию. Поэтому требуется меньший расход энергии для передачи информации. В результате требуется меньшая энергия для передачи сигналов от мобильных станций, что приводит к более длительному сроку использования заряда аккумулятора.

При более мягкой передаче во время хэндовера между секторами одной соты мобильная станция передает одну и ту же информацию обоим секторам соты. Канальный комплект соты получает сигналы от этих секторов, объединяет оба входящих сигнала и передает SU только один кадр. В этом случае не требуется задействовать несколько канальных комплектов, как это требуется в случае мягкого хэндовера. При мягком хэндовере такое объединение в одном канальном комплекте сигналов от двух сот не дает хорошего эффекта, поскольку сигналы от различных сот менее коррелированны, чем сигналы от секторов одной и той же ячейки.

2.5.1. Пилот-сигнал

Термин «пилот-сигнал» в системе CDMA означает кодовую последовательность, передаваемую вместе с другими сигналами в общей полосе частот. Все пилот-сигналы передаются с помощью пилотного канала (PICH), направленного от базовой станции к мобильной. Пилот-каналы разделяются с помощью псевдослучайных последовательностей и передаются на одной и той же частоте. Они содержат указание обслуживаемой соты или сектора. Излучение пилот-сигнала осуществляется непрерывно в широковещательном режиме, чтобы его могли принять все мобильные станции, расположенные в зоне обслуживания данной базовой станции. С помощью пилот-сигнала обеспечивается кадровая синхронизация и когерентное восстановление несущей (полностью совпадающее с исходной несущей). Мобильная станция различает четыре группы пилотных сигналов, рассмотренных ниже.

Группа активных сигналов

Она содержит пилот-сигналы, связанные с каналами трафика, идущими от базовой станции (разделенными с помощью функций Уолша). Сигналы от этих трех разнесенных каналов (three fingers) объединяются с помощью приемника (КАКЕ-приемник), суммирующего эти сигналы с соответствующими весовыми коэффициентами. Обычно в группе, объединяемой RAKE-приемником, содержится три пилот-сигнала, однако стандарт позволяет объединять до шести пилот-сигналов. Базовая станция сообщает мобильной станции о содержании активной группы каналов, используя сообщение «назначение канала» (channel assignment). Активные пилот-каналы либо отслеживаются, либо используются для обслуживания соединений.

Группа кандидатов на пилот-сигнал

Эта группа содержит пилот-сигналы, которые в данный момент не входят в активную группу. Однако эти пилот-сигналы поступают с достаточной интенсивностью, которая указывает на то, что связанные с ними прямые каналы трафика могут быть успешно приняты. Максимальный размер группы — шесть пилот-сигналов

Группа соседних пилот-сигналов

Эта группа содержит соседние пилот-сигналы, которые в данное время не входят ни в активную группу, ни в группу кандидатов на пилот-сигнал, но их использование вероятно при хэндовере. Соседние пилот-сигналы — это сигналы всех сот (секторов), которые находятся в непосредственной близости от данной соты (сектора). Начальный список соседних пилот-сигналов передается мобильной станции в сообщении «системные параметры» по каналу вызова (РСН). Максимальный размер группы соседних пилот-сигналов — 20.

Группа остальных пилот-сигналов

Эта группа содержит все возможные пилот-сигналы, исключая сигналы, входящие в группы активных, кандидатов или соседних.

При поиске пилот-сигналов мобильная станция не ограничивается выбором номера псевдокода (PN). Пилот-сигналы выбираются в пределах нескольких тактовых интервалов расширяющего сигнала с учетом различныхфакторов, возникающих из-за многолучевости. Другими словами, сигналы, возникающие из-за многолучевости, прибывают позже на несколько тактовых интервалов, поэтому мобильные станции при поиске каналов используют окно поиска. Это окно указывает возможные номера пилот-сигналов из группы активных, кандидатов и соседних, наиболее близких к многолучевому сигналу, поступившему раньше других. При этом в окно поиска могут включаться остальные сигналы, не указанные в этих группах.

Окна поиска

Мобильные станции используют следующие три окна поиска, чтобы проследить за получаемыми пилот-сигналами:

- SRCH_WIN_A — устанавливает размеры для активных наборов и наборов кандидатов;

- SRCH_WIN_N  —  устанавливает  размеры   набора  соседних   пилот-сигналов;

- SRCH_WIN_R — устанавливает размер набора остальных сигналов.

SRCH_WIN_A

SRCH_WIN_A — окно поиска, которое использует мобильная станция, чтобы проследить за наборами активных пилот-сигналов и кандидатов на пилот-сигнал. Это окно устанавливается согласно ожидаемой среде распространения. Оно должно быть достаточно большим, чтобы фиксировать все используемые многолучевые сигнальные компоненты базовой станции, и в то же самое время оно должно быть как можно меньше, чтобы оптимизировать работу по поиску.

Пример 1. Определить размер окна мобильной станции, если сигнал распространяется в среде, которая имеет следующие параметры:

- сигнал распространяется по прямому пути — 1 км;

- при многолучевом распространении сигнал проходит до мобильной станции 5 км;

- чиповая скорость, определяемая в стандарте 1-95, — 1,2288 Мчип/с;

- скорость распространения сигнала — 300-10⁶ м/с. Длительность одного чипа:

(1/(1,2288-10⁶) = 0,814 мкс; время распространения сигнала на расстояние 1000 м (1 км):

1000/(300-10⁶) = 3,333 мкс или время задержки в чипах:

3,333/0,814 = 4,1.

При расстоянии 5 км это время задержки равно 20,5 чипов.

Разность задержек равна

20,5-4,1 = 16,4 чипа.

Размер окна поиска SRCH_WIN_A г 2-16,4 = 32,8 или 33 чипа. Расширяющий коэффициент 2 учитывает погрешность скорости распространения.

Пример 2. Пусть соты А и В находятся на расстоянии 16 км (рис. 2.15). Мобильная станция перемещается от соты А к соте В. Решено сделать область мягкого хэндовера между точкам X и Y, которые расположены на расстоянии 6 и 10 км от соты А (рис. 2.15).

Какой размер должно иметь окно поиска?

Расчет гарантирует, что активные пилот-сигналы (кандидаты) находятся в пределах размеров одного окна и мягкий хэндовер возможен.

SRCH_WIN_N

SRCH_WIN_N — окно поиска, которое мобильный телефон использует, чтобы контролировать группу соседних пилот-сигналов. Размер этого окна обычно больше, чем SRCH_WIN_A. Достаточно большое окно необходимо не только для фиксации всех годных к использованию мобильной станцией пилот-сигналов основной зоны обслуживания (с учетом многолучевости), оно также должно фиксировать сигналы соседних сот. В этом случае необходимо принимать во внимание многолучевое распространение сигналов и различия путей между обслуживающей основной станцией и соседними базовыми станциями. Максимальный размер этого окна поиска ограничен расстоянием между двумя соседними базовыми станциями.

Рассмотрим две соседние станции, расположенные на расстоянии 6 км. Пусть мобильная станция расположена рядом с базовой станцией 1, и поэтому задержка распространения от базовой станции 1 к мобильной станции незначительна. Расстояние между основной станцией 2 и мобильным телефоном — 6 км.

Время распространения в чипах — 6000/244 = 24.6 чипа. Окно поиска показывает, что пилот-сигнал от соты 2 прибывает к мобильной станции на 24.6 чипа позже, чем от соты 1. Таким образом, для мобильного телефона (расположенного в пределах ячеек 1 и 2) для того, чтобы искать пилот-сигналы потенциальных соседей, окно SRCH_WIN_N должно быть установлено согласно физическому расстоянию между текущей базовой станцией и ее соседней базовой станцией. Фактически размер SRCH_WIN_N не может быть больше, чем вычисленный по этому расстоянию.

SRCH_WIN_R

Обычное требование к размеру этого окна состоит в том, чтобы оно было, по крайней мере, такого же размера, как SRCH_WIN_N.

2.5.2. Параметры хэндовера

Существуют следующие параметры хэндовера. T_ADD, T_COMP, TDROP и T_TDROP, которые относятся к измерениям пилот-сигнала.

Таймер снижения уровня T_TDROP

T_TDROP — параметр, который управляет таймером. Всякий раз, когда интенсивность пилот-сигнала в активной группе падает ниже значения T_DROP, мобильная станция включает таймер. Если пилот-сигнал снова становится равным или выше T_DROP, таймер устанавливается повторно. Если время таймера T_TDROP исчерпывается из-за того, что интенсивность пилот-сигнала упала ниже T_DROP, то передается сигнал об исключении пилот-сигнала из соответствующей группы. Мобильная станция контролирует таймер снижения уровня сигнала для каждого активного пилот-сигнала или кандидата в пилот-сигналы.

Порог обнаружения пилот-сигнала TADD

Любой пилот-сигнал, который имеет достаточную интенсивность, но не включен в активную группу, является источником помех. Этот сигнал должен быть немедленно включен в активную группу. Порог T_ADD показывает процент превышения интенсивности пилот-сигнала над интенсивностью нормального сигнала, после достижения которого этот пилот-сигнал может быть использован для хэндовера. Этот процент должно быть достаточно малым, чтобы можно было не уменьшать число полезных пилот-сигналов, и в то же время достаточно высоким, чтобы избежать использования каналов, имеющих плохое качество.

Порог сравнения Т_СОМР

Сигнал, характеризующий параметры этого порога, дает результаты сравнения данного пилотного сигнала с другими активными пилотными сигналами данной группы и указывает, насколько уровень данного пилотного сигнала отличается от уровня других, входящих в данную группу (каждый конкретный показатель Т_СОМР должен быть равен или больше показателей других сигналов). Он влияет на процесс хэндовера подобно T_ADD и должен быть достаточно низким для того, чтобы хэндовер начался быстрее и качество связи не ухудшалось. В то же время он должен быть достаточно высоким, чтобы избежать ложных действий.

Порог снижения пилот-сигнала T_DROP

Определяет порог нормального сигнала, ниже которого требуется начинать процесс хэндовера. Он должно быть достаточно малым, чтобы не допускать браковки каналов с хорошим качеством и поддерживаться таймером, чтобы отличить выход объекта из зоны устойчивой работы, гарантирующей качество связи, от кратковременного замирания. Значение T_DROP должно быть тщательно рассчитано с учетом значений T_ADD и T_TDROP.

Значение таймера снижения уровня TTDROP

Показатель T_TDROP указывает время, за которое уровень пилот-сигнала может уменьшиться до значения ниже заданного порога при переходе подвижной станции из одной соты в другую. Оно должно быть больше, чем время, требуемое для окончания хэндовера. Параметр T_TDROP должен быть достаточным, чтобы не удалять при передаче вызова пилот-сигналы, пригодные для использования, слишком быстро.

В табл. 2.6 приведены типичные значения параметров хэндовера.

Сообщения хэндовера

Ниже термин «хэндовер» означает не только процесс переключения мобильной станции с одной базовой станции на другую, но и переодическую корректировку состава групп пилот-сигналов.

В системе CDMA используются следующие сообщения хэндовера: «измерение интенсивности пилот-сигнала» (PSMM — Pilot Strength Measurement Message), «запрос хэндовера» (HDM — Handover Direction Message), «завершение хэндовера» (НСМ — Handover Completion Message), «обновление списка соседних пилот-сигналов» (NLUM — Neighbor List Update Message).

Мобильная станция выделяет сигнал «измерение интенсивности пилот-сигнала». Если этот сигнал ниже назначенного порога, то базовая станция назначает новый прямой канал трафика, посылает мобильной станции сигнал HDM. Мобильная станция выделяет из сообщения номер нового канала трафика и передает базовой станции сигнал НСМ.

Сообщение PSMM содержит следующую информацию:

- оценку отношения сигнал/шум;

- время прибытия;

- значения таймера снижения уровня пилот-сигнала;

- значения    параметров    хэндовера    (T_ADD,    T_DROP,    T_COMP, TTDROP).

Сообщение HDM содержит следующую информацию:

- порядковый номер сообщения;

- частоту канала CDMA;

- номер активного набора (старого или нового набора пилот-сигналов или величину смещения от начала);

- код Уолша, связанный с каждым из пилот-сигналов. Сообщение НСМ содержит следующую информацию:

- положительное подтверждение;

- смещение псевдослучайной последовательности для каждого пилот-сигнала в активном наборе.

Сообщение «обновление списка соседних пилот-сигналов» (NLUM) передает базовая станция. Оно содержит самый последний список соседних пилот-сигналов в активном наборе.

Мобильная станция непрерывно следит за интенсивностью всех пилот-сигналов, которая сравнивается с различными пороговыми значениями TADD, TCOMP, T_DROP, T_TDROP.

Пилот-сигнал перемещается от одного набора к другому в зависимости от интенсивности сигнала относительно заданного порога. Рис. 2.16 иллюстрирует пример использования пороговых значений при изменении пилот-сигнала. Ниже приведено описание процесса в соответствии с нумерацией моментов времени на рис. 2.16.

1. Если интенсивность сигнала превышает значение порога обнаружения пилот-сигнала (T_ADD), мобильная станция передает сообщение «измерение интенсивности пилот-сигнала» (PSMM) и переводит этот сигнал в набор кандидатов на пилот-сигнал.

2. Базовая станция посылает сигнал «запрос хэндовера» (HDM), указывая пилот-сигнал, который будет введен в активный набор.

3. Мобильная станция инициирует новый канал трафика, пилот-сигнал вводится в активный набор, мобильная станция посылает сигнал «хэндовер завершен» (НСМ).

4. Интенсивность пилот-сигнала становиться ниже T_DROP.

5. Истекает время таймера снижения уровня сигнала. Мобильная станция передает базовой станции сигнал PSMM.

6. Базовая станция передает сигнал «запрос хэндовера» (HDM) к мобильной станции.

7. Мобильная станция получает сигнал HDM. Пилот-сигнал «входит» в соседний набор, и мобильная станция передает сообщение НСМ о завершении хэндовера.

8. Мобильная станция получает сигнал об обновлении списка соседних пилот-сигналов (NLUM), который не включает исключенного пилот-сигнала. Пилот-сигнал включается в набор остальных сигналов.

Мобильная станция следит за установленным T_TDROP для каждого пилота-сигнала в активном наборе и наборе кандидатов. Она запускает таймер всякий раз, когда интенсивность соответствующего пилота-сигнала становится меньше заданного порога. Мобильные станции сбрасывают и отключают таймер, если интенсивность соответствующего пилот-сигнала превышает порог. Когда пилот-сигнал соседнего набора или набора остальных пилот-сигналов превышает T_ADD (рис. 2.17, точка 1), мобильная станция переводит пилот-сигнал в набор кандидатов и передает PSMM базовой станции. Когда интенсивность пилот-сигнала в наборе кандидатов увеличивается и достигает уровня сигналов активного набора (рис. 2.17, точка 2), сигнал PSMM посылается базовой станции, если выполняется условие

где Р_с — интенсивность сигнала в наборе кандидатов; Р_а — интенсивность сигнала в активном наборе.

2.5.3. Процедура совмещенного мягкого хэндовера

Отметим, что различают два типа хэндовера по характеру управления:

1. Управляемый базовой станцией (МАНО — Mobile Assisted Handover), при котором мобильная станция выполняет измерение интенсивности сигнала и передает эти данные на базовую станцию.

2. Управляемый мобильной станцией (МСНО — Mobile Controlled Handover), при котором уровень сигналов от разных базовых станций принимается мобильной станцией. Она же принимает решение, где и какой хэндовер ей необходим.

Ниже рассматривается метод МАНО.

Мобильная станция выполняет измерение интенсивности сигналов, получаемых от соседних базовых станций по пилотным каналам (Pilot Channel — PICH), и анализирует сообщения, содержащие данные о тех PICH, в которых величина интенсивности пересекла интересующие нас пороговые значения — в данном случае два пороговых значения. Результаты измерений позволяют определить две категории PICH:

- PICH, в которых величина интенсивности сигнала достаточна для использования в системе передачи сигналов;

- PICH, в которых величина интенсивности сигнала мала, и они не могут быть использованы для передачи сигналов.

Эти пороговые значения образуют гистерезисную петлю, обеспечивающую устойчивость рассматриваемого процесса. Сказанное означает, что порог оценки низкой интенсивности уровня несколько выше порога высокой интенсивности.

Основываясь на полученной информации, мобильная станция может добавлять или удалять PICH в активном наборе.

Как указывалось ранее, пилот-сигналы от множества базовых станций, различных секторов антенны или сигналы, проходящие по множеству путей, могут объединяться в один сигнал с помощью RAKE-приемников. Тогда оценка пилот-канала идет по суммарному значению объединенного потока от данной станции.

Динамические пороги мягкого хэндовера

Как правило, мягкий хэндовер улучшает характеристики системы, но он может в некоторых ситуациях отрицательно воздействовать на пропускную способность системы и сетевые ресурсы. Для прямых линий связи при чрезмерно частом хэндовере уменьшается количество свободных линий, что занимает больше сетевых ресурсов. Корректировка параметров хэндовера на базовых станциях не всегда решает эти проблему.

Некоторые области в соте получают только слабые пилот-сигналы (требующие более низких порогов хэндовера), а другие области получают несколько сильных и доминирующих пилот-сигналов (требующих более высоких порогов передачи вызова). Для того, чтобы добавлять в активный набор свободные пилот-сигналы, используются следующие принципы, основанные на динамическом пороге (рис. 2.18):

- мобильная станция обнаруживает пилот-сигнал, который пересекает данный статический порог Т1. В этом случае порог измеряется отношением (E_c/N₀);

- при пересечении порога Т1 пилот-сигнал (точка 1) переводится в список кандидатов, и начинается более частая проверка пилот-сигналов на совпадение с величиной Т2;

- сравнение с величиной порога Т2 (точка 2) позволяет определить, достаточна ли величина измеряемого сигнала, чтобы присоединить его к активному набору (см. порог Т_СОМР);

- условием выбора нового канала является неравенство

где P_Cj — интенсивность выбираемого пилот-сигнала; P_ai — интенсивность г'-го пилот-сигнала в активном наборе; N_A — число пилот-сигнала в активном наборе, к\ и АР_п — задаваемые системные параметры, регулирующие данные для конкретной системы.

Когда величина интенсивности сигнала в PICH активного набора мала, то добавление PICH даже со слабым уровнем улучшает рабочие характеристики. Однако, когда есть один PICH или PICH с доминирующим уровнем сигнала, добавление дополнительного PICH со слабым уровнем сигнала не улучшит рабочие характеристики сети, но будет использовать ресурсы сети. Динамические пороги мягкой передачи вызова уменьшают и оптимизируют сетевое использование ресурса.

Действия мобильной станции при использовании динамической мягкой передачи вызова (мягкого хэндовера) следующие (рис. 2.18):

- После обнаружения того, что в сети присутствует PICH с величиной отношения E_b/N₀ выше Т2, мобильные станции передают сообщение об этом в сеть. Сеть занимает ресурсы передачи вызова и передает команду демодулировать сигнал PICH с величиной отношения EJNq выше Т2. Пилот-канал 2 добавляется к активному набору мобильной станции.

- Когда интенсивность пилот-сигнала в PICH (пилот-сигнал 1) уменьшается ниже динамического порога ТЗ, процедура хэндовера удаляет PICH и возвращает его в набор кандидатов. Порог ТЗ — функция полной энергии всех пилот-сигналов в активном наборе. При удалении канала из активного набора общая мощность активных сигналов снижается. Мощность пилот-сигнала 1 продолжает падать и, если она снижается ниже статического порога Т4, PICH удаляется из набора кандидатов. Сообщение о PICH, мощность передачи которого понижается ниже порога (например, ТЗ и Т4), передается обратно к сети только тогда, когда это состояние сохраняется в течение заданного периода времени. Это учитывается с помощью таймера, который предотвращает передачу сообщения в случае временных колебаний уровня мощности.

Рис. 2.18 иллюстрирует временную диаграмму мягкой передачи вызова с использованием динамических порогов в ситуации, когда мобильная станция покидает обслуживающую базовую станцию (пилот-канал 1) в направлении к новой базовой станции (пилот-канал 2). Комбинация статических и динамических порогов (по сравнению с только статическими порогами) позволяет в результате уменьшить время и использование ресурса при мягкой передаче вызова.

Рассмотрим детально рис. 2.18.

1. Когда величина интенсивности сигнала в пилот-канале 2 достигает порога Т1, мобильная станция перемещает его в набор кандидатов.

2. Когда величина интенсивности сигнала в пилот-канале 2 превышает динамический порог Т2, мобильная станция сообщает об этом сети.

3. Мобильная станция получает команду «добавить пилот-сигнал 2 к активному набору».

4. Величина интенсивности сигнала в пилот-канале 1 понижается ниже ТЗ.

5. Таймер хэндовера для  пилот-сигнала  1  исчерпывается.  Мобильная станция сообщает о его интенсивности сети.

6. Мобильная станция получает команду «удалить пилот-канал 1».

7. Таймер хэндовера исчерпывается после того, как величина интенсивности сигнала в пилот-канале 1 понизился ниже порога Т4.

Обмен сигналами при процедуре мягкого хэндовера

Одно из главных преимуществ системы CDMA — способность мобильных станций устанавливать связь более чем с одной базовой станцией в течение одного и того же вызова. Эта функциональная возможность позволяют сети CDMA выполнить мягкий хэндовер. При мягком хэндовере управляющая первичная базовая станция координирует свои действия с другими базовыми станциями. Каналы добавляются или удаляются из вызова. Это позволяет базовым станциям (общим количеством не свыше трех) получать/передавать пакеты речи от/к единственной мобильной станции для единственного вызова.

Процедура мягкого хэндовера повторяет процедуру жесткого хэндовера (см. описание рис. 1.16). Исключение составляет заключительный этап. При мягком хэндовере подключение новой станции BTS2 происходит до отключения текущей BTS1. Одновременная работа обеих станций в процессе хэндовера улучшает характеристики речевого тракта.

2.6. Управление мощностью

CDMA — система чувствительная к взаимным помехам, поскольку все мобильные станции передают на одной и той же частоте. Внутренняя интерференция, возникающая в пределах системы, играет критическую роль при определении пропускной способности и качества речи в этой системе. Мощность, излучаемая каждой мобильной станцией, должна управляться в целях ограничения взаимных помех. Однако уровень мощности должен удовлетворять показателям качества речи.

Во время движения мобильной станции внешняя радиосреда изменяется непрерывно из-за медленных замираний, затенений, внешних помех и других факторов. Цель управления мощностью — ограничить передаваемую мощность прямых и обратных радиоканалов, постоянно поддерживая их качество при всех условиях внешней среды.

В базовой станции интерференция (помехи) по обратной линии (от мобильной станции к базовой) связи более критичны, чем по прямой линии. Это происходит из-за невозможности идеально точного выделения индивидуального канала мобильной станции из общего потока (некогерентности связи). Поэтому управление мощностью обратной линии связи существенно для системы CDMA и обязательно предписывается стандартом.

Управление мощностью также необходимо в системах CDMA для того, чтобы решить проблему «ближний-дальний». Целью решения проблемы «ближний-дальний» в системе CDMA является гарантия того, что все мобильные станции получают сигнал одной и той же мощности, которая выравнивается базовой станцией. Цель управления мощностью — определить минимально возможный уровень передачи, который позволяет линии связи обеспечивать определяемые пользователем характеристики:

- коэффициент появления битовых ошибок (BER — Bit Error Ratio);

- частоту появления ошибок в кадре (FER — Frame Error Rate);

- скорость, частоту сброса вызова, зону покрытия.

Чтобы обеспечить определенные пользователем характеристики линии связи, мобильные станции, которые ближе к базовой станции, должны передавать меньшую мощность, чем те, которые находятся далеко от станции.

Качество речи связано с частотой появления ошибок в кадре (FER — Frame Error Rate) на прямой и обратной линиях связи. FER определяется как отношение количества кадров, принятых с ошибками, к общему числу переданных и в значительной степени характеризуется отношением (E_b/N₀)*, a также зависит от скорости передвижения транспортного средства, местных условий распространения радиосигналов, распределения каналов между работающими мобильными станциями. Этот параметр прямо характеризует качество речи в системе CDMA.

Рекомендованный диапазон характеристик:

- для FER — 0,2-3 % (оптимальный уровень мощности достигается, когда FER равен 1 %);

- максимальная длина пакета ошибок — 3-4 кадра (оптимальное значение пакета ошибок— 2).

2.6.1. Управление мощностью обратной линии связи

Управление мощностью обратной линии связи (от мобильной станции к базовой) касается каналов доступа и обратных каналов трафика. Оно используется для предоставления линии связи при исходящем вызове и реакции на значительные колебания пути распространения сигналов при передвижении мобильной станции. Управление мощностью обратного канала связи включает в себя управление мощностью по открытому циклу (также известное как автономное регулирование мощности) и управление мощностью по замкнутому циклу.

При управлении мощностью по открытому циклу мобильная станция сама определяет уровень мощности передачи, измеряя уровень мощности сигналов, поступающих по прямой линии (от базовой станции к мобильной). При этом предполагается, что потери на передачу в обоих направлениях равны.

Управление мощностью по замкнутому циклу предполагает измерение базовой станцией уровня мощности, принятой от мобильной станции, и выравнивание этого уровня по управляющему каналу. Оно включает в себя управление мощностью по внутреннему циклу и управление мощностью по внешнему циклу.

Управление мощностью обратной линии связи по открытому циклу

Управление мощностью по открытому циклу базируется на том принципе, что чем ближе мобильная станция к базовой станции, тем меньшую мощность необходимо передавать по сравнению с мобильной станцией, которая находится дальше от базовой станции или находится в зоне замирания.

Мобильная станция корректирует передачу мощности, основываясь на полной мощности, полученной в полосе 1,23 МГц (то есть, энергии пилот-сигналов, сигналов оповещения, синхронизации и каналов трафика). Оценка мощности включает мощность, полученную от всех базовых станций на прямых каналах линии связи. Если полученная мощность высока, мобильная станция уменьшает передачу мощности. С другой стороны, если полученная мощность низка, мобильная станция увеличивает передачу мощности.

При управлении мощностью по открытому циклу базовая станция не включается в цикл управления. Мобильная станция сама определяет начальную мощность, переданную по каналам доступа и трафика, используя управление мощностью по открытому циклу.

Большой динамический диапазон регулирования в 80 децибелов позволяет обеспечить способность защиты против замираний.

Главная цель в системах CDMA состоит в том, чтобы передавать мощность только достаточную для требуемого вида работы. Если передаются сигналы мощности большей, чем необходимая, мобильная станция становится глушителем других мобильных станций. Поэтому мобильная станция пытается связаться с базовой станцией, сначала передавая сигналы очень малой мощности. При этом ключевое правило состоит в том, что мобильная станция передает сигналы мощности, обратно пропорциональные тем, которые получает. При получении сильного пилот-сигнала от базовой станции, мобильная станция передает обратно слабый сигнал. Сильный сигнал, полученный мобильной станцией, указывает на малые потери распространения по прямой линия связи. Предполагается, что те же самые потери будут на пути по обратной линии связи. Поэтому от мобильной станции можно передавать сигнал низкой мощности, который требуется для компенсации таких потерь. Соответственно, при получении слабого пилота-сигнала от базовой станции, мобильная станция передает назад сильный сигнал. Слабый сигнал, полученный мобильной станцией, указывает на высокие потери распространения по прямой линии связи. И от мобильной станции требуется высокий уровень мощности.

Процесс управления мощностью заключается в посылке от мобильной станции сигнала на изменение мощности передачи. Подтверждением получения этого сигнала являются результаты измерений мощности прямых каналов.

В целом процесс передачи одного сообщения и получения реакций в виде изменения мощности называется попыткой доступа {access attempt). Попытка доступа — это последовательность нескольких запросов на доступ. Каждый запрос в попытке доступа есть проба доступа {access probe). Мобильная станция передает одно и то же сообщение в каждой пробе доступа. Проба считается успешной, если в течение определенного временного интервала от сети поступит сигнал подтверждения (разрешения доступа к сети). Проба доступа — это короткий пакет, передаваемый мобильной станцией по каналу доступа. Каждая попытка доступа состоит из проб доступа, которые передаются по тому же самому каналу доступа (рис. 2.19).

Каждая проба доступа содержит преамбулу канала доступа и капсулу (message capsule) канала доступа длиной от 3 до 16 кадров и представляет собой сообщение фиксированного формата, состоящее из информационной последовательности и битов заполнения (если они необходимы). В пределах попытки пробы доступа сгруппированы в последовательность проб доступа. Каждая последовательность проб доступа состоит не менее чем из 15 проб.

Существует две причины, которые могут помешать мобильной станции получить подтверждение после передачи пробы:

1. Переданный уровень мощности мог быть недостаточным. В этом случае помогает решить проблему стратегия увеличения шага наращивания мощности.

2. Может возникнуть конфликт из-за случайного занятия канала доступа несколькими мобильными станциями. В этом случае случайное время ожидания минимизирует вероятность будущего конфликта.

В качестве подтверждения мобильная станция получает от базовой станции по каналу вызова РСН параметры доступа, которые позволяют ей выполнить алгоритм управления мощностью.

Параметры доступа следующие:

- номер канала доступа;

- начальное смещение мощности {Р_о);

- размер шага наращивания мощности (АР);

- число проб доступа в одной попытке доступа (п);

- случайное время (RT — Random Time);

- случайный интервал между попытками доступа (RS — Random Sequence);

- время ожидания ответа на пробу доступа (ТА — Time Access).

Алгоритм управления мощностью состоит в том, что в каждой последующей пробе доступа уровень мощности дискретно увеличивается на величину ΔP (размер шага наращивания мощности), как показано на рис. 2.19.

Текущее значение мощности определяется соотношением

где Р₀— начальное смещение (исходное значение); r — номер пробы в одной попытке доступа; ΔP — шаг наращивания мощности.

Пробы доступа передаются до тех пор, пока не будет получен ответ на запрос или закончится контрольное время, отведенное для доступа.

Текущее значение мощности Р_х определяется формулой:

где ΔR_X — разность между уровнем мощности на приеме и текущим измерением; Р_ном — номинальная мощность для проведения коррекции; Р₀ — исходная величина уровня передачи; Δ_i Р — значение ΔР при i-ой пробе.

Р_ном, Р₀ — это системные параметры, указанные в сообщении параметров доступа. Они получаются мобильной станцией до начала передачи. Эти параметры имеют следующие взаимно ограничивающие диапазоны:

Р_ном — от -8 до 7 дБ;

для получения мощности передачи Р_х на основании полученного при текущем измерении значения мощности ΔR_X.

P₀ обычно устанавливается на 0, но эта величина может быть использована для коррекции величины уровня средней мощности в конкретных условиях.

Если в результате обработки данных текущих значений вырабатывается сообщение о начале и завершении хэндовера, то значения  изменяются, мобильная станция использует значения, содержащиеся в этих сообщениях.

При установлении соединения, базируясь на информации, полученной из каналов пилот-сигнала, синхронизации и каналов вызова, мобильная станция делает попытки обращения к системе через один из нескольких каналов доступа. В состоянии поиска доступа мобильная станция не назначает прямой канал трафика (который содержит биты регулирования мощности), а инициирует свою настройку мощности, необходимую для работы.

Главный недостаток метода управления мощностью по открытому циклу заключается в том, что статистика распространения по обратной линии оценивается по статистике распространения по прямой линии связи. Но так как две линии связи не всегда являются коррелированными, при использовании такой процедуры могут возникать существенные ошибки. Однако эти ошибки будут скорректированы, когда мобильная станция занимает прямой канал трафика и механизм управления мощностью по замкнутому циклу становится активным.

Основные недостатки при управлении мощностью прямого канала по открытому циклу:

- предположение о близких значениях характеристик прямых и обратных линий связи;

- использование общей получаемой мощности, которая включает мощность от других базовых станций;

- слишком значительное время ответа (-30 мс) для того, чтобы противостоять быстрым замирениям из-за многолучевости.

Управление мощностью обратной линии связи по замкнутому циклу

Источники, на которые воздействуют замирания от многолучевости, требуют намного более быстрого регулирования мощности, чем управление мощностью по открытому циклу. Дополнительные корректировки мощности, которые требуются для компенсации потерь замирания, вырабатываются механизмом управления мощностью по замкнутому циклу обратных линий связи. Он имеет время ответа 1,25 мс для шага регулировки 1 дБ и динамический диапазон 48 дБ (покрываемый за 3 кадра). Более быстрое время ответа дает механизму управления мощностью по замкнутому циклу возможность полностью заменить в практических приложениях механизм управления мощностью по открытому циклу. Совместное применение этих двух независимых механизмов регулирования мощности охватывает динамический диапазон, по крайней мере, 80 дБ. Управление мощностью по замкнутому циклу обеспечивает коррекцию управления мощностью по открытому циклу. На канале трафика мобильные и базовые станции совместно участвуют в управлении мощностью по замкнутому циклу. мощности в секунду. Следовательно, бит регулирования мощности (0 или 1) передается каждые 1,25 мс. Нулевые биты указывают мобильной станции, что она должна увеличить свой средний уровень мощности на выходе, тогда как единица указывает мобильной станции, что надо уменьшить ее выходной уровень мощности.

20-миллисекундный кадр образуется 16-ю временными интервалами равной продолжительности (рис. 2.20). Эти временные интервалы длительностью 1,25 мс называются группами управления мощностью (PCG — Power Control Group). Таким образом, кадр имеет 16 PCG. Перемежитель канала трафика в тракте передачи обратного потока выходных данных на входе оборудован фильтром времени, который допускает передачу или удаление некоторых символов.

Механизм управления мощностью по замкнутому циклу обратной линии связи состоит из двух внутренних циклов: внутреннего регулирования мощности и управления мощностью по внешнему циклу. Управление мощностью по внутреннему циклу сохраняет мобильной станции уровень мощности наиболее близкий к установленному отношению (Еь/Nq), затем управление мощностью по внешнему циклу корректирует мощность передачи базовой станции по отношению E_b/N₀ для данной мобильной станции.

Для понимания механизма управления мощностью по замкнутому циклу рассмотрим структуру прямого канала трафика и принципы его работы. Подканал регулирования мощности прямого канала трафика непрерывно передает информацию. Этот подканал достигает скорости 800 битов регулирования

Табл. 2.7 указывает число групп управления мощностью, которые передаются при различных скоростях передачи кадра.

Величина вставок (gated-on) и исключений (gated-off) групп определяется генератором случайных чисел (DBR — Data Burst Randomizer). На базовой станции приемник обратной линии связи оценивает полученную интенсивность сигнала, измеряя E_b/N₀ в интервале времени каждой группы управления мощностью —1,25 мс:

- если интенсивность сигнала превышает заданное значение, бит регулирования мощности принимает значение 1 (снизить мощность);

- иначе мобильной станции передается 0 по подканалу управления мощностью прямой линии связи (увеличить мощность).

Аналогично передаче по прямой линии связи (от базовой станции к мобильной), подканалы обратной линии связи организованы в кадры длительностью 20 мс. Каждый кадр разделяется на 16 PCG. Передача бита регулирования мощности происходит по прямому каналу трафика (от базовой станции к мобильной) с определенным запаздыванием в группах управления мощностью после соответствующей оценки интенсивности сигнала. Например, если интенсивность сигнала по прямому каналу трафика определена в группе управления мощностью № 2 (PCG № 2) кадра обратной линии связи (от мобильной станции к базовой), то нужно передать соответствующий бит регулирования мощности в группе управления мощностью № 4 (PCG № 4) в кадре прямой линии связи (рис. 2.21). Как только мобильная станция получит и обработает прямой канал линии связи, она извлекает биты регулирования мощности из прямого канала трафика. Эти биты регулирования мощности позволяют мобильной станции точно подстраивать мощность передачи по обратной линии связи.

Базируясь на применении битов регулирования мощности, получаемых от базовой станции, мобильная станция либо увеличивает, либо уменьшает уровень передачи мощности в обратном канале трафика. Это необходимо для того, чтобы приблизиться к заданному значению Е_b/No или установленной норме частоты ошибок в кадре (FER — Frame Error Rate). Каждый бит мощности производит изменение на 1 дБ мощности передачи мобильной станции, то есть пытается приблизить измеряемое значение E_b/N₀ к его расчетному значению. Обратим внимание на то, что это действие может быть не всегда успешным, поскольку значение уровня шума N₀ изменяется. Поэтому, чтобы добиться желаемого E_b/N₀, может потребоваться дальнейшая корректировка. Базовая станция с помощью мобильной станции может изменить только Е_b и отношение Е_b к N_o. Базовая станция измеряет E_b/N₀ 16 раз в каждом 20-миллисекундном кадре. Если измеренное отношение больше, чем Е_b, которе дает заданное значение отношения E_b/N₀, базовая станция сообщает мобильной станции, что надо уменьшить мощность Е_b на 1 децибел. В противном случае базовая станция указывает мобильной станции, что надо увеличить мощность на 1 децибел

На рис. 2.22 показан процесс изменения мощности Е_b для достижения заданного отношения E_b/N_0.

Алгоритм управления мощностью обратной линии (от мобильной станции к базовой) по замкнутому циклу приведен на рис. 2.23. Последовательность его выполнения следующая:

1. Установливаются заданные значения максимального уровня сигнала Е_bmax и E_bmin (оператор 1).

2. Принимаются от мобильной станции в группе управления мощностью результаты измерений уровня (оператор 2).

3. Определяется текущее значение уровня (оператор 3) и сравнивается с предыдущим. В зависимости от результата сравнения выбирается последовательность дальнейших действий.

4. Проверяется, не больше ли оно максимально разрешенного уровня (текущее Е_b > Е_bmax Јbmax) (оператор 4).

5. Если больше, то мощность уменьшается на 1 дБ (оператор 5). В противном случае базовая станция указывает мобильной станции, что надо увеличить мощность на 1 дБ (оператор 6). В обоих случаях после выполнения операторов переход к п. 2.

6. Осуществляется сравнение текущего уровня сигнала с минимальным (оператор 7).

7. Если оно меньше, то переход к п. 8, если нет, то передается команда к мобильной станции «уменьшить Е_ь на 1 дБ» (оператор 8) и происходит переход к п. 2.

8. Включается таймер, который позволяет определить устойчивое снижение уровня от кратковременного замирания сигналов (оператор 10).

9. Если время таймера истекло, то мобильной станции передается команда «увеличить Еь на 1 дБ» (оператор 11), и осуществляется переход к п. 2.

2.6.2. Управление мощностью прямой линии связи

Основная цель процесса управления мощностью прямой линии связи (FLPC — Forward Link Power Control) — уменьшение интерференции на линии связи от базовой станции к мобильной. Этот процесс играет большую роль, чем управление по обратной линии, поскольку мощность сигналов, излучаемых базовой станцией, не только ограничивает интерференцию в пределах соты, но и сокращает влияние на другую соту или сектор. Поэтому на базовой станции для управления мощностью вместо измерения отношения E_b/N₀ применяется измерение частоты появления ошибок в кадре (FER). Частота появления ошибок в кадре — одна из наиболее важных характеристик линии связи. Напомним, что она определяется отношением числа неправильно принятых кадров к общему числу переданных.

Соотношения между E_b/N₀ и соответствующей FER нелинейны и изменяются при изменении скорости мобильного средства, среды распространения радиосигнала. Значения E_b/N₀ с увеличением скорости мобильного средства ухудшаются. Лучшие рабочие характеристики соответствуют стационарному транспортному средству, где доминирует белый гауссов шум.

Обратим внимание на то, что значение уровня шума N₀  изменяется. Поэтому может потребоваться более частая корректировка, чтобы добиться желаемого E_b/N₀. Базовая станция с помощью мобильной станции может изменить только Еь, и отношение E_b/N₀. Алгоритм процесса управления мощностью прямых линий показан на рис. 2.24.

Этот процесс делает попытки установить минимальную мощность для каждого канала трафика, который мог бы поддерживать минимальную FER на мобильной станции. Последняя непрерывно измеряет FER в прямом канале и периодически извещает об этом измерении базовую станцию. Рассмотрим последовательность действий алгоритма, представленного на рис. 2.24.

1. На баовой станции устанавливается порог FER_T, выше которого не может быть значение частоты появления ошибок.

2. После получения результатов измерения FER_m на базовой станции сравнивается полученное значение FER_m с пороговым FER_T

3. Если FER_m > FER_T, то выполняется п. 4. В противном случае — п. 5.

4. Мобильной станции передается команда «уменьшить мощность сигнала на 1 дБ», после чего процесс переходит к п. 2.

5. Включается таймер, чтобы отличить временное ухудшение FER от ее устойчивого ухудшения.

6. Если время не истекло, то процесс переходит к выполнению п. 2. Если время истекло, то выполняется п. 7.

7. Передается команда к мобильной станции «увеличить мощность сигнала на 1 дБ», процесс переходит к выплнению п. 2.

Базовая станция также ограничивает динамический диапазон мощности таким образом, чтобы передаваемая мощность никогда не превысила максимального значения, которое могло бы вызвать чрезмерную интерференцию, или не снижалась ниже минимального значения, требуемого для адекватного качества речи.

2.7. Борьба с многолучевостью

При многостанционном доступе с кодовым разделением используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой станции используется 4 параллельно и независимо работающих коррелятора, а на подвижной станции — 3 коррелятора. Приемник с несколькими каналами приема и обработки сигнала получил название RAKE-приемника. Он имеет 4 канала приема: в трех каналах одновременно обрабатываются три наиболее сильных сигнала, в четвертом канале постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем. При этом опорный сигнал подается на разные корреляторы с небольшим сдвигом во времени, соизмеримым с разницей по времени при прохождении радиоволн по различным траекториям. Выходные сигналы корреляторов суммируются. Таким образом, если уровень сигнала свертки от одного из многолучевых сигналов в текущий момент времени оказывается равным нулю (в результате интерференционной картины распределения поля), то свертка от задержанного сигнала будет отличной от нуля. Таким образом, в системе с кодовым разделением каналов реализуется метод временного разнесения приема. Многолучевое распространение радиосигналов, с которым приходится бороться всем стандартам сотовой связи, в данном случае становится помощником. В случае построения фиксированных сетей многолучевые отражения позволяют снизить требования к уровню сигнала, приходящего к абонентской станции.