Принципи обробки сигналів у мобільній системі зв'язку стандарту

IS-95

Для модуляції сигналу в системі зв'язку стандарту IS-95 використовуються три види функцій: «коротка» і «довга» псевдовипадкові послідовності (ПВП) і функції Уолша порядків від 0 до 63. Всі вони є загальними для базових і мобільних станцій, проте мають різне призначення .

Типи кодів та їх функції в стандарті IS-95 наведені у табл. 5.1.

Таблиця 5.1 – Типи кодів та їх функції в стандарті IS-95

Тип сигналу	Довжина коду	Функції, що виконуються
Базова станція	Мобільна станція
Код Уолша		Кодове ущільнення або розподіл 64 каналів CDMA	Завадостійке кодування
Короткий код		Розподіл сигналів базових станцій за величиною циклічного зсуву	Код з одинаковим фіксованим циклічним зсувом – як опорний сигнал скремблера
Довгий код		Проріджений довгий код – як опора послідовність скремблера	Довгий код з різними циклічними зсувами – як адресна послідовність

Розглянемо питання обробки сигналів у мобільній системі зв'язку стандарту IS-95 більш детально.

У системі IS-95 кодовий поділ сигналів (кодових каналів) у прямому частотному каналі (від АС до БС) реалізований на основі використання 64 видів послідовностей, які формуються за законом функцій Уолша. У кожному з кодових каналів для модуляції сигналів, що передаються, використовується одна з 64 функцій Уолша. Для передачі інформаційної послідовності по кожному з кодових каналів використовується відповідна функція Уолша (рядок матриці Уолша-Адамара, що відрізняються від функцій Уолша заміною нулів на мінус одиниці), причому, при зміні знака біта інформаційного повідомлення фаза послідовності Уолша змінюється на 180^о. Послідовності Уолша взаємно ортогональні, тому взаємні завади між кодовими каналами базової станції відсутні. Завади по кодових каналах БС створюють лише сусідні базові станції, які працюють у тій самій смузі частот. Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що приймаються з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціальних приймачів, які входять до складу БС.

Розширення спектра забезпечується за рахунок модуляції сигналу короткою псевдовипадковою послідовністю (ПВП) з частотою символів (чіпів) 1,23 МГц. Більш точно ця частота складає 1,2288 МГц, причому 1228,8 = 9,6х128, так що при швидкості передачі інформаційної бітової послідовності 9,6 кбіт/с тривалість одного біта відповідає 128 символам (чіпам) псевдовипадкової модулюючої послідовності, тобто база сигналу дорівнює 128. Смуга сигналу з розширеним спектром за рівнем 3 дБ складає 1,25 МГц.

Відмінність сигналів різних БС забезпечується за рахунок використання для розширення спектра сигналу на всіх базових станціях однакових “коротких” ПВП, але із зсувом, кратним 64 чіпам для кожної з БС. Тобто адреси базових станцій розрізнюються величиною зсуву короткої ПВП Довжина “короткої” ПВП дорівнює символів (чіпів). За рахунок додавання до “короткої” ПВП “0” її довжина зростає до символів (чіп), що забезпечує можливість призначення індивідуальних кодів 512 ( ) базовим станціям.

Використання довгої ПВП забезпечує шифрування сповіщень. Крім того, на довгу ПВП накладається маска (код, адреса) АС.

Отже, у прямому каналі (від БС до АС) у процесі модуляції сигналу використовуються:

– функції Уолша для розрізнення різних фізичних каналів даної БС;

– довга ПВП для шифрування повідомлень;

– коротка ПВП для розширення спектра сигналу і розрізнення сигналів різних

БС.

Послідовність обробки сигналів у передавальному тракті базової станції наведена на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – Схема обробки сигналів в передавальному тракті базової станції

Для управління потужністю сигналу АС передбачена передача відповідного сигналу управління.

Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що прийняті з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціальних приймачів, які входять до складу БС.

На АС теж застосовуються ортогональні коди Уолша, але не для ущільнення кодових каналів (як на БС), а для підвищення завадостійкості. З цією метою вхідний потік даних із швидкістю 28,8 кбіт/с поділяється на пакети по 6 біт, і кожному з них однозначно ставиться у відповідність одна з 64 послідовностей Уолша. Внаслідок цього швидкість кодованого потоку на вході модулятора зростає до 307,2 кбіт/с (28,8х64/6=307,2). Це кодування однаково для всіх фізичних каналів. На приймальному кінці використовуються 64 паралельні декодери (дешифратори), кожен з яких налаштований на свою функцію Уолша, і ці декодери (дешифратори) розпізнають (декодують) прийняті 6-бітові символи.

Сигнали від різних АС розрізнюються на БС за рахунок того, що кожен з них має адресу, за якою використовується однакова “довга” ПВП, але з різним циклічним зсувом для різних АС. Швидкість передачі “довгої” ПВП дорівнює 1,2288 Мчіп/с. Використання довгої ПВП забезпечує кодування фізичного каналу (маски, адреси АС) і шифрування сповіщень.

Розширення спектра сигналу абонентських станцій здійснюється за рахунок модуляції (шляхом скремблювання) сигналу, як і на базових станціях, короткою псевдовипадковою послідовністю (ПВП).

Для регулювання рівня сигналу, що приймається з БС, формується і передається на БС сигнал управління потужністю.

Послідовність обробки сигналів в передавальному тракті абонентській станції наведена на рис. 5.4.

Передача повідомлень у СМЗ стандарту IS-95 здійснюється кадрами тривалістю 20 мс. Швидкість передачі може змінюватися від 1,2 до 9,6 кбіт/с, але в межах одного кадру вона незмінна.

Для захисту інформації від помилок використовуються завадостійкі коди (циклічний, згортковий). Якщо в прийнятому кадрі виявлена неприпустимо велика кількість помилок, то цей кадр стирається.

Рисунок 5.4 – Схема обробки сигналів у передавальному тракті абонентської станції

Максимальна швидкість перетворення мовного сигналу у кодері становить

9,6 кбіт/с. Після завадостійкого кодування і розширення спектра сигналу швидкість передачі інформації на одній несучій становить 1228,8 кбіт/с, що визначає базу сигналу .

У зворотному каналі, як і у прямому, для захисту від помилок використовуються завадостійке кодування (згортковий код ) і перемеження на інтервалі 20 мс. Внаслідок кодування швидкість в інформаційному каналі збільшується до 28,8 кбіт/с.

На рис. 5.5 наведена спрощена структурна схема, що пояснює принцип роботи системи стандарту IS-95. Інформаційний сигнал кодується кодом Уолша, потім змішується з несучою, спектр якої заздалегідь розширюється перемножуванням з сигналом генератора псевдовипадкового шуму (ПВП). Кожному інформаційному сигналу призначається свій код Уолша, потім усі сигнали об'єднуються в передавачі, пропускаються через фільтр, і загальний шумоподіний сигнал випромінюється антеною, яка передає.

На вхід приймача надходять корисний сигнал, фоновий шум, завади від БС сусідніх осередків і від AС інших абонентів. Після ВЧ-фільтрації сигнал надходить у корелятор, де відбувається стиснення спектра і виділення корисного сигналу в цифровому фільтрі за допомогою заданого коду Уолша. Спектр завад розширюється, і вони з'являються на виході корелятора у вигляді шуму. На практиці в АС використовується декілька кореляторів для прийому сигналів з різним часом розповсюдження в радіотракті або сигналів, що передаються різними БС.

Рисунок 5.5 – Спрощена структурна схема системи cтандарту IS-95

Як відомо, у системах, що використовують метод CDMA, можна використовувати один і той самий відрізок смуги частот для роботи в усіх осередках мережі. Таке 100%-не використовування доступного частотного ресурсу – один з основних чинників, що визначають високу абонентську місткість мережі стандарту CDMA. Системи на базі CDMA мають динамічну абонентську ємність. І хоча існує 64 коди Уолша (64 кодових каналів), ця теоретична межа не досягається в реальних умовах, оскільки абонентська ємність системи обмежується внутрішньо-системною інтерференцією, що викликається одночасною роботою рухомих і базових станцій сусідніх осередків.

Кількість абонентів у системі CDMA (пропускна здатність) залежить від рівня взаємних завад. Злагоджені фільтри БС вельми чутливі до ефекту «ближній-дальній», коли АС, що розташована поблизу БС, працює на великій потужності, створюючи неприпустимо високий рівень завад при прийомі інших, «віддалених» сигналів, що приводить до зниження пропускної здатності системи в цілому. Ця проблема існує у всіх CMРЗ, проте найбільші спотворення сигналу виникають саме в CDMA-системах, що працюють у загальній смузі частот, в яких використовуються ортогональні шумоподібні сигнали. Якби в цих системах було відсутнє регулювання потужності, то вони істотно поступалися б за характеристиками мобільним мережам на базі TDMA. Тому важливою ключовою проблемою в CDMA-системах можна вважати індивідуальне управління потужністю кожної станції.

Пропускна здатність систем стандарту СDMA і IS-95 зокрема обмежується завадами, які створюють на вході приймача АС інші АС і БС (системні завади). Для зменшення рівня взаємних завад у стандарті IS-95 здійснюється регулювання рівня потужності, що випромінюється кожною АС. Це забезпечує можливість прийому сигналів з однаковим рівнем потужності від АС, віддалених від БС на різні відстані. Чим нижче рівень потужності сигналів від АС на вході БС, тим вище ємність системи. Необхідність вирівнювати і зменшувати рівень потужності сигналів від АС на вході БС є недоліком системи IS-95.

Сигнали у зворотному каналі не синхронізовані, тому вплив завад, що створюються іншими абонентськими станціями та базовими станціями, призводить до обмеження пропускної здатності мережі стандарту CDMA.

Кількість активних абонентів (М), які одночасно працюють у комірці мережі CDMA, визначається співвідношенням

де – база сигналу (дорівнює 128 у системі IS-95);

– енергія біта інформаційного сигналу;

– спектральна потужність шуму.

– становить порядку 7-8 дБ. При цьому, в трьох-секторній чарунці може одночасно обслуговуватися до 60 абонентів.

Застосування (як у стандарті GSM) системи переривчастої передачі мови призводить до зниження рівня завад, і, як наслідок, до збільшення пропускної здатності. Поліпшенню завадостійкості сприяє формування цифрового мовного сигналу з різними швидкостями з подальшим їхнім вирівнюванням шляхом повторної передачі. У стандарті IS-95 використовується роздільна обробка відбитих сигналів, що приходять з різними затримками, і подальше їхнє вагове додавання, що не тільки усуває негативний вплив ефекту багатопроменевості, а навпаки, поліпшує якість прийому (підвищує співвідношення сигнал/шум з потужності).

Цифрова форма сигналів, передача в широкій смузі частот, захист інформації (її шифрування) для кожного абонента забезпечують якість і таємність зв'язку в системі IS-95 більш високими, ніж в інших системах.