Стандарт сотовой связи CDMA, проблема внедрения и эксплуатации в России - Цифровые устройства - Скачать бесплатно
Министерство образования РФ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Реферат
по предмету цифровые устройства на тему:
Стандарт сотовой связи CDMA.
Проблемы внедрения и эксплуатации
в России.
Выполнил:
Студент группы ССК - 972
Литвинов А.
Руководитель:
Шифрин В.М.
Воронеж
2000
План:
1 CDMA как инструмент решения экономических задач;
2 Цифровые сотовые системы подвижной радиосвязи с кодовым разделением
каналов:
2.1. принципы кодового разделения каналов;
2.2. сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов
стандарта IS-95;
2.3. аспекты безопасности в стандарте IS-95;
2.4. подвижная станция стандарта IS-95;
базовая станция стандарта IS-95;
применение CDMA в системах беспроводной связи типа WILL;
Подвижность в системах CDMA.
Проблемы функционирования CDMA в России.
Заключение.
CDMA как инструмент решения экономических задач
Можно выделить три задачи региональных операторов, ведущих к
экономическому успеху:
1. развитие телефонной сети.
2. Реконструкция и обновление действующей сети, улучшение качества связи.
3. Расширение видов и числа услуг.
Развитие телефонной сети в свою очередь, базируется на трех основных
требованиях платежеспособного потребителя:
- быстрота выполнения заявки;
- установка телефона в любой географической точке;
- быстрота соединения и высокое качество разговора;
Место системы CDMA в развитии телекоммуникаций области.
Современные технологии связи с первых дней работы позволяют уходить от
непроизводительного труда на всех этапах, начиная с проектирования и
заканчивая строительством и эксплуатацией. Оценена простота проектирования
и монтажа системы CDMA.
Данная система сразу стала популярной. За ней закрепился стабильный
спрос, характерный, впрочем, для всех радиосистем, которые создают
возможность немедленной установки телефона в тех районах, куда годами не
доходили проводные сети. Это одноэтажные массивы городов, загородные дачные
участки, пригородные хозяйства.
Отзывы клиентов подтвердили преимущества CDMA. Система отличается лучшим
качеством передачи речи и надежностью соединения. Немалую роль играет
гарантия качества защищенности от несанкционированного доступа. Разумная
тарифная политика и качество связи, удобная местная нумерация создают
системе необходимую популярность.
Необходимость смены технологий.
Современное оборудование не оставляет нам шансов строить и
эксплуатировать сети по старым правилам. Если мы меняем координатную
станцию на цифровую, мы вынуждены проводить и определенную реконструкцию
абонентской сети, поменять почти всю сеть абонентских линий. Нет возврата к
столбовым многокилометровым линиям, голым кабелям связи с низкой изоляцией.
В то же время строить для четырех-пяти абонентов хутора или поселка линии
бронированным кабелем, заглубленным в грунт не менее метра, чтобы защитить
от порывов, мы не сможем из экономических соображений. Современные
радиотелефонные системы - один из наиболее приемлемых, на наш взгляд,
способов телефонизации местности с малой плотностью населения.
Координатные и декадно-шаговые станции составляют 80% коммутационного
оборудования в области. Кабельное хозяйство и воздушные линии связи по
возрасту превосходят коммутационные системы. Задача, которую вынуждены
решать все операторы, - это проблемы села. Полноценная реконструкция и
обновление сельской телефонной связи могут стать реальностью только при
восстановлении платежеспособности населения, но готовить решение нужно уже
сегодня. Не следует сбрасывать со счетов вариант определенного развития
экономики, когда износ сельских сетей поставит перед оператором задачу
вынужденной их реконструкции.
Реконструкция сельской телефонной связи и CDMA.
Одной из основных задач, которые позволяет решать CDMA, следует считать
замену изношенных сельских станций и абонентских линий. Система позволяет
обслужить абонентов в радиусе 30 километров и более. С помощью CDMA
возможны высвобождение и перенос АТС, еще способных работать, из районов,
где устанавливаются базовые станции, хотя подобные решения могут быть лишь
временными и вынужденными.
Целесообразно использовать недавно сертифицированные выносные
концентраторы серии QCT - 8000, которые позволяют телефонизировать
отдельные здания и компактные поселки. В квартирах пользователей
устанавливается стандартный проводной телефонный аппарат, который дешевле
радиотелефонов в 5-6 раз.
Кроме задач развития и реконструкции очень важно было решать проблему
предоставления современных дополнительных услуг, в том числе для самых
дальних сельских населенных пунктов. Это услуги передачи данных и
факсимильных сообщений, услуги Интернет. Испытания последней модификации
аппарата фирмы Qualcomm QCT - 1000 показали, что передача данных
осуществима на высоком уровне, что существенно расширяет круг потребителей.
В настоящее время различными исследовательскими организациями
значительное внимание уделяется разработке систем подвижной радиосвязи
сотовой и микросотовой структуры нового поколения с кодовым разделением
каналов (CDMA) . Одной из таких разработок является проект CJDIT,
финансируемый в рамках программы RACE Европейским сообществом. Реализация
системы CDMA до последнего времени сдерживалась отсутствием ряда
технических решений, включая проблемы реализации абонентских станций с
приемлемыми потребительскими качествами.
Одна из первых сотовых систем подвижной радиосвязи с кодовым разделением
каналов была разработана фирмой Qualcomm (США), принципы ее построения
положены в основу CDMA стандарта США IS-95.
Оценка состояния и направлений развития сотовых систем связи с кодовым
разделением каналов представляет интерес для операторов и будущих абонентов
этих сетей.
Принципы кодового разделения каналов
28 сентября 1995 года компания Hutchison Telephone (Гонконг) открыла
коммерческую эксплуатацию первой в мире цифровой ССПС с кодовым разделением
каналов (CDMA). Сеть построена на оборудовании фирмы Motorola: базовых
станциях SC9600 и коммутационной станции типа EMX2500
Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA - Code Division
Multiple Access) подробно исследованы и рассмотрены во многих работах. Они
основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых
значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи
сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением
каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала,
определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:
B = F * T.
В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных
символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны
соотношением Т = 1/С. Поэтому база сигнала B = F/C характеризует расширение
спектра ШПС относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот
передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их
комбинацией:
1. прямым расширением спектра частот;
2. скачкообразным изменением частоты несущей;
В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно
используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу прямого
расширения спектра (DS-CDMA-Direct Sequence-CDMA).
Создание систем сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением
абонентов сдерживалось отсутствием технических и технологических
возможностей по реализации малогабаритных, малопотребляемых и
многофункциональных устройств "сжатия" ШПС. В настоящее время эти проблемы
успешно решены американскими фирмами Qualcomm, InterDigital, Motorola. На
основе предложений фирмы Qualcomm в США принят стандарт IS-95 на систему
сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов.
Сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым
разделением каналов стандарта IS-95.
Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым
расширением каналов (CDMA) впервые была разработана фирмой Qualcomm (США).
Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить емкость системы
сотовой связи по сравнению с аналоговой не менее чем на порядок и
соответственно увеличить эффективность использования выделенного спектра
частот.
Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов.
Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800
МГц.
Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA,
поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не потребуется
специального оборудования шифрования сообщений.
Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра
частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных
по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано
речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования
8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800,
2400 и 1200 бит/с.
Протоколы установления связи в CDMA, также как в стандартах AMPS и N-
AMPS, основаны на использовании логических каналов.
В CDMA каналы для передачи с базовой станции называется прямыми
(Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse). Структура
каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рисунке:
Каналы CDMA
Прямые Обратные
Forward Channel Reverse Channel
Пилотный канал Канал доступа
Pilot Channel Access Channel
Канал синхронизации Канал обратного
трафика
Sync. Channel Reverse Traffic Channel
Канал вызова
Paging Channel
Канал прямого трафика
Forward Traffic Channel
Структура каналов связи в стандарте CDMA IS-95
Прямые каналы в CDMA:
. ведущий канал - используется подвижной станцией для начальной
синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени,
чистоте и фазе;
. канал синхронизации - обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень
излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной
последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов
синхронизации начинаются процессы установления соединения;
. канал вызова - используется для вызова подвижной станции. После приема
сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую
станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается
информация об установлении соединения и назначении канала связи. Канал
персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция
получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота,
задержка сигнала по каналу синхронизации);
. канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых сообщений и
данных, а также управляющей информации с базовой станции на подвижную.
Обратные каналы в CDMA:
. канал доступа - обеспечивает связь подвижной станции к базовой станции,
когда подвижная станция не использует канал трафика. Канал доступа
используется для установления вызовов и ответов на сообщения,
передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию в сети.
Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова;
. канал обратного трафика - обеспечивает передачу речевых сообщений и
управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.
На следующем рисунке будет показана процедура установления обычного
соединения (входящий вызов к подвижной станции).
Мобильная станция
Базовая станция
. Принимает Поисковое сообщение
Передает Поисковое сообщение или
канал
Разделенное поисковое сообщение(MIN)
вызова
. Передает Ответ на поисковое сообщение
Принимает Ответ на поисковое сообщение
(MIN,ESN)
канал Настраивается на назначенный
доступа информационный канал, используя общий
длинный код.
Начинает передавать
незначащие данные по
каналу прямого
трафика
. Принимает Сообщение о назначении
Передает Сообщение о назначении канала
канала канал (ESN, канал CDMA, код
канала)
. Настраивается на назначенный канал вызова
связи, используя общий длинный код.
. Принимает N последовательных кадров от
базовой станции
. Начинает передавать преамбулу канала
Принимает преамбулу канала связи от
связи каналу обратного трафика.
мобильной станции
. Принимает команду о подтверждении
Передает команду о подтверждении
базовой станции канал
прямого базовой станции
. Начинает отбрасывать принятые пакеты трафика
с запросами на обслуживание и передавать
данные по каналу обратного трафика.
. Принимает Сигнал готовности с
Передает Сигнал готовности с
информационным сообщением. канал прямого
информационным сообщением
трафика (сигнал
посылки вызова, CNI - номер
вызывающего абонента)
. Передает подтверждение
Принимает подтверждение
. Подает вызывной сигнал к мобильному канал обратного
радиотелефону. трафика
. Выводит информацию CNI на табло
мобильного радиотелефона.
(Абонент отвечает на вызов)
. Снимает подачу сигнала посылки вызова к
мобильному радиотелефону.
. Передает Команду о соединении
Принимает Команду о соединении
. начинает передавать информационные канал обратного
пакеты с подтверждением об трафика
обслуживании.
. Принимает подтверждение
Передает подтверждение
Канал прямого
трафика
(разговор абонентов)
(разговор абонентов)
Процедура установления обычного соединения (случай входящего вызова у
подвижной станции). Вызов к абонентскому аппарату может включать фазу,
когда устанавливается конкретная требуемая опция (вариант) службы.
На рисунке показана процедура прохождения обычного вызова (исходящий вызов
от подвижной станции)
Мобильная станция
Базовая станция
. Обнаруживает вызов, посылаемый
Принимает начальное сообщение
пользователем мобильной станции. Канал
Настраивается на назначенный канал трафика,
. Передает начальное сообщение доступа
используя общий длинный код по обратному
(ESN, MIN, набранные знаки номера)
началу трафику.
Начинает передавать незначащие данные
канала трафика по прямому каналу.
. Принимает Сообщение о назначении
Передает Сообщение о назначении канала
канала. Канал вызова
(ESN, канал CDMA, кодовый канал).
. Настраивается на канал трафика,
Удостоверяет MIN и ESN мобильной станции.
используя общий длинный код.
Принимает преамбулу канала трафика от
. Принимает N последовательный дестви-
мобильной станции.
тельных кадров от базовой станции.
. Начинает передавать преамбулу канала
трафика.
. Принимает Команду о подтверждении
Передает Команду о подтверждении базовой
базовой станции. Прямой
канал станции.
. Начинать передавать пакеты трафика к трафика
Опции услуг 1 и от опции услуг 1.
Возможная процедура (по выбору) Принимает
Продолжение начального
. Передает Продолжение начального Обратный канал сообщения.
сообщения.
трафика
. Принимает подтверждение.
Передает подтверждение.
Прямой канал
трафика
Возможная процедура (по выбору)
. Принимает команду Запрос перехода Прямой канал Передает
команду Запрос перехода на
на частный длинный код. трафика
частный длинный код
. Передает подтверждение вместе с
Принимает сообщение Принята команда о
сообщением Принята команда о Обратный канал
переходе на частный длинный код
переходе на частный длинный код трафика
. Начинает передавать и принимать
Начинает передавать и принимать информацию
информацию, используя частный длинный код
используя частный длинный код.
Возможная процедура (по выбору)
. Принимает Сигнал готовности вместе
Передает Сигнал готовности вместе
с информационным сообщением Прямой канал с
информационным сообщением (сигнал
трафика контроля посылки вызова)
. Передает подтверждение.
Принимает подтверждение
Обратный канал
. Подает сигнал контроля посылки трафика
вызова по разговорному тракту.
(вызываемый абонент отвечает на вызов)
Возможная процедура (по выбору)
. Принимает Сигнал готовности вместе
Передает Сигнал готовности вместе
с информационным сообщением. Прямой канал с
информационным сообщением. (молчание)
трафика
. Передает подтверждение
Принимает подтверждение
. Отключает сигнал посылки вызова Обратный канал
в тракте трафика.
трафика
(разговор абонентов)
(разговор абонентов)
В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого
подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1
дБ. Это обеспечивает возможность приема сигналов подвижных станций базовой
станцией с практически одинаковым уровнем мощности независимо от удаления
до базовой станции. Чем ближе уровень мощности сигналов от подвижных
станций на входе базовой станции к минимальному, соответствующему
требуемому качеству связи, тем меньше уровень взаимных помех в системе и,
следовательно, тем выше ее емкость.
Высокие требования к регулировке уровня мощности подвижной станции можно
отнести к недостатку системы Qualcomm. Вторым недостатком CDMA Qualcomm
является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей
сети, в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных
станций, которые находятся в соседних сотах разного размера.
Стандарт CDMA обеспечивает большую емкость сети по сравнению с
традиционными аналоговыми сотовыми сетями. Увеличение емкости может быть
достигнуто двумя способами:
1) увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;
2) увеличением повторного использования каналов связи на данной территории.
Фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и,
следовательно, увеличению ее емкости, является применение, аналогично GSM,
системы прерывистой передачи речи.
На интервале сеанса связи активная часть разговора составляет около 35%
, 65% приходится на прослушивание сообщений с противоположной стороны и
паузы. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности
речи приводит к дополнительному снижению системных помех и общему
увеличению емкости системы CDMA.
В нижеследующей таблице будут приведены основные характеристики CDMA и
их краткое описание, определяющее достоинства и перспективность систем
сотовой связи с кодовым разделением каналов.
Характеристики и их описание
Высокая пропускная способность.
Полевые испытания, проводившиеся в различных условиях, подтвердили, что при
высокой нагрузке пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз
превышает пропускную способность аналоговых систем. Наконец, при
использовании существующих вокодеров, которые работают на половиной
скорости передачи, пропускная способность увеличивается еще в 1,7 раза.
Дополнительная секторизация (свыше 3) также увеличивает пропускную
способность.
Высококачественная связь.
Вокодер, работающий на переменной скорости передачи, обеспечивает
преобразование речевых сигналов в цифровую форму и высококачественное
воспроизведение речи. Фоновые сигналы заглушаются даже при большой
нагрузке. Метод мягкой передачи абонента (переключения абонента с одного
радиоканала на другой), применяемой в системах CDMA, обеспечивает почти
прозрачную передачу вызовов между сотами. Такой надежный метод передачи
практически исключает потерю вызовов и снижает нагрузку на коммутационное
оборудование.
Возможность дальнейшей эволюции системы.
В существующей системе предусмотрены поисковые службы и цифровая передача
данных. Существующая структуру управления обеспечивает протоколы
факсимильной связи. Могут быть предусмотрены и более высокие скорости
передачи. Портативные абонентские станции, основанные только на методе CDMA
и совместимые с сотовыми системами и УАТС, могут отвечать перспективным
требованиям.
Возможность введения новых функций.
При желании с одного и того же аппарата можно получить выход к беспроводной
УАТС, домашнему беспроводному телефону, общественным беспроводным цифровым
телефонным аппаратам, к сети персональный связи и к сотовым сетям.
Обеспечиваются интерфейсы с УАТС, сетью ISDN и коммутируемой телефонной
сетью общего пользования. Цифровые сигналы управления позволяют
организовать целый ряд служб передачи данных, которые можно добавлять по
мере того, как компания-оператор будет вводить новый услуги. Вокодер с
переменной скоростью передачи и предусмотренная возможность передачи
данных позволяют вводить различные уровни обслуживания. Предусмотренные в
системе измерения уровня сигнала и его задержки позволяют определять
положение подвижной станции.
Секретность связи.
Цифровая форма сигналов, передача в широкой полосе частот, защита
информации для каждого адресата - все это обеспечивает значительно более
высокую, чем в других системах, секретность связи.
Простота перехода (и совместимость с аналоговыми системами)
CDMA позволяет почти утроить существующую в аналоговых сетях пропускную
способность и обеспечивает более высокое качество обслуживания. Пропускная
способность и радиопокрытие позволяют вводить CDMA при значительно меньшем
числе сот, чем на существующих сетях. Зона радиоохвата антенны и
секторизация не зависят от соты и не так тесно связаны, как в узкополосных
система. Последующее расширение может быть поэтапным и может быть местным
(чтобы быстро обеспечить радиопокрытие в каком-то одном месте) или
глобальным.
Цена и наличие оборудования
Существующие оценки стоимости системы CDMA в отношении сетевого и
абонентского оборудования показывают, что по стоимости эта система
эквивалентна существующим аналоговым системам. Более высокая пропускная
способность позволяет организовать связь при значительно меньшем числе сот,
чем в аналоговых системах и системах с TDMA, что снижает капитальные и
эксплуатационные затраты. Проверенная технология заказных интегральных схем
позволила свести технологию сложных схем CDMA к очень простым решениям.
Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности
передаваемых сообщений и данных об абонентах.
Безопасность связи обеспечивается также применением процедур
аутентификации и шифрования сообщений.
Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи (ТСН),
осуществляется также с использованием процедур стандарта IS-54B.
В стандарте IS-95 используется также режим "частый характер связи",
обеспечиваемый с помощью секретной маски в виде длинного кода.
Подвижная станция стандарта IS-95
Фирмы Qualcomm и Motorola разработали двухрежимные CDMA подвижные
станции, которые поддерживают связь с существующими сетями аналоговых
стандартов с частотной модуляцией (AMPS и N-AMPS). Это
обстоятельство дает значительные преимущества абонентам CDMA, так как
позволяет использовать свой радиотелефон там, где существующие аналоговые
сотовые сети обеспечивают радиопокрытие.
Основное отличие между абонентскими станциями CDMA и существующими
станциями аналоговых стандартов заключается в добавлении в состав подвижных
станций CDMA функций цифровой обработки сигналов.
Базовая станция стандарта IS-95
В системах связи CDMA используются соты с круговой диаграммой
направленности антенн или секторные соты (обычно 120-градусные)
В нижеследующем рисунке будет показана структурная схема базовой станции
(BTS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны с цифровым
оборудованием, в состав которого входят канальные блоки.
Радиочастотный фильтр
Усилитель мощности
|
