CDMA: IS-95

Прежде всего — несколько слов о «происхождении» стандарта IS-95 (коммерческое название cdmaOne).

Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard — временной стандарт) используется для учета в Ассоциации телекоммуникационной промышленности TIA (Telecommunications Industry Association), а цифра означает порядковый номер.

Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие Альянс представителей электронной промышленности EIA (Electronic Industies Alliance), который объединяет семь крупных организаций США.

Изначально система связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах частот 824—849 МГц (линия «вверх») и 869—894 МГц (линия «вниз») с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире, — 1,25 МГц. Основные технические параметры оборудования сетей CDMA определены в ряде стандартов (IS-95, IS-96, IS-97, IS-98 и IS-99).

Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В IS-95 допускается использование нескольких типов речевых кодеков: CELP (8 кбит/с), QCELP (13 кбит/с) или EVRC (8 кбит/с). Типовые значения оценки качества по шкале MOS для алгоритма CELP составляет 3,7 балла (9600 бит/с) и 3,0 балла (4800 бит/с). Вносимая алгоритмом CELP задержка не превышает 30 мс. Качество передачи речи в вокодере QCELP (Qualcomm CELP) очень близко к качеству передачи по проводным линиям (4,02 балла).

Схема формирования сигналов для стандарта IS-95

Спецификации IS-95 в части формирования сигналов (см. схему) предусматривают использование метода прямого расширения спектра (DS-CDMA) на основе ансамбля из 64 ортогональных функций Уолша, который строится с помощью матрицы Адамара. При этом могут применяться три группы кодов: коды Уолша, короткие и длинные коды. Все они являются общими для базовых и мобильных станций, однако реализуют разные функции (табл.1).

Базовая станция (БС) может одновременно передавать до 64 CDMA-каналов на основе кодов Уолша. Преобразование сигналов на базовой станции осуществляется в несколько этапов. Вначале входной сигнал с переменной информационной скоростью (от 1,2 до 9,6 кбит/с) преобразуется в кодированный поток данных, имеющий фиксированную скорость 19,2 кбит/с. Затем он расширяется по полосе и передается с чиповой* скоростью 1,2288 Мчип/c. И наконец, на третьем, завершающем этапе выходной поток в каждом канале разделяется на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие (на схеме не показаны), которые после весового линейного сложения поступают на модулятор QPSK (квадратурной фазовой модуляции).

Все базовые станции используют короткие коды с идентичной структурой, но разными циклическими сдвигами, кратными 64, т. е. всего в сети 511 кодов. Циклические сдвиги различных станций не должны совпадать друг с другом, иначе в работе системы возникнет сбой. На практике синхронизация базовых станций в сети осуществляется с помощью спутниковых навигационных систем GPS или «Глонасс».

На базовой станции формируется четыре типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (PCH) и канал трафика (TCH). Число одновременно передаваемых каналов и их параметры указаны в табл.2.

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной базовой станции. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других базовых станций, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала (PI) происходит непрерывно. Для его передачи используют нулевую функцию Уолша (W0), т. е. код типа «все нули». Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/c перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/c. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на мобильной станции: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале PCH, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (PCH) или канале трафика (TCH), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации мобильная станция настраивается на канал вызова PCH и постоянно контролирует его.

При передаче сигнала от базовой станции используется сверточное кодирование со скоростью R=1/2 и кодовым ограничением K=9 (см. табл. 2). Для борьбы с замираниями в стандарте IS-95 предусмотрено поблочное перемежение символов, позволяющее декоррелировать пакеты ошибок. Скорость передачи по каналу TCH может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, что позволяет гибко адаптировать трафик к условиям распространения радиоволн. Для приема сигналов используется RAKE-приемник, имеющий несколько каналов для их параллельной обработки.

Сигналы в мобильной станции формируются несколько иначе, чем в базовой. Для нее предусмотрено два типа информационного обмена: доступ (ACH) и трафик (TCH). Кодирование сигнала осуществляется сверточным кодеком с кодовой скоростью R=1/3, в результате скорость в информационном канале увеличивается до 28,8 кбит/с (см. табл. 2). Другое отличие состоит в том, что мобильная станция не излучает пилот-сигнала. Поэтому базовые станции CDMA осуществляют некогерентную обработку сигналов, а помехоустойчивость обеспечивается в основном за счет пространственного разнесения.

В кодеках мобильных станций тоже применяются ортогональные коды Уолша, но не для уплотнения каналов (как на базовой станции), а для повышения помехоустойчивости. С этой целью входной поток данных со скоростью 28,8 кбит/с разбивается на пакеты по 6 бит, и каждому из них однозначно ставится в соответствие одна из 64 последовательностей Уолша. В итоге скорость кодированного потока на входе модулятора возрастает до 307,2 кбит/с.

Все мобильные станции в сети используют один и тот же длинный код, но с разными циклическими сдвигами. Величина сдвига длинного кода является адресным признаком, по которому базовая станция различает абонентов при приеме сигнала.

Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры базовых станций весьма чувствительны к эффекту «ближний—дальний». Чем выше точность управления мощностью, тем ниже уровень взаимных помех. В стандарте IS-95 регулировка мощности мобильной станции осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ. Биты управления мощностью передаются по каналу трафика со скоростью 800 бит/с (см. схему). Раздельная обработка многолучевых сигналов с последующим их сложением обеспечивает требуемое отношение сигнал/шум в 6—7 дБ. Применение нескольких параллельно работающих каналов при раздельной обработке лучей позволяет осуществить «мягкий» режим переключения мобильной станции при переходе абонента из одной соты в другую.

Эволюция стандарта IS-95

Одно из важных требований, предъявляемых к системам второго поколения, — гибкость технологии и возможность ее постепенного развития, проходящего без кардинального изменения существующей инфраструктуры сетей.

Современные сети, базирующиеся на стандарте IS-95, обеспечивают передачу сигнала со скоростью 9,6 кбит/с (с кодированием) и 14,4 кбит/с (без кодирования), тогда как исходные спецификации cdmaOne предполагали скорость передачи 8 кбит/с, 13 кбит/с и 8 кбит/с EVRC (Enhanced Variable Rate Vocoder). В настоящее время повсеместно применяется версия стандарта IS-95A.

Версия IS-95B основана на объединении нескольких каналов CDMA, организуемых в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Скорость может увеличиваться до 28,8 кбит/с (при объединении двух каналов по 14,4 кбит/с) или до 115,2 кбит/с (8 каналов по 14,4 кбит/с). Сети на основе IS-95B смогут обеспечивать доступ в Internet до появления систем третьего поколения. Однако для того, чтобы предоставлять услуги пакетной передачи, контроллер базовой станции нужно дооснастить маршрутизатором. В спецификациях этого стандарта предусмотрено качественное улучшение характеристик обслуживания за счет снижения потерь при переходе абонента от одной базовой станции к другой, а также повышение точности контроля мощности до 0,25 дБ, организация каналов приоритетного доступа и другие усовершенствования.

В версии IS-95С модификации коснулись повышения частотной эффективности и увеличения емкости телефонной сети в два раза. Спецификациями предусматривается дополнительный канал с ортогональным сдвигом несущей, по которому может передаваться полный кодовый ансамбль сигналов (т. е. 64 кода Уолша), такой же как и по синфазному каналу. Системы на базе IS-95C будут обратно совместимы с сетями на основе IS-95A и IS-95В и сохранят прежнюю полосу частот — 1,25 МГц. По сравнению с предыдущими версиями скорость передачи в системе возрастет до 144 кбит/c; при этом сократится энергопотребление терминала.

В настоящее время разрабатывается новая модификация IS-95-HDR (High Data Rate), которая призвана расширить возможности высокоскоростной передачи данных. В прямом канале передачи, поддерживающем этот стандарт, предполагается повышение скорости до 1 Мбит/с и даже более. В обратном канале скорость по сравнению с IS-95С не меняется. Возможности, которые предоставит IS-95-HDR, в первую очередь ориентированы на совместную работу с сетями передачи данных, имеющими асимметричный трафик.

Несмотря на то, что предлагаемые усовершенствования продлят срок жизнеспособности нынешнего поколения систем, имеющиеся в радиоинтерфейсе IS-95 ограничения не позволят выполнить все требования нового поколения. Последующее развитие технологии СDМА будет проходить в рамках создания сетей семейства IMT-2000.