Введение

Не так давно в России был принят федеральный стандарт третьего поколения сотовойсвязи IMT-MC-450, позволяющий абонентам достигать высоких скоростей передачи данных (до 153 кбит/с), но уже ведутся работы по внедрению стандарта следующего поколения EV-DO, позволяющего достичь в той жеполосе частот значительно большей скорости передачиданных (до 2,4 Mбит/с). Стандарт CDMA в настоящее время используется достаточно широко и существует большое количество его разновидностей. Попробуем разобраться в его отличительных особенностях.

Эволюция поколений сетей на базе CDMA

Первые коммерческие системы сотовой связи, построенные на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), были основаны на стандарте IS-95 A/B. Данные сети предоставляли абонентам голосовые услуги и услуги передачи данных, основанные на канальной коммутации. Скорость передачи данных была невысока, до 64 кбит/с. В стандарте IS-95B уже появилась пакетная передачаданных, но скорость еще относительно невысока, до 115 кбит/с. Эволюция стандарта показана на рис. 1.

Рис. 1.Эволюция стандарта CDMA

Основным преимуществом стандартов данной линейки, с точки зрения абонента, является совместимость радиоинтерфейса стандартов различных поколений. Это выделяет определенные особенности в эволюции стандартов. Так трубки стандарта IS-95 могут работать в сетях 1Х. Это стало возможным благодаря унификации использования частотного ресурса, так как ширина несущей для всех стандартов одинакова и составляет примерно 1,25 МГц.

Стандарт EV-DO (от английского EVolution Data Only) рассчитан исключительно для передачи данных и поэтому не требует оборудования для коммутации каналов, т. е. данную сеть можно относительно легко использовать как с сетями CDMA 1Х, так и с сетями IS-95, как наложенную сеть для высокоскоростной передачи данных. Рассмотрим, что позволяет достичь таких высоких скоростей в той же самой полосе частот.

Особенности радиоинтерфейса CDMA 2000 1x

Отличительной особенностью технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов является возможность нескольких абонентов передавать данные или разговаривать на одной и той же частоте в один момент времени. Это достигается следующим образом. Имеется исходная достаточно узкополосная информация (голос или данные). После предварительного кодирования и перемежения происходит процесс расширения спектра. Каждый информационный канал расширяется соответствующей функцией Уолша и далее парой псевдослучайных последовательностей (PN-кодами) с фиксированной чиповой скоростью 1,2288 Mчип. Далее полученные последовательности от разных абонентов суммируются и передаютсяпо радиоканалу (рис. 2).

Рис. 2. Принцип формирования сигнала CDMA

Соответственно минимальная информационная скорость одного канала составляет 9600 бит/с. Этого достаточно для передачи голосовой информации и именно это является условием обратной совместимости системы данного стандарта с системами, построенными на базе стандартов IS-95.

Таким образом, обеспечивается преемственность различных поколений. Для голосового канала и передачи данных со скоростью 9600 бит/с используются функции Уолша длиной 64 бита. Для обеспечения большей скорости необходимо уменьшить длину кодовой последовательности. Для скорости передачи 19200 бит/с используются функции Уолша длиной 32 бита, и далее в соответствии с ростом скорости длина функции уменьшается, составляя, например дляскорости 153,6 кбит/с, 4 бита.

В теории возможно и достижение скорости передачи данных 307,2 кбит/с, но на практике это не осуществимо. На рис. 2 видно, что мощность непосредственно связана с емкостью системы. Фактически качество алгоритмов управления мощностью и определяет пиковую и среднюю емкость системы. Такой подход наиболее целесообразен в случае большого количества голосовых абонентов. Контроль за скоростью передачи данных в таком случае тоже сводится к контролю мощности.

Рассмотрим далее структуру логических каналов впрямом и обратном канале системы CDMA2000 1Х.

Предлагаем начать с прямого канала системы 1Х. Для удобства читателя все типы каналов перечислены в табл. 1.

Вышеперечисленные каналы подразделяются на общие и выделенные каналы. Ниже даны общие физические каналы:

• Forward Pilot Channel(F-PICH);
• Forward Synchronous Channel(F-SYNC);
• Forward Paging Channel(F-PCH).

А также логические каналы:

• Forward Broadcast Control Channel(F-BCCH);
• Forward Quick Paging Channel (F-QPCH);
• Forward Common Power Control Channel(F-CPCCH);
• Forward Common Assignment Channel(F-CACH);
• Forward Common Control Channel(F-CCCH).

Кроме общих каналов также существуют каналы трафика, собственно, являющиеся каналами передачи основной информации. Выделяют следующие логические типы данных каналов:

• Forward Dedicated Control Channel(F-DCCH);
• Forward Fundamental Channel(F-FCH);
• Forward Supplemental Channel(F-SCH).

По каналу F-DCCH передается абонентская сигнализация во время вызова. В свою очередь, по фундаментальному каналу F-FCH возможна передача голосовой информации, а также данных. При необходимости получения больших скоростей задействуются дополнительные каналы F-SCH.

Так, для передачи данных со скоростью 153,6 кбит/с необходимо использование 16 F-SCH. Всего при использовании конфигурации RC3 в одном секторе на одной несущей возможна организация 64 каналов по 9,6 кбит/с. В свою очередь, с учетом общих каналов максимально теоретически возможное число доступных голосовых каналов для абонентов в одном секторе составляет 61 (несколько общих каналов занимают один физический канал на радиоинтерфейсе). В реальной ситуации емкость системы в одном секторе меньше, это обусловлено интерференцией и алгоритмами хэндовера.

Для достижения высокой скорости передачи данных объединяются несколько каналов, при этом уменьшается длина кода, но также уменьшается и коэффициент расширения, что приводит к уменьшению зоны покрытия на данной скорости, либо к необходимости увеличения мощности прямого канала для достижения приемлемого покрытия. Но простое увеличение мощности в полосе приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. То есть получается замкнутый круг, практически никогда мощность, излучаемая сектором базовой станции, не достигает пиковой величины. Именно с этим и связана относительно небольшая область покрытия на больших скоростях, а также небольшая емкость для высокоскоростных абонентов.

В качестве модуляции в прямом канале используется QPSK-модуляция.

В обратном канале системы 1Х имеются следующиетипы каналов (табл. 2).

В отличие от прямого канала в обратном канале можно выделить следующие типы общих каналов:

• Reverse Pilot Channel(R-PICH);
• Reverse Access Channel(R-ACH);
• Reverse Enhanced Access Channel(R-EACH);
• Reverse Common Control Channel(R-CCCH).

И также следующие типы выделенных каналов:

• Reverse Dedicated Control Channel(R-DCCH);
• Reverse Fundamental Channel(R-FCH);
• Reverse Supplemental Channel(R-SCH);
• Reverse Supplemental Code Channel(R-SCCHT).

Общие каналы используются абонентским терминалом для связи с базовой станцией и доступа в сеть. Обратный пилот-канал используется для первоначального захвата абонентским терминалом базовой станции,трассировки и последующего контроля мощности.

Каналы трафика по своей структуре и функциям аналогичны прямому каналу.

В отличие от прямого канала в обратном канале используется HPSK-модуляция.

Отличительные особенности радиоинтерфейса CDMA 2000 1X EV-DO

Такое подробное рассмотрение структуры радиоинтерфейса CDMA 2000 1Х, возможно, утомительно, носовершенно необходимо для понимания принципиальных отличий стандарта CDMA 2000 1Х EV-DO.

Если в стандарте 1Х пропускная способность прямого и обратного канала одинакова, то в стандарте EV-DO пропускная способность прямого канала значительно больше. Этому есть достаточно простое объяснение: если стандарт 1Х в основном используется для голоса и данных, т. е. трафик достаточно симметричен, то стандарт 1xEV-DO рассчитан только на передачу данных, этим и обусловлена большая скорость в прямом канале. Трафик данных не симметричен, обычно абоненты принимают больше информации, чем передают.

Структура каналов EV-DO показана на рис. 5.

Рис. 5.Структура каналов EV-DO

Из рисунка видно, что принципиально структура формирования каналов в данном стандарте практически аналогична стандарту 1Х и сам стандарт обратно совместимсо стандартом 1Х. Но кроме этого добавляются специфические каналы, присущие данному стандарту. В прямом канале это каналы оценки активности и контроля мощности обратного канала, а также блокирование канала контроля передачи данных, которое используется сетью для запрещения абонентскому терминалу выбора сектора.

Обратный канал по типу модуляции и структуре полностью аналогичен стандарту 1Х за исключением двухновых логических каналов: информации о скорости передачи данных в обратном канале (абонентский терминал сообщает скорость передачи данных в обратном канале) и контроля передачи данных (DRC). При этом терминал сообщает максимально возможную скорость передачи данных в прямом канале.

Максимальная скорость передачи данных для абонента 1xEV-DO в прямом канале может достигать величины 2,4 Mбит/с. Такая скорость достижима благодаря принципиальным отличиям прямого канала.

1. В прямом канале используется технология временного разделения абонентов. Технология временного разделения наиболее оптимально подходитдля пакетной передачи данных. При этом в прямом канале в стандарте EV-DO используются 16 тайм-слотов длительностью по 1,67 мс каждый, в которых и передается абонентская информация. То есть в какой-то момент времени передается информация одного абонента. Это позволяет выделить полную мощность передатчика для каждого конкретного абонента. Нет необходимости контроля мощности в прямом канале. Соответственно в прямом канале нет источников интерференции внутри соты, присутствуют помехи от соседних сот.

2. В зависимости от типа передаваемой информации используется адаптивная модуляция. От типа модуляции, применяемой в прямом канале, зависит скорость передачи данных, система оценивает размер кодируемого пакета, состояние радиоинтерфейса и назначает в соответствии с этим вид модуляции QPSK, 8-PSK или 16-QAM.

3. Применяются алгоритмы контроля скорости передачи данных. Скорость передачи данных зависит от состояния радиоинтерфейса в соте, и если в системе 1х для достижения больших скоростей производилось управление мощностью передаваемой информации, то, так как в системе EV-DO передаваемая мощность постоянна, производится оценка состояния радиоинтерфейса и быстрая подстройка скорости передачи данных. Зависимость скорости передачи информации приведена в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Скорость передачи данных в прямом канале

Поясним вышесказанное. Например, абонент закачивает файл данных большого размера или смотрит потоковое видео, система сама назначает ему скорость. Абонентский терминал оценивает отношение сиг-нал/шум в секторе и вместе с информационным запросом передает индекс DRC, в соответствии с которым система определяет максимально возможную скорость передачи данных в прямом канале. Данный индекс динамически меняется во время сеанса в зависимости от уровня интерференции. В соответствии с количеством бит вкодируемом пакете система назначает вид модуляции, количество тайм-слотов и соответственно скорость передачи данных.

Таким образом, при значении DRC-индекса 12 и передачи пакетов большого объема скорость передачи данных абонента достигает 2,4 Mбит/с. При этом он занимает всего лишь один тайм-слот. Вся остальная емкость доступна для других абонентов. То есть система управляет скоростью передачи и никогда не выделит больше ресурсов абоненту, находящемуся в худших условиях.

При передаче данных в направлении к базовой станции абонентский терминал принимает широковещательный RA-канал, в котором содержится информацияо загрузке обратного канала. Данный канал содержится в каждом тайм-слоте. Вместе с данными передается иинформация о скорости передачи в обратном канале, что упрощает работу базовой станции.

Заключение

Достаточно сложно отразить в статье все нюансы и тонкости радиоинтерфейса 1Х EV-DO, но большие возможности передачи данных, реализованные в нем, оказались востребованы глобальным рынком. В настоящее время число пользователей данного стандартапревышает 4,3 млн человек, и он является самым внедренным стандартом третьего поколения. Абонентам сетей остается надеяться, что сети IMT-MC-450 перейдут на данный стандарт как можно быстрее и порадуют нас новыми услугами высокоскоростной передачи данных, потокового видео и сотового телевидения, а также многими другими.

© Р.А. Капустин, Huawei Technologies

© «Мобильный форум»

Также по теме: читайте подборку материалов по технологии CDMA450 в разделе "Энциклопедия" "Проф-архива" MForum