Проектування мережі стільникового зв’язку з багатодистанційним доступом з кодовим розподілом каналів (СDMA) на основі стандарту IS-95

КУРСОВА РОБОТА

Зміст

Вихідні дані………………………………………………………………………..3

Вступ………………………………………………………………………….........4

1 Основні параметри стандарту ……………………………...…………………..5

2 Структура стільникового зв’язку ……………………………………………..12

3 Розрахунок параметрів мережі ………………………………………………..15

4 Додаткове завдання………………………….. ………………………………..21

Висновки…………………………………………………………………………..23

Перелік посилань………………………………………………………………….24

Графічний матеріал

Додаток А. Структура стільникової мережі зв’язку…………………………….25

Додаток Б. Графіки результатів досліджень……………………………………..26

ВСТУП

В останні роки значний прогрес у телекомунікаційних технологіях досягнутий завдяки переходу на цифрові види зв'язку, які, в свою чергу, базуються на стрімкому розвитку мікропроцесорів. Яскравий приклад цього – поява й швидке впровадження технології зв'язку із застосуванням цифрових шумоподібних сигналів і методів багатостанційного доступу з кодовим розподілом каналів (англ. CDMA).

Чудова властивість цифрового зв'язку із застосуванням шумоподібних сигналів - захищеність каналу зв'язку від перехоплення, перешкод і підслуховування. Саме тому дана технологія була спочатку розроблена і використовувалася для збройних сил США. Американська компанія Qualcom на основі цієї технології створила стандарт IS-95 (CDMA one) і передала його для комерційного використання.

Основні напрямки використання і впровадження CDMA – це наземні фіксовані бездротові телефонні мережі, стільникові мобільні системи зв'язку й супутникові системи зв'язку.

Стандарт CDMA розроблявся з метою домогтися більшої, у порівнянні з TDMA, ємності мереж і увібрав у себе численні удосконалення технологій бездротової передачі, що дозволило збільшити зону покриття і підвищити якість передачі.

1 ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ СТАНДАРТУ

Зв'язок в зоні покриття CDMA, як правило, у порівнянні з іншими стандартами більш стійкий. Пояснюється це властивостями зв'язку в стандарті CDMA. По-перше - велика завадозахищеність, яку сигнал набуває внаслідок дуже широкого спектру сигналу (1,25 МГц). Такому сигналу не страшні завади промислового походження (наприклад автомобілі), так як їх спектр нездатний перекрити сигнал CDMA. По-друге - від абонента, що розмовляє по телефону стандарту CDMA, сигнал приймається не однією базовою станцією, як в інших стандартах, а двома чи навіть трьома найближчими до нього. Це дає ряд переваг:

при переміщенні з соти в стільнику відбувається плавна естафетна передача абонента від однієї базової станції до іншої, таким чином виключаються перерви зв'язку при русі;
підтримуючи зв'язок одночасно з двома-трьома базовими станціями, вибирається найкращий сигнал. Більш того, якщо жоден канал не забезпечує належної якості, то сигнал будується з "поганих" складових, в сумі дають хороший результат. Типовий приклад: у підземному переході, де телефони GSM, NMT або DAMPS втрачають зв'язок, телефон CDMA, вловлюючи багаторазово відбиті сигнали, що приходять з різних напрямків, може впевнено тримати зв'язок.

Перераховані властивості підводять нас до ще одного чудового висновку: для зв'язку мобільного телефонного апарату з базовими станціями досить дуже незначною потужності передавача. Це "досягнення" і широкосмугового сигналу, що дозволяє розподілити потужність по всьому спектру, і описаного вище рознесеного прийому, за допомогою якого телефон може вибрати найменш зашумлений канал і, отже, передавати з меншою потужністю, регулюючи її в процесі розмови. У самому найгіршому випадку, ця потужність досягає 0.2 Вт (а в нормальних умовах вона дорівнює одиницям міліват), В той час як в інших стандартах вона коливається від 0.6Вт до 2 Вт Особливо це актуально в світлі розгорнутої не так давно дискусії про шкоду випромінювання мобільних телефонів. Хоча одні дослідження підтверджують наявність такої шкоди, а інші заперечують, до з'ясування істини найкраще мінімізувати вплив електромагнітного випромінювання на органи і, в першу чергу, на головний мозок. В умовах сучасного бізнесу досить важливий і фактор конфіденційності переговорів. Адже мобільний телефон - це універсальний засіб зв'язку, що надає голосової, факсимільний і навіть інтернет-канали комунікацій. Природно, для більшості бізнес-користувачів конфіденційність передачі даних коштує нарівні з зручністю використання засобів зв'язку. Можливості апаратури перехоплення розмов ростуть, упав навіть GSM, оголошений колись як стандарт, який неможливо прослухати. Стійкість CDMA теж не безмежна, але з наявних на ринку стільникового зв'язку стандартів самий захищений. Щоб уявити собі витрати, необхідні для перехоплення сигналу CDMA, можна підрахувати вартість однієї базової станції мережі, причому з усією інфраструктурою.

Для представлення перспектив CDMA досить сказати, що зв'язок третього покоління 3G заснований на CDMA.

Недоліків у CDMA небагато, хоча на вирішення деяких проблем знадобився не один десяток років. Головним стримуючим фактором її практичного застосування довгі роки була складність обладнання.Коло виробників, яким до снаги створювати таку апаратуру (особливо базові станції), не назвеш широким.

Інший недолік - виникнення взаємних перешкод, що погіршують умови прийому при зростанні числа активних абонентів, що позначається на зв'язку периферійних віддалених абонентських станцій. Головні ж камені спотикання на шляху впровадження технології CDMA - висока чутливість до розкиду потужностей абонентських станцій і складність синхронізації базових станцій. Перша з цих проблем була вирішена за рахунок створення унікальної високоточної системи управління потужністю (крок 0,5-1 дБ, швидкість 0,8 або 1,6 кбіт / с), а друга - за допомогою сигналів GPS.

Для підвищення якості зв'язку однієї абонентської станції за допомогою м'якого перемикання каналів потрібно одночасно виділяти для неї два або більше каналів, що знижує пропускну здатність загального каналу радіозв'язку.

Порядок проходження мовних даних в мобільній станції до моменту відправлення в ефір:

1.Мовний сигнал надходить на мовної кодек. На цьому етапі мовний сигнал оцифровується і стискається за алгоритмом CELP .

2.Сигнал надходить на блок перешкодостійкого кодування, який може виправляти до 3-х помилок у пакеті даних.

3.Сигнал надходить до блоку переміжного сигналу. Блок призначений для боротьби з пачками помилок в ефірі. Пачки помилок - спотворення кількох біт інформації поспіль. Принцип такий. Потік даних записується в матрицю по рядках. Як тільки матриця заповнена, починаємо з неї передавати інформацію по стовпцях. Отже, коли в ефірі спотворюються поспіль кілька біт інформації, при прийомі пачка помилок, пройшовши через зворотну матрицю, перетвориться в одиночні помилки.

4.Сигнал надходить до блоку кодування (від підслуховування). На інформацію накладається маска (послідовність) довжиною 42 біта. Ця маска є секретною. При несанкціонованому перехоплення даних в ефірі неможливо декодувати сигнал, не знаючи маски. Метод перебору всіляких значень не ефективний тому при генерації цієї маски, перебираючи всілякі значення, доведеться генерувати 8.7 трильйона масок довжиною 42 біта. Хакер, користуючись персональним комп'ютером, пропускаючи через кожну маску сигнал і перетворюючи його в файл звукового формату, потім, розпізнаючи його на наявність мови, витратить багато часу.

5.Блок на код Уолша. Цифровий потік даних перемножується на послідовність біт, згенерованих по функції Уолша. На цьому етапі кодування сигналу відбувається розширення спектру частот, тобто кожний біт інформації кодується послідовністю, побудованої за функцією Уолша, довжиною 64 біта. Швидкість потоку даних в каналі збільшується в 64 рази. Отже, в блоці модуляції сигналу швидкість маніпуляції сигналу зростає, звідси і розширення спектру частот. Так само функція Уолша відповідає за відсів непотрібної інформації від інших абонентів. У момент початку сеансу зв'язку абоненту призначається частота, на якій він буде працювати і один (з 64 можливих) логічних каналів, який визначає функція Уолша. У момент прийняття сигнал за схемою проходить у зворотний бік. Прийнятий сигнал множиться на кодову послідовність Уолша. За результатом множення обчислюється кореляційний інтеграл. Якщо Z порогова відповідає граничному значенню, отже, сигнал наш. Послідовності функції Уолша ортогональні і володіють хорошими кореляційними і автокореляційних властивостями, тому ймовірність сплутати свій сигнал з чужим дорівнює 0.01%.

6.Блок перемножування сигналу на дві М-функції (М1 - довжиною 15 біт, М2 - довжиною 42 біта) або ще їх називають ПСП-псевдовипадковими послідовностями.

7.Блок призначений для перемішування сигналу для блоку модуляції. Кожній призначеній частоті призначаються різні М-функції.

8.Блок модуляції сигналу. У стандарті CDMA використовується фазова модуляція ФМ4, ОФМ4.

На рис. 1.1. зображена схема проходження мовних даних в мобільній станції.

Рисунок 1.1 - Схема проходження мовних даних в мобільній станції.

У системах з CDMA використовують процедуру, що називається розширенням спектра сигналів. Це еквівалентно переходу вузькосмугових сигналів до широкосмугових (ШПС). Основною характеристикою широкосмугості сигналів є база сигналу, обумовлена як добуток ширини його спектра F на тривалість Т:

B = F * T. (1.1)

Розширення спектра частот переданих цифрових повідомлень може здійснюватися двома методами або їхньою комбінацією:

прямим розширенням спектра частот;
стрибкоподібною зміною частоти несучої;

В існуючих і розроблювальних системах стільникового зв'язку, для яких виконується умова (1.1), переважно використовуються ШПС, формування яких здійснюється по методу прямого розширення спектра (Direct Sequence-CDMA-DS-CDMA).

Для практичного застосування у системах стільникового зв'язку з CDMA найбільше часто використовується послідовний складений сигнал, що складається з різнополярних прямокутних імпульсів (пряме розширення спектра). Складений сигнал являє собою послідовність імпульсів різної полярності (рис 1.2). Така послідовність будується по визначеному закону. Якщо закон формування псевдовипадковий, то такий складений сигнал називається псевдовипадковою послідовністю (ПСП).

Як імпульсні послідовності можуть бути обрані кодові послідовності Бакера, послідовності Хаффмена (М-послідовності), функції Уолша та ін.

Властивості функцій Уолша й алгоритми їхнього синтезу вивчені досить добре.

Звичайно функції Уолша одержують з більш простих функцій Радемахера, що утворюються із синусоїдальних функцій за допомогою співвідношення

, (1.2)

де = 1, 2, 3,...- порядок функцій Радемахера;

sign( ) – знакова функція, обумовлена як

(1.5)

Система функцій Уолша володіє поганими кореляційними властивостями. Це виражається в тім, що більшість функцій автокореляції (АКФ) і функції взаємної кореляції (ВКФ) послідовностей Уолша мають великі бічні піки

Рисунок 1.2 – Формування складного сигналу