Друге покоління стільникових систем – цифрові системи.

У цій секції ми розглянемо найважливіші цифрові стільникові мережі, які увійшли до вживання в першій половині 1990-их. Ми часто звертаємося до цих систем як другого покоління стільникових систем.

Глобальна система мобільних комунікацій (GSM). GSM працює в смузі частот, близьких 900 МГц, і вона стала найбільш широко використовуваним другим поколінням стільникових технологій. В GSM інформація про абонента збережена на мікропроцесорній картці – смарт-карті, завдяки якій абонент може змінити свій мобільний телефон в будь-який час. Коли він вставляє свою смарт-картку в новий телефон, то він зберігає доступ до того ж самому обслуговуванню, що і раніше. Метод доступу, використовуваний в GSM – доступ з тимчасовим поділом каналів, в якому кожен частотний канал розділений на безліч коридорів в часі передачі по одному на кожного користувача.

Цифровий стільниковий система на 1800 МГц. Цифровий стільниковий система на 1800 МГц також відома як GSM-1800. Вона заснована на технології GSM, але працює в смузі частот, близьких 1800 МГц, і забезпечує набагато більш високу ємність, ніж GSM в термінах числа користувачів. GSM-1800-технологія для європейського варіанту мережі персональних комунікацій (PCN), але вона використовується і в інших частинах зі світу також. Мета PCN полягає в тому, щоб забезпечити масові персональні телекомунікації в міських областях.

Мережа персональних комунікацій та її послуги. Відзначимо тут, що термін персональні комунікації відноситься до стільникових мобільним комунікаціям, в яких виклик адресовано людині, яка носить термінал – стільниковий телефон, але він не адресований фіксованому телефонному апарату як у звичайній телефонній мережі. Мережа персональних комунікацій PCN просто означають мікростільникові системи, які надають дешеве і високопродуктивне обслуговування-персональні комунікації (PC), а також ручний портативний термінал з тривалим терміном служби акумулятора.

Відзначимо, що всі системи із смугою частот, що лежить вище діапазону 1800-1900 МГц, згадуються як системи персональних комунікацій, а системи із смугою частот нижче 1 ГГц згадуються як стільникові системи.

Персональні комунікації і PC-1900. Система GSM-1900 заснована на технологіях GSM-1800 і DCS -1800, але пристосована до розподілу частот в Північній Америці. Ці три системи на основі GSM настільки подібні, що за допомогою многорежимной мобільної станції абонент може використовувати всі три мережі з тим же самим терміналом і підпискою (тієї ж самої смарт-картою). Ми ілюструємо структуру і операції цієї системи як приклад сучасної цифрової стільникової системи.

Цифровий стільниковий мережу в Північній Америці. І Сполучені Штати і Канада впроваджують цифрові технології, щоб збільшити ємність і якість існуючої системи аналогової мережі. Північноамериканська цифрова стільникова система (NADC) здійснює цифрові радіокомунікації в смузі частот аналогового стільникового мережі. Система NADC ділить кожен аналоговий канал на шість тимчасових коридорів (слотів). За допомогою поділу в часі три або шість (при половинній швидкості передачі – 32 кбіт / с) користувачів розділяють між собою аналоговий канал з шириною смуги частот 30 кГц. Термінали зі здатністю до двох швидкостям передачі використовують цифрову систему, коли вона доступна, в іншому випадку використовується аналогове обслуговування. Система NADC в змозі забезпечити обслуговування для навіть самого старого терміналу аналогової мережі. Загальні канали контролю аналогових мереж і NADC сумісні і мобільна станція, аналогової або цифрової модальності, спочатку шукає загальний канал контролю, а потім повідомляє мережі інформацію про свою модальності. Після визнання цифровий модальності мобільного телефону, мережа призначає цифровий транспортний канал для виклику по мобільному телефону. Якщо цифровий транспортний канал не доступний, то замість нього призначається аналоговий канал. Після того як канал призначений, мережа вказує MС номер каналу (частоту), номер тимчасового коридору, вибір часу і потужності передачі. Вибір часу передачі необхідний у всіх системах з тимчасовим поділом каналів. Віддалена MС повинна починати передачу раніше, ніж MС, близько розташована до БС, інакше наступні один за одним передачі від двох взаємодіючих мобільних станцій будуть накладатися один на одного в приймачі БС. Канал підтримується до тих пір, поки мережа шляхом контролю не встановить, що час комунікації закінчилося.

Множинний доступ з кодовим поділом каналів (CDMA). Стандарт CDMA був відібраний на початку 1990-их, щоб стати основним, цифровим стільниковим стандартом в Сполучених Штатах. Головна відмінність між технологією CDMA та іншими технологіями, обговореними раніше – те, що в багатоканальній передачі радіосигналів ця система використовує не частотне або тимчасове, а кодове розділення каналів. Для цього мобільні системи використовують широку смугу частот, в якій кожен користувач представлений за допомогою унікального коду. Цей унікальний код використовується для поширення сигналу з широкою смугою частот та виявлення цього сигналу на приймальному кінці маршруту. Американська система CDMA також згадується як вузькосмуговий множинний доступ з кодовим поділом каналів.

Принцип дії CDMA.Операціонний принцип радіопередачі CDMA не настільки легко зрозуміти як частотне або тимчасовий поділ каналів. Рис. 12.3 показує дуже спрощено операції системи CDMA. Для полегшення розуміння на малюнку показано, що швидкість передачі кодових даних в 10 разів вище, ніж швидкість передачі інформаційних даних. У реальних системах CDMA швидкість передачі кодових даних більш ніж в 100 разів вище швидкості передачі інформаційних даних.

У передавачі над користувацькими даними і сланкими кодовими даними виконується логічна операція «виключає АБО» або підсумовування по модулю 2. Підсумовування за модулем 2 означає: 0Å0=0; 0Å1=1, 1Å0=1; 1Å1=0. Іншими словами, операція «виключає АБО» дає на виході 1 (високий рівень), коли користувальницькі і кодові дані не збігаються (різні), і дає на виході 0 (низький рівень), користувальницькі і кодові дані збігаються. У нашому спрощеному прикладі, біти коду, які надалі будемо називати просто «кодом», і біти інформаційних даних, які для простоти назвемо «даними», після підсумовування по модулю 2 дадуть біти в 10 разів коротше, ніж біти оригінальних даних. Відомо, що чим коротше імпульси, тим ширше спектр вони мають. Таким чином спектр кожного біта інформаційних даних став після підсумовування з кодом в 10 разів більш широким, тобто спектр інформаційних даних зайняв тепер у 10 разів більш широку смугу частот. Після модуляції несучого коливання, яке використовується як переносник сигналу, широка смуга частот буде зайнята і радіосигналом CDMA, який випромінюється антеною.

У приймачі отриманий сигнал спочатку демодулируется, а потім той самий код використовується для повторення операції «виключне АБО», щоб відновити інформаційні дані. Відновлені дані займають смугу частот у 10 разів менше, ніж радіосигнал CDMA. Ми можемо уявити що приймач, використовуючи правильний код, переніс енергію сигналу з широкої смуги частот у вузьку (основну) смугу частот.

Побічні сигнали від інших користувачів будуть підсумовуватися з іншими кодовими даними, тому на вході ФНЧ приймача вони будуть сприйматися як випадкові сигнали з широким спектром, як показано на рис. 12.3. Більшість цих сигналів буде відфільтроване у фільтрі низьких частот ФНЧ приймача, тоді як більшість потрібних даних легко пройдуть через ФНЧ. На виході ФНЧ побічні сигнали будуть помічені як шум на вершині бажаних даних. Регенератор виявить потрібні дані і це виявлення буде вільним від помилок, якщо шум не надто високий.

 

Рис. 12.3 Операційний принцип CDMA.

 

Для точності операції приймач повинен бути синхронізований з передавачем і одночасно використовувані коди повинні збігтися в часі в приймачі і передавачі, щоб мінімізувати інтерференцію. Система CDMA також вимагає точного і частого регулювання рівнів потужності, тому що використовувані потужності впливають як на відношення сигнал / шум, так і на взаємні перешкоди від одночасної роботи користувачів. Принцип кодового розділення каналів забезпечує багато переваг у порівнянні з частотним або тимчасовим поділом каналів. Він використовує радіо-ресурси більш ефективно, і знижує чутливість до завмирань і вузькосмуговим радіоперешкод. Він розрахований на роботу МС з низькою потужністю передачі, так що ризик опромінення для користувачів переносних телефонів не значний.

Система IS-95 CDMA. Система CDMA являє собою бездротову радіомережа, яка використовує радіосигнали з розподіленим спектром в діапазоні 800 MГц, використовуючи принцип кодового розділення каналів. Система CDMA підтримує операції двох модальностей (цифрової і аналогової) точно так само, як система NADC. Ресурси CDMA існують в тій самій смузі частот, що і ресурси традиційної системи стільникового зв'язку, вони представляють 41 канал в діапазоні 1.23 МГц. Користувачі CDMA використовують свої унікальні коди, щоб працювати в цьому діапазоні. Загальні канали контролю також працюють в смузі частот CDMA, використовуючи їхні власні коди розподілу, які відомі MС.

Коли MС знаходиться в пасивному стані, вона використовує код FOCC, щоб слухати мережу і бути в стані готовності, наприклад, щоб отримати пейджингового повідомлення про виклик, що надійшов. Коли виклик отримав з'єднання, новий код виділяється користувачу для комунікації у виділеному канале.CDMA – цікава технологія, і вона забезпечує багато таких функцій, які ми ще не обговорили, типу програмної передачі повноважень або їх вилучення. Щоб виконати ці завдання, MS може використовувати більш ніж одну БС (працюючими з тими ж самими несучими частотами) в той же самий час, але з різними кодами. Багато БС отримують сигнал від однієї MС одночасно, а МС може комбінувати сигнали, отримані від різних БС. MС не потребує перемиканнях від однієї БС до іншої в певний момент часу як це має місце в мережах множинного доступу з частотним і тимчасовим поділом каналів.

Ми обмежуємо наш розгляд CDMA та інших стільникових систем цим коротким введенням найважливіших мереж.