Кодтық бөлісуге негіделген бірінші цифрлық ұялы технология: IS-95 стандарты

Кіріспе

CDMA-ға негізделген алғашқы цифрлық ұялы байланыс технологиясы – ұялы телефон технологиясы.

Кодты бөлу арқылы көптеген қолжеткізуді (CDMA) пайдаланған алғашқы цифрлық ұялы байланыс стандарты – Интерьерлік стандарт 95 (IS 95). Ол Qualcomm компаниясымен әзірленген және кейін Телекоммуникация индустриясы қауымдастығы (TIA) 1995 жылы жариялаған TIA/EIA/IS 95 нұсқасында стандарт ретінде қабылданды. IS 95-тің тікелей атауы cdmaOne. Бұл 2G ұялы байланыс стандарты, ол CDMA-ны, яғни цифрлық радио үшін көптеген қолжеткізу схемасын, ұялы телефондар мен базалық станциялар арасында дауыс, деректер және сигнал беру деректерін (мысалы, терілген телефон нөмірі) жіберу үшін пайдаланады. CDMA биттер ағынын (PN кодтарын) жібереді. CDMA бірнеше радио құрылғыларына бірдей жиіліктерді пайдалануға мүмкіндік береді. 2G GSM-де қолданылатын бәсекелес жүйе – уақытты бөліп беру арқылы көптеген қолжеткізу (TDMA) стандартынан айырмашылығы, барлық радио құрылғылары тұрақты түрде жұмыс істей алады, себебі желінің сыйымдылығы қосылған радио құрылғыларының санын тікелей шектемейді. Телефондардың көп санын аз базалық станциялармен қамтамасыз етуге болатындықтан, CDMA негізделген стандарттар TDMA негізделген стандарттарға немесе ең алғашқы ұялы байланыс стандарттарына қарағанда маңызды экономикалық артықшылыққа ие, олар жиіліктерді мультиплекстеуді қолданған. Солтүстік Америкада бұл технология TDMA негізделген Digital AMPS (IS 136) және TDMA негізделген GSM стандартымен бәсекелесті. Ол кейіннен пайда болған CDMA стандарты – IS 2000 (CDMA2000) стандартымен алмастырылды.

Хаттаманың қайта қаралуы

cdmaOne-ның техникалық тарихы, оның Qualcomm-ның ішкі жобасы ретінде тууы мен сол кезде дәлелденбеген, бәсекелес цифрлық ұялы стандарттар аясында дамуын көрсетеді. IS 95 термині протоколдың алдыңғы қайта қаралуларының барлығына қолданылады, атап айтқанда P REV-тің 1-ден 5-ке дейінгі нұсқалары. P REV=1, ANSI стандарттары бойынша J STD 008 құжаттамасымен әзірленді. 1995 жылы жарияланған J STD 008 тек сол кездегі жаңа Солтүстік Америка PCS жиілік диапазонына (1-сынып жолағы, 1900 МГц) ғана қатысты. IS 95 термині, шамамен сол уақыт аралығында Телекоммуникация индустриясы қауымдастығының (TIA) стандарттау процесінде әзірленген P REV=1 нұсқасын білдіреді, ол Солтүстік Америка ұялы байланыс жиілік диапазоны үшін (0-сынып жолағы, 800 МГц) жасалған. IS 95 аналогтық ұялы желімен өзара әрекеттесуді (қосылысты қоса) ұсынды. Цифрлық режимде жұмыс істеу үшін IS 95 және J STD 008 көптеген техникалық ерекшеліктерімен ортақ. Екі құжаттың да жетілмеген стилі мен құрылымы Qualcomm-ның ішкі жобасын «стандарттау» процесін көрсетеді. P REV=2 Аралық стандарт 95A (IS 95A) деп аталады. IS 95A тек 0-сынып жолағы үшін әзірленді, TIA стандарттау процесінде IS 95-тен жақсарту ретінде жасалды. P REV=3 Техникалық қызмет көрсету туралы хабарлама 74 (TSB 74) деп аталады. TSB 74, TIA стандарттау процесінде IS 95A-дан келесі жақсарту болды. P REV=4 Аралық стандарт 95B (IS 95B) I фазасы деп, ал P REV=5 Аралық стандарт 95B (IS 95B) II фазасы деп аталады. IS 95B стандарттары TIA аясында ANSI стандарттарымен біріктірілді және екі жиілік диапазонында (қос жиілікті режим) IS 95 ұялы телефондарының өзара жұмыс істеуін қамтамасыз ететін алғашқы құжат болды. P REV=4 IS 95-тің ең танымал нұсқасы болды, ал P REV=5 Оңтүстік Кореяда аз қолданылды. P REV=6 және одан жоғары CDMA2000 жиынтығына жатады. Техникалық жақсартулардан басқа, IS 2000 құжаттары мазмұны мен құрылымы жағынан әлдеқайда жетілген. Олар сонымен қатар IS 95-ке кері үйлесімділікті қамтамасыз етеді.

cdmaOne's technical history is reflective of both its birth as a Qualcomm internal project, and the world of then unproven competing digital cellular standards under which it was developed. The term IS 95 generically applies to the earlier set of protocol revisions, namely P REV's one through five. P REV=1 was developed under an ANSI standards process with documentation reference J STD 008. J STD 008, published in 1995, was only defined for the then new North American PCS band (Band Class 1, 1900 MHz). The term IS 95 properly refers to P REV=1, developed under the Telecommunications Industry Association (TIA) standards process, for the North American cellular band (Band Class 0, 800 MHz) under roughly the same time frame. IS 95 offered interoperation (including handoff) with the analog cellular network. For digital operation, IS 95 and J STD 008 have most technical details in common. The immature style and structure of both documents are highly reflective of the "standardizing" of Qualcomm's internal project. P REV=2 is termed Interim Standard 95A (IS 95A). IS 95A was developed for Band Class 0 only, as in incremental improvement over IS 95 in the TIA standards process. P REV=3 is termed Technical Services Bulletin 74 (TSB 74). TSB 74 was the next incremental improvement over IS 95A in the TIA standards process. P REV=4 is termed Interim Standard 95B (IS 95B) Phase I, and P REV=5 is termed Interim Standard 95B (IS 95B) Phase II. The IS 95B standards track provided for a merging of the TIA and ANSI standards tracks under the TIA, and was the first document that provided for interoperation of IS 95 mobile handsets in both band classes (dual band operation). P REV=4 was by far the most popular variant of IS 95, with P REV=5 only seeing minimal uptake in South Korea. P REV=6 and beyond fall under the CDMA2000 umbrella. Besides technical improvements, the IS 2000 documents are much more mature in terms of layout and content. They also provide backwards compatibility to IS 95.

Хаттаманың егжей-тегжейі

IS 95 стандарттары әуе интерфейсін, яғни мобильді құрылғылар мен желі арасында қолданылатын хаттамалар жиынтығын сипаттайды. IS 95 көбінесе үш қабатты стек ретінде сипатталады, онда L1 физикалық (PHY) қабатқа сәйкес келеді, L2 – медиаға қолжетімділікті басқару (MAC) және байланысқа қолжетімділікті басқару (LAC) қосалқы қабаттарына, ал L3 – қоңырау өңдеу машинасының күйіне жатады.

Физикалық қабат

IS 95 сигналдарды алға (желіден мобильді құрылғыға) және кері (мобильді құрылғыдан желіге) бағыттарда таратуды анықтайды. Алға бағытта радиосигналдар базалық станциялар (БТС) арқылы жіберіледі. Әрбір БТС GPS қабылдағышымен синхрондалғандықтан, таратулар уақыт бойынша қатаң бақыланады. Барлық алға бағытталған таратулар секундына 1 228 800 чип жылдамдығымен QPSK форматында болады. Әрбір сигнал 64 ұзындығындағы Уолш кодымен және 215 ұзындығындағы псевдокезекті шу кодымен (PN коды) таратылады, бұл PN кодының қайталану периодының ms-қа тең болуын қамтамасыз етеді.

Кері бағытта радиосигналдар мобильді құрылғы арқылы жіберіледі. Кері байланыс таратулары мобильді құрылғының қуат күшейткішінің ең тиімді диапазонында жұмыс істеуі үшін OQPSK форматында жүзеге асырылады. Алға бағытталған байланыс сияқты, чип жылдамдығы секундына 1 228 800 және сигналдар Уолш кодтарымен және псевдокезекті шу кодымен таратылады, ол сонымен қатар Ұзын код деп те аталады.

Ағылшын тілінде хабар тарату арналары

Әрбір BTS пилоттық арнаға шығыс қуатының маңызды бөлігін жұмсайды, ол модульденбеген PN тізбегі болып табылады (яғни, Walsh коды 0-мен таратылады). Желідегі әрбір BTS секторына 64 чип қадамдарымен PN офсеті тағайындалады. Алдыңғы пилотта деректер жоқ. Оның күшті автокорреляциялық функциясы ұялы телефондарға жүйелік уақытты анықтауға және тапсыру үшін әртүрлі BTS-терді ажыратуға мүмкіндік береді. Ұялы телефон "іздеу" кезінде, белгілі бір радиожиіліктерге қосылып, барлық мүмкін PN фазалары бойынша кросс-корреляцияны орындау арқылы желідегі пилоттық сигналдарды табуға тырысады. Күшті корреляциялық шыңның нәтижесі BTS-ке жақын екенін көрсетеді. Басқа алдыңғы арналар, олардың Walsh кодымен таңдалған, желіден ұялы телефондарға деректерді жеткізеді. Деректер желілік сигналдан және пайдаланушы трафигінен тұрады. Әдетте, берілетін деректер биттердің фреймдеріне бөлінеді. Биттер фреймі конволюциялық кодерден өтеді, алдыңғы қателерді түзету үшін артық ақпарат қосылып, символдар фреймі жасалады. Бұл символдар Walsh және PN тізбектерімен таратылып жіберіледі. BTS-тер Walsh коды 32-мен таратылған синхрондау арнасын жібереді. Синхрондау арнасының фреймі ms ұзақтылығында болады, ал оның фрейм шекарасы пилотқа сәйкес келеді. Синхрондау арнасы үнемі бір хабарламаны, Sync Channel Message-ты жібереді, оның ұзындығы мен мазмұны P REV-ке байланысты. Хабарлама кадр ішінде 32 битпен кодталған, 128 символға айналады, нәтижесінде 1200 бит/с жылдамдыққа жетеді. Sync Channel Message желі туралы ақпаратты қамтиды, соның ішінде BTS секторы қолданатын PN офсетін. Ұялы телефон күшті пилоттық арнаны тапқаннан кейін, синхрондау арнасын тыңдайды және Sync Channel Message-ты декодтайды, жүйелік уақытқа жоғары дәлдікпен синхрондалады. Осы сәтте ұялы телефон роумингте екенін және "қызметте" екенін біледі. BTS-тер Walsh коды 1-ден басталатын кемінде бір, максимум жеті шақыру арнасын жібереді. Пагинг арнасының кадр уақыты 20 мс-қа тең, және IS-95 жүйесіне (яғни GPS) 2 секундтық айналымға сәйкес келеді. Пагинг арнасында екі мүмкін жылдамдық қолданылады: 4800 бит/с немесе 9600 бит/с. Екі жылдамдық та секундына 19200 символға кодталған. Пагинг арнасы желіден барлық бос ұялы телефондарға жіберілетін сигналдық хабарламаларды қамтиды. Хабарламалар жиынтығы ұялы телефондарға желілік жүктеменің егжей-тегжейлі ақпаратын жеткізеді, бұл ақпаратты пагинг арнасы бос болғанда тарату арқылы жүзеге асырылады. Пагинг арнасы сондай-ақ ұялы телефондарға және олардан қоңырау шалуды орнатуға арналған жоғары басымдықты хабарламаларды қамтиды. Ұялы телефон бос тұрғанда, ол көбінесе пагинг арнасын тыңдайды. Ұялы телефон желідегі барлық жүктеме ақпаратын талдағаннан кейін, желіге тіркеледі, содан кейін қалауынша слот режиміне кіреді. Бұл екі процесс төменде егжей-тегжейлі сипатталған.

Every BTS dedicates a significant amount of output power to a pilot channel, which is an unmodulated PN sequence (in other words, spread with Walsh code 0). Each BTS sector in the network is assigned a PN offset in steps of 64 chips. There is no data carried on the forward pilot. With its strong autocorrelation function, the forward pilot allows mobiles to determine system timing and distinguish different BTSs for handoff. When a mobile is "searching", it is attempting to find pilot signals on the network by tuning to particular radio frequencies and performing a cross correlation across all possible PN phases. A strong correlation peak result indicates the proximity of a BTS. Other forward channels, selected by their Walsh code, carry data from the network to the mobiles. Data consists of network signaling and user traffic. Generally, data to be transmitted is divided into frames of bits. A frame of bits is passed through a convolutional encoder, adding forward error correction redundancy, generating a frame of symbols. These symbols are then spread with the Walsh and PN sequences and transmitted. BTSs transmit a sync channel spread with Walsh code 32. The sync channel frame is ms long, and its frame boundary is aligned to the pilot. The sync channel continually transmits a single message, the Sync Channel Message, which has a length and content dependent on the P REV. The message is transmitted 32 bits per frame, encoded to 128 symbols, yielding a rate of 1200 bit/s. The Sync Channel Message contains information about the network, including the PN offset used by the BTS sector. Once a mobile has found a strong pilot channel, it listens to the sync channel and decodes a Sync Channel Message to develop a highly accurate synchronization to system time. At this point the mobile knows whether it is roaming, and that it is "in service". BTSs transmit at least one, and as many as seven, paging channels starting with Walsh code 1. The paging channel frame time is 20 ms, and is time aligned to the IS 95 system (i. e. GPS) 2 second roll over. There are two possible rates used on the paging channel: 4800 bit/s or 9600 bit/s. Both rates are encoded to 19200 symbols per second. The paging channel contains signaling messages transmitted from the network to all idle mobiles. A set of messages communicate detailed network overhead to the mobiles, circulating this information while the paging channel is free. The paging channel also carries higher priority messages dedicated to setting up calls to and from the mobiles. When a mobile is idle, it is mostly listening to a paging channel. Once a mobile has parsed all the network overhead information, it registers with the network, then optionally enters slotted mode. Both of these processes are described in more detail below.

Алға қарай жүретін жолдар

BTS секторындағы телеарналарға арналмаған Уолш кеңістігі трафик арналары үшін қолжетімді. Бұл арналар IS 95 стандартымен қолдау көрсетілетін жеке дауыстық және деректер қоңырауларын жеткізеді. Пайджерлік арналар сияқты, трафик арналарының кадр уақыты 20 мс құрайды. Дауыс және пайдаланушы деректері үздірісті болғандықтан, трафик арналары өзгермелі жылдамдықпен жұмыс істеуді қолдайды. Әрбір 20 мс кадр қолданылып жатқан қызмет түріне (дауыс немесе деректер) сәйкес әртүрлі жылдамдықпен жіберіле алады. P REV=1 және P REV=2 жылдамдықтар жиынтығы 1-ді қолдайды, ол 1200, 2400, 4800 немесе 9600 бит/с жылдамдықтарын қамтамасыз етеді. P REV=3 және одан жоғары жылдамдықтар жиынтығы 2-ні де ұсынады, бұл 1800, 3600, 7200 немесе 14400 бит/с жылдамдықтарын береді. Дауыстық қоңыраулар үшін трафик арнасы вокодер деректерінің кадрларын жеткізеді. IS 95 стандартында бірнеше түрлі вокодерлер анықталған, олардың ерте нұсқалары жылдамдықтар жиынтығы 1-мен шектелген және кейбір пайдаланушылардың дауыс сапасының нашарлығына шағымдануына себеп болды. Жаңа DSP және жылдамдықтар жиынтығы 2-ні пайдаланатын жетілдірілген вокодерлер дауыс сапасын жақсартты және 2005 жылға дейін кеңінен қолданылып келеді. Өзгермелі жылдамдықты трафик кадрын қабылдаған ұялы телефон кадрдың қандай жылдамдықпен жіберілгенін білмейді. Әдетте, кадр барлық мүмкін жылдамдықтарда декодталады және Витерби декодерінің сапалық көрсеткіштерін пайдаланып дұрыс нәтиже таңдалады. Трафик арналары IS 95 стандартында тізбектік коммутациялық деректер қоңырауларын да жеткізе алады. Өзгермелі жылдамдықты трафик кадрлары IS 95 радио байланыс протоколы (RLP) арқылы жасалады. RLP деректерді беру үшін сымсыз байланыстың өнімділігін жақсарту механизмін ұсынады. Дауыстық қоңыраулар кейбір 20 мс кадрлардың жоғалуына төзе алатын болса, деректер қоңырауы RLP болмаған жағдайда қабылдауға болмайтын өнімділікке ие болады. IS 95B P REV=5 стандарты бойынша пайдаланушы деректерді қоса алғанда, бір уақытта жеті қосымша "кодтық" (трафик) арнаны пайдалана алады, бұл деректер қоңырауының өткізу қабілетін арттырады. Бұл мүмкіндікті ұсынған ұялы телефондар мен желілер өте аз болды, бірақ теориялық тұрғыдан пайдаланушыға 115200 бит/с жылдамдықпен қызмет көрсетуге мүмкіндік береді.

Блок аралық

Конволюциялық кодтау және қайталаудан кейін символдар 20 мс блоктық араластырғышқа жіберіледі, ол 24 қатарлы 16 бағанды массив.

Қуаттылығы

IS 95 және CDMA техникасын қолдану, кез келген басқа байланыс жүйесі сияқты, Шеннон теоремасына сәйкес өткізу қабілетімен шектеледі. Осыған байланысты, қуаты SNR және жолақтылық артуымен жақсарады. IS 95 тұрақты жолақтылыққа ие, бірақ SNR-ді жақсарту үшін белсенді шаралар қолданатындықтан цифрлық ортада жақсы жұмыс істейді. CDMA-да маңызды арнамен сәйкес келмейтін сигналдар (мысалы, көрші жасушалық базалық станциялардан басқа PN офсеттері) шу ретінде көрінеді, ал басқа Уолш кодтарында (дұрыс уақытталған) тасымалданатын сигналдар тарату процесінде іс жүзінде жойылады. Жолдық арналардың өзгермелі жылдамдығы төмен қуатпен берілетін төмен жылдамдықты кадрларды қамтамасыз етеді, бұл әлі дұрыс қабылдануға тиіс басқа сигналдар үшін шуды азайтады. Бұл факторлар басқа ұялы байланыс технологияларына қарағанда шу деңгейін төмендетеді, бұл IS 95 желісіне бірдей радиоспектрде көбірек пайдаланушыларды қолдануға мүмкіндік береді. Алдыңғы трафик арналарында белсенді (баяу) қуатты басқару да қолданылады, онда қоңырау барысында ұялы телефон желіге сигнал сапасын көрсететін сигналдық хабарламаларды жібереді. Желі сигнал сапасын қажетті деңгейде ұстап тұру үшін трафик арнасының берілетін қуатын бақылайды, осылайша барлық басқа пайдаланушылар сезетін шу деңгейін ең төменгі деңгейде ұстайды. Қабылдағыш SNR-ді жақсарту және жұмсақ тапсыруды жүзеге асыру үшін рекек қабылдағышының (rake receiver) әдістерін де пайдаланады.

2-қабат

Шақыру орнатылғаннан кейін ұялы телефон трафик арнасын пайдаланумен шектеледі. Трафик арнасы үшін MAC-те кадр форматы анықталады, ол дауыстық (вокодер) немесе деректер (RLP) ақпаратын сигналдық хабарлама фрагменттерімен бірге жіберуге мүмкіндік береді. Сигналдық хабарлама фрагменттері LAC-те біріктіріліп, толық сигналдық хабарламалар 3-қабатқа жіберіледі.