IS-95: Первая технология цифровой сотовой связи CDMA

Введение

Первая цифровая сотовая технология, основанная на CDMA, – технология мобильной связи.

Временный стандарт 95 (IS 95) был первой цифровой сотовой технологией, использующей многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA). Он был разработан компанией Qualcomm и позднее принят в качестве стандарта Ассоциацией телекоммуникационной индустрии в редакции TIA/EIA/IS 95, опубликованной в 1995 году. Фирменное название IS 95 – cdmaOne. Это стандарт мобильной телекоммуникации 2G, использующий CDMA – схему многостанционного доступа для цифрового радио – для передачи голоса, данных и сигнальной информации (например, набранного телефонного номера) между мобильными телефонами и базовыми станциями. CDMA передает потоки битов (PN-коды). CDMA позволяет нескольким радиоустройствам совместно использовать одни и те же частоты. В отличие от многостанционного доступа с временным разделением (TDMA), конкурирующей системы, используемой в 2G GSM, все радиоустройства могут быть активны постоянно, поскольку пропускная способность сети не ограничивает количество активных радиоустройств. Поскольку большее количество телефонов может обслуживаться меньшим количеством базовых станций, стандарты на основе CDMA имеют значительное экономическое преимущество перед стандартами на основе TDMA или старейшими сотовыми стандартами, использующими частотное мультиплексирование. В Северной Америке эта технология конкурировала с Digital AMPS (IS 136), стандартом TDMA, а также с GSM на основе TDMA. Впоследствии она была заменена стандартом IS 2000 (CDMA2000), более поздней разработкой на основе CDMA.

Пересмотры протокола

Техническая история cdmaOne отражает как ее происхождение как внутреннего проекта Qualcomm, так и мир тогда еще непроверенных конкурирующих цифровых сотовых стандартов, в условиях которых она разрабатывалась. Термин IS 95 обобщенно применяется к ранним версиям протокола, а именно к P REV от первой до пятой. P REV=1 был разработан в рамках процесса стандартизации ANSI со ссылкой на документацию J STD 008. J STD 008, опубликованный в 1995 году, был определен только для нового североамериканского диапазона PCS (диапазон класса 1, 1900 МГц). Термин IS 95 корректно относится к P REV=1, разработанному в рамках процесса стандартизации TIA для североамериканского сотового диапазона (диапазон класса 0, 800 МГц) примерно в тот же период. IS 95 обеспечивал взаимодействие (включая передачу обслуживания) с аналоговой сотовой сетью. Для цифровой работы IS 95 и J STD 008 имеют большинство технических деталей в общем. Незрелость стиля и структуры обоих документов ярко отражает процесс "стандартизации" внутреннего проекта Qualcomm. P REV=2 называется промежуточным стандартом 95A (IS 95A). IS 95A был разработан только для диапазона класса 0, как постепенное улучшение по сравнению с IS 95 в процессе стандартизации TIA. P REV=3 называется техническим бюллетенем 74 (TSB 74). TSB 74 был следующим постепенным улучшением по сравнению с IS 95A в процессе стандартизации TIA. P REV=4 называется промежуточным стандартом 95B (IS 95B) Фаза I, а P REV=5 называется промежуточным стандартом 95B (IS 95B) Фаза II. Серия стандартов IS 95B обеспечила объединение стандартов TIA и ANSI под эгидой TIA и стала первым документом, предусматривающим взаимодействие мобильных устройств IS 95 в обоих диапазонах (двухдиапазонная работа). P REV=4 был самым популярным вариантом IS 95, в то время как P REV=5 получил ограниченное распространение только в Южной Корее. P REV=6 и более поздние версии подпадают под зонтичное название CDMA2000. Помимо технических улучшений, документы IS 2000 гораздо более зрелые с точки зрения структуры и содержания. Они также обеспечивают обратную совместимость с IS 95.

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.

Подробности протокола

В стандартах IS 95 описывается воздушный интерфейс – набор протоколов, используемых для связи между мобильными устройствами и сетью. IS 95 обычно рассматривается как трехслойная архитектура, где L1 соответствует физическому (PHY) уровню, L2 – подслоям управления доступом к среде (MAC) и управления доступом к каналу связи (LAC), а L3 – конечному автомату управления вызовами.

Физический слой

IS-95 определяет передачу сигналов как в прямом (от сети к мобильному устройству), так и в обратном (от мобильного устройства к сети) направлениях. В прямом направлении радиосигналы передаются базовыми станциями (BTS). Каждая BTS синхронизирована с GPS-приемником, что обеспечивает точный контроль времени передачи. Все сигналы в прямом направлении используют QPSK с частотой дискретизации 1 228 800 чипов в секунду. Каждый сигнал расширяется с использованием кода Уолша длиной 64 и кода псевдослучайного шума (PN-кода) длиной 215, что обеспечивает период переполнения PN-кода в мс.

В обратном направлении радиосигналы передаются мобильным устройством. Передачи по обратной связи используют OQPSK для работы в оптимальном диапазоне усилителя мощности мобильного устройства. Как и в прямом направлении, частота дискретизации составляет 1 228 800 чипов в секунду, а сигналы расширяются с использованием кодов Уолша и кода псевдослучайного шума, также известного как короткий код.

Передаточные каналы

Каждая BTS выделяет значительную часть выходной мощности на пилотный канал, который представляет собой немодулированную последовательность PN (иными словами, разнесенную кодом Уолша 0). Каждому сектору BTS в сети присваивается смещение PN с шагом в 64 чипа. Передача данных по пилотному каналу не осуществляется. Благодаря сильной функции автокорреляции, пилотный канал позволяет мобильным устройствам определять синхронизацию системы и различать различные BTS для выполнения передачи. Когда мобильное устройство находится в режиме "поиска", оно пытается обнаружить пилотные сигналы в сети, настраиваясь на определенные радиочастоты и выполняя перекрестную корреляцию по всем возможным фазам PN. Высокий пик корреляции указывает на близость BTS. Другие прямые каналы, выбираемые по коду Уолша, передают данные из сети на мобильные устройства. Данные состоят из сетевой сигнализации и пользовательского трафика. Обычно данные, предназначенные для передачи, разделяются на кадры битов. Кадр битов проходит через сверточный кодировщик, добавляющий избыточность для коррекции ошибок и генерирующий кадр символов. Затем эти символы разносятся последовательностями Уолша и PN и передаются. BTS передают синхронный канал, разнесенный кодом Уолша 32. Длительность кадра синхронного канала составляет мс, а граница кадра синхронизирована с пилотным каналом. Синхронный канал непрерывно передает одно сообщение – Сообщение синхронного канала, длина и содержание которого зависят от P REV. Сообщение передается со скоростью 32 бит в кадр, кодируется в 128 символов, обеспечивая скорость передачи 1200 бит/с. Сообщение синхронного канала содержит информацию о сети, включая смещение PN, используемое сектором BTS. Как только мобильное устройство обнаруживает сильный пилотный канал, оно прослушивает синхронный канал и декодирует Сообщение синхронного канала для достижения высокой точности синхронизации с системным временем. В этот момент мобильное устройство определяет, находится ли оно в роуминге и "в сети". BTS передают как минимум один, но не более семи, каналов вызова, начиная с кода Уолша 1. Длительность кадра канала вызова составляет 20 мс и синхронизирована с 2-секундным переполнением системы IS-95 (т.е. GPS). На канале вызова могут использоваться две скорости передачи данных: 4800 бит/с или 9600 бит/с. Обе скорости кодируются в 19200 символов в секунду. Канал вызова содержит сигнальные сообщения, передаваемые из сети всем неактивным мобильным устройствам. Набор сообщений передает подробную служебную информацию сети мобильным устройствам, распространяя эту информацию, когда канал вызова свободен. Канал вызова также передает сообщения с более высоким приоритетом, предназначенные для установления вызовов к мобильным устройствам и от них. Когда мобильное устройство неактивно, оно в основном прослушивает канал вызова. После обработки всей служебной информации сети, мобильное устройство регистрируется в сети, а затем, опционально, переходит в слотовый режим. Оба этих процесса описаны более подробно ниже.

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.

Каналы движения вперед

Пространство Уолша, не выделенное для вещательных каналов в секторе BTS, доступно для каналов трафика. Эти каналы несут индивидуальные голосовые и данные вызовы, поддерживаемые стандартом IS 95. Как и канал пейджинга, каналы трафика имеют длительность кадра 20 мс. Поскольку голосовые данные и пользовательские данные передаются непостоянно, каналы трафика поддерживают работу с переменной скоростью передачи. Каждый 20-миллисекундный кадр может передаваться с различной скоростью, определяемой используемой службой (голосовой или передачи данных). P REV=1 и P REV=2 поддерживают набор скоростей 1, обеспечивая скорость 1200, 2400, 4800 или 9600 бит/с. P REV=3 и выше также поддерживали набор скоростей 2, обеспечивая скорости 1800, 3600, 7200 или 14400 бит/с. Для голосовых вызовов канал трафика передает кадры данных голосового кодека. В стандарте IS 95 определено несколько различных голосовых кодеков, первые из которых были ограничены набором скоростей 1 и стали причиной жалоб некоторых пользователей на низкое качество звука. Более совершенные кодеки, использующие современные DSP и набор скоростей 2, улучшили качество звука и до сих пор широко используются в 2005 году. Мобильное устройство, принимающее кадр трафика с переменной скоростью передачи, не знает, с какой скоростью он был передан. Обычно кадр декодируется с каждой возможной скоростью, и с использованием метрик качества декодера Витерби выбирается правильный результат. Каналы трафика также могут передавать вызовы передачи данных с коммутацией каналов в стандарте IS 95. Кадры трафика с переменной скоростью передачи генерируются с использованием протокола радиосвязи IS 95 (RLP). RLP обеспечивает механизм для повышения производительности беспроводного канала для передачи данных. В то время как голосовые вызовы могут допускать потерю отдельных 20-миллисекундных кадров, вызов передачи данных без RLP будет иметь неприемлемую производительность. В стандарте IS 95B P REV=5 пользователь мог одновременно использовать до семи дополнительных каналов "кода" (трафика) для увеличения пропускной способности вызова передачи данных. Очень мало мобильных устройств или сетей предоставляли эту функцию, которая теоретически могла бы обеспечить скорость до 115200 бит/с для пользователя.

Межлистник блоков

После сверточного кодирования и повторения символы поступают в блочный интерливер длительностью 20 мс, представляющий собой матрицу 24x16.

Пропускная способность

IS 95 и использование в нем технологий CDMA, как и любая другая система связи, имеют ограниченную пропускную способность, определяемую теоремой Шеннона. Соответственно, емкость увеличивается с ростом отношения сигнал/шум (SNR) и шириной полосы. IS 95 имеет фиксированную ширину полосы, но эффективно работает в цифровой среде благодаря активным мерам по повышению SNR. В CDMA сигналы, некоррелированные с целевым каналом (например, другие сдвиги PN от соседних базовых станций сотовой связи), воспринимаются как шум, а сигналы, передаваемые по другим кодам Уолша (правильно синхронизированным по времени), практически устраняются в процессе деспреддинга. Переменная скорость передачи данных в трафиковых каналах позволяет передавать кадры с низкой скоростью при меньшей мощности, что снижает уровень помех для других сигналов, которые еще предстоит правильно принять. Эти факторы обеспечивают изначально более низкий уровень шума по сравнению с другими технологиями сотовой связи, позволяя сети IS 95 обслуживать больше пользователей в одном и том же радиочастотном спектре. На восходящих трафиковых каналах также используется активное (медленное) управление мощностью, когда мобильное устройство во время вызова отправляет в сеть сигнальные сообщения, указывающие на качество сигнала. Сеть регулирует мощность передачи трафикового канала, поддерживая качество сигнала на достаточном уровне и тем самым минимизируя уровень помех для всех остальных пользователей. Приемник также использует решетообразный приемник (rake receiver) для повышения SNR и выполнения мягкой передачи.

Второй слой

После установления вызова мобильное устройство ограничивается использованием каналов трафика. В MAC для канала трафика определен формат кадра, позволяющий мультиплексировать обычные биты голоса (вокодер) или данных (RLP) с фрагментами сигнальных сообщений. Фрагменты сигнальных сообщений собираются в LAC, где полные сигнальные сообщения передаются на уровень 3.