Основные принципы CDMA
Отличия CDMA от других стандартов
Услуги в сетях CDMA
Общая характеристика и принципы функционирования
Технология мультидоступа
Развитие и перспективы стандарта CDMA

1. Основные принципы CDMA

С целью преодоления приведенных недостатков компаниям-производителям пришлось обратиться к принципиально другим цифровым системам, выполненным по технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) или, как его называют во всем мире, CDMA (Code Division Multiple Access ) , которые используют шумоподобные сигналы с расширенным спектром. Разумеется, все новое - это хорошая доля старого, причем в нашем случае - вовсе не забытого.

Технология мультидоступа с кодовым разделением каналов, в основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, называлась “Основы теории линейной селекции” была опубликована в сборнике ЛЭИС еще в 1935 году, а ее автором был Дмитрий Васильевич Агеев. А уже после войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи как в СССР, так и в США, поскольку обладала многими ценными для таких систем преимуществами, о которых будет сказано ниже.

Сам принцип CDMA заключается в расширении спектра исходного информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое может производиться двумя различными методами, которые называются следующим образом: “скачки по частоте” и “прямая последовательность”.

Так называемые “скачки по частоте” (или FH - Frequency Hopping ) реализуются следующим образом: несущая частота в передатчике постоянно меняет свое значение в некоторых заданных пределах по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы времени. Приемник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. С помощью FH сейчас производятся попытки улучшения технических характеристик узкополосных цифровых систем сотовой связи, в частности, GSM.

Второй метод “прямой последовательности” (или DS - Direct Sequence ), который основан на использовании шумоподобных сигналах и применяется в большинстве работающих и перспективных системах CDMA. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала каждого абонента единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным шумоподобным сигналом (он-то и является в данном случае кодом), который и расширяет спектр исходного информационного сигнала. Тут сразу следует отметить, что число вариантов таких кодов достигает нескольких миллиардов, что позволило бы создать персональную связь в масштабах нашей планеты. В результате проведения описываемого процесса узкополосный информационный сигнал каждого пользователя расширяется во всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей сети (база сигнала при этом становится много больше 1). В приемнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода, в результате чего восстанавливается исходный информационный сигнал. В то же самое время сигналы остальных пользователей для данного приемника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им лишь как белый шум , который является наиболее мягкой помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной работе приемника.

Чтобы популярно пояснить принцип работы такой системы, воспользуемся одной очень удачной аллегорией, которую, объясняя основы технологии CDMA, обычно предлагает компания Motorola “для экспертов и не очень”. Представьте комнату, в которой одновременно разговаривает друг с другом много пар людей, причем на разных языках. Каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как некий фон и не особенно мешают разговору.

При этом обеспечивается высокая степень защиты от активных и пассивных помех, что позволяет работать при низких значениях отношения сигнал-шум (3–5 дБ) со значительно меньшей мощностью передаваемого сигнала. Таким образом, в одном и том же радиочастотном канале одновременно передаются информационные сигналы большой группы пользователей.

Следует также сказать, что CDMA не зря широко используется в военных системах связи, поскольку расширение спектра сигналов позволяет противодействовать преднамеренным искусственным помехам. Если расширить базу радиосигнала до очень больших величин, то можно сделать его ниже уровня шумов, которые и сможет наблюдать потенциальный противник. На приемной же стороне исходный сигнал будет восстановлен. Таким образом, подобные системы можно было бы использовать (и такие системы существуют), не мешая работе других радиосредств, использующих тот же диапазон радиочастот. Однако это не используется в существующих коммерческих сотовых системах CDMA.

2. Отличия CDMA от других стандартов

В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse ) частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты), то количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени работы телефона без подзарядки.

Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность “мягкого” перехода от одной БС к другой (soft handoff ). При этом, возможна ситуация когда одного абонента “ведут” сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его “передали”; другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning System ) американской спутниковой системы определения координат.

CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.

Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда за счет сокращения ёмкости сети.

Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи, что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению с действующими TDMA стандартами.

Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации данной технологии в “железе”.

ИТОГИ:

Более высокое качество связи по сравнению с другими стандартами связи.
Более высокая скорость передачи данных и соответственно более широкие возможности использования CDMA терминалов.
Меньшее энерго-потребление терминалов что продляет срок работы без подзарядки.
Большая емкость сети (более полное использование частотного ресурса).
Стандарт CDMA (IS-95) более приспособлен к переходу к третьему поколению.

3. Услуги в сетях CDMA

Можно долго говорить о преимуществах той или иной техники, но для коммерческого телекоммуникационного оператора архиважным является набор услуг, за которые абонент будет платить деньги. Главным достоинством сетей CDMA является очень высокое качество передачи речи, а это, согласитесь, главная услуга всех телефонных сетей.

Речь в системе CDMA преобразуется в цифровой поток посредством специального вокодера с переменной в зависимости от интенсивности речи скоростью. Это позволяет экономно использовать пропускную способность радиотракта . То есть, пока вы молчите, ресурс радиоканала может использовать другой абонент, тоже разговаривающий в настоящий момент.

В системах стандарта IS-95 используются вокодеры с максимальными скоростями передачи 8 кбит/с и 13 кбит/с. Соответственно может осуществляться и передача данных со скоростями соответственно 9,6 кбит/с и 14,4 кбит/с. Заметим, что последняя цифра недоступна в сетях других стандартов.

Качество передачи речи с вокодером на 13 кбит/с близко к качеству, которое обеспечивается в кабельных цифровых линиях связи. Но, конечно, такие вокодеры несколько уменьшают емкость сети. Поэтому для абонентов, которых интересует только голосовая связь, разработаны так называемые улучшенные вокодеры на 8 кбит/с с таким же высоким качеством речи. Следует отметить, что тема вокодеров продолжает оставаться актуальной в смысле дальнейшего улучшения качества при дальнейшем уменьшении скорости передачи. Цена вопроса - дальнейшее увеличение емкости сети. И это заставляет продолжать такие работы многих специалистов.

Что, собственно, имеется в виду, когда говорится о высоком качестве передачи речи в сетях CDMA? Это, прежде всего, чистый звук и непривычное для радиотелефонов отсутствие посторонних шумов. Но тут, как говорится, лучше один раз услышать, чем десять раз увидеть в различной литературе. Ну что же, теперь для этого не обязательно ехать куда-нибудь, например, в США или Корею. Сети CDMA (IS-95) уже работают в ряде регионов России. Можно было поговорить по радиотелефонам CDMA и на московских форумах СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-97 и -98, где работали такие демонстрационные системы, смонтированные компаниями Qualcomm и “Персональные коммуникации”. А ныне это вообще не такая уж и экзотика, потому что в России понастроено сетей IS-95 уже немало.

И, конечно, законный интерес вызывают способы доступа в сеть ИНТЕРНЕТ через сотовые сети IS-95. Разумеется, абонент сети CDMA может одновременно разговаривать по сотовому телефону и работать на подключенном к нему компьютере в ИНТЕРНЕТ. Среди существующих сегодня стандартов для мобильной связи наилучшие позиции здесь именно у IS-95 вследствие обеспечения самой большой скорости доступа (14,4 кбит/с). И компании-производители обещаю в скором времени увеличить и эту скорость (благо в “общей трубе” радиоканала CDMA можно перераспределять ресурс, выделенный каждому абоненту). Кстати, презентация системы передачи данных по сети CDMA была организована компанией Qualcomm во время проведения московской выставки СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-98 на базе сети московского оператора “Персональные коммуникации”.

Конечно, абоненты смогут обмениваться факсимильными сообщениями и общаться по электронной почте. А в обозримом будущем ожидается появление скоростей передачи 64 кбит/с и даже 144 кбит/с.

Что же касается различных дополнительных услуг, которые предоставляются абонентам цифровых сотовых сетей (переадресации вызовов, голосовая почта, определение номеров, услуги IN и т.п., включая роуминг ), то все они определяются сетевым коммутационным оборудованием (контроллером или центром коммутации) и не зависят от типа используемого радиоинтерфейса . Что заложено разработчиками в коммутатор, то и получится (главное, чтобы можно было установить на него дополнительный soft ). В общем, что оператор посчитал необходимым закупить для своей сети (на основе, например, маркетинговых исследований), тем абоненты и смогут воспользоваться. И если чего-то сейчас нет, то это вполне можно докупить и позже.

Исторически сложилось так, что европейцы наиболее подробно разработали различные приложения (в части дополнительных услуг) для стандарта GSM (но это относится больше к функциям коммутатора, а не радиоинтерфейса ). А вот 20 февраля 1998 года компания Qualcomm объявила об успешном окончании испытаний с британским оператором Vodafon базовой станции CDMA (IS-95), включенной в центр коммутации подвижной связи сети GSM. Это означает, что теперь нет ничего невозможного и существует реальная возможность совместить многочисленные услуги, разработанные в рамках проекта GSM и адаптированные к европейским телефонным сетям, с преимуществами радиоинтерфейса IS-95.

4. Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша .

В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала, т. е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично.

CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире шумоподобными . Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц ) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные система восстановит, см. рис 1, где показан полезный сигнал и помеха (СЗС - селективная помеха).

А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.

Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц . Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша . Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью? (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 Мгц .

Основные характеристики стандарта
Диапазон частот передачи MS	824,040–848,860 МГц
Диапазон частот передачи BTS	869,040–893,970 МГц
Относительная нестабильность несущей частоты BTS	± 5*10 -8
Относительная нестабильность несущей частоты MS	± 2,5*10 -6
Вид модуляции несущей частоты	QPSK(BTS), O-QPSK(MS)
Ширина спектра излучаемого cигнала : – по уровню минус 3 дБ – по уровню минус 40 дБ	1,25 МГц 1,50 МГц
Тактовая частота ПСП М-функции
Количество каналов BTS на 1 несущей частоте	1 пилот-канал 1 канал синхронизации 7 каналов персонального вызова 55 каналов связи
Количество каналов MS	1 канал доступа 1 канал связи
Скорость передачи данных: – в канале синхронизации – в канале перс. вызова и доступа – в каналах связи	1200 бит/с 9600, 4800 бит/с 9600, 4800, 2400, 1200 бит/с
Кодирование в каналах передачи BTS	Сверточный код R=1/2 , К=9
Кодирование в каналах передачи MS	Сверточный код R=1/3 , K=9
Требуемое для приема отношение энергии бита информации
Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS
Максимально эффективная излучаемая мощность MS

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости . При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим “эстафетной передачи” при переходе из соты в соту .

Мягкий режим “эстафетной передачи” происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего “склеивания” кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в “эстафетной передаче”.

Протоколы установления связи в CDMA, так же как в стандартах AMPS основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward ), для приема базовой станцией - обратными (Reverse ). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис:

Прямые каналы в CDMA:

Пилотный канал

Используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе.

Канал синхронизации

Обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а так же фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения.

Канал вызова

Используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).

Канал прямого доступа

Предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а так же управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

Канал доступа

Обеспечивает связь подвижной станции с базовой станций, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) каналами вызова.

Канал обратного трафика

Обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.

Структура каналов передачи базовой станции показана на рис:

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша . Всего в одном физическом канале логических каналов может быть 64, т.к. последовательностей Уолша , которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которому соответствует Пилотный канал , на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются свои коды Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова, и оставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по Каналу прямого трафика .

При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир.

Давайте подробней рассмотрим структурную схему обратного канала трафика. В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы исключаются.

Речевой сигнал поступает на речевой кодек. На этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP.
Далее сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования, который может исправлять до 3-х ошибок в пакете данных.
Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала.
Блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок - искажение нескольких бит информации подряд.
Принцип . Поток данных записывается в матрицу по строкам. Как только матрица заполнена, начинаем с нее передавать информацию по столбцам. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько бит информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.
Далее сигнал поступает в блок кодирования (от подслушивания).
На информацию накладывается маска (последовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8.7 триллиона масок длиной 42 бита. Хакер, пользуясь персональным компьютером, пропуская через каждую маску сигнал и преобразовывая его в файл звукового формата, потом, распознавая его на наличие речи, потратит уйму времени.
Блок перемежения на код Уолша .
Цифровой поток данных перемножается на последовательность бит, сгенерированных по функции Уолша .
На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностью, построенной по функции Уолша , длиной 64 бита. Т. о. скорость потока данных в канале увеличивается в 64 раза.
Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Так же функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов.
В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать и один (из 64 возможных) логический канал, который определяет функция Уолша . В момент принятия сигнал по схеме проходит в обратную сторону.
Принятый сигнал умножается на кодовую последовательность Уолша . По результату умножения вычисляется корреляционный интеграл. Если Z пороговая удовлетворяет предельному значению, значит, сигнал наш.
Последовательность функции Уолша ортогональны и обладают хорошими корреляционными и автокорреляционными свойствами, поэтому вероятность спутать свой сигнал с чужим равна 0,01%.
Блок перемножения сигнала на две М-функции (М1 - длиной 15 бит, М2 - длиной 42 бита) или еще их называют ПСП - псевдослучайными последовательностями.
Блок предназначен для перемешивания сигнала для блока модуляции. Каждой назначенной частоте назначаются разные М -функции.
Блок модуляции сигнала.
В стандарте CDMA используется фазовая модуляция ФМ4, ОФМ4.

В настоящее время оборудование стандарта CDMA является самым новым и самым дорогим, но в то же время самым надежным и самым защищенным. Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципе кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра (DS-CDMA).

Основным отличием концепции CODIT будет эффективное и гибкое использование частотного ресурса. Как мы раньше пояснили, на широкополосный сигнал CDMA влияние узкополосной помехи практически не сказывается. За счет этого свойства в стандарте CODIT для передачи данных дополнительно будут использоваться защитные интервалы между несущими частотами.

5. Технология мультидоступа

Цифровая радиосвязь характеризуется возможностью многостанционного доступа или мультидоступа, что подразумевает одновременную передачу информации через одно устройство многими пользователями в общем канале. При этом разделение общего канала может производиться по частоте (FDMA), времени (TDMA) и коду (CDMA), что можно проиллюстрировать так, как это приведено на рис.:

При частотном разделении спектр передачи разделяется на участки, выделяемые для различных пользователей. Только этот метод может быть использован при аналоговой связи. На этом методе основаны все аналоговые стандарты сотовой связи: NMT, AMPS, TACS и др. Недостатки таких систем сейчас очевидны: плохая помехозащищенность и связанное с ней невысокое качество передачи речи, неэффективное использование дефицитного радиоспектра , отсутствие защиты от прослушивания и т.д. Следует также сказать, что пик своего развития аналоговые системы прошли в 1993 году, после которого наблюдается устойчивое снижение числа их абонентов. Самым же распространенным аналоговым стандартом в мире был и пока остается AMPS. Два других метода используются при цифровой технологии и, как правило, в комбинации с частотным разделением. В случае мультидоступа с временным разделением каналов многочисленные абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время, что позволяет увеличить объем речевого трафика и получить ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. На этом методе основаны такие узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM и его разновидность DCS, а также D-AMPS, который стал логическим продолжением стандарта AMPS.

6. Развитие и перспективы стандарта CDMA

Реально доказанные преимущества технологии CDMA привели к ориентации всех поставщиков, разрабатывающих системы радиотелефонной связи III поколения (в том числе и для подвижной связи), исключительно на нее, а точнее на различные варианты широкополосной CDMA.

Ранее международными регулирующими органами были разработаны рекомендации к системам III поколения (Third Generation или 3G), называемые условно IMT-2000. В США существует также организация CDMA Development Group (или CDG), координирующая деятельность разработчиков. Занимается этим, разумеется, и ITU-R - международный орган, занимающийся радиосвязью.

Концепция IMT-2000 предусматривает возможность взаимодействия с другими существующими наземными и спутниковыми сетями связи (в частности GSM), передачу голоса, данных и видео. Там будут скорости передачи 64 кбит/с, 144 кбит/с, 2 Мбит/с: что-то будет для абонентов с ограниченной мобильностью, что-то - для высокомобильных абонентов. Основные направления работы здесь следующие: высокоскоростная передача данных, мультимедиа-приложения, взаимодействие со спутниковыми сетями, глобальный роуминг , совместимость с сетями II поколения. Для систем III поколения отводятся радиочастоты вокруг 2 ГГц.

А аналоговые системы должны тихо уйти с мировой сцены в 2006–2008 гг., о чем мировое сообщество уже договорилось в первой половине 90-х годов.

Многие разработчики взялись за решение задач, сформулированных в концепции IMT-2000, но если бы они не были так похожи на рака, лебедя и щуку. Выбор большинства из них, как уже говорилось, пал на технологию широкополосной CDMA. И в выборе технологии европейцы, американцы, японцы, корейцы и много кто еще стали вдруг едины. Но!

Европейцы имели два перспективных но несовместимых стандарта TD/CDMA и W-CDMA (которые они все-таки технически совместят под общим названием W-CDMA или UMTS), а североамериканцы - WB-CDMA (который ныне называется cdma2000), как дальнейшее развитие сегодняшнего cdmaOne . Пока все это - еще весьма сырые разработки, требующие обкатки и доводки. Но испытания идут, инвестиции осваиваются, а должной координации, к сожалению, нет.

В европейских разработках участвуют в проектах еще и японцы, и корейцы. Но есть еще и американский вариант, в котором участвуют почти все тамошние производители. Понятно, что американский вариант будет жить, потому что он создается на базе опыта, накопленного при реальной эксплуатации множества сетей cdmaOne . Но и европейцы известны своим всесторонним и педантичным отношением к созданию сотовых систем связи, которое они уже продемонстрировали при разработке GSM. Экспериментальная система W-CDMA была недавно поставлена компанией Ericsson японскому оператору NTT DoCoMo , достигнута договоренность об испытаниях похожей системы в Швеции местным оператором Telia

Теперь поднимемся на мгновение над земной суетой в околоземное космическое пространство. Там сейчас развертываются системы глобальной спутниковой связи на низкоорбитальных спутниках. Одна из них, Iridium , использует технологию TDMA, другая, Globalstar , - CDMA (близкую к рассмотренной выше). Эти системы имеют свои особенности в части оснащения космических аппаратов, числа земных станций и т.п., однако, они должны предоставлять связь в “белых пятнах”, где нет наземной сотовой связи. Первая система уже начала функционировать, вторая начнет работу в будущем году. Несмотря на то, что недавняя авария украинского ракетоносителя, похоронившего несколько спутников Globalstar , несколько отодвинет сроки реализации одноименной сети, пожелаем им успехов и отметим, что предварительная информация о тарифах говорила о том, что стоимость услуг Globalstar ниже почти на порядок (есть, по-видимому, тут заслуга и самой технологии CDMA). И отметим, что это не единственное ее применение, поскольку большинство перспективных спутниковых проектов также опирается на использование технологии CDMA.

Опускаемся обратно. На российском рынке существует и активно внедряется благодаря своим высоким техническим и потребительским характеристикам система WLL, называемая MGW, производства компании Tadiran , использующая метод FH-CDMA и способная работать в диапазонах радиочастот от 800 МГц до 3,5 ГГц. Но это хоть и родственник, но дальний.

Ну а что с системами беспроводной связи будущего? Их ростки уже пробиваются на действующем рынке. То есть CDMA - теперь понятие широкое и вовсе не ограничивающееся стандартом IS-95. Поэтому все, что выполнено на базе указанного стандарта, называется теперь “cdmaOne ” (то есть, “они были первыми”), и именно это название фигурирует теперь в различной литературе и на телекоммуникационных форумах.

Потребителям уже сейчас предлагаются системы фиксированной связи, основанные на технологии широкополосной CDMA (B-CDMA), которая использует радиоканалы шириной 5, 10 и даже 20 МГц и работчие радиочастоты в диапазонах 2, 3, 4 ГГц. Надвсемэтимтрудились Lucent Technologies, Samsung, Interdigital , Siemens идр . Что они предлагают потребителю? Конечно еще более высокую помехоустойчивость, еще большую конфиденциальность связи и, разумеется, высокую пропускную способность. Теперь абоненты могут получать услуги ISDN и даже передавать видеоинформацию.

Конечно, это весьма разнотипные системы, не имеющие какого-либо общего стандарта, хотя ряд компаний сотрудничал друг с другом на этапе разработки оборудования. И не стоит делать ошибку, принимая их (что бы не говорили поставщики) за системы радиотелефонной связи III поколения. Идеология у них, конечно, похожа, но техническая реализация интерфейсов, набор услуг и т.д. отличаются.

Упомянем, что практически все производители и разработчики оборудования CDMA поддерживают контакты с компанией Qualcomm , которая является не только держателем целого ряда патентов на эту технологию, но и имеет штат квалифицированных специалистов в данной области. Хотя сейчас последними обладают и Bell Labs , и Samsung , и Nortel , и Motorola и многие североамериканские компании-операторы, но часто они не считают зазорным посоветоваться друг с другом.

Такое наступление новой технологии, о которой еще совсем недавно ничего не было известно, пришлось не пришлось по душе для тех, кто ранее инвестировал разработку систем технологии TDMA. В результате в течение нескольких лет в прессе шла горячая полемика о «мнимых» преимуществах CDMA. Оппонентами выступали европейцы, делавшие ставку на системы GSM (и D-AMPS, которыми они торговали в других странах). Достаточно вспомнить, как совсем недавно шведский Ericsson убеждал всех в практической нереализуемости теоретических преимуществ CDMA/IS-95 и одновременно судился с Qualcomm по поводу патентов на эту технологию (лучшей подоплеки отношения к IS-95 в разных странах не приведешь). По иронии судьбы сегодня именно Ericsson вынужден решать проблемы cdmaOne и выпускать соответствующее сетевое оборудование, потому что Qualcomm продал ему свои соответствующие подразделения. Неисповедимы пути господни…

С вводом в эксплуатацию множества коммерческих сетей cdmaOne по всему миру эта тема стала перемещаться в сторону систем связи следующего поколения. И уже там, похоже, соревноваться будут уже не системы CDMA и TDMA, а уже системы CDMA различных модификаций.

В чем разница между GSM и CDMA ?

Как правило, люди не особо задумываются о разнице стандартов связи, выбирая мобильного оператора. Но между ними есть отличия.

Первые стандарты связи относились к поколению 1 G , представляющие собой беспроводные аналоги обычной телефонной связи. Но был ряд недостатков: мощность передатчиков была настолько высока, что могла плохо повлиять на здоровье человека, маленькая емкость базовых станций, плохая защита от помех и т.д.

На смену 1 G пришел 2 G .

Первым цифровым стандартом стал GSM с улучшенной защитой от помех, хорошим качеством передачи речи за счет голосового кодека, защитой от перехвата. Он начал появляться с 1991 года, постепенно заменив все остальные стандарты. Разработал его Европейский институт стандартизации связи (ETSI ).

В 1993 году компания Qualcomm по технологии CDMA разработала новый стандарт IS-95 (cdmaOne), который появился на рынке в 1995 году.

Ниже попробуем разобраться, в чем основные различия между CDMA и GSM , и в чем же их преимущества.

Различия CDMA и GSM

Самым важным отличием между этими стандартами является способность работать с частотным ресурсом.

GSM использует разделенные каналы по времени и частоте, выделяющий для каждого абонента малую частотную полосу, по которой телефон общается с базовой станцией. Но при этом сеансы обмена данными фиксируются по времени. Сигнал прерывается, но т.к. используется высокая частота, то абонент не замечает этого. А вот в реальной жизни это можно заметить по пищащему звуку в динамиках, который появляется, если рядом лежит телефон, на который звонят или пришло сообщение либо уведомление.

CDMA использует кодовое разделение каналов. Любой абонент, который имеет подключение к базовой станции, может использовать весь имеющийся частотный ресурс, являющимся общим для всех, а базовая станция при этом общается со всеми. Каждому абоненту присваивается определенный код, выделяющий его из общего радиоэфира.

Ниже приведен пример для общего понимания принципа работы стандартов связи.

Допустим, в помещении находится группа абонентов, разбитая на пары. Первая часть говорит по очереди на одном языке, например по 30 секунд - схема работы GSM .

А вторая часть разговаривает одновременно на разных языках - схема работы CDMA .

Преимущества CDMA и GSM

Разница заключается в принципах работы. Полоса частот у CDMA шире, чем у GSM - что выливаются в определенные преимущества:

Лучше качество передачи речи, т.к. чем шире полоса частот, тем она устойчивее к помехам

Безопасность, т.к. если перехватить сигнал CDMA , то он будет выглядеть как шум, из которого сложно выделить определенного абонента.

Меньшее потребление энергии устройства связи, т.к. мощность сигнала CDMA меньше чем GSM и зависит от расстояния до базовой станции. Такой сигнал тяжелей выделить, т.к. он меньшей мощности.

Преимуществом CDMA является большая емкость базовых станций, радиус действия, упрощенность в настройке сети, стойкость к перегрузкам. CDMA - операторы имеют возможность покрывать большую площадь меньшим количеством оборудования, которое легче настраивается.

Так почему же, если CDMA лучше, самым распространенным стандартом является GSM ? На момент создания CDMA GSM уже занял свою нишу на рынке с готовым выбором оборудования для операторов и для потребителей. А вот более совершенный CDMA требовал немалых вычислительных мощностей, создания новых решений для новой технологии, да и устройства связи стоили дороже, чем для GSM , плюс еще не имели совместимости.

Ну, и конечно, немалую роль сыграло удобство пользования.

В сети GSM пользователь мог сохранить информацию на SIM -карту, а при смене телефона просто переставить SIM -ку.

В сети CDMA данные прошивались в сам телефон, в котором не было слота под SIM -карту. Поэтому при смене телефона все данные нужно было прошивать заново.

Для стандарта CDMA аналог SIM -карты появился в 2002 году - R - UIM . Также началось появление двухстандартных телефонов. Поэтому постепенно проблема с выбором решилась. Большую роль сыграли американские операторы, которые дали толчок для развития стандарта. В Украине CDMA занимает заметно меньшую долю, выбор телефонов меньше, но часть оборудования ввозят операторы, а абоненты сами могут купить телефон на международных площадках.

Учитывая плюсы и минусы, получается, что с потребительского взгляда, стандарты выглядят подобными, окончательный выбор сводится к покрытию оператора.

Эволюция связи

Вышеперечисленные данные делались на основании обычного телефонного общения, но в современном мире просто разговоры стали давно одной из услуг оператора.

Рассмотрим же теперь качество связи со стороны интернет-доступа.

Первоначально GSM давал максимально возможную скорость передачи данных - до 9,6 кбит/с. Технологии GPRS и EDGE, относящиеся к поколению 2 G , развили эту скорость до 474 кбит/с. В поколении 3 G для передачи данных используется технология WCDMA , являющаяся производной от CDMA .

CDMA первоначально имел высокий запас прочности и давал максимально возможную скорость передачи - до 153 кбит/с. В 3 G сетях для передачи данных использовали технологию EV-DO. В зависимости от стандарта реализованного поколения - REV - максимальная скорость передачи стала от 2,4/153 Мбит/с (Rev.0, upload/download) до 73,5/27 Мбит/с (Rev.B).

Приведенные для каждого стандарта связи цифры являются приблизительными, т.к. реальная скорость доступа может быть намного меньше.

Теоретически, возможно и дальнейшее развитие 3 G сетей, увеличение скорости передачи данных, но на практике это выглядит сомнительным. Пока что имеющейся скорости хватает на запросы пользователей.

Министерство образования РФ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

по предмету цифровые устройства на тему:

Стандарт сотовой связи CDMA.

Проблемы внедрения и эксплуатации

в России.

Выполнил:

Студент группы ССК - 972

Литвинов А.

Руководитель:

Шифрин В.М.

Воронеж

План:

1 CDMA как инструмент решения экономических задач;

2 Цифровые сотовые системы подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов:

2.1. принципы кодового разделения каналов;

2.2. сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов стандарта IS-95;

2.3. аспекты безопасности в стандарте IS-95;

2.4. подвижная станция стандарта IS-95;

2.5. базовая станция стандарта IS-95;

2.6. применение CDMA в системах беспроводной связи типа WILL;

3. Подвижность в системах CDMA.

4. Проблемы функционирования CDMA в России.

5. Заключение.

CDMA как инструмент решения экономических задач

Можно выделить три задачи региональных операторов, ведущих к экономическому успеху:

1. развитие телефонной сети.

2. Реконструкция и обновление действующей сети, улучшение качества связи.

3. Расширение видов и числа услуг.

Развитие телефонной сети в свою очередь, базируется на трех основных требованиях платежеспособного потребителя:

Быстрота выполнения заявки;

Установка телефона в любой географической точке;

Быстрота соединения и высокое качество разговора;

Место системы CDMA в развитии телекоммуникаций области.

Современные технологии связи с первых дней работы позволяют уходить от непроизводительного труда на всех этапах, начиная с проектирования и заканчивая строительством и эксплуатацией. Оценена простота проектирования и монтажа системы CDMA.

Данная система сразу стала популярной. За ней закрепился стабильный спрос, характерный, впрочем, для всех радиосистем, которые создают возможность немедленной установки телефона в тех районах, куда годами не доходили проводные сети. Это одноэтажные массивы городов, загородные дачные участки, пригородные хозяйства.

Отзывы клиентов подтвердили преимущества CDMA. Система отличается лучшим качеством передачи речи и надежностью соединения. Немалую роль играет гарантия качества защищенности от несанкционированного доступа. Разумная тарифная политика и качество связи, удобная местная нумерация создают системе необходимую популярность.

Необходимость смены технологий.

Современное оборудование не оставляет нам шансов строить и эксплуатировать сети по старым правилам. Если мы меняем координатную станцию на цифровую, мы вынуждены проводить и определенную реконструкцию абонентской сети, поменять почти всю сеть абонентских линий. Нет возврата к столбовым многокилометровым линиям, голым кабелям связи с низкой изоляцией. В то же время строить для четырех-пяти абонентов хутора или поселка линии бронированным кабелем, заглубленным в грунт не менее метра, чтобы защитить от порывов, мы не сможем из экономических соображений. Современные радиотелефонные системы - один из наиболее приемлемых, на наш взгляд, способов телефонизации местности с малой плотностью населения.

Координатные и декадно-шаговые станции составляют 80% коммутационного оборудования в области. Кабельное хозяйство и воздушные линии связи по возрасту превосходят коммутационные системы. Задача, которую вынуждены решать все операторы, - это проблемы села. Полноценная реконструкция и обновление сельской телефонной связи могут стать реальностью только при восстановлении платежеспособности населения, но готовить решение нужно уже сегодня. Не следует сбрасывать со счетов вариант определенного развития экономики, когда износ сельских сетей поставит перед оператором задачу вынужденной их реконструкции.

Реконструкция сельской телефонной связи и CDMA .

Одной из основных задач, которые позволяет решать CDMA, следует считать замену изношенных сельских станций и абонентских линий. Система позволяет обслужить абонентов в радиусе 30 километров и более. С помощью CDMA возможны высвобождение и перенос АТС, еще способных работать, из районов, где устанавливаются базовые станции, хотя подобные решения могут быть лишь временными и вынужденными.

Целесообразно использовать недавно сертифицированные выносные концентраторы серии QCT - 8000, которые позволяют телефонизировать отдельные здания и компактные поселки. В квартирах пользователей устанавливается стандартный проводной телефонный аппарат, который дешевле радиотелефонов в 5-6 раз.

Кроме задач развития и реконструкции очень важно было решать проблему предоставления современных дополнительных услуг, в том числе для самых дальних сельских населенных пунктов. Это услуги передачи данных и факсимильных сообщений, услуги Интернет. Испытания последней модификации аппарата фирмы Qualcomm QCT - 1000 показали, что передача данных осуществима на высоком уровне, что существенно расширяет круг потребителей.

В настоящее время различными исследовательскими организациями значительное внимание уделяется разработке систем подвижной радиосвязи сотовой и микросотовой структуры нового поколения с кодовым разделением каналов (CDMA) . Одной из таких разработок является проект CJDIT, финансируемый в рамках программы RACE Европейским сообществом. Реализация системы CDMA до последнего времени сдерживалась отсутствием ряда технических решений, включая проблемы реализации абонентских станций с приемлемыми потребительскими качествами.

Одна из первых сотовых систем подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов была разработана фирмой Qualcomm (США), принципы ее построения положены в основу CDMA стандарта США IS-95.

Оценка состояния и направлений развития сотовых систем связи с кодовым разделением каналов представляет интерес для операторов и будущих абонентов этих сетей.

Принципы кодового разделения каналов

28 сентября 1995 года компания Hutchison Telephone (Гонконг) открыла коммерческую эксплуатацию первой в мире цифровой ССПС с кодовым разделением каналов (CDMA). Сеть построена на оборудовании фирмы Motorola: базовых станциях SC9600 и коммутационной станции типа EMX2500

Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA - Code Division Multiple Access) подробно исследованы и рассмотрены во многих работах. Они основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением Т = 1/С. Поэтому база сигнала B = F/C характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

1. прямым расширением спектра частот;

2. скачкообразным изменением частоты несущей;

В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу прямого расширения спектра (DS-CDMA-Direct Sequence-CDMA).

Создание систем сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением абонентов сдерживалось отсутствием технических и технологических возможностей по реализации малогабаритных, малопотребляемых и многофункциональных устройств "сжатия" ШПС. В настоящее время эти проблемы успешно решены американскими фирмами Qualcomm, InterDigital, Motorola. На основе предложений фирмы Qualcomm в США принят стандарт IS-95 на систему сотовой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов.

Сотовая система подвижной радиосвязи с кодовым

разделением каналов стандарта IS-95.

Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым расширением каналов (CDMA) впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить емкость системы сотовой связи по сравнению с аналоговой не менее чем на порядок и соответственно увеличить эффективность использования выделенного спектра частот.

Технические требования к системе CDMA сформированы в ряде стандартов.

Система CDMA фирмы Qualcomm рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц.

Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA, поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не потребуется специального оборудования шифрования сообщений.

Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с.

Протоколы установления связи в CDMA, также как в стандартах AMPS и N-AMPS, основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называется прямыми (Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рисунке:

Прямые Обратные

Forward Channel Reverse Channel

Пилотный канал Канал доступа

Pilot Channel Access Channel

Канал вызова

Канал прямого трафика

Forward Traffic Channel

Структура каналов связи в стандарте CDMA IS-95

Прямые каналы в CDMA:

· ведущий канал - используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, чистоте и фазе;

· канал синхронизации - обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения;

· канал вызова - используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации);

· канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

· канал доступа - обеспечивает связь подвижной станции к базовой станции, когда подвижная станция не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова;

· канал обратного трафика - обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.

На следующем рисунке будет показана процедура установления обычного соединения (входящий вызов к подвижной станции).

Мобильная станция Базовая станция

· Принимает Поисковое сообщение Передает Поисковое сообщение или

канал Разделенное поисковое сообщение(MIN) вызова

· Передает Ответ на поисковое сообщение Принимает Ответ на поисковое сообщение

(MIN,ESN) канал Настраивается на назначенный

доступа информационный канал, используя общий

длинный код.

Начинает передавать незначащие данные по

каналу прямого трафика

· Принимает Сообщение о назначении Передает

канала канал (ESN, канал CDMA, код канала)

· Настраивается на назначенный канал вызова

связи, используя общий длинный код.

· Принимает N последовательных кадров от

базовой станции

· Начинает передавать преамбулу канала Принимает преамбулу канала связи от

связи каналу обратного трафика. мобильной станции

· Принимает команду о подтверждении Передает команду о подтверждении

базовой станции канал прямого базовой станции

· Начинает отбрасывать принятые пакеты трафика

с запросами на обслуживание и передавать

данные по каналу обратного трафика.

· Принимает Сигнал готовности с Передает Сигнал готовности с

информационным сообщением . канал прямого информационным сообщением

трафика (сигнал посылки вызова, CNI - номер вызывающего абонента)

· Подает вызывной сигнал к мобильному канал обратного

радиотелефону. трафика

· Выводит информацию CNI на табло

мобильного радиотелефона.

(Абонент отвечает на вызов)

· Снимает подачу сигнала посылки вызова к

мобильному радиотелефону.

· Передает Команду о соединении Принимает Команду о соединении

· начинает передавать информационные канал обратного

пакеты с подтверждением об трафика

обслуживании.

· Принимает подтверждение Передает подтверждение

Канал прямого

(разговор абонентов) (разговор абонентов)

Процедура установления обычного соединения (случай входящего вызова у подвижной станции). Вызов к абонентскому аппарату может включать фазу, когда устанавливается конкретная требуемая опция (вариант) службы.

На рисунке показана процедура прохождения обычного вызова (исходящий вызов от подвижной станции)

Мобильная станция Базовая станция

· Обнаруживает вызов, посылаемый Принимает начальное сообщение

пользователем мобильной станции. Канал Настраивается на назначенный канал трафика,

· Передает начальное сообщение доступа используя общий длинный код по обратному

(ESN, MIN, набранные знаки номера) началу трафику.

Начинает передавать незначащие данные канала трафика по прямому каналу.

· Принимает Сообщение о назначении Передает Сообщение о назначении канала

канала. Канал вызова (ESN, канал CDMA, кодовый канал).

· Настраивается на канал трафика, Удостоверяет MIN и ESN мобильной станции.

используя общий длинный код. Принимает преамбулу канала трафика от

· Принимает N последовательный дестви- мобильной станции.

тельных кадров от базовой станции.

· Начинает передавать преамбулу канала

· Принимает Команду о подтверждении Передает Команду о подтверждении базовой

базовой станции. Прямой канал станции.

· Начинать передавать пакеты трафика к трафика

Опции услуг 1 и от опции услуг 1.

Принимает Продолжение начального

· Передает Продолжение начального Обратный канал сообщения.

сообщения. трафика

· Принимает подтверждение. Передает подтверждение.

Прямой канал

Возможная процедура (по выбору)

· Принимает команду Запрос перехода Прямой канал Передает команду Запрос перехода на

на частный длинный код. трафика частный длинный код

· Передает подтверждение вместе с Принимает сообщение Принята команда о

сообщением Принята команда о Обратный канал

переходе на частный длинный код трафика

· Начинает передавать и принимать Начинает передавать и принимать информацию

информацию, используя частный длинный код используя частный длинный код.

Возможная процедура (по выбору)

· Принимает Сигнал готовности вместе Передает Сигнал готовности вместе

с информационным сообщением Прямой канал с информационным сообщением (сигнал

трафика контроля посылки вызова)

· Передает подтверждение. Принимает подтверждение

Обратный канал

· Подает сигнал контроля посылки трафика

вызова по разговорному тракту.

(вызываемый абонент отвечает на вызов)

Возможная процедура (по выбору)

· Принимает Сигнал готовности вместе Передает Сигнал готовности вместе

с информационным сообщением. Прямой канал с информационным сообщением. (молчание)

· Передает подтверждение Принимает подтверждение

· Отключает сигнал посылки вызова Обратный канал

в тракте трафика. трафика

(разговор абонентов) (разговор абонентов)

В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ. Это обеспечивает возможность приема сигналов подвижных станций базовой станцией с практически одинаковым уровнем мощности независимо от удаления до базовой станции. Чем ближе уровень мощности сигналов от подвижных станций на входе базовой станции к минимальному, соответствующему требуемому качеству связи, тем меньше уровень взаимных помех в системе и, следовательно, тем выше ее емкость.

Высокие требования к регулировке уровня мощности подвижной станции можно отнести к недостатку системы Qualcomm. Вторым недостатком CDMA Qualcomm является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей сети, в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станций, которые находятся в соседних сотах разного размера.

Стандарт CDMA обеспечивает большую емкость сети по сравнению с традиционными аналоговыми сотовыми сетями. Увеличение емкости может быть достигнуто двумя способами:

1) увеличением количества каналов на МГц выделенной полосы частот;

2) увеличением повторного использования каналов связи на данной территории.

Фактором, способствующим снижению взаимных помех в системе CDMA и, следовательно, увеличению ее емкости, является применение, аналогично GSM, системы прерывистой передачи речи.

На интервале сеанса связи активная часть разговора составляет около 35% , 65% приходится на прослушивание сообщений с противоположной стороны и паузы. Излучение сигнала подвижной станцией только на интервалах активности речи приводит к дополнительному снижению системных помех и общему увеличению емкости системы CDMA.

В нижеследующей таблице будут приведены основные характеристики CDMA и их краткое описание, определяющее достоинства и перспективность систем сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Характеристики и их описание

Высокая пропускная способность.

Полевые испытания, проводившиеся в различных условиях, подтвердили, что при высокой нагрузке пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем. Наконец, при использовании существующих вокодеров, которые работают на половиной скорости передачи, пропускная способность увеличивается еще в 1,7 раза. Дополнительная секторизация (свыше 3) также увеличивает пропускную способность.

Высококачественная связь.

Вокодер, работающий на переменной скорости передачи, обеспечивает преобразование речевых сигналов в цифровую форму и высококачественное воспроизведение речи. Фоновые сигналы заглушаются даже при большой нагрузке. Метод мягкой передачи абонента (переключения абонента с одного радиоканала на другой), применяемой в системах CDMA, обеспечивает почти прозрачную передачу вызовов между сотами. Такой надежный метод передачи практически исключает потерю вызовов и снижает нагрузку на коммутационное оборудование.

Возможность дальнейшей эволюции системы.

В существующей системе предусмотрены поисковые службы и цифровая передача данных. Существующая структуру управления обеспечивает протоколы факсимильной связи. Могут быть предусмотрены и более высокие скорости передачи. Портативные абонентские станции, основанные только на методе CDMA и совместимые с сотовыми системами и УАТС, могут отвечать перспективным требованиям.

Возможность введения новых функций.

При желании с одного и того же аппарата можно получить выход к беспроводной УАТС, домашнему беспроводному телефону, общественным беспроводным цифровым телефонным аппаратам, к сети персональный связи и к сотовым сетям. Обеспечиваются интерфейсы с УАТС, сетью ISDN и коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Цифровые сигналы управления позволяют организовать целый ряд служб передачи данных, которые можно добавлять по мере того, как компания-оператор будет вводить новый услуги. Вокодер с переменной скоростью передачи и предусмотренная возможность передачи данных позволяют вводить различные уровни обслуживания. Предусмотренные в системе измерения уровня сигнала и его задержки позволяют определять положение подвижной станции.

Секретность связи.

Цифровая форма сигналов, передача в широкой полосе частот, защита информации для каждого адресата - все это обеспечивает значительно более высокую, чем в других системах, секретность связи.

Простота перехода (и совместимость с аналоговыми системами)

CDMA позволяет почти утроить существующую в аналоговых сетях пропускную способность и обеспечивает более высокое качество обслуживания. Пропускная способность и радиопокрытие позволяют вводить CDMA при значительно меньшем числе сот, чем на существующих сетях. Зона радиоохвата антенны и секторизация не зависят от соты и не так тесно связаны, как в узкополосных система. Последующее расширение может быть поэтапным и может быть местным (чтобы быстро обеспечить радиопокрытие в каком-то одном месте) или глобальным.

Цена и наличие оборудования

Существующие оценки стоимости системы CDMA в отношении сетевого и абонентского оборудования показывают, что по стоимости эта система эквивалентна существующим аналоговым системам. Более высокая пропускная способность позволяет организовать связь при значительно меньшем числе сот, чем в аналоговых системах и системах с TDMA, что снижает капитальные и эксплуатационные затраты. Проверенная технология заказных интегральных схем позволила свести технологию сложных схем CDMA к очень простым решениям.

Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых сообщений и данных об абонентах.

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений.

Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи (ТСН), осуществляется также с использованием процедур стандарта IS-54B.

В стандарте IS-95 используется также режим "частый характер связи", обеспечиваемый с помощью секретной маски в виде длинного кода.

Подвижная станция стандарта IS-95

Фирмы Qualcomm и Motorola разработали двухрежимные CDMA подвижные станции, которые поддерживают связь с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS и N-AMPS). Это обстоятельство дает значительные преимущества абонентам CDMA, так как позволяет использовать свой радиотелефон там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие.

Основное отличие между абонентскими станциями CDMA и существующими станциями аналоговых стандартов заключается в добавлении в состав подвижных станций CDMA функций цифровой обработки сигналов.

Базовая станция стандарта IS-95

В системах связи CDMA используются соты с круговой диаграммой направленности антенн или секторные соты (обычно 120-градусные)

В нижеследующем рисунке будет показана структурная схема базовой станции (BTS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны с цифровым оборудованием, в состав которого входят канальные блоки.

Усилитель мощности

Приемопередатчик

Приемник GPS

Контроллер соты

Структурная схема CDMA базовой станции

Каждый канальный блок может быть сконфигурирован как информационный канал или как служебный канал. Для синхронизации работы сети используется приемник GPS (глобальная система местоопределения).

Отсек приемоотдатчика преобразует сигналы промежуточной частоты, сформированные в отсеке цифрового блока, в радиочастотный сигнал на несущей частоте и обеспечивает обратное преобразование принимаемого сигнала на промежуточную частоту. В направлении передачи сигнал проходит от приемопередатчика через усилитель мощности и фильтр к передающей антенне. В обратном направлении тракт приема начинается с приемных антенн, фильтра, усилителя с низким коэффициентом шума. Затем в приемопередатчике сигнал преобразуется на промежуточную частоту и поступает в отсек цифрового оборудования. Следует отметить, что передающий и приемные тракты подключаются непосредственно к своим антеннам.

Управление режимами работы цифрового оборудования и приемопередатчика осуществляется контроллером соты (СС)

Применение CDMA в системах беспроводной связи типа WILL

В последние годы значительное внимание уделяется разработкам и внедрению систем беспроводной радиосвязи (WILL) для обслуживания стационарных абонентов в сельских и труднодоступных районах. В этой области известны разработки фирм Motorola, Alcatel, Siemens и т.д. При определенных условиях, связанных с количеством обслуживаемых абонентов и их удаленностью от телефонных сетей общего пользования (ТФОП), прокладка кабельных линий связи становится экономически неэффективной по сравнению с внедрением радиоканалов для соединения стационарных абонентов с ТФОП. Обычно применение WILL считается целесообразным для обслуживания абонентов, удаленных от ТФОП на расстояния от нескольких километров до нескольких десятков километров.

Как было отмечено ранее, системы CDMA имеют ряд преимуществ перед существующими сетями сотовой связи и позволяют повысить емкость сетей. Однако достоинства CDMA обеспечиваются усложнением процессов функционирования сети и абонентского оборудования, которые становятся незаметными при использовании передовых методов цифровой обработки сигналов, быстродействующих вычислительных средств и современных технологий микроэлектроники.

В варианте сети беспроводной связи для фиксированных абонентов не требуется непрерывного управления регулировкой уровня мощности абонентских станций, уровень излучения может быть зафиксирован один раз при установке абонентской станции. Для снижения системных помех используются направленные антенны для абонентских станций (по направлению на базовую станцию). Все это позволяет обеспечить еще большую емкость сети WILL CDMA по сравнению с сетью подвижной сотовой связи.

В целом технология CDMA при использовании ее в сети WILL обеспечивает, по оценкам Motorola, 18-20-кратное увеличение емкости по сравнению с сетью аналогового стандарта AMPS.

Фиксированное размещение абонентских станций, применение направленных антенн в направлении от абонентской станции на базовую станцию позволяет реализовать 60-градусне соты, то есть обеспечить одновременную работу 180 активных абонентов. При нагрузке от одного абонента до 0,025 Эрланга количество абонентов, обслуживаемых одной 60-градусной сотой, составит около 7000. Данные результаты подтверждают высокую эффективность использования CDMA для построения систем беспроводной связи с фиксированным абонентом.

Подвижность в системах CDMA.

Операторам систем CDMA и просто интересующимся внедрением этой технологии в России известно решение коллегии Госкомсвязи о признании "целесообразным создавать в России на базе стандарта IS-95 в диапазоне 800 МГц только сети беспроводного доступа к местным телефонным сетям". Таким образом, окончательно утверждена "ссылка на село" самого передового стандарта подвижной связи.

Рассмотрим сложившуюся ситуацию с точки зрения законопослушного оператора сети связи CDMA, для чего сначала определим два важных понятия.

Что же такое подвижность? В полном объеме - это обслуживание абонента портативным телефонным аппаратом с возможностью роуминга - национального или международного. Для подвижности характерны высокая оплата трафика и его низкая интенсивность, не применяются внешние направленные антенны, а рабочая зона носит вероятностный характер. Нормативным документом будут разрабатываемые в настоящее время "Правила предоставления услуг подвижной связи".

"Стационарность" - фиксированная установка радиотелефона с габаритами, очень близкими к обычному телефонному аппарату, или абонентского радиомодуля со стандартным телефонным интерфейсом. Необходимы высокая интенсивность трафика на каждого абонента и низкая его стоимость. Очень часто необходимы внешние антенны и 100-ный радиодоступ к телефонной сети. Условия предоставления услуги радиодоступа регулируются " Правилами оказания услуг телефонной связи".

Вместе с тем радиодоступ обеспечивает относительную подвижность - возможность работы в различных местах зоны радиопокрытия и даже в движущемся автомобиле.

Итак, рассмотрим некоторые проблемы, возникающие при эксплуатации стационарных радиотелефонов. В продаже имеются стационарные телефонные аппараты фирм Qualcomm, Samsung и LG. В комплект телефона входит батарейный источник питания, который при попадании сети обеспечивает 8 ч. разговорного времени. Этот источник и позволяет эксплуатировать телефон автономно. Многие абоненты поняли возможности телефонов CDMA и стали использовать их как подвижные, перевозя в автомобиле. Конечно, такое использование запрещено нашими правилами предоставления услуг связи по системе CDMA, и это отмечено в договоре с абонентом, но как выявить нарушителя, как доказать факт нарушения и что делать дальше?

Прежде всего следовало решить техническую проблему обнаружения подвижности телефонов. Анализ биллинговых записей контроллера фирмы Qualcomm выявил два существующих параметра - номер секторов, в которых разговор начался и закончился, и значение дальности до телефона в этом разговоре. Знание рабочего сектора оказалось малоэффективно, поскольку при ширине сектора 120 0 и дальности действия системы 20…25 км площадь сектора 400 км 2 , а при установке телефона на границе двух секторов рабочий сектор может изменяться несколько раз в течение одного разговора (hand-off).

Наиболее информативным является значение дальности до телефона. Было проанализировано большое количество биллинговых записей для заведомо стационарных и подвижных телефонов. По результатам анализа выяснилось, что функция распределения дальности по звонкам стационарных телефонов близка к нормальной и ее значение 3σ ‹ 200 условных единиц биллинговой записи. Функция распределения дальности для мобильных телефонов может иметь произвольный характер, с максимумами на дальностях, соответствующих наиболее частым остановкам.

Опытным путем был установлен критерий стационарности: 3σ ‹ 300 усл.ед.

В настоящее время нами разработана программа, которая автоматически обрабатывает ежемесячные биллинговые записи и распечатывает номера телефонов, разброс дальностей которых превышает 300 усл.ед.

Такая обработка первых 400 абонентов CDMA выявила 20% подвижных телефонов и телефонов, работающих в нескольких точках. Этим абонентам были направлены письма с предложением прекратить эксплуатацию телефонов CDMA с нарушением Правил пользования и положений Договора. Практически все, использующие телефон в нескольких точках, зарегистрировали свои вторые/третьи рабочие точки. Некоторые "мобильщики" прекратили возить телефоны в автомобиле, а с остальными продолжается работа.

Попутно выявилось несколько интересных обстоятельств:

Для некоторых абонентов функция распределения дальности показала работу телефона в двух точках. Оказалось, что телефон эксплуатировался только в одной точке, но он работает на встроенную антенну и по каким-то внешним причинам переключается на другую базовую станцию, качество работы удовлетворительное. Установка внешних антенн "привязала" телефон к выбранным базовым станциям и улучшила качество связи до отличного;

Несколько абонентов постоянно жаловались на плохое качество связи; выяснилось, что они используют телефон в подвижном варианте. им были направлены предупредительные письма. Жалобы прекратились!

Что же можно сделать, чтобы прекратить подвижное использование стационарных телефонов? Рассматривались технические и административные меры.

Технические меры. Привязка телефона к рабочему сектору - это наиболее эффективное техническое решение, хотя и она не 100%-ного действия. К сожалению, в контроллере фирмы Qualcomm это сделать невозможно. Наверное, такая задача исходно не ставилась. Кроме того, при отказе какого-либо сектора будут потеряны все его абоненты, хотя в сегодняшней ситуации многие из них сохраняют свою работоспособность, так как переходят на отраженные сигналы от других секторов.

Применение концентраторов. Это полностью решит проблему подвижности, но есть несколько сдерживающих причин:

До сих пор нет сертифицированных CDMA концентраторов. Концентратор фирмы Qualcomm QCT-8000 только недавно прошел сертификационные испытания;

Концентратор наиболее применим на вновь строящихся объектах, когда он заранее закладывается в проект большого жилого дома, офисного или производственного здания. В существующей инфраструктуре города или села применение концентратора не решает проблемы "последней мили", сводя ее лишь до уровня последних сотен метров;

Обеспеченные покупатели, как правило, большие индивидуалисты и отлично понимают все преимущества персонального радиотелефона. Их невозможно загнать в радиотелефонную "коммуналку".

Продажа телефонов без батарейного источника питания.

Во многих ситуациях это недопустимо, так как связь особенно нужна при отключении электропитания. Да и всегда найдутся умельцы, которые подключат телефон к автомобильной сети.

Административные меры.

Такими мерами могут быть:

Предупреждение о нарушении Правил и положений Договора и предложение оформить вторую/третью рабочие точки;

Отключение злостного "мобильщика" за систематическое нарушение Правил и условий Договора, но в этом случае теряется реальный доход и может возникнуть сложная юридическая ситуация;

Назначение "мобильного" тарифа, т.е. фактическое признание подвижности и отступление от решений Госкомсвязи.

Вывод:

Сегодня мы не имеем надежного технического средства, запрещающего подвижное использование стационарных телефонов. Можно только выявить их и предупреждать абонентов о возможном отключении. Однако отключение не только создает сложную юридическую ситуацию, но и приводит к потерям части доходов, что недопустимо в сегодняшней ситуации, когда идет борьба за привлечение и сохранение каждого абонента. Такая неопределенная ситуация с подвижной эксплуатацией стационарных телефонов может продолжаться довольно долго, по крайней мере до тех пор, пока есть запас пропускной способности.

Что же дальше? С уверенностью можно сказать только одно - число абонентов, использующих стационарный телефон в подвижном варианте, на заднем сиденье автомобиля, неуклонно увеличивается. Это мы узнаем, ежемесячно анализируя новые отчеты программы определения подвижности. Кроме того, уже и абоненты перестали прятаться и прямо спрашивают: "А можно с ним ездить?" "Нет", - говорим мы, и они, понимающе кивая головой, уходят!

Из этой ситуации есть два выхода: 1. Категорически запретить подвижное использование и требовать от операторов отключения всех подвижных абонентов и тем самым "выплеснуть с водой и ребенка", т.к. практически закрыть стандарт CDMA в России. 2. Разрешить подвижность абонентов CDMA, легализуя введение "мобильного" трафика и вводя конкурентную борьбу в цивилизованное русло.

Продажа портативных телефонов с разумной ценой подвижного трафика при условии ограниченной мобильности в пределах одного контроллера способна привлечь дополнительных абонентов и существенно увеличить доходы операторов CDMA, среди которых более 30% представители электросвязи.

Проблемы.

Проблемы, на которые следует обратить внимание, хорошо знакомы абсолютному большинству операторов, однако пути решения этих задач мы ищем в одиночку и находит зачастую не самые лучшие и дешевые. Эти проблемы не дают возможности оператору в полной мере использовать CDMA для решения технологических и экономических задач. Такие задачи можно решить только коллективно, при этом все участники должны осознавать, что от объединения не только можно и нужно получать выгоду, но и придется жертвовать частью своих интересов.

Работы по оформлению документов в государственных организациях.

Работы по проектированию, монтажу и наладке радиотелефонных систем показали, что оформительские работы в государственных органах РФ занимают в 5-6 раз больше времени, чем поставка, монтаж и наладка вместе взятые.

Частотный ресурс.

Сегодня эта проблема особенно насущна и не только потому, что российское распределение частот сильно отличается от мировых принципов. Сегодня CDMA работает в спектре 800 МГц, занимает полосу частот 1.23 МГц. Наука говорит, что смена поколений оборудования и переход к широкополосным и скоростным технологиям 3-го поколения потребует расширения спектра в 10-15 раз. Оператор уже сегодня должен знать, что в какие сроки ему необходимо сделать, чтобы ему необходимо сделать, чтобы его бизнес не перехватили другие.

GPS - необходимый инструмент функционирования системы.

Наладка, синхронизация и поддержание сети CDMA в оптимальном состоянии выполняется по стандартной схеме с помощью спутниковых систем типа GPS. Весь мир пользуется только этими системами. Однако о сложностях применения их в России операторы узнают постфактум, когда оборудование уже приобретено. При переходе к 3-му поколению добавляются новые проблемы, когда место в пространстве, скорости и направления движения терминала будут фиксироваться до метра. Наука, ассоциация, холдинг должны предвидеть такие явления, подсказывать оператору, над чем ему работать юридически и экономически. Госкомитет по телекоммуникациям должен заранее формировать юридическую базу.

Государство и проблемы.

Решение ряда проблем невозможно без участия Госкомитета по телекоммуникациям и других государственных органов. Необходимо решать ряд прямых запретов и проблем, которые наносят экономический ущерб операторам и государству, не дают потребителю использовать все возможности систем CDMA.

Разрешение хотя бы ограниченной мобильности и внутриобластной межконтроллерной связи при двух и более контроллерах в значительной мере повысит привлекательность системы.

Координация перехода к системам 3-го поколения, когда операторы, работающие в стандартах GSM, AMPS и CDMA, будут вынуждены объединиться на единой технологической платформе, должна проводиться под патронажем Госкомитета по телекоммуникациям.

Таковы проблемы, которые стоят перед нами на сегодняшнем этапе внедрения этой технологии.

Список использованной литературы:

1 Авдеева Л.В. Внедрение в России систем радиотелефонной

связи CDMA: история и проблемы// Мобильные системы.

Спецвыпуск по стандарту CDMA. - М., 1998. - 30-34с.

2 Беспроводный доступ абонентских линий. Том 1. Справочник по подвижной наземной связи. - М., 1997. - с.346.

3 Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М., 1978. - с.304.

4 Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М., 1985. - с.384

6 Громаков Ю.А. Цифровые сотовые системы подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов. - М., 1996. - 49с.

7 Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М., 1979. - с.304

8 Пышкин И.М., Дежурный И.И. Системы подвижной радиосвязи. - М., 1986. - с.328.

9 Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. - М., 1987. - с.400

10 Тузов Г.И., Сивов В.А. Помехозащитность радиосистем со сложными сигналами. - М., 1985. - с.265.

С. Орлов

Технология CDMA - особенности и преимущества

В выборе технологии сотовой телефонии на рубеже третьего тысячелетия по-видимому появилась определённость. К концу 1999 года в мире, по данным CDG (CDMA development group), технологию CDMA (Code Division Multiple Access) выбрали 50 млн. абонентов (рис. 1). В том числе, 28 млн. в Азии, 16,5 млн. в Северной Америке и 5 млн. в Латинской Америке. В Европе, Ближнем Востоке и Африке насчитывается полмиллиона абонентов.

Рис. 1. Рост числа абонентов CDMA в мире

Такое стремительное развитие технологии доступа с кодовым разделением объясняется ожидаемым увеличением плотности абонентов, устойчивостью к помехам, высокой степенью защищённости передаваемых данных от несанкционированного доступа и лучшими энерго-экономическими показателями. Упрощённое моделирование показывает, что ёмкость базовых станций с технологией CDMA в несколько раз больше по сравнению с существующими стандартами сотовой телефонии, в которых используется частотное разделение каналов (NMT, AMPS, TACS). Реальность, конечно, значительно сложнее, чем идеализированные модели.

Коротко, преимущества CDMA перед другими системами следующие:

ёмкость базовых станций увеличивается в 8–10 раз по сравнению с AMPS и в 4–5 раз - по сравнению с GSM;
улучшенное качество звука по сравнению с AMPS;
отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты;
улучшенная защищённость передаваемых данных;
улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот;
большее время работы батарей до разрядки;
возможность выделения требуемой полосы частот - по потребности.

Технические особенности технологии CDMA

Чтобы сопоставить возможности технологии CDMA, надо привести описание существующих стандартов.

Advanced Mobile Phone Service (AMPS). В этом стандарте предусмотрено частотное разделение доступа абонентов к базовой станции (FDMA - frequency division multiple access). Каждому каналу выделяется узкая полоса частот (30 кГц), и этот канал назначается одному абоненту. Существует также узкополосный AMPS (NAMPS), в этом стандарте на один канал выделяется только 10 кГц. В системе TACS (Total Access Communi-cations System) полоса частот, отводимых под один канал, составляет 25 кГц.

В Северной Америке один оператор владеет в среднем 416 каналами AMPS и занимает полосу 30 кГц Ч 416 » 12,5 МГц. Очевидно, что те же самые частоты не могут использоваться в прилегающих сотах, поэтому семь сот, образующих “ромашку” используют один частотный план. Таким образом, для AMPS количество абонентов на одну соту составляет примерно 416/7 = 59. На рис. 2 повторное использование тех же частот показано одинаковыми оттенками.

Рис. 2. "Ромашка" частотного плана AMPS

Следует отметить, что коэффициент повторного использования частот K = 7 выбран скорее из практических натурных измерений, чем из закона затухания радиоволн в вакууме на свободной поверхности, и учитывает реальное окружение: дома, рельеф и др. На свободной поверхности этот коэффициент был бы несколько больше.

В Европе широкое распространение получили технологии с временным разделением каналов. В GSM (IS-54) используется 10 частотных каналов и 8 временных слотов, занимающих частотный ствол шириной 200 кГц. Таким образом, в системе GSM в той же полосе частот 12,5 МГц могут быть размещены 12,5/0,2 = 62 ствола по 200 кГц каждый. Учитывая, что каждый частотный канал делится на 8 временных слотов, ёмкость соты составляет 80 абонентов, против 59 в AMPS.

Технология с кодовым разделением каналов предлагает дальнейшие пути увеличения ёмкости базовых станций. Ключевой момент - использование шумоподобных сигналов. Вместо разделения спектра или временных слотов каждому пользователю назначается фрагмент шумоподобной несущей. Поскольку её фрагменты являются квазиортогональными, возникает возможность отвести всю ширину выделенного канала для каждого пользователя. Благодаря решению проблемы ближней-дальней зоны и динамическому управлению мощностью, распределение частот выглядит, как показано на рис. 3, то есть вся полоса частот 1,25 МГц используется каждым пользователем и она же вновь используется в смежной соте. Емкость на одну соту определяется балансом между требуемым отношением сигнал/шум для каждого пользователя и фактором сжатия кодовой последовательности.

Рис. 3. Частотный план CDMA

Количественным показателем качества цифрового приёмника является безразмерное отношение сигнал/шум (SNR - Signal Noise Ratio)

Под спектральной плотностью мощности шума в выражении подразумевается последняя для тепловых шумов, а интерференция - это взаимное влияние от других абонентов. Значение отношения сигнал/шум определяет отношение количества ошибочно переданных бит к их общему числу. Это отношение зависит также и от других дополнительных факторов, таких как кодирование и коррекция ошибок в канале, многолучевое распространение и замирания. Для приёмников, используемых обычно в коммерческом CDMA, отношение сигнал/шум должно составлять от 3 до 9 дБ. Энергия, приходящаяся на один бит, и скорость передачи данных связаны следующим соотношением:

где P s - мощность сигнала.

Шум плюс интерференционная составляющая - это спектральная плотность мощности. Если спектр сигнала имеет равномерное распределение с полосой W, тогда шум плюс интерференционная составляющая спектральной плотности мощности есть:

где первое слагаемое представляет собой уровень теплового шума приёмника (FN = фактор шума приёмника). Переписав выражение для отношения сигнал/шум в терминах скорости передачи данных и ширины занимаемого спектра, получим формулу, связывающую отношение энергии на один бит к мощности шума с мощностью, приходящейся на конкретного пользователя, а также со скоростью передачи данных, суммарной мощно-стью, приходящейся на других пользователей, и шириной занимаемого спектра:

Эта формула поясняет, что системы с кодовым разделением доступа дают наибольшее преимущество в сетях с высокой плотностью абонентов и высоким трафиком.

Проблема ближней-дальней зоны

Технология CDMA (и другие системы с расширением спектра) долгие годы не принимались во внимание в подвижных системах беспроводной связи по причине наличия так называемой проблемы ближней-дальней зоны. Поскольку результатом работы приёмника в таких системах является свёртка принимаемого и опорного сигналов, возникала неоднозначность в идентификации сигнала свёртки. Так, например, боковые лепестки сигнала свёртки от близкорасположенного мобильного терминала могут оказаться сравнимыми по амплитуде с основным откликом сигнала свёртки от наиболее удалённого терминала. Поэтому другой наиболее важный момент в технологии CDMA: все подвижные терминалы должны создавать вблизи антенны базовой станции примерно одинаковую напряжённость поля.

Управление мощностью

Ключевой момент коммерческого CDMA предельно прост: если испольовать управление мощностью таким образом, чтобы принимаемая мощность от всех удалённых объектов была эквивалентной, то все преимущества расширения спектра становятся реализуемыми. В предположении, что мощность контролируется, шум и взаимное влияние можно выразить соотношением:

N 0 + I 0 = N 0 + (N - 1)P,
N 0 = F N k B T O , (5)

где N - это общее число пользователей. Соотношение сигнал/шум приобретает вид:

Максимальное число абонентов на базу достигается в том случае, если мощность добавляется ровно настолько, насколько необходимо для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум, в точном соответствии с принятым значением вероятности ошибки. Если мы установим значение левой части выражения (6) равным заданному отношению сигнал/шум и решим это выражение относительно N, то получим соотношение для определения ёмкости базовой станции для CDMA:

Учитывая, что скорость передачи данных в CDMA 9,6 кбод, получим:

Или, учитывая, что 15,1 дБ - это 5,688, и возводя в квадрат, получим, что число пользователей, приходящихся на одну базовую станцию при соотношении сигнал/шум = 6 дБ, равно 32. Когда в системе предусмотрен контроль мощности, дизайнер системы или оператор имеет возможность выбрать компромисс между соотношением сигнал/шум и максимальным числом одновременных разговоров. Отметим ещё раз, что соотношение сигнал/шум и количество абонентов взаимосвязаны: если увеличить соотношение сигнал/шум на 3 дБ, то допустимое количество абонентов уменьшится вдвое, то есть до 16. В выражении (8) мы пренебрегли разницей между N и N–1. Есть ещё некоторые факторы, которые мы не учли.

Емкость соты

Дискуссия вокруг выражения (8) предполагала только одну ячейку, не учитывая интерференции с соседними. Можно задать вопрос, в чём же мы выигрываем? Емкость изолированной AMPS-ячейки даже больше. На самом деле, ничто не мешает использовать все частотные стволы (по 1,25 МГц) внутри одной соты (сопоставим рис. 2 и рис. 3). Таким образом, если мы проведём приближенное сопоставление, то для AMPS ёмкость “ромашки” из семи сот равна произведению числа абонентов на соту (59) на 7, то есть 413. Аналогичная ёмкость для CDMA равна произведению числа абонентов на соту (32) на число частотных стволов (10) и на число сот (7), то есть 2240. Отношение ёмкости CDMA к AMPS составляет 5,4. Однако, если учесть интерференцию с соседними сотами в выражении (3), то это отношение уменьшится до 4,4. Помимо возможности одновременного использования всех десяти частотных стволов, в CDMA применяется секторизация сот. Это усовершенствование позволяет увеличить сравнительное отношение ёмкости CDMA и AMPS до 13 раз.

Кодирование речи

Важным моментом для уменьшения взаимной интерференции каналов от различных абонентов является кодирование речи. Кодирование позволяет существенно уменьшить среднюю мощность передатчика.

Известно, что человеческая речь - это прерывистый источник сигнала. Из измерений фирмы Bell Laboratories следует, что активность речи составляет 35–40% от общего ресурса времени. Если использовать этот фактор, то можно ещё в два или более раз увеличить ёмкость сети. На практике этот коэффициент активности составляет 50% благодаря тому, что в период молчания подвижные и базовая станции должны поддерживать физический канал связи, и мощность не может быть сведена до нуля. Таким образом, преимущество CDMA перед AMPS может достигать 26 раз.

Особенности построения сети CDMA

Одним из основоположников технологии CDMA является американская фирма QUALCOMM. В США цифровая сотовая система CDMA была стандартизована TIA (Telecom-munication Industry Association) и описана в стандарте IS-95. Наподобие IS-54, стандарт IS-95 предусматривает совместимость с существующей системой сотовой телефонии AMPS. Для систем, работающих по стандарту IS-95, выделена та же самая полоса частот, что и для AMPS. Другими словами, CDMA работает “поверх” существующей AMPS.

Система CDMA даёт возможность каждому пользователю внутри соты использовать тот же самый радиоканал и всю выделенную полосу частот. Пользователь в смежной соте использует эту же полосу частот. Система абсолютно не нуждается в частотном планировании. Для уменьшения за-трат операторов подвижной связи и облегчения перехода от AMPS к CDMA в системе CDMA предусмотрена ширина канала 1,25 МГц, такая же, как и у AMPS. В отличие от других сотовых систем, трафик одного канала не является постоянной величиной и зависит от голосовой активности и требований, предъявляемых к сети.

В IS-95 используются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передаёт одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные разворачивающие коды для каждого пользователя. Пилотный код также передаётся и имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные трубки отвечают асинхронно, при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных трубок по служебному каналу. В IS-95 используется предиктивное линейное кодирование QCELP (Excited Linear Predictive) речи. Она кодируется и сжимается, а скорость потока данных на один канал составляет 9,6 кбод. Речевой кодек определяет голосовую активность и в паузах (во время молчания) уменьшает скорость в канале до 1200 бод. Промежуточные значения 2400, 4800 также возможны.

Спецификация частот и каналов

Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала - 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с. Нагрузочная способность канала - 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 кбод. Алгоритм расширения спектра для прямого и обратного каналов различаются. В прямом канале пользовательский поток данных кодируется и сжимается в 2 раза. Далее используется алгоритм перестановки битов (в отечественной литературе существует термин - перемежение). После этого данные сворачиваются с одной из 64-бит псевдослучайных последовательностей ПСП (функций Уолша). Каждому мобильному абоненту назначается фрагмент ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность фрагментов ПСП обеспечивается синхронной кодировкой всех каналов в соте одновременно (а сами по себе фрагменты являются ортогональными). В системе обеспечен пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала и выполнять синхронное детектирование. Для глобальной синхронизации сети CDMA в системе используются ещё радиометки от GPS-спутников. В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удалённых терминалов достигают базовой станции по различным путям. После предварительного кодирования и сжатия 1/3 и перестановки бит блоки из 6 кодированных символов упаковываются в одну из 64 ортогональных функций Уолша. Таким образом формируется 64-значный сигнал. Четырёхкратное расширение спектра на выходе создаёт поток 1,2288 Мбит/c. Исходная последовательность 307,2 Кбит/с формируется в соответствии с кодами, определёнными для пользователя 242 и базовой станции 215. Сжатие 1/3 и упаковка в функции Уолша приводит к исключительной устойчивости к интерференции. Улучшенная устойчивость к ошибкам совершенно необходима для обратного канала, так как в нём используется некогерентное детектирование и присутствует интерференция с другими мобильными терминалами внутри соты. Другой важный элемент обратного канала - это контроль мощности подвижного терминала. В системе предусмотрено медленное (статическое) управление мощностью и быстрое. Команды быстрого управления посылаются со скоростью 800 бод и встроены в разговорные фреймы. Без быстрого управления мощностью замирания, связанные с распространением радиоволн в структурах с отражающими объектами (стены домов, металлические конструкции и так далее), привели бы к значительному ухудшению характеристик системы. Медленное управление мощностью обеспечивает эквивалентное выравнивание расстояний от мобильных терминалов до базовой станции. Для борьбы с многолучевым распространением и подвижный терминал, и базовая станция используют RAKE-приёмник, использующий корреляционный приём сигналов. На входе приёмника использованы несколько корреляторов, которые сворачивают входную последовательность. При этом опорный сигнал на разные корреляторы подаётся с небольшим сдвигом во времени, соизмеримым с разницей по времени при прохождении радиоволн по различным траекториям. Выходные сигналы корреляторов суммируются. Таким образом, если уровень сигнала свёртки от одного из многолучевых сигналов в текущий момент времени оказывается равным нулю (в результате интерференционной картины распределения поля), то свёртка от задержанного сигнала будет отличной от нуля. Стандартом IS-95 предусмотрены три коррелятора на входе приёмника. Архитектура CDMA предусматривает мягкий ”handower”. Связь при переходе мобильного терминала из одной соты в другую не разрушается и не прерывается. Мобильный терминал объединяет два сигнала от двух базовых станций наподобие того, как он объединяет два сигнала от одной базовой станции, приходящих по различным траекториям.

Прямой CDMA-канал

Прямой канал CDMA состоит из пилотного сигнала, канала синхронизации, до семи пейджинговых каналов и до 63 каналов трафика. Пилотный сигнал даёт возможность мобильному терминалу принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования. По пилотному сигналу мобильные терминалы получают возможность определять относительные уровни сигналов от каждой базовой станции и принимают решение, когда и к какой базовой станции лоцироваться. Канал синхронизации передаёт синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод. Пейджинговые каналы используются для передачи контрольной информации и других сообщений и работают со скоростью 9600, 4800, 2400 бод. Прямой канал трафика передаёт любые пользовательские данные со скоростью 9600, 4800, 2400, 1200 бод.

Данные в прямом канале трафика группируются в фрейм длительностью 20 мс. Пользовательские данные по-сле предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется путём свёртки с функцией Уолша и псевдослучайной последовательностью до значения 1,2288 Мбит/с.

Подканал контроля мощности

Для минимизации количества ошибок IS-95 предусматривает контроль выходной мощности каждой трубки. Базовая станция по обратному каналу принимает и оценивает напряжённость поля от каждой трубки и информирует мобильный терминал о необходимости уменьшить/увеличить мощность.

Поскольку мощность, принимаемая базовой станцией определяется и расстоянием до мобильной, и интерференцией в канале связи (а нули и пучности располагаются на близком расстоянии в интерференционной картине), то базовая станция посылает сигналы контроля мощности через каждые 1,25 мс. Сигнал управления мощностью посылается мобильному терминалу в прямом подканале контроля. Этим сигналом предписывается увеличить или уменьшить мощность на 1 дБ. Если уровень сигнала мал, то в прямом подканале контроля передаётся “0”, предписывая тем самым увеличить мощность, и наоборот. Биты контроля мощности вставляются после скремблированых данных.

В интервале 1,25 мс передаются 24 символа данных, и IS-95 позволяет использовать 16 возможных позиций для передачи бита контроля мощности. Эти позиции расположены в начале, и любой из первых 16 бит может быть битом контроля мощности. 24 бит для дециматора длинного кода используются для скремблирования данных в интервале 1,25 мс. И по-следние 4 бита из 24 определяют позицию бита контроля мощности.

Обратный CDMA-канал

Пользовательские данные в обратном канале сгруппированы в фреймы длительностью 20 мс. Все данные в обратном канале кодируются сворачивающим кодеком, перемежаются и кодируются 64-значной ортогональной последовательностью. До передачи происходит расширение спектра. Процедуры перемежения, ортогональной модуляции, расширения спектра похожи на аналогичные для прямого канала, поэтому их описание опущено.

Заключение

Системы с прямым расширением спектра, или ещё говорят, шумоподобными сигналами, придуманы не сегодня и даже не вчера. Такие системы связи давно применяются в военной и специальной технике. И тот факт, что сегодня эта техника постепенно переходит в разряд public production, во многом обусловлен огромными успехами в микроэлектронике: цифровой и аналоговой, пассивных устройствах обработки информации. Ряд важных и полезных разработок выполнен Российскими учеными: Воронежским НИИ Радиосвязи, Московским НИИ Радиосвязи, НПО “Алмаз” и др. Для украшения материала стоит привести результаты разработок, имеющие коммерческое применение в CDMA.

На рис. 4 приведена частотная характеристика фильтра на поверхностных акустических волнах, предназначенного для мобильного терминала в стандарте IS-95, а на рис. 5 - частотная характеристика фильтра для Wideband CDMA - коммуникационной технологии, которая позволяет передавать в том числе движущееся изображение.

Литература

Vijay K. Gard. IS-95 CDMA and cdma2000: Cellular/PCS systems implementation. 446 p.
Kyoung Il Kim. Handbook of CDMA system design, engineering and optimization. 274 p.
Joseph C. Liberti, Jr., Theodore S. Rappaport. Smart Antennas for wireless communication IS-95 and third generation CDMA application.
Poor/Wornel. Wireless Communication: Signal Processing perspectives. 432 p.
Theodore S. Rappaport. Wireless Communication: Principles and Practice. 656 p.
Gard/Smolik/Wilkes. Application of CDMA in Wireless/Personal Communication. 416 p.
Man Young Rhee. CDMA Cellular Mobile Communication and Network security. 544 p.

С развитием мобильных технологий в обиход входят новые термины.

GSM, GPRS, EDGE, 3G, — эти аббревиатуры вам уже давно знакомы. А что вы скажете насчёт CDMA? Это словечко не очень-то и знакомо, ведь в России CDMA не имеет широкого распространения. ?

Обратившись за ответом к Википедии, вы прочитаете следующее:

CDMA — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию.

Что-нибудь поняли? Подозреваю, что не совсем… Если вы найдёте в Интернете статьи на тему CDMA, то наткнётесь на заумные определения с графиками и формулами, запутаетесь ещё больше и бросите эту затею.

В этой статье я максимально понятным языком постараюсь объяснить вам, что такое CDMA.

Чтобы сразу прояснить, о чём будет идти речь, скажу, что CDMA — это стандарт мобильной связи.

Все мобильные радиосистемы имеют 2 основные характеристики — частоту и время. Соединение двух абонентов в сотовой сети может осуществляться следующими способами:

— Когда канал связи делится на частотные интервалы, и им выделяется определённый спектр частот на всё время соединения (стандарт FDMA — Frequency Division Multiple Access).

— Когда канал связи делится на временные интервалы, и абонентам выделяется большая часть спектра на выделенный отрезок времени (стандарт TDMA — Time Division Multiple Access)/

— Когда выделяется весь спектр частот и всё время, а для идентификации соединений используются специальные коды (это и есть стандарт CDMA — Code Division Multiple Access).

Как же множество абонентов, осуществляющих соединение в одном спектре, не создают помехи друг другу? Вот для этого и нужно кодовое разделение. Стандарт CDMA позволяет кодировать информацию, превращая её в шумоподобный широкополосный сигнал, не мешающий другим подобным сигналам.

Кстати, стандарт GSM, который широко используется в нашей стране, относится к TDMA, поскольку использует временное разделение каналов.

мы разобрали. Перейдём к преимуществам этого стандарта связи.

Преимущества CDMA

— Качественное звучание речи, отсутствие посторонних помех, минимизация .

— Высокая защищённость информации.

— Высокая скорость передачи данных, позволяющая задействовать все возможности мобильного интернета.

— Повышенная ёмкость сотовой сети.

— Мобильные телефоны стандарта CDMA гораздо безопаснее, поскольку мощность их излучения ниже (советую статью про телефонов).

Немного истории

История CDMA уходит корнями в далёкие 30-е годы 20 века, когда советский академик Агеев Дмитрий Васильевич опубликовал свою работу под названием «Кодовое разделение каналов». В то время существовало лишь метод частотного разделения.

В 40-е годы в СССР и США ведутся исследования на эту тему и делаются первые шаги на пути к новейшим технологиям связи.

В 50-е годы в США появляется первое оборудование, использующее кодовое разделение каналов. Первоначально оно использовалось только в военных системах, и лишь в 80-е годы военное ведомство США рассекретило технологию.

Именно после этого получила своё рождение современная CDMA. Своим появлением она обязана американскому инженеру Ирвину Марку Джейкобсу, который в 1985 году основал компанию «QUALCOMM». В 1991 году эта компания провела первые испытания сетей нового поколения, а в 1992 году стандарт CDMA был признан официально.

В последующие годы сети CDMA были развёрнуты более чем в 30 странах мира.

В 2000 году появляется новая разновидность стандарта CDMA, работающая на частоте 450 МГц. Этот стандарт получил имя CDMA-450 или CDMA-2000.

Стандарт CDMA-450 получил своё развитие и в России, где используется в некоторых регионах такими компаниями как СКАЙЛИНК, «Удмуртские сотовые сети — 450», Кузбасская сотовая связь, Московская сотовая связь, Уралвестком, ВолгаТелеком, ДельтаТелеком, «Сотел-Нижний Новгород» и некоторыми другими. Вполне возможно, что CDMA-450 постепенно будет охватывать всё большие территории.

Уважаемые читатели, вы получили исчерпывающий ответ на вопрос «что такое CDMA»? Если нет, задавайте свои вопросы в комментариях к статье.

В ближайшее время — обзор мобильных телефонов стандарта CDMA. Не пропустите!