История внедрения стандарта связи cdma. Основы технологии CDMA
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.
Сейчас очень часто можно услышать о CDMA стандарте. Что же это за стандарт и откуда он начал свое развитие? CDMA (Code Division Multiple Access) - технология множественного доступа с кодовым разделением сигнала, которая была придумана и разработана в военных целях. После Второй мировой войны технологию использовали как в СССР, так и в США в военных системах связи.
Связь использовалась для обмена информацией между военными самолетами и наземными службами. Но со временем данную технологию начали использовать в гражданских целях. Технология CDMA очень быстро стала распространяться по территории всей планеты Земля. Америка провела ряд проверок и испытаний данной связи, которые показали высокие результаты в сравнении с другими стандартами. Началось массовое изготовление CDMA оборудования. Технология CDMA продолжает укреплять свои позиции в разных странах. Огромную популярность она получила в США, Японии и Южной Корее. Сейчас CDMA охватывает все континенты, в которых более 150 млн. абонентов. Это обуславливается тем, что стандарт имеет огромные преимущества.
В стандарте CDMA более высокое качество связи и является безопасным для здоровья человека. Воздействие электромагнитного излучения на организм человека в 2 раза меньше чем в других стандартах, так как терминалам требуется минимальное энергопотребление для работы, соответственно выходная мощность никак не вредит здоровью. А специальный встроенный алгоритм кодирования обеспечивает защиту от несанкционированного прослушивания.
Если стандарт CDMA действительно такой уникальный и безопасный, долго ли протянет на рынке GSM стандарт? Так сразу и не скажешь, должно произойти, что-то глобальное, что полностью поменяет ситуацию на рыке связи. На сегодняшний день CDMA и GSM делят рынок на два лагеря. GSM старается не отставать от CDMA придумывая новые технологии. Например, такие как EDGE, с помощью которого есть возможность увеличить скорость передачи данных до 384 Кб за секунду. Но все равно как бы GSM не развивался, CDMA поднимается на несколько ступеней вверх, например, выпуская в свет CDMA / EV-DO Rev. B+, в котором скорость передачи данных до 14.7 Мбит/c.
CDMA для передачи данных использует широкополосный сигнал. Одну и ту же частоту можно использовать по всей сети, то есть используется большое количество частотных полос, чем необходимо для обычной передачи сообщений. Одновременно используют одну и ту же полосу частот большая группа пользователей, в отличии от GSM стандарта, в котором частотный канал каждому пользователю предоставляется на определенный промежуток времени. А что бы не мешать друг другу, близ лежащие базовые станции вынуждены использовать разные каналы. А в GSM стандарте их в семь раз меньше, чем в данной сети. Поэтому в густонаселенных районах есть большая необходимость использовать большое количество базовых станций.
CDMA использует технологию Soft Handoff ("эстафетная передача"), то есть при движении абонента от одной базовой станции к другой не происходит срывов в сеансах, что можно пронаблюдать в других стандартах. Если абонент находится на границе двух или более базовых станций аппарат связывает его со всеми ближайшими базовыми и те, которые имеют наиболее лучший сигнал, продолжают вести абонента, который даже не подозревает, что его переключили с одной базовой станции на другую.
Будем надеяться, что на этом развитие CDMA стандарта не остановится, и будет нас радовать своими новыми внедрениями в технологию, откроет огромные перспективы на будущее и станет мировым лидером на рынке связи!
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.
CDMA - Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов - подмножество стандартов сотовой связи, основным отличием которых от других стандартов является принцип организации множественного доступа абонентов к одной базовой станции.
Перед операторами сотовой связи всегда стояли две основные проблемы:
Постоянное увеличение абонентской базы;
Обеспечение безопасности связи.
Именно решение этих двух проблем и явилось причиной усовершенствования стандартов сотовой связи, а также появления новых.
На сегодняшний день существует три основных метода организации сотовой связи:
1. FDMA - Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением каналов - стандарты сотовой связи, в которых на каждого абонента выделяется некоторый частотный диапазон. Наиболее известные стандарты технологии FDMA:
AMPS - Advanced Mobile Phone Service - улучшенная служба мобильной телефонии - аналоговый стандарт с диапазоном частот 30 кГц.
DAMPS - (Digital) цифровая реализация стандарта AMPS;
NAMPS - (Narrow-band) AMPS с уменьшенным частотным диапазоном в 10 кГц - позволяет увеличить емкость соты.
TACS - Total Access Communication System - система коммуникаций общего доступа - ширина канала 25 кГц.
2. TDMA - Time Division Multiple Access - множественный доступ с временным разделением каналов. В отличие от частотного метод временного разделения позволяет одним и тем же диапазоном частот пользоваться нескольким абонентам, при этом передача сигналов между ними и базовой станцией квантуется по времени. Наиболее известные стандарты технологии TDMA:
IS-54 - расширение стандарта AMPS - частотные каналы по 30 кГц делятся на три временных слота.
PDC - каналы по 25 кГц по три временных слота в каждом.
GSM - Global System for Mobile communications - глобальная система мобильной связи - диапазон в 200 кГц по 8 временных слотов.
3. CDMA. В отличие от первых двух методов, метод кодового разделения каналов позволяет всем абонентам работать в одном и том же частотном диапазоне. Причем такой диапазон в CDMA намного шире, чем в первых двух методах. Так, в самой распространенной реализации CDMA - IS-95 ширина диапазона составляет 1.25 МГц. Новейший стандарт CDMA-связи третьего поколения (3G) CDMA2000 использует такую же ширину диапазона.
В сотовой связи метод CDMA был использован сравнительно недавно - первый CDMA-оператор появился в 1995 году. До этого метод кодового разделения достаточно широко применялся в средствах связи военными.
Основные достоинства
Высокая помехоустойчивость.
Благодаря специальному кодированию и "размазыванию" сигнала (см. Организация множественного доступа) по частотному диапазону достигается высокая защищенность полезной информации от случайных (или намеренных) помех. Даже при частичной потере информации от узкополосной помехи, информации, передающейся в остальном сигнале, будет вполне достаточно для восстановления исходного аналогового сигнала высокого качества.
Большая емкость соты.
Емкость соты зависит от "независимости" кодов, используемых абонентскими аппаратами при кодировании информации для связи внутри одной соты. Чем больше кодов, тем ниже их "независимость" и, тем самым, больше взаимных помех.
Большая емкость соты также обеспечивается тем, что все соты работают на одной и той же частоте, так что не приходится специально распределять частоты по сотам (как это требуется в FDMA и TDMA - соседние соты должны работать на разных частотах).
Безопасность.
Безопасность связи в стандарте CDMA обеспечивается, во-первых, с помощью очень сложного радиоинтерфейса, который использует шесть каналов для передачи данных и управляющей информации. Во-вторых, использование шумоподобного сигнала (ШПС) для передачи информации через радиоинтерфейс делает достаточно сложным его перехват, а использование уникальной кодирующей последовательности совместно с шифрованием данных обеспечивает безопасность данных от дешифровки.
При конкретной реализации метода CDMA в стандартах сотовой связи обеспечивается защита абонентов от "подсадки". Так в стандарте IS-95 такая защита от неавторизованного использования их счета обеспечивается с помощью механизма AKEY - ключа длиной восемь байт, хранящегося в сотовом телефоне и являющегося уникальным идентификатором каждого абонента. Он вводится в аппарат при продаже, а также хранится в базе данных оператора.
Кроме безопасности с точки зрения защиты информации, CDMA также безопасен для здоровья абонентов. Благодаря сигналу низкой интенсивности, суммарный уровень электромагнитного излучения намного ниже, чем в других стандартах, таких как GSM, AMPS.
Недостатки
На сегодняшний день можно сказать, что недостатков у CDMA нет. Как технология, метод CDMA уже хорошо отработан. Существует несколько стандартов, базирующихся на нем, для которых существует несколько производителей, обеспечивающих весь необходимый спектр аппаратного обеспечения - базовые станции, сотовые телефоны.
Организация множественного доступа
Рисунок 1
Расширение спектра сигнала
На рис. 1 показан принцип расширения спектра полезного сигнала (верхний график) - голосовой информации в сигнал CDMA - широкополосный шумоподобный сигнал.
Множественный доступ в CDMA реализуется за счет специального кодирования сигнала. Аналоговый голосовой сигнал преобразуется в цифровые пакеты, которые затем пропускаются через последовательность Уолша (число кодов - 64 или более). Функция преобразования также использует псевдослучайное число (одно из 2199023255551 чисел), уникальное для каждого абонента внутри соты. В результате получается широкополосный сигнал с частотным диапазоном 1.23 МГц, который и передается через радиоинтерфейс.
CDMA2000
CDMA2000 - новейший стандарт сотовой связи третьего поколения (3G), основанный на методе CDMA. В настоящий момент полнофункциональная сеть CDMA2000, находящаяся в коммерческой эксплуатации, есть только в Японии (сотовый оператор DOCOMO).
По своим возможностям CDMA2000 по многим параметрам превосходит CDMA-стандарт IS-95, называемый в новом контексте CDMAOne.
Так, CDMA2000 позволяет передавать данные со скоростями до 2 Мбит/сек, что вполне достаточно для передачи видео в реальном времени.
CDMA2000 полностью совместим с CDMAOne, что обеспечивает простой и недорогой переход сотовых операторов на новый стандарт.
CDMA в России
Ситуация с CDMA в России с самого начала его появления сложилась неудачно. Затронув интересы сразу нескольких влиятельных структур, CDMA натолкнулся на сопротивление со стороны Министерства связи и силовых структур. Дело в том, что для синхронизации при мобильной связи CDMA используется GPS - Global Positioning System - Глобальная система позиционирования, основанная на использовании спутников отнюдь не российского производства - просто так этого оставить было нельзя. И CDMAOne в России лишился GPS, а вместе с ним и мобильности.
По лицензии Минсвязи и Госкомсвязи сотовым операторам разрешено было использовать только сети CDMA с фиксированными абонентами, работающими на частоте 800 МГц.
На протяжении 3-х лет с момента появления первых сетей CDMA в России - 1998-2001 годы - операторам так и не удалось отыграть мобильную связь CDMA.
Начиная с 2001 г. компания МСС (Московские Сотовые Системы), а в начале этого года и в Санкт-Петербурге (компания Delta Telecom), начали развертывание сети CDMA2000, пока только в тестовом варианте. Диапазон частот, который был предоставлен для CDMA2000, - 450 МГц. Что самое главное - разрешение, выданное Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ), позволяет развертывать сети подвижной (читай мобильной) радиосвязи.
Телефоны
На сегодняшний день выбор сотовых телефонов с поддержкой CDMA2000 не так велик. На российском рынке представлены главным образом аппараты корейской фирмы Samsung: SCH X120, X130, X230, X250, X350, X420 (см. таблицу 1).
Дополнительная информация
http://www.minsvyaz.ru - Сайт Министерства связи РФ.
http://www.sotovik.ru - Новости сотовой связи.
http://www.cdma.ru - CDMA в России.
|
