Cdma связь. Что такое CDMA и WCDMA в телефоне? Стоит ли покупать CDMA телефон

Обычно пользователи не задумываются о разнице в стандартах связи при выборе мобильного оператора. Тем не менее, между ними существуют отличия и с доминирующим на украинском рынке GSM успешно уживается CDMA. В этом материале мы попробуем разобраться, в чем заключается разница, какие преимущества может дать пользователю GSM, а какие CDMA.

С момента своего появления мобильная связь пережила несколько витков эволюции. Первые стандарты связи, относящиеся к поколению 1G, представляли собой беспроводные аналоги обычной телефонной связи. У них было много недостатков: высокая мощность передатчиков, которая могла негативно влиять на здоровье, низкая емкость базовых станций, плохая помехозащищенность. Опуская промежуточные этапы их развития, им на смену быстро пришли сети второго поколения 2G.

Первым цифровым стандартом стал GSM, он обеспечил лучшие помехозащищенность, защиту от перехвата и качество передачи речи за счет использования голосового кодека. Разработанный Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI), он начал внедряться с 1991 года, постепенно став самым распространенным. Уже в 1993 году компания Qualcomm на базе технологии CDMA разработала альтернативный стандарт IS-95 (cdmaOne), который начал внедряться с 1995 года.

В чем основные отличия?

Ключевое отличие между этими стандартами – способ работы с частотным ресурсом.

В GSM используется разделение каналов по времени и частоте. На каждого абонента выделяется маленькая частотная полоса, на которой телефон общается с базовой станцией. При этом «сеансы» обмена данными фиксированы по времени. С определенным упрощением скажем, что сигнал прерывается, но из-за высокой частоты передачи данных абонент этого не замечает. В реальной жизни прерывания заметны разве что по характерному пищащему звуку динамиков, когда рядом лежит телефон, на который звонят или приходит сообщение.

В свою очередь в CDMA используется кодовое разделение сигналов. Каждый абонент, подключенный к базовой станции использует весь доступный частотный ресурс, общий для всех абонентов, а базовая станция общается со всеми одновременно. Сигнал от конкретного пользователя выделяется с помощью кодовой модуляции – каждому абоненту соответствует специфический «код», что позволяет выделить его из общего радиоэфира.

Разные схемы проще описать одним простым примером. Представим, что в комнате находится несколько человек, разбитых на пары. Первая часть общается на одном языке, они говорят по очереди, например, по 20 секунд – это описание GSM. Вторая часть разговаривает одновременно, но на разных языках – это CDMA. В обоих случаях люди нормально общаются, но непрерывный разговор, очевидно, является более комфортным, тем более что соседи просто не понимают, о чем говорят рядом.

Какие есть преимущества?

Разница в принципах работы, более широкая полоса частот, выделяемая на CDMA-абонента, выливаются в определенные преимущества CDMA над GSM. Для абонента они заключаются в:

• лучшем качестве передачи речи – большая полоса частот устойчива к помехам
• безопасности – со стороны перехваченный CDMA сигнал выглядит как шум, выделить из него отдельного абонента тяжело
• меньшее энергопотребление устройства связи – мощность сигнала в сети CDMA меньше, по сравнению с GSM и линейно зависит от расстояния до базовой станции. Это влияет и на безопасность, так как сигнал меньшей мощности тяжелее зафиксировать

Для операторов преимущества CDMA заключаются в большей емкости базовых станций, их радиусе действия, более простой настройке сети, устойчивости к перегрузкам и возможности адаптации под конкретные задачи. CDMA-операторы могут покрывать большую площадь меньшим количеством оборудования, которое легче конфигурируется.

Возникает закономерный вопрос – если CDMA на столько лучше, почему самым распространенным стандартом является GSM? Причины довольно просты. На момент создания CDMA GSM уже существовал, был выбор готовых решений как операторского оборудования, так и потребительского. Более совершенный CDMA требовал больших вычислительных мощностей, создания новых решений для менее распространенной технологии и, например, обычные телефоны стоили дороже своих GSM-аналогов и были с ними не совместимыми.

Кроме этого, существовала проблема удобства для пользователя. В сети GSM идентификатором абонента является SIM-карта, на ней хранится необходимая оператору информация. Пользователь, желающий сменить старый мобильный телефон на новый, просто переставлял симку. Для работы в сетях CDMA необходимые данные записывались (прошивались) в сам телефон, в нем в принципе не было слота для SIM-карты. Поэтому смена мобильного телефона несла за собой необходимость визита в салон оператора, а имеющийся телефон нельзя было использовать в других странах, например, в роуминге. Аналог SIM для CDMA появился в 2002 году, и получил название R-UIM. Начали появляться и телефоны, работающие как в CDMA, так и в GSM, проблема ограниченного выбора устройств постепенно решилась. Свою роль в этом сыграли американские операторы, которые стали локомотивом развития стандарта. На украинском рынке CDMA операторы занимают заметно меньшею долю, выбор совместимых смартфонов или телефонов меньше, но часть оборудования импортируют операторы, а пользователи при желании могут сами купить подходящий смартфон на международных площадках.

Если учесть плюсы и минусы, получится, что технологии с потребительской точки зрения выглядят сравнимыми, окончательный выбор сводится только к покрытию оператора.

Эволюция

Озвученные выводы применимы в первую очередь с точки обычного телефонного общения, но разговоры давно стали просто одной из услуг операторов на фоне интернет-доступа.

Изначально стандарт GSM обеспечивал максимально возможную скорость передачи данных до 9,6 кбит/с. Технологии GPRS и EDGE, которые относят к поколению 2G, позволили разогнаться до теоретических 474 кбит/с. В третьем поколении GSM-сетей UMTS для передачи данных используется технология WCDMA, которая является производной от CDMA, в ней применяется похожее кодовое разделение каналов. Дальнейшее развитие технологий и внедрение HSPA+ и DC-HSDPA (например, у «Киевстара» и «Лайфа») обеспечивают теоретическую скорость обмена данными в 42,2 Мбит/с («Киевстар», объединение двух «несущих») или даже 63,3 Мбит/с («Лайф», три «несущие»).

Первоначальный CDMA имел больший запас прочности и обеспечивал скорость передачи данных до 153 кбит/с. Последующие фазы развития стандарта уже классифицируются как 3G-сети, для передачи данных используется технология EV-DO. В зависимости от реализованного поколения стандарта (Rev.) максимальная скорость передачи данных в такой сети изменяется от 2,4/0,153 Мбит/с (Rev. 0, upload/download) до 73,5/27 Мбит/с (Rev. B). Естественно, что приведенные для каждого стандарта цифры являются теоретическими, для всех подключенных абонентов таких скоростей добиться невозможно и реальная скорость доступа оказывается в разы меньше. Плюс, все зависит от реализованных технологий. Например, «Интертелеком» в крупных городах работает на стандарте Rev. B и обеспечивает скорость до 14,7 Мбит/с.

Таким образом, в теории возможно и дальнейшие развитие 3G сетей, наращивание скоростей передачи данных, но с практической точки зрение решение выглядит сомнительным. Имеющиеся скорости хорошо покрывают запросы пользователей (если не придумывать сумасшедших сценариев с раздачей торрентов в режиме 24/7), а технологии тянут на себе обратную совместимость с сетями 2G и поддержку работы старых телефонов.

Система сотовой подвижной связи CDMA

В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в свою очередь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с цифровыми шумоподобными сигналами на основе метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access), в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию цифровым технологиям, таким как GSM.

Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами - защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использовалась для вооруженных сил США, и лишь недавно американская компания Qualcom на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (CDMA one) и передала его для коммерческого использования. Оборудование для этого стандарта уже выпускают шесть компаний: Hughes Network Systems, Motorola и Samsung.

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 временным 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 приведены в таблице.

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:

1. Пилотный канал - используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе.
2. 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.
3. 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).
4. Канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а так же управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

1. 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.
2. 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.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодек.
   На этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP..
2. Далее сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования, который может исправлять до 3-х ошибок в пакете данных.
3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала.
   Блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок - искажение нескольких бит информации подряд.
   Принцип такой. 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.
4. 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.
5. 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 %.
6. 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.
7. 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.

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

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

CDMA (Code Division Multiple Access) - технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется. Беспроводной абонентский доступ WLL (Wireless Local Loop), реализованный на базе новейшей цифровой технологии с кодовым разделением каналов CDMA.

Для данного стандарта характерны отличное качество звука и низкий уровень фоновых шумов. Повышенная емкость системы, которая в 10 раз выше чем у AMPS и в 3-5 раз больше чем у GSM, определяется максимально возможным количеством активных пользователей системы на территории зоны ее обслуживания. CDMA улучшает качество связи в перенаселенных районах, и местностях с холмистым рельефом, где возникают помехи от отраженных сигналов. CDMA увеличивает емкость системы, "виртуально" отсеивая занятые, перекрестные и повисшие вызовы. Это становится возможным благодаря многократному использованию одного частотного канала во всех сотах. Повышению емкости системы способствует применение механизма контроля мощности и речевой активности, что уменьшает взаимные помехи, влияющие на емкость системы и другие факторы. В результате абоненты не страдают от блокировки вызовов в часы наибольшей нагрузки на сеть.

Принцип работы

Для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. Разделение пар приёмников и передатчиков по частотам таким образом, что каждой паре выделяется часть спектра на всё время соединения, называется FDMA (Frequency Division Multiple Access). Разделение по времени таким образом, что каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называют TDMA (Time Division Multiple Access). В CDMA (Code Division Multiple Access), для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала -- шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир, в данном частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). На изображении ниже показан пример, демонстрирующий применение метода для генерации сигнала. Сигнал данных с длительностью импульса Tb комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна (зам: ширина полосы пропускания пропорциональна, где = время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна и ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна. Так как много меньше, ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина называется фактором распространения или базой сигнала и определяет в известной мере верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией одновременно.

Преимущества

• · Гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.
• · Более высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.
• · Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому, возможно, менее вредны.