Какие модели телефонов поддерживают формат cdma. GSM и CDMA: В чём разница и что лучше? Принципы кодового разделения каналов

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.

Нельзя сказать, чтобы сравнение сетей GSM и CDMA на сегодняшний день было актуальным для России: стандарт GSM рынок завоевал давно и прочно, и тесниться пока не собирается. Однако ряд преимуществ уже не новой, но развивающейся CDMA заставляет задуматься о выборе в ряде случаев: к примеру, когда принципиально важна высокая скорость передачи данных или качество голосовой связи. Обычный потребитель сталкивается с дилеммой, случайно заметив тарифную сетку немногих операторов CDMA или же прочитав в характеристиках понравившегося телефона о поддержке последним именно этого стандарта связи. Что мы получим, поменяв привычный GSM-смартфон на CDMA? Оценим преимущества и недостатки обеих сетей с точки зрения плательщика в кассу операторов.

Определение

Стандарт сотовой связи CDMA использует единую широкую полосу частот с кодовым разделением сигнала. В общем виде схему работы можно представить так: несколько абонентов передают пакет данных одновременно на одной частоте, пакет данных от каждого кодируется уникальным образом.

Стандарт сотовой связи GSM использует принцип частотно-временного разделения канала. Общий вид схемы работы: каждый абонент для передачи пакета данных использует свой (к которому подключился) временной слот и узкую полосу частот.

Сравнение

В чем же разница между GSM и CDMA, если определения выдают практически набор слов? Узкие полосы, широкие полосы, частоты… А конечному пользователю в каком виде? В первую очередь отличия для нас, звонящих и выходящих в интернет, заключаются в качестве связи. Как раз широкая полоса обеспечивает передачу данных практически без потерь качества. Если пользовались проводным стационарным телефоном, то разницу между GSM и CDMA почувствуете сразу: последний дает примерно такой же звук без помех и прерываний.

Скорость передачи данных в сетях CDMA довольно высока, до 2 Мбит в секунду. Впрочем, многие удивятся, узнав, что с CDMA они хорошо знакомы. Всем известная технология 3G, или UMTS — как раз одна из разновидностей CDMA. Пользуемся мы ею для передачи данных посредством обычных наших смартфонов, планшетов и других устройств. Однако голосовые вызовы и отправка смс-сообщений (равно как и другие услуги оператора) — в сети GSM.

Операторов CDMA в России мало, зона покрытия их включает мало территорий, потому говорить о переходе на этот стандарт связи преждевременно. Однако там, где работает, к примеру, Скайлинк, клиенты этого оператора отмечают надежность соединения в первую очередь. Несомненным достоинством можно считать и повышенную безопасность передачи данных за счет сложных систем шифровок сигнала. Главное, что перехватить информацию в сетях CDMA гораздо сложнее, нежели в привычных GSM.

Сеть GSM распространена на территории России практически повсеместно и почти не оставляет “белых пятен”. Смартфоны и телефоны, созданные для работы в сетях CDMA, составляют ничтожно малое количество от их общего числа, так что выбрать себе подходящую модель непросто. В аппараты CDMA устанавливается R-UIM карта, которая позволяет сменить оператора и номер.

Существенной может оказаться разница между GSM и CDMA для тех, кто заботится о здоровье. Эксперты полагают, что негативное воздействие на организм человека излучения модулей CDMA в разы ниже, чем модулей GSM. Связано это с низкой мощностью излучателя: 0,2 Вт против 2 Вт соответственно.

Выводы сайт

1. Сети мобильной связи CDMA обеспечивают более высокое качество голосовой связи и безопасность соединений.
2. Сети CDMA обеспечивают высокую скорость передачи данных.
3. Покрытие сетей GSM в России на сегодняшний день шире.
4. Выбор устройств, работающих в сетях GSM, в десятки раз больше, чем устройств CDMA.
5. При подключении к CDMA устройству присваивается короткий (прямой) номер.

Мобильный телефон предназначен для автономной работы в сети сотовой связи, которая востребована и динамично развивается. Для пользователей он стал необходимым средством коммуникации. Это высокотехнологическое устройство, которое идентифицирует абонента с помощью Sim-карты. Существует множество разновидностей телефонов.

В сравнении друг с другом они отличаются техническими характеристиками, функциональностью, дизайном. От возможностей аппарата, его фирмы-производителя, качества и форм-фактора напрямую зависит стоимость. Есть основные виды мобильных устройств:

• моноблок с клавиатурой;
• слайдер;
• раскладушка;
• мобильник с сенсорным экраном.

Современные технологии

Прогресс не стоит на месте, и сейчас стал максимально востребован смартфон. Это “интеллектуальный” мобильник, который функционирует на уровне с персональным компьютером. Он имеет операционную систему, а также работает с разнообразными программами, приложениями, в нем есть модули WIFI, GPS. Этим он кардинально отличается от простого телефона.

В каталоге телефонов представлены последние модели устройств. Основные характеристики современных смартфонов:

• операционная система;
• объем оперативной, встроенной памяти;
• разрешение;
• фотокамера;
• тип моноблока.

Чем выше у смартфона эти показатели, тем его цена будет выше.

Где купить

В интернет-магазинах представлен широкий выбор моделей устройств от наиболее популярных, проверенных мировых брендов: Samsung, Alcatel, Fly, Lenovo, HTC, Nokia, IPhone и другие. Появляются новые, усовершенствованные модели. Цены на телефоны, дополнительные аксессуары, комплектующие, запасные части можно сравнить с помощью сайта Апорт. Кроме того, сайт поможет оценить предложения рынка и выбрать оптимального продавца.

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 - 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.