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!
Что такое CDMA?
Множественный доступ с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access). Это - цифровая технология, разработанная компанией Qualcomm, которая обеспечивает кристально чистую передачу звука в новом поколении устройств и сервисов беспроводной связи. Используя технику цифрового кодирования широкополосного радиосигнала, CDMA позволяет организовать более качественную и экономически выгодную передачу звука, большую защиту от прослушивания, емкость и гибкость, чем другие беспроводные технологии. Вместе с тем эта технология позволяет организовать дополнительные сервисы, такие как обмен короткими сообщениями (SMS), использование электронной почты и выход в Internet.
Как работает CDMA?
CDMA использует технологию уширения спектра для разделения речевого сигнала в маленькие цифровые сегменты и кодирует их для идентификации каждого звонка. Таким образом, большое количество абонентов могут совместно использовать один и тот же частотный диапазон, что сильно увеличивает емкость сети. Другими словами, CDMA позволяет операторам беспроводной связи пропускать больше цифровых сигналов в определенном радиочастотном диапазоне.
Что такое GSM?
Global System for Mobile communications - Глобальная Система для Мобильной связи. Это - цифровой стандарт связи, разработанный в начале 1980-х годов для введения роуминга по всей Европе.
Какой стандарт обеспечивает лучшее качество звука, CDMA/800 (Cellular) или CDMA/1900 (PCS)?
Высокое качество звука дает сама цифровая технология CDMA, а не радиочастота. Оба стандарта имеют одинаково высокое качество звука.
Почему CDMA лучше?
Некоторые достоинства CDMA - это качество звука такое же или лучшее, чем при проводной передаче, лучший прием с меньшими фоновыми шумами, меньшее количество прерванных соединений, повышенная конфиденциальность и надежность. Также CDMA позволяет обслуживать большее количество абонентов одновременно - большая емкость сети, дающая меньшее количество неудачных попыток сделать звонок абонентами сети CDMA.
Расскажите о конфиденциальности CDMA.
Передача CDMA кодируется цифровым образом. Речевой сигнал разбивается на сегменты, и каждому сегменту сопоставляется код. В принимающем устройстве речевой сигнал восстанавливается с использованием кода.
Где используется технология CDMA?
CDMA покрывает большую часть США. Также CDMA используется и в других странах во всем мире.
Что такое CDMA/800 (Cellular)?
CDMA/800 (Cellular) использует 800 МГц радиочастотный диапазон.
Каков точный частотный диапазон CDMA/800 (Cellular)?
Передатчик 824.01-848.97 МГц Приемник 869.01-893.97 МГц.
Что такое CDMA/1900 (PCS)?
CDMA/1900 (PCS) (Personal Communicatoins Services) использует радиочастотный диапазон, отличающийся от используемого в CDMA/800 (Cellular). В основном, он использует 1900 МГц диапазон.
Каков точный частотный диапазон CDMA/1900 (PCS)?
Передатчик 1850-1920 МГц Приемник 1930-1990 МГц.
Code Division Multiple Access (CDMA) является цифровой технологией, открывающей двери в новое поколение услуг и средств беспроводной передачи данных. Используя цифровое кодирование и "широкий спектр" радиочастотных (RF) технологий, CDMA обеспечивает более высокое качество голосовой связи, лучшую секретность информации, более высокую пропускную способность системы и гибкость, по сравнению с другими технологиями беспроводной связи, а также предоставляет широкий диапазон передовых услуг, таких как обмен оперативными сообщениями, электронная почта и доступ в Интернет.
Разработанный корпорацией QUALCOMM Incorporated для коммерческого использования, IS-95 CDMA получил международное признание и теперь является основой семейства промышленных систем беспроводной передачи данных cdmaOne™ . Сегодня коммерческие сети CDMA обслуживают миллионы абонентов во всем мире.
Выдающееся качество передачи звука и разговора. CDMA обеспечивает такое же высокое качество передачи голоса, как и при использовании обычной кабельной связи. Кроме этого, CDMA устраняет фоновые шумы, разговоры по параллельным каналам и помехи, увеличивая конфиденциальность информации и качество связи. Меньший расход энергии. Телефоны CDMA затрачивают на передачу данных существенно меньше энергии, чем телефоны, использующие другие технологии, в результате увеличивается срок работы батареи, продолжительность разговора и время ожидания. Используя меньшие батареи, производители могут выпускать меньшие по размеру, более легкие телефоны.
Меньшее число прерванных разговоров. CDMA увеличивает пропускную способность системы, виртуально устраняя сигналы о занятой линии, параллельные и прерванные разговоры, являющиеся результатами переполнения системы. Используя запатентованный метод передачи звонков между ячейками, называемый "soft handoff", CDMA значительно сократил вероятность срывов звонков или прерываний разговоров во время работы в режиме громкоговорящей связи.
Расширенная зона действия. Сигнал CDMA, охватывающий более широкий спектр, обеспечивает большую зону действия, чем другие беспроводные технологии, как в помещениях, так и за их пределами. Кроме того, CDMA используют другие типы телекоммуникационных систем, предоставляя единую, широкую зону действия и согласованность. Благодаря улучшенным характеристикам сигнала и более широкому диапазону, в CDMA расширена зона, в которой возможен прием и передача сообщений. Сетям CDMA требуется только часть узлов сети, необходимых для других беспроводных технологий, чтобы охватить данную зону. Благодаря меньшему количеству узлов сети радиодоступа, поставщики услуг могут сократить свои первоначальные капиталовложения, а также расходы по эксплуатации и обслуживанию.
Безопасность и секретность информации. Кроме устранения параллельных разговоров и посторонних шумов, широкого спектра передачи сообщений, закодированных в цифровом виде, технология CDMA защищает от прослушивания. Кодирование голосовых сообщений CDMA также обеспечивает защиту от несанкционированного вмешательства и других видов мошенничества.
Дополнительные услуги. Использование канала с цифровым управлением CDMA позволяет пользователям получать доступ к широкому диапазону новых услуг, включая идентификацию позвонившего абонента, передачу оперативных сообщений (типа сообщений на пейджер) и передачу данных. С помощью CDMA возможна одновременная передача голоса и данных.
Гибкость. CDMA является единственной беспроводной технологией, предоставляющей как стационарные так и мобильные услуги в пределах одной платформы, поддерживая два источника получения доходов, позволяя поставщикам работать со своими клиентами по схеме "один телефон". Кроме того, на разработку и проектирование сетей CDMA затрачивается меньше средств, чем на другие типы беспроводных систем, что упрощает их расширение и изменение конфигурации.
Более высокая пропускная способность. CDMA обеспечивает пропускную способность в 10-20 раз большую, чем аналоговые беспроводные технологии, и в 3 раза большую, чем пропускная способность других цифровых технологий, позволяя поставщикам услуг обслуживать большее число абонентов и больший объем беспроводного трафика в пределах данного диапазона радиочастот. В условиях быстрого увеличения количества беспроводных абонентов и времени использования, пропускная способность является решающим фактором.
Быстрый ввод в эксплуатацию. Системы CDMA могут быть введены в эксплуатацию и расширены более быстро и эффективно по стоимости, чем большинство беспроводных сетей. А поскольку они требуют меньшего числа узлов сети, то сети CDMA могут быть введены в эксплуатацию быстрее других типов беспроводных сетей.
Качество услуг. Высокое качество передачи голоса, достигаемое при использовании CDMA и дополнительные услуги, включающие беспроводную передачу данных, обеспечивает поставщикам услуг значительное преимущество перед конкурентами в привлечении и поддержке клиентов.
Выбор. Благодаря широкой поддержке лидеров в сфере производства телекоммуникационного оборудования и сокращению затрат, поставщики услуг могут выбирать из широкого диапазона передовых, конкурентоспособных по стоимости продуктов CDMA.
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.
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.
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.
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 - 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.
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.
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).
http://www.minsvyaz.ru - Сайт Министерства связи РФ.
http://www.sotovik.ru - Новости сотовой связи.
http://www.cdma.ru - CDMA в России.
|
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.
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.
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.
С целью преодоления приведенных недостатков компаниям-производителям пришлось обратиться к принципиально другим цифровым системам, выполненным по технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) или, как его называют во всем мире, CDMA (Code Division Multiple Access ) , которые используют шумоподобные сигналы с расширенным спектром. Разумеется, все новое - это хорошая доля старого, причем в нашем случае - вовсе не забытого.
Технология мультидоступа с кодовым разделением каналов, в основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, называлась “Основы теории линейной селекции” была опубликована в сборнике ЛЭИС еще в 1935 году, а ее автором был Дмитрий Васильевич Агеев. А уже после войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи как в СССР, так и в США, поскольку обладала многими ценными для таких систем преимуществами, о которых будет сказано ниже.
Сам принцип CDMA заключается в расширении спектра исходного информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое может производиться двумя различными методами, которые называются следующим образом: “скачки по частоте” и “прямая последовательность”.
Так называемые “скачки по частоте” (или FH - Frequency Hopping ) реализуются следующим образом: несущая частота в передатчике постоянно меняет свое значение в некоторых заданных пределах по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы времени. Приемник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. С помощью FH сейчас производятся попытки улучшения технических характеристик узкополосных цифровых систем сотовой связи, в частности, GSM.
Второй метод “прямой последовательности” (или DS - Direct Sequence ), который основан на использовании шумоподобных сигналах и применяется в большинстве работающих и перспективных системах CDMA. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала каждого абонента единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным шумоподобным сигналом (он-то и является в данном случае кодом), который и расширяет спектр исходного информационного сигнала. Тут сразу следует отметить, что число вариантов таких кодов достигает нескольких миллиардов, что позволило бы создать персональную связь в масштабах нашей планеты. В результате проведения описываемого процесса узкополосный информационный сигнал каждого пользователя расширяется во всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей сети (база сигнала при этом становится много больше 1). В приемнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода, в результате чего восстанавливается исходный информационный сигнал. В то же самое время сигналы остальных пользователей для данного приемника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им лишь как белый шум , который является наиболее мягкой помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной работе приемника.
Чтобы популярно пояснить принцип работы такой системы, воспользуемся одной очень удачной аллегорией, которую, объясняя основы технологии CDMA, обычно предлагает компания Motorola “для экспертов и не очень”. Представьте комнату, в которой одновременно разговаривает друг с другом много пар людей, причем на разных языках. Каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как некий фон и не особенно мешают разговору.
При этом обеспечивается высокая степень защиты от активных и пассивных помех, что позволяет работать при низких значениях отношения сигнал-шум (3–5 дБ) со значительно меньшей мощностью передаваемого сигнала. Таким образом, в одном и том же радиочастотном канале одновременно передаются информационные сигналы большой группы пользователей.
Следует также сказать, что CDMA не зря широко используется в военных системах связи, поскольку расширение спектра сигналов позволяет противодействовать преднамеренным искусственным помехам. Если расширить базу радиосигнала до очень больших величин, то можно сделать его ниже уровня шумов, которые и сможет наблюдать потенциальный противник. На приемной же стороне исходный сигнал будет восстановлен. Таким образом, подобные системы можно было бы использовать (и такие системы существуют), не мешая работе других радиосредств, использующих тот же диапазон радиочастот. Однако это не используется в существующих коммерческих сотовых системах CDMA.
В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse ) частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты), то количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.
Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени работы телефона без подзарядки.
Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность “мягкого” перехода от одной БС к другой (soft handoff ). При этом, возможна ситуация когда одного абонента “ведут” сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его “передали”; другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning System ) американской спутниковой системы определения координат.
CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.
Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда за счет сокращения ёмкости сети.
Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи, что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению с действующими TDMA стандартами.
Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации данной технологии в “железе”.
Можно долго говорить о преимуществах той или иной техники, но для коммерческого телекоммуникационного оператора архиважным является набор услуг, за которые абонент будет платить деньги. Главным достоинством сетей CDMA является очень высокое качество передачи речи, а это, согласитесь, главная услуга всех телефонных сетей.
Речь в системе CDMA преобразуется в цифровой поток посредством специального вокодера с переменной в зависимости от интенсивности речи скоростью. Это позволяет экономно использовать пропускную способность радиотракта . То есть, пока вы молчите, ресурс радиоканала может использовать другой абонент, тоже разговаривающий в настоящий момент.
В системах стандарта IS-95 используются вокодеры с максимальными скоростями передачи 8 кбит/с и 13 кбит/с. Соответственно может осуществляться и передача данных со скоростями соответственно 9,6 кбит/с и 14,4 кбит/с. Заметим, что последняя цифра недоступна в сетях других стандартов.
Качество передачи речи с вокодером на 13 кбит/с близко к качеству, которое обеспечивается в кабельных цифровых линиях связи. Но, конечно, такие вокодеры несколько уменьшают емкость сети. Поэтому для абонентов, которых интересует только голосовая связь, разработаны так называемые улучшенные вокодеры на 8 кбит/с с таким же высоким качеством речи. Следует отметить, что тема вокодеров продолжает оставаться актуальной в смысле дальнейшего улучшения качества при дальнейшем уменьшении скорости передачи. Цена вопроса - дальнейшее увеличение емкости сети. И это заставляет продолжать такие работы многих специалистов.
Что, собственно, имеется в виду, когда говорится о высоком качестве передачи речи в сетях CDMA? Это, прежде всего, чистый звук и непривычное для радиотелефонов отсутствие посторонних шумов. Но тут, как говорится, лучше один раз услышать, чем десять раз увидеть в различной литературе. Ну что же, теперь для этого не обязательно ехать куда-нибудь, например, в США или Корею. Сети CDMA (IS-95) уже работают в ряде регионов России. Можно было поговорить по радиотелефонам CDMA и на московских форумах СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-97 и -98, где работали такие демонстрационные системы, смонтированные компаниями Qualcomm и “Персональные коммуникации”. А ныне это вообще не такая уж и экзотика, потому что в России понастроено сетей IS-95 уже немало.
И, конечно, законный интерес вызывают способы доступа в сеть ИНТЕРНЕТ через сотовые сети IS-95. Разумеется, абонент сети CDMA может одновременно разговаривать по сотовому телефону и работать на подключенном к нему компьютере в ИНТЕРНЕТ. Среди существующих сегодня стандартов для мобильной связи наилучшие позиции здесь именно у IS-95 вследствие обеспечения самой большой скорости доступа (14,4 кбит/с). И компании-производители обещаю в скором времени увеличить и эту скорость (благо в “общей трубе” радиоканала CDMA можно перераспределять ресурс, выделенный каждому абоненту). Кстати, презентация системы передачи данных по сети CDMA была организована компанией Qualcomm во время проведения московской выставки СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-98 на базе сети московского оператора “Персональные коммуникации”.
Конечно, абоненты смогут обмениваться факсимильными сообщениями и общаться по электронной почте. А в обозримом будущем ожидается появление скоростей передачи 64 кбит/с и даже 144 кбит/с.
Что же касается различных дополнительных услуг, которые предоставляются абонентам цифровых сотовых сетей (переадресации вызовов, голосовая почта, определение номеров, услуги IN и т.п., включая роуминг ), то все они определяются сетевым коммутационным оборудованием (контроллером или центром коммутации) и не зависят от типа используемого радиоинтерфейса . Что заложено разработчиками в коммутатор, то и получится (главное, чтобы можно было установить на него дополнительный soft ). В общем, что оператор посчитал необходимым закупить для своей сети (на основе, например, маркетинговых исследований), тем абоненты и смогут воспользоваться. И если чего-то сейчас нет, то это вполне можно докупить и позже.
Исторически сложилось так, что европейцы наиболее подробно разработали различные приложения (в части дополнительных услуг) для стандарта GSM (но это относится больше к функциям коммутатора, а не радиоинтерфейса ). А вот 20 февраля 1998 года компания Qualcomm объявила об успешном окончании испытаний с британским оператором Vodafon базовой станции CDMA (IS-95), включенной в центр коммутации подвижной связи сети GSM. Это означает, что теперь нет ничего невозможного и существует реальная возможность совместить многочисленные услуги, разработанные в рамках проекта GSM и адаптированные к европейским телефонным сетям, с преимуществами радиоинтерфейса IS-95.
Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующем примере.
Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.
Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша .
В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала, т. е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично.
CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире шумоподобными . Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц ) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные система восстановит, см. рис 1, где показан полезный сигнал и помеха (СЗС - селективная помеха).
А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.
Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц . Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша . Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.
В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью? (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 Мгц .
|
Основные характеристики стандарта |
|
|
Диапазон частот передачи MS |
824,040–848,860 МГц |
|
Диапазон частот передачи BTS |
869,040–893,970 МГц |
|
Относительная нестабильность несущей частоты BTS |
± 5*10 -8 |
|
Относительная нестабильность несущей частоты MS |
± 2,5*10 -6 |
|
Вид модуляции несущей частоты |
QPSK(BTS), O-QPSK(MS) |
|
Ширина спектра излучаемого cигнала
: |
1,25 МГц |
|
Тактовая частота ПСП М-функции |
|
|
Количество каналов BTS на 1 несущей частоте |
|
|
Количество каналов MS |
|
|
Скорость передачи данных: |
1200 бит/с |
|
Кодирование в каналах передачи BTS |
Сверточный код R=1/2 , К=9 |
|
Кодирование в каналах передачи MS |
Сверточный код R=1/3 , K=9 |
|
Требуемое для приема отношение энергии бита информации |
|
|
Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS |
|
|
Максимально эффективная излучаемая мощность MS |
|
В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости . При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим “эстафетной передачи” при переходе из соты в соту .
Мягкий режим “эстафетной передачи” происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего “склеивания” кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в “эстафетной передаче”.
Протоколы установления связи в CDMA, так же как в стандартах AMPS основаны на использовании логических каналов.
В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward ), для приема базовой станцией - обратными (Reverse ). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис:
Пилотный канал
Используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе.
Канал синхронизации
Обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а так же фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения.
Канал вызова
Используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).
Канал прямого доступа
Предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а так же управляющей информации с базовой станции на подвижную.
Канал доступа
Обеспечивает связь подвижной станции с базовой станций, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) каналами вызова.
Канал обратного трафика
Обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.
Структура каналов передачи базовой станции показана на рис:
Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша . Всего в одном физическом канале логических каналов может быть 64, т.к. последовательностей Уолша , которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которому соответствует Пилотный канал , на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются свои коды Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова, и оставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по Каналу прямого трафика .
При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.
Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир.
Давайте подробней рассмотрим структурную схему обратного канала трафика. В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы исключаются.
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.
Цифровая радиосвязь характеризуется возможностью многостанционного доступа или мультидоступа, что подразумевает одновременную передачу информации через одно устройство многими пользователями в общем канале. При этом разделение общего канала может производиться по частоте (FDMA), времени (TDMA) и коду (CDMA), что можно проиллюстрировать так, как это приведено на рис.:
При частотном разделении спектр передачи разделяется на участки, выделяемые для различных пользователей. Только этот метод может быть использован при аналоговой связи. На этом методе основаны все аналоговые стандарты сотовой связи: NMT, AMPS, TACS и др. Недостатки таких систем сейчас очевидны: плохая помехозащищенность и связанное с ней невысокое качество передачи речи, неэффективное использование дефицитного радиоспектра , отсутствие защиты от прослушивания и т.д. Следует также сказать, что пик своего развития аналоговые системы прошли в 1993 году, после которого наблюдается устойчивое снижение числа их абонентов. Самым же распространенным аналоговым стандартом в мире был и пока остается AMPS. Два других метода используются при цифровой технологии и, как правило, в комбинации с частотным разделением. В случае мультидоступа с временным разделением каналов многочисленные абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время, что позволяет увеличить объем речевого трафика и получить ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. На этом методе основаны такие узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM и его разновидность DCS, а также D-AMPS, который стал логическим продолжением стандарта AMPS.
Реально доказанные преимущества технологии CDMA привели к ориентации всех поставщиков, разрабатывающих системы радиотелефонной связи III поколения (в том числе и для подвижной связи), исключительно на нее, а точнее на различные варианты широкополосной CDMA.
Ранее международными регулирующими органами были разработаны рекомендации к системам III поколения (Third Generation или 3G), называемые условно IMT-2000. В США существует также организация CDMA Development Group (или CDG), координирующая деятельность разработчиков. Занимается этим, разумеется, и ITU-R - международный орган, занимающийся радиосвязью.
Концепция IMT-2000 предусматривает возможность взаимодействия с другими существующими наземными и спутниковыми сетями связи (в частности GSM), передачу голоса, данных и видео. Там будут скорости передачи 64 кбит/с, 144 кбит/с, 2 Мбит/с: что-то будет для абонентов с ограниченной мобильностью, что-то - для высокомобильных абонентов. Основные направления работы здесь следующие: высокоскоростная передача данных, мультимедиа-приложения, взаимодействие со спутниковыми сетями, глобальный роуминг , совместимость с сетями II поколения. Для систем III поколения отводятся радиочастоты вокруг 2 ГГц.
А аналоговые системы должны тихо уйти с мировой сцены в 2006–2008 гг., о чем мировое сообщество уже договорилось в первой половине 90-х годов.
Многие разработчики взялись за решение задач, сформулированных в концепции IMT-2000, но если бы они не были так похожи на рака, лебедя и щуку. Выбор большинства из них, как уже говорилось, пал на технологию широкополосной CDMA. И в выборе технологии европейцы, американцы, японцы, корейцы и много кто еще стали вдруг едины. Но!
Европейцы имели два перспективных но несовместимых стандарта TD/CDMA и W-CDMA (которые они все-таки технически совместят под общим названием W-CDMA или UMTS), а североамериканцы - WB-CDMA (который ныне называется cdma2000), как дальнейшее развитие сегодняшнего cdmaOne . Пока все это - еще весьма сырые разработки, требующие обкатки и доводки. Но испытания идут, инвестиции осваиваются, а должной координации, к сожалению, нет.
В европейских разработках участвуют в проектах еще и японцы, и корейцы. Но есть еще и американский вариант, в котором участвуют почти все тамошние производители. Понятно, что американский вариант будет жить, потому что он создается на базе опыта, накопленного при реальной эксплуатации множества сетей cdmaOne . Но и европейцы известны своим всесторонним и педантичным отношением к созданию сотовых систем связи, которое они уже продемонстрировали при разработке GSM. Экспериментальная система W-CDMA была недавно поставлена компанией Ericsson японскому оператору NTT DoCoMo , достигнута договоренность об испытаниях похожей системы в Швеции местным оператором Telia
Теперь поднимемся на мгновение над земной суетой в околоземное космическое пространство. Там сейчас развертываются системы глобальной спутниковой связи на низкоорбитальных спутниках. Одна из них, Iridium , использует технологию TDMA, другая, Globalstar , - CDMA (близкую к рассмотренной выше). Эти системы имеют свои особенности в части оснащения космических аппаратов, числа земных станций и т.п., однако, они должны предоставлять связь в “белых пятнах”, где нет наземной сотовой связи. Первая система уже начала функционировать, вторая начнет работу в будущем году. Несмотря на то, что недавняя авария украинского ракетоносителя, похоронившего несколько спутников Globalstar , несколько отодвинет сроки реализации одноименной сети, пожелаем им успехов и отметим, что предварительная информация о тарифах говорила о том, что стоимость услуг Globalstar ниже почти на порядок (есть, по-видимому, тут заслуга и самой технологии CDMA). И отметим, что это не единственное ее применение, поскольку большинство перспективных спутниковых проектов также опирается на использование технологии CDMA.
Опускаемся обратно. На российском рынке существует и активно внедряется благодаря своим высоким техническим и потребительским характеристикам система WLL, называемая MGW, производства компании Tadiran , использующая метод FH-CDMA и способная работать в диапазонах радиочастот от 800 МГц до 3,5 ГГц. Но это хоть и родственник, но дальний.
Ну а что с системами беспроводной связи будущего? Их ростки уже пробиваются на действующем рынке. То есть CDMA - теперь понятие широкое и вовсе не ограничивающееся стандартом IS-95. Поэтому все, что выполнено на базе указанного стандарта, называется теперь “cdmaOne ” (то есть, “они были первыми”), и именно это название фигурирует теперь в различной литературе и на телекоммуникационных форумах.
Потребителям уже сейчас предлагаются системы фиксированной связи, основанные на технологии широкополосной CDMA (B-CDMA), которая использует радиоканалы шириной 5, 10 и даже 20 МГц и работчие радиочастоты в диапазонах 2, 3, 4 ГГц. Надвсемэтимтрудились Lucent Technologies, Samsung, Interdigital , Siemens идр . Что они предлагают потребителю? Конечно еще более высокую помехоустойчивость, еще большую конфиденциальность связи и, разумеется, высокую пропускную способность. Теперь абоненты могут получать услуги ISDN и даже передавать видеоинформацию.
Конечно, это весьма разнотипные системы, не имеющие какого-либо общего стандарта, хотя ряд компаний сотрудничал друг с другом на этапе разработки оборудования. И не стоит делать ошибку, принимая их (что бы не говорили поставщики) за системы радиотелефонной связи III поколения. Идеология у них, конечно, похожа, но техническая реализация интерфейсов, набор услуг и т.д. отличаются.
Упомянем, что практически все производители и разработчики оборудования CDMA поддерживают контакты с компанией Qualcomm , которая является не только держателем целого ряда патентов на эту технологию, но и имеет штат квалифицированных специалистов в данной области. Хотя сейчас последними обладают и Bell Labs , и Samsung , и Nortel , и Motorola и многие североамериканские компании-операторы, но часто они не считают зазорным посоветоваться друг с другом.
Такое наступление новой технологии, о которой еще совсем недавно ничего не было известно, пришлось не пришлось по душе для тех, кто ранее инвестировал разработку систем технологии TDMA. В результате в течение нескольких лет в прессе шла горячая полемика о «мнимых» преимуществах CDMA. Оппонентами выступали европейцы, делавшие ставку на системы GSM (и D-AMPS, которыми они торговали в других странах). Достаточно вспомнить, как совсем недавно шведский Ericsson убеждал всех в практической нереализуемости теоретических преимуществ CDMA/IS-95 и одновременно судился с Qualcomm по поводу патентов на эту технологию (лучшей подоплеки отношения к IS-95 в разных странах не приведешь). По иронии судьбы сегодня именно Ericsson вынужден решать проблемы cdmaOne и выпускать соответствующее сетевое оборудование, потому что Qualcomm продал ему свои соответствующие подразделения. Неисповедимы пути господни…
С вводом в эксплуатацию множества коммерческих сетей cdmaOne по всему миру эта тема стала перемещаться в сторону систем связи следующего поколения. И уже там, похоже, соревноваться будут уже не системы CDMA и TDMA, а уже системы CDMA различных модификаций.
