В телефонах последних годов выпуска предусмотрено множество функций, в том числе и возможность использования разных стандартов связи.
Не все пользователи мобильных телефонов имеют достаточно уверенные знания о том, какими стандартами связи они пользуются для соединения с другими абонентами. Большинству потребителей услуг связи эти сведения могут понадобиться только в тех случаях, когда приходится выбирать новый телефон.
Внушительный список опций и характеристик пестрит множеством загадочных обозначений и аббревиатур, смысл которых либо угадывается с трудом, либо вовсе остается тайной за семью печатями. Что же кроется за буквенными шифрами CDMA и WCDMA, для чего они используются и можно ли без них сегодня обойтись?
Как известно, существует несколько разных стандартов передачи данных в мобильной связи. Общепринятым стандартом для нашей страны и стран Европы стал , однако в качестве альтернативы для него еще в 90-е годы был предложен стандарт CDMA, или Code Division Multiple Access (технология множественного доступа при кодовом разделении).
Если в GSM связи оцифрованные информационные пакеты разделены во времени, то в стандарте CDMA используется не только временное, но и кодированное разделение. Пакеты голосовой информации кодируются одним способом, пакеты личных данных абонента – другим, а интернет-соединение использует третий способ кодирования. Благодаря этому все данные могут передаваться одновременно, не мешая друг другу.
Если в телефоне имеется не только GSM, но и CDMA, это значит, что у вас двухстандартный телефон, способный работать в сетях с разными принципами кодирования сигналов. На самом деле CDMA является более качественным, высокоскоростным и надежным стандартом. Принятие в качестве основного стандарта для стран Европы GSM связи многие специалисты считают серьезной ошибкой.
Еще одним стандартом связи, который сегодня широко используется в построении 3G сетей, является WCDMA. Эта аббревиатура расшифровывается как Wideband Code Division Multiple Access, т.е. широкополосный CDMA стандарт.
Как понятно из названия, WCDMA является одним из вариантов стандарта CDMA, использующим широкополосный доступ связи. Он является основным для мобильных операторов Японии, благодаря чему в этой стране раньше других появился и стал общедоступным беспроводной интернет.
Сегодня на принципе WCDMA осуществляется построение , которые обеспечивают высокую скорость и надежность обмена данными (на небольших расстояниях до 2 Мбит в секунду, при значительном удалении от базовых станций – до 384 Кбит в секунду).
WCDMA использует широкополосный доступ, диапазон которого составляет 5 МГц. Технология WCDMA обладает существенно более широкими по сравнению с GSM стандартом возможностями: позволяет одновременно передавать голосовой сигнал, видеосигнал и пакеты цифровой информации.
Одним из достоинство WCDMA является отсутствие привязки к конкретному территориальному расположению базовых станций. Используя этот стандарт, вы не замечаете, что переходите из одной зоны в другую во время движения – например, при поездках на автомобиле или в поезде. Вы даже можете пересечь границу между странами, но это не отразится на принимаемом сигнале.
В большинстве современных телефонов предусмотрено использование стандарта WCDMA, который предоставляет качественный, быстрый и надежный беспроводной интернет и другие услуги беспроводной связи, в том числе обычную мобильную телефонию.
Стандарт CDMA до сих пор используется для работы некоторых сетей беспроводной связи, функционирующих в России – наиболее известной из них является «SkyLink». Чрезвычайно распространен CDMA в Китае, где он используется практически наравне с GSM.
Многие операторы в различных странах мира уже успели убедиться в его надежности и перспективности. Что касается WCDMA, то он уже используется в России для предоставления услуг 3G связи. Поэтому при выборе нового телефона обязательно ищите в его характеристиках упоминание о наличии стандарта WCDMA.
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.
Стандарт CDMA не так популярен, как всем известный и любимый операторами GSM. Однако у него есть свои плюсы и преимущества. Поэтому при покупке нового сотового телефона стоит обратить особое внимание на CDMA-GSM-телефоны. Это будет оптимальный вариант.
Code Division Multiple Access - именно так расшифровывается аббревиатура данного стандарта связи. Под ним подразумевается использование множества каналов с кодовым разделением. При этом во время телефонного разговора и сам голос передаются по отдельным каналам и на разных частотах. Кроме того, для самой передачи данных предусмотрено больше места, чем при стандарте GSM.
Телефон CDMA - что это такое? Это гаджет, предоставляющий такие услуги, как прямой городской и мобильный номер, обмен пакетными данными и передача сообщений со скоростью до 2,3 Мбит. Принцип CDMA заключается в некотором расширении определенного спектра информационного сигнала. Для этого используется два метода: прямой последовательности и скачков по частоте. В первом случае главная несущая частота меняет свое значение в определенном диапазоне. При этом приемник работает по такому же алгоритму. Этим обеспечиваются выделение и обработка определенного канала. Метод прямой последовательности использует шумоподобные сигналы. При этом каждый отдельный сигнал модулируется уникальным кодом, расширяющим сам спектр информационного сигнала.
О главном конкуренте CDMA известно гораздо больше. Именно он активно используется в работе отечественных сотовых сетей. Стандарт GSM применяет технологию TDMA и основан на алгоритме частотного разделения канала. Есть целых четыре диапазона:
Есть одна особенность у устройств GSM, которой не может похвастать такое? Наличие дополнительной SIM-карты. С ее помощью можно легко и быстро менять оператора.
Несмотря на перспективность и безопасность, данный стандарт используется не так часто. И многие задаются следующим вопросом: «Телефон CDMA - что это?». Его история началась еще в 30-е годы прошлого века.
В СССР соответствующими исследованиями занимался прославленный академик Агеев Д.В. В 1935 г. он издал собственный труд «Кодовое разделение каналов». Брошюра не стала бестселлером, т.к. больше относилась к будущим разработкам. Но вскоре эту тему подхватили и другие известные ученые. Так была создана начальная база для дальнейшей разработки технологии CDMA.
Уже в конце 50-х в США использовали данный стандарт в военных целях. И только в 80-х технология была рассекречена и представлена миру. Адаптировать ее смог доктор Ирвин Марк Джейкобс. Позже он даже создал собственную фирму Qualcomm, занимающуюся спутниковой связью, телефонией и сотовыми системами.
Благодаря этому американцу с 1992 г. новый стандарт стал активно внедряться по всему миру. А с 1996 года стали одинаково использоваться CDMA-GSM-телефоны. При этом на тот момент в проекте участвовало около 24 стран мира.
Несмотря на то что данную технологию объединяет принцип действия, у нее есть несколько направлений. Собственно, система CDMA использует определенные наборы каналов шириной 1,23МГц. При этом сам голос кодируется со скоростью 8,55 кбит/с. Иногда этот поток данных урезается до 1,2 кбит/с. Такой стандарт используют простейшие телефоны CDMA Nokia. Их плюс - в надежности и качестве.
Стандарт CDMAOne существует во временных моделях IS-95a, IS-95b и J-STD-008. Заявленная скорость сигнала здесь составляет от 9,6 кбит/с до 115,2 кбит/с. Появились данные сети еще в 1995 г. в Америке. Сейчас стандарт довольно распространен в Азии. В России разрешено предоставлять по такой системе только услуги определенной фиксированной связи.
Стандарт CDMA2000 - преемник CDMAOne. Он практически полностью соответствует поколению 3G. Еще одна его особенность и ценность заключается в том, что именно на основе этого стандарта разрабатываются новые системы сотовых операторов.
Он широко распространен в Японии. Данная технология используется в высокоскоростной передаче различных мультимедиа, видеоконференций и доступа в Интернет. Китай также является лидером по использованию подобных сетей, однако наряду с WCDMA здесь продвигаются сети TD-SCDMA и CDMA-2000.
Если говорить о принципе действия, то можно сказать, что это также система множественного доступа с кодовым разделением существующих каналов и прямым расширением спектра действия. При этом скорость потока достигает 384 кбит/с, а ширина полосы - до 5 МГц. Это достигается за счет мультикодовых комбинаций и использования переменного коэффициента расширения.
Основное преимущество данного стандарта связи в том, что у него нет глобальной привязки ко времени и GPS. Поэтому он может работать независимо от города или страны, в которой находится. Этим же отличаются телефоны CDMA GSM (Одесса в том числе покрыта данной сетью).
Еще одним значительным фактором, говорящим в пользу данного стандарта, является его воздушный интерфейс. Он работает так, что можно легко использовать не только многопользовательский прием, но и интеллектуальную настройку необходимых адаптивных антенн. Это способствует значительному повышению зоны действия и пропускной способности.
Внедрение данной системы стало толчком к развитию сотовых сетей нового поколения. Плюс этого стандарта состоит в том, что здесь могут полноценно использоваться все частотные диапазоны систем подвижной сотовой связи. Его уже начинают активно использовать CDMA-телефоны (Украина тоже находится в зоне охвата).
Подобные сети обеспечивают большую дальность связи. Именно поэтому операторам не нужно строить множество станций. В области предоставления здесь также есть ряд преимуществ перед привычными GSM-операторами. Технология EV-DO обеспечивает широкополосный доступ со скоростью до 2,4 Мбит/с.
Передавать данные этой системой гораздо безопаснее, т.к. здесь используется специальный алгоритм шифрования и криптографическая аутентификация всех мобильных терминалов. Полезной рассматриваемая технология будет и для обычных граждан. Это объясняется тем, что при работе станций мощность излучения в 11 раз меньше, чем от GSM-сетей.
Из всего вышеперечисленного следует вполне закономерный вопрос о том, почему в России и СНГ CDMA-450-телефоны непопулярны? Причин, как оказалось, несколько:
Эта технология достаточно новая. И она во многом уступает используемой сотовыми операторами GSM. У нее есть неоспоримые плюсы:
Именно поэтому все большее число пользователей выбирает Возможность получить все плюсы сразу!
Несмотря на явные преимущества перед стандартом GSM, активно используют эти сети только в Америке. Европа только начинает знакомиться с данной технологией. Среди недостатков, которые мешают быстрому и уверенному продвижению CDMA в массы, можно выделить следующие:
Как видно из статьи, и у CDMA и у GSM есть свои сильные и слабые стороны. А нашему человеку ну просто жизненно необходимо пользоваться всем и сразу. Именно поэтому был придуман двухстандартный телефон CDMA-GSM. Он объединяет в себе все преимущества обеих систем.
Что он собой представляет? Это вполне обыкновенный мобильный телефон с улучшенной батареей, которая способна выдержать большее число звонков и разговоров. По дизайну и функциональности он практически ничем не отличается от стандартных сородичей.
Такие сотовые в последнее время стали все более популярны. Поэтому постепенно все мировые мобильные бренды стали выпускать отдельные линейки двухстандартных гаджетов.
Например, CDMA-450-телефоны активно продвигаются компанией Skylink. Также в различных магазинах можно найти модели Nokia, Huawei, Pantech, HTC и многие другие.
Помимо функциональной книги контактов, где одному абоненту можно присвоить сразу 4 и более номеров, а также несколько электронных адресов, у CDMA-GSM-сотовых есть еще несколько существенных отличий:
В целом же эти модели стандартизируются под привычные смартфоны и телефоны. Производители стараются создавать их в привычном дизайне и с тем же набором функций. В некоторых городах все чаще используются CDMA-телефоны. Одесса, например, как портовый центр предоставляет возможность пользоваться всеми моделями. Внутри страны выбора, конечно, меньше.
Сейчас очень часто можно услышать о CDMA стандарте. Что же это за стандарт и откуда он начал свое развитие? CDMA (Code Division Multiple Access) - технология множественного доступа с кодовым разделением сигнала, которая была придумана и разработана в военных целях. После Второй мировой войны технологию использовали как в СССР, так и в США в военных системах связи.
Связь использовалась для обмена информацией между военными самолетами и наземными службами. Но со временем данную технологию начали использовать в гражданских целях. Технология CDMA очень быстро стала распространяться по территории всей планеты Земля. Америка провела ряд проверок и испытаний данной связи, которые показали высокие результаты в сравнении с другими стандартами. Началось массовое изготовление CDMA оборудования. Технология CDMA продолжает укреплять свои позиции в разных странах. Огромную популярность она получила в США, Японии и Южной Корее. Сейчас CDMA охватывает все континенты, в которых более 150 млн. абонентов. Это обуславливается тем, что стандарт имеет огромные преимущества.
В стандарте CDMA более высокое качество связи и является безопасным для здоровья человека. Воздействие электромагнитного излучения на организм человека в 2 раза меньше чем в других стандартах, так как терминалам требуется минимальное энергопотребление для работы, соответственно выходная мощность никак не вредит здоровью. А специальный встроенный алгоритм кодирования обеспечивает защиту от несанкционированного прослушивания.
Если стандарт CDMA действительно такой уникальный и безопасный, долго ли протянет на рынке GSM стандарт? Так сразу и не скажешь, должно произойти, что-то глобальное, что полностью поменяет ситуацию на рыке связи. На сегодняшний день CDMA и GSM делят рынок на два лагеря. GSM старается не отставать от CDMA придумывая новые технологии. Например, такие как EDGE, с помощью которого есть возможность увеличить скорость передачи данных до 384 Кб за секунду. Но все равно как бы GSM не развивался, CDMA поднимается на несколько ступеней вверх, например, выпуская в свет CDMA / EV-DO Rev. B+, в котором скорость передачи данных до 14.7 Мбит/c.
CDMA для передачи данных использует широкополосный сигнал. Одну и ту же частоту можно использовать по всей сети, то есть используется большое количество частотных полос, чем необходимо для обычной передачи сообщений. Одновременно используют одну и ту же полосу частот большая группа пользователей, в отличии от GSM стандарта, в котором частотный канал каждому пользователю предоставляется на определенный промежуток времени. А что бы не мешать друг другу, близ лежащие базовые станции вынуждены использовать разные каналы. А в GSM стандарте их в семь раз меньше, чем в данной сети. Поэтому в густонаселенных районах есть большая необходимость использовать большое количество базовых станций.
CDMA использует технологию Soft Handoff ("эстафетная передача"), то есть при движении абонента от одной базовой станции к другой не происходит срывов в сеансах, что можно пронаблюдать в других стандартах. Если абонент находится на границе двух или более базовых станций аппарат связывает его со всеми ближайшими базовыми и те, которые имеют наиболее лучший сигнал, продолжают вести абонента, который даже не подозревает, что его переключили с одной базовой станции на другую.
Будем надеяться, что на этом развитие CDMA стандарта не остановится, и будет нас радовать своими новыми внедрениями в технологию, откроет огромные перспективы на будущее и станет мировым лидером на рынке связи!
С. Орлов
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.
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:
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.
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.
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
