GSM и CDMA: В чём разница и что лучше? Что такое CDMA? Что такое EV-DO? Все о связи CDMA без тайн.

Система сотовой подвижной связи CDMA

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

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

Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.

В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с временным разделением канала, т.е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично.

CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные система восстановит, см. рис 1, где показан полезный сигнал и помеха (СЗС - селективная помеха).

А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.

Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью? (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 Мгц.

Основные характеристики приведены в таблице.

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим "эстафетной передачи" при переходе из соты в соту.

Мягкий режим "эстафетной передачи" происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего "склеивания" кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в "эстафетной передаче".

Протоколы установления связи в CDMA, так же как в стандартах AMPS основаны на использовании логических каналов.

В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис:

Прямые каналы в CDMA:

1. Пилотный канал - используется подвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по времени, частоте и фазе.
2. Канал синхронизации - обеспечивает идентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а так же фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения.
3. Канал вызова - используется для вызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).
4. Канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а так же управляющей информации с базовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

1. Канал доступа - обеспечивает связь подвижной станции с базовой станций, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) каналами вызова.
2. Канал обратного трафика - обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.

Структура каналов передачи базовой станции показана на рис:

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша. Всего в одном физическом канале логических каналов может быть 64, т.к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которому соответствует "Пилотный канал", на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются свои коды Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова, и оставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по "Каналу прямого трафика".

При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир.

Давайте подробней рассмотрим структурную схему обратного канала трафика. В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы исключаются.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодек.
   На этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP..
2. Далее сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования, который может исправлять до 3-х ошибок в пакете данных.
3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала.
   Блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок - искажение нескольких бит информации подряд.
   Принцип такой. Поток данных записывается в матрицу по строкам. Как только матрица заполнена, начинаем с нее передавать информацию по столбцам. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько бит информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.
4. Далее сигнал поступает в блок кодирования (от подслушивания).
   На информацию накладывается маска (последовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен т.к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8.7 триллиона масок длиной 42 бита. Хакер, пользуясь персональным компьютером, пропуская через каждую маску сигнал и преобразовывая его в файл звукового формата, потом, распознавая его на наличие речи, потратит уйму времени.
5. Блок перемежения на код Уолша.
   Цифровой поток данных перемножается на последовательность бит, сгенерированных по функции Уолша.
   На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т.е. каждый бит информации кодируется последовательностью, построенной по функции Уолша, длиной 64 бита. Т.о. скорость потока данных в канале увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот.
   Так же функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать и один (из 64 возможных) логический канал, который определяет функция Уолша. В момент принятия сигнал по схеме проходит в обратную сторону. Принятый сигнал умножается на кодовую последовательность Уолша
   По результату умножения вычисляется корреляционный интеграл.
   Если Z пороговая удовлетворяет предельному значению, значит, сигнал наш. Последовательность функции Уолша ортогональны и обладают хорошими корреляционными и автокорреляционными свойствами, поэтому вероятность спутать свой сигнал с чужим равна 0.01 %.
6. Блок перемножения сигнала на две М-функции (М1 - длиной 15 бит, М2 - длиной 42 бита) или еще их называют ПСП- псевдослучайными последовательностями.
   Блок предназначен для перемешивания сигнала для блока модуляции. Каждой назначенной частоте назначаются разные М -функции.
7. Блок модуляции сигнала.
   В стандарте CDMA используется фазовая модуляция ФМ4, ОФМ4.

В настоящее время оборудование стандарта CDMA является самым новым и самым дорогим, но в то же время самым надежным и самым защищенным. Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципе кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра (DS-CDMA).

Основным отличием концепции CODIT будет эффективное и гибкое использование частотного ресурса. Как мы раньше пояснили, на широкополосный сигнал CDMA влияние узкополосной помехи практически не сказывается. За счет этого свойства в стандарте CODIT для передачи данных дополнительно будут использоваться защитные интервалы между несущими частотами.

CDMA (англ. Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) - технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

Принцип работы

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

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

Преимущества

• Высокая спектральная эффективность. Кодовое разделение позволяет обслуживать больше абонентов на той же полосе частот, чем другие виды разделения (TDMA , FDMA).
• Гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.
• Более высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.
• Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому, возможно, менее вредны.

Эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым в работе «Кодовое разделение каналов». В ней было показано, что при использовании линейных методов возможны три вида разделения сигналов: частотное, временное и компенсационное (по форме).

Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

CDMA2000 является стандартом в эволюционном развитии сетей cdmaOne (основанных на IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Переход к следующей фазе CDMA2000 1X EV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23 МГц, скорость передачи - до 2,4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени.

Следующей фазой развития стандарта в направлении увеличения сетевой ёмкости и передачи данных является 1XEV-DO Rev A : передача данных со скоростью до 3,1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1,8 Мбит/с - от абонента. Операторы смогут предоставлять те же услуги, что и на базе Rev. 0, а, кроме того, передавать голос, данные и осуществлять широковещание по IP сетям. В мире уже есть несколько таких действующих сетей.

Разработчики оборудования CDMA связи запустили новую фазу - 1XEV-DO Rev B , - с целью достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9 Мбит/с к абоненту и 2,4 Мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5 Мбит/с к абоненту и 27 Мбит/с от абонента. Применение таких сетей - улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP , Push to Talk, видеотелефония, сетевые игры и т. п.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг, высокая помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт. Для сравнения: в системах GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе, при использовании GPRS+EDGE с максимальным заполнением; максимум при усреднении по времени при обычном разговоре - около 200мВт). В системах GSM-1800 - 1 Вт (в импульсе, средняя чуть меньше 100мВт). Справедливости ради отметим, что мнение о вредном влиянии излучения мобильных телефонов на организм человека учёными не опровергнуто. (опыты на крысах выявлено, что появляется риск развития онкологических заболеваний).

Примечания

Ссылки

• CDMA Code Division Multiplie Access (Множественный доступ с кодовым разделением)
• Приказ Минсвязи РФ № 157 от 30.12.2002 «О федеральной сети сотовой подвижной связи стандарта IMT-MC-450 в диапазоне частот 450 МГц»

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

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?

Что такое CDMA в телефоне?

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.

Что такое WCDMA в телефоне?

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.

Нужны ли сегодня CDMA и WCDMA в телефоне?

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.

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

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

Принцип работы

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

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

Преимущества

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

Несмотря на подавляюще большинство абонентов сетей GSM, будущее за технологиями с применением CDMA (Code Division Multiple Access - многостанционный доступ на основе кодового разделения) в радиоканале. На сети GSM существует возможность предоставления отдельных услуг сетей сотовой связи третьего поколения (ССС) 3G. Однако весь их набор, а также услуги последующих поколений могут быть реализованы в полном объеме только при наличии радиоинтерфейса с методом многостанционного доступа на основе кодового разделения. Доля рынка, занимаемая системами CDMA, неуклонно растет, в том числе и за счет перехода абонентов систем GSM.

Общие технические характеристики стандарта CDMA

Стандарт на системы с кодовым разделением каналов для сетей сотовой связи появился в 1990 г. - это TIA IS-95, разработанный компанией Qalcomm.

Принцип CDMA

В ССС используются три основных принципа многостанционного доступа: FDMA (метод многостанционного доступа с частотным разделением), TDMA (метод многостанционного доступа с временным разделением) и CDMA. В CDMA осуществляется модуляция несущей двоичной последовательностью, которая расширяет спектр сигнала и меняет его форму. Все сигналы излучаются в одном частотном радиоканале.

В приемнике полезный сигнал накапливается с помощью «коррелятора», который позволяет выбрать сигнал, имеющий форму в соответствии с определенной двоичной последовательностью. Все остальные сигналы воспринимаются приемником, как шум. Частотный спектр у такого сигнала значительно шире, чем у узкополосного. Данный тип сигналов называют сигналами с расширенным спектром или шумоподобными сигналами.

Отношение сигнал/шум может быть увеличено за счет расширения полосы частот при той же информационной скорости. Это называется увеличением базы шумоподобного сигнала. Первая широко распространенная ССС с CDMA была стандартизована в США - это стандарт TIA IS - 95.

В ССС с CDMA более эффективное повторное использование частот, чем в ССС с FDMA. В CDMA, по сути, нет межканальной интерференции.

Повторное использование частот в узкополосных CCC c частотным или частотно-временным многостанционным доступом ограничивается отношением сигнал/шум в канале 18 дБ. Это ограничение не позволяет использовать одинаковые частотные каналы в соседних сотах/секторах. В широкополосных ССС с CDMA повторное использование частот осуществляется в каждой соте/секторе, поскольку все они используют одну и туже полосу частот.

Эффективность повторного использования частот CDMA зависит от отношения сигнал/шум и, соответствен, от числа абонентов в соседних сотах. В ССС с FDMA и TDMA каждая из сот (секторов) обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом радиоканалов. Это позволяет без помех использовать повторно частоты радиоканалов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние соте. В соседних сотах (секторах) используются различные частоты. В ССС с CDMA такие передатчики можно использовать и в соседних сотах. Коэффициент повторного использования частот для CDMA относительно узкополосных FDMA составляет от 2/3 до 1/7.

Для уменьшения интерференции со стороны соседних сот и увеличения длительности сохранения заряда аккумулятора мобильного телефона применяется управление мощностью излучаемых радиосигналов. Это позволяет корректировать уровень передатчика МС и базовой станции (БС) для улучшения работы.

Определение емкости сети CDMA

Основные параметры, определяющие емкость сети СПС с CDMA это:

• · база используемых шумоподобных сигналов;
• · отношение сигнал/шум на информационный бит псевдослучайной последовательности (ПСП);
• · скорость цифровой передачи сигналов речи;
• · эффективность повторного использования частот;
• · количество секторов в соте.

Понижение сигнал/шум на 1 бит (Ев/No)

Ев/No - отношение мощности сигнала, приходящийся на бит двоичной последовательности, к спектральной мощности шума. Эффективность технологии модуляции позволяет обеспечивать разделение сигналов при отношении Ев/No =7,5 дБ.

Этот параметр полностью аналогичен отношению сигнал/шум для сигнала с частотной модуляцией, которое должно составлять в аналогичных условиях приема 18 дБ.

Управление мощностью позволяет поддерживать показатель Ев/No на входе приемника мобильного терминала не уровне не более минимально допустимого для обеспечения требуемого качества работы (7,5 дБ).

Детектирование пауз в речи

Обычно в полнодуплексной системе с двухсторонней передачи речи коэффициент активности говорящего не превышает значения 35% (отношение продолжительности речи к длительности разговора в процентах). В системе CDMA используются детекторы пауз, которые позволяют передать только активную речь, не передавая пауз.

Без учета взаимных помех от интерференции сигналов разных абонентов емкость системы увеличивается в 2-2,5 раза.

Эффективность повторного использования частот

Общая интерференция в системе складывается из интерференции сигналов абонентов внутри одной соты, сигналов абонентов от соседних сот и уровня фонового шума.

В полностью загруженной системе мощность интерференционных сигналов абонентов соседней соты составляет половину мощности интерференционных сигналов рассматриваемой соты. Коэффициент повторного использования частот в системе, имеющей всенаправленную антенну, определяется как отношение мощности интерференционных сигналов других абонентов в рассматриваемой соте, к суммарной мощности интерференционных сигналов от всех других сот. Емкость соты, имеющей соседние соты, составляет порядка 2/3 от емкости изолированной соты.

Использование нескольких секторов в соте

При использовании направленных антенн интерференция уменьшается почти в трое, поскольку в секторе антенны оказывается более трети абонентов из числа находящихся в данной соте. Емкость ССС соответственно увеличивается почти в три раза.

Мягкая передача

В ССС CDMA имеются три типа передачи управления вызовом в БС:

• · жесткая - передача управления вызовом от БС одним частотным радиоканалами к БС с другим частотным радиоканалом;
• · мягкая - передача управлением вызовом от БС к другой, при условии, что они работают с одними и теми же частотными радиоканалами;
• · сверхмягкая - передача управления вызовом между секторами внутри соты одной БС.

Если БС работают в одном частотном радиоканале, то можно осуществить так называемую «мягкую передачу» Мс от одной базовой станции к другой. На границе зоны обслуживания БС для перехода используются радиоканалы двух соседних станций одновременно, пока МС переходит из одной соты в другую (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Мягкая передача в CDMA

МС одновременно принимает и обрабатывает сигналы двух БС. Это позволяет не только существенно увеличить зону покрытия, но и обеспечить более высокое качество связи в «проблемных» местах, где затухание радиосигнала больше, чем на остальной территории покрытия, например, в подвальных помещениях.

Управление мощностью

В CDMA емкость сети зависит от уровня Ев/No для каждой одновременно работающей МС. Поэтому уровень Ев/No необходимо минимизировать при условии сохранения требуемого уровня качества радиоканала.

Для эффективной обработки ШПС необходимо иметь одинаковую среднюю плотность мощности сигналов на входе приемника. Сигнал каждого абонента является составляющей помехи для остальных абонентов.

Достижение одинаковой средней плотности мощности сигналов обеспечивается динамическим управлением мощностью передатчика МС и БС по системе обратной связи.

В отличии от прямого канала, сигналы поступающие на базовую станцию, не плавно затухают, а могут варьироваться по отношению друг к другу в динамическом диапазоне около 80 дБ. Таким образом, процесс управления мощностью в обратном канале существенно отличается от алгоритма, используемого для прямого канала. Он состоит из двух этапов: измерение мощности МС и коррекции мощности МС и БС.

Стандартом CDMA 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.

Использование метода расширенного спектра позволило решить две основные технические проблемы, стоящие перед наземными сотовыми сетями - взаимных помех от многочисленных пользователей и многолучевого распространения радиосигналов. Решение первой проблемы осуществляется преобразованием посторонних сигналов в шум, легко устраняемый с помощью цифровой демодуляции и декодирования с коррекцией ошибок. Решение второй - отраженные сигналы, принимаемые как копии исходного сигнала, но с различной временной задержкой, суммируются, улучшая качество приема.

Уже говорилось также, что в системе CDMA не требуется никакого частотного планирования, поскольку соседние ячейки могут использовать одни и те же радиочастоты. Тот же фактор позволяет осуществлять незаметную для абонента плавную передачу («мягкое переключение») вызова от ячейки к ячейке, обеспечивая одновременную связь с двумя и даже тремя базовыми станциями.

В сотовой системе CDMA используется весьма сложный алгоритм управления мощностью передачи, который позволяет не только поддерживать на одном уровне качество приема вне зависимости от расстояния абонентского терминала до базовой станции, но и дополнительно увеличить время работы терминала без подзарядки аккумуляторов. То есть, технология CDMA использует ровно такой минимальный уровень сигнала, который необходим для обеспечения качественного приема.

Радиооборудование CDMA работает на уровнях излучаемой мощности в 100-1000 раз меньше тех, на которых работает радиооборудование других технологий.

Зона обслуживания базовой станции CDMA может иметь значительные размеры, они и определяются дальностью действия именно абонентских терминалов. Для технологии TDMA предпочтительны расстояния до 20 км, тогда как обычное оборудование CDMA таких ограничений не имеет.

Еще одним важным преимуществом системы CDMA является наибольшая эффективность использования радиоспектра. Это означает, что в одном и том же частотном диапазоне можно разместить наибольшее число информационных каналов. В IS-95 в полосе 1,23 МГц в условиях одиночной базовой станции может передаваться до 61 информационных канала (плюс 3 канала служебных). Реально, для мобильной связи реализуется - 20 - 25 разговорных каналов в одном радиоканале. Если сравнить эти показатели с любой реальной сетью какого-нибудь другого стандарта, где нельзя использовать одинаковые частоты в соседних ячейках сети и надо заниматься частотным планированием, то при всех прочих равных условиях абонентская емкость сети CDMA получается выше. И самая большая она при условии обслуживания неподвижных абонентов (когда не надо резервировать каналы в соседних ячейках).

Все вышеупомянутые свойства определяют основные экономические выгоды от использования CDMA - увеличение перекрытия, обеспечиваемого ячейками при начале обслуживания и увеличение емкости сети и ячеек при запланированном уровне проникновения на рынок. Так, например, «мягкое переключение» по меньшей мере вдвое уменьшает количество базовых станций, которые необходимо развернуть в момент на начало обслуживания, а емкость сети при технологии CDMA (IS-95) увеличивается в 3-5 раз по сравнению с TDMA (D-AMPS, GSM, DCS) и в 10-20 раз по сравнению с аналоговым FDMA (AMPS, NMT).

Сети CDMA гарантируют высоком качестве передачи речи - чистый звук и непривычное для радиотелефонов отсутствие посторонних шумов. Сеть CDMA предоставляет различные дополнительные услуги, которые предоставляются абонентам цифровых сотовых сетей (переадресации вызовов, голосовая почта, определение номеров, услуги IN и т.п., включая роуминг).

Еще одной особенностью стандарта CDMA является низкая мощность электромагнитного излучения базовых станций и телефонных аппаратов. Этот показатель для телефонных аппаратов стандарта