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.

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

В чем разница между GSM и CDMA ?

Как правило, люди не особо задумываются о разнице стандартов связи, выбирая мобильного оператора. Но между ними есть отличия.

Первые стандарты связи относились к поколению 1 G , представляющие собой беспроводные аналоги обычной телефонной связи. Но был ряд недостатков: мощность передатчиков была настолько высока, что могла плохо повлиять на здоровье человека, маленькая емкость базовых станций, плохая защита от помех и т.д.

На смену 1 G пришел 2 G .

Первым цифровым стандартом стал GSM с улучшенной защитой от помех, хорошим качеством передачи речи за счет голосового кодека, защитой от перехвата. Он начал появляться с 1991 года, постепенно заменив все остальные стандарты. Разработал его Европейский институт стандартизации связи (ETSI ).

В 1993 году компания Qualcomm по технологии CDMA разработала новый стандарт IS-95 (cdmaOne), который появился на рынке в 1995 году.

Ниже попробуем разобраться, в чем основные различия между CDMA и GSM , и в чем же их преимущества.

Различия CDMA и GSM

Самым важным отличием между этими стандартами является способность работать с частотным ресурсом.

GSM использует разделенные каналы по времени и частоте, выделяющий для каждого абонента малую частотную полосу, по которой телефон общается с базовой станцией. Но при этом сеансы обмена данными фиксируются по времени. Сигнал прерывается, но т.к. используется высокая частота, то абонент не замечает этого. А вот в реальной жизни это можно заметить по пищащему звуку в динамиках, который появляется, если рядом лежит телефон, на который звонят или пришло сообщение либо уведомление.

CDMA использует кодовое разделение каналов. Любой абонент, который имеет подключение к базовой станции, может использовать весь имеющийся частотный ресурс, являющимся общим для всех, а базовая станция при этом общается со всеми. Каждому абоненту присваивается определенный код, выделяющий его из общего радиоэфира.

Ниже приведен пример для общего понимания принципа работы стандартов связи.

Допустим, в помещении находится группа абонентов, разбитая на пары. Первая часть говорит по очереди на одном языке, например по 30 секунд - схема работы GSM .

А вторая часть разговаривает одновременно на разных языках - схема работы CDMA .

Преимущества CDMA и GSM

Разница заключается в принципах работы. Полоса частот у CDMA шире, чем у GSM - что выливаются в определенные преимущества:

Лучше качество передачи речи, т.к. чем шире полоса частот, тем она устойчивее к помехам

Безопасность, т.к. если перехватить сигнал CDMA , то он будет выглядеть как шум, из которого сложно выделить определенного абонента.

Меньшее потребление энергии устройства связи, т.к. мощность сигнала CDMA меньше чем GSM и зависит от расстояния до базовой станции. Такой сигнал тяжелей выделить, т.к. он меньшей мощности.

Преимуществом CDMA является большая емкость базовых станций, радиус действия, упрощенность в настройке сети, стойкость к перегрузкам. CDMA - операторы имеют возможность покрывать большую площадь меньшим количеством оборудования, которое легче настраивается.

Так почему же, если CDMA лучше, самым распространенным стандартом является GSM ? На момент создания CDMA GSM уже занял свою нишу на рынке с готовым выбором оборудования для операторов и для потребителей. А вот более совершенный CDMA требовал немалых вычислительных мощностей, создания новых решений для новой технологии, да и устройства связи стоили дороже, чем для GSM , плюс еще не имели совместимости.

Ну, и конечно, немалую роль сыграло удобство пользования.

В сети GSM пользователь мог сохранить информацию на SIM -карту, а при смене телефона просто переставить SIM -ку.

В сети CDMA данные прошивались в сам телефон, в котором не было слота под SIM -карту. Поэтому при смене телефона все данные нужно было прошивать заново.

Для стандарта CDMA аналог SIM -карты появился в 2002 году - R - UIM . Также началось появление двухстандартных телефонов. Поэтому постепенно проблема с выбором решилась. Большую роль сыграли американские операторы, которые дали толчок для развития стандарта. В Украине CDMA занимает заметно меньшую долю, выбор телефонов меньше, но часть оборудования ввозят операторы, а абоненты сами могут купить телефон на международных площадках.

Учитывая плюсы и минусы, получается, что с потребительского взгляда, стандарты выглядят подобными, окончательный выбор сводится к покрытию оператора.

Эволюция связи

Вышеперечисленные данные делались на основании обычного телефонного общения, но в современном мире просто разговоры стали давно одной из услуг оператора.

Рассмотрим же теперь качество связи со стороны интернет-доступа.

Первоначально GSM давал максимально возможную скорость передачи данных - до 9,6 кбит/с. Технологии GPRS и EDGE, относящиеся к поколению 2 G , развили эту скорость до 474 кбит/с. В поколении 3 G для передачи данных используется технология WCDMA , являющаяся производной от CDMA .

CDMA первоначально имел высокий запас прочности и давал максимально возможную скорость передачи - до 153 кбит/с. В 3 G сетях для передачи данных использовали технологию EV-DO. В зависимости от стандарта реализованного поколения - REV - максимальная скорость передачи стала от 2,4/153 Мбит/с (Rev.0, upload/download) до 73,5/27 Мбит/с (Rev.B).

Приведенные для каждого стандарта связи цифры являются приблизительными, т.к. реальная скорость доступа может быть намного меньше.

Теоретически, возможно и дальнейшее развитие 3 G сетей, увеличение скорости передачи данных, но на практике это выглядит сомнительным. Пока что имеющейся скорости хватает на запросы пользователей.

С. Орлов

Технология CDMA - особенности и преимущества

В выборе технологии сотовой телефонии на рубеже третьего тысячелетия по-видимому появилась определённость. К концу 1999 года в мире, по данным CDG (CDMA development group), технологию CDMA (Code Division Multiple Access) выбрали 50 млн. абонентов (рис. 1). В том числе, 28 млн. в Азии, 16,5 млн. в Северной Америке и 5 млн. в Латинской Америке. В Европе, Ближнем Востоке и Африке насчитывается полмиллиона абонентов.

Рис. 1. Рост числа абонентов CDMA в мире

Такое стремительное развитие технологии доступа с кодовым разделением объясняется ожидаемым увеличением плотности абонентов, устойчивостью к помехам, высокой степенью защищённости передаваемых данных от несанкционированного доступа и лучшими энерго-экономическими показателями. Упрощённое моделирование показывает, что ёмкость базовых станций с технологией CDMA в несколько раз больше по сравнению с существующими стандартами сотовой телефонии, в которых используется частотное разделение каналов (NMT, AMPS, TACS). Реальность, конечно, значительно сложнее, чем идеализированные модели.

Коротко, преимущества CDMA перед другими системами следующие:

• ёмкость базовых станций увеличивается в 8–10 раз по сравнению с AMPS и в 4–5 раз - по сравнению с GSM;
• улучшенное качество звука по сравнению с AMPS;
• отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты;
• улучшенная защищённость передаваемых данных;
• улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот;
• большее время работы батарей до разрядки;
• возможность выделения требуемой полосы частот - по потребности.

Технические особенности технологии CDMA

Чтобы сопоставить возможности технологии CDMA, надо привести описание существующих стандартов.

Advanced Mobile Phone Service (AMPS). В этом стандарте предусмотрено частотное разделение доступа абонентов к базовой станции (FDMA - frequency division multiple access). Каждому каналу выделяется узкая полоса частот (30 кГц), и этот канал назначается одному абоненту. Существует также узкополосный AMPS (NAMPS), в этом стандарте на один канал выделяется только 10 кГц. В системе TACS (Total Access Communi-cations System) полоса частот, отводимых под один канал, составляет 25 кГц.

В Северной Америке один оператор владеет в среднем 416 каналами AMPS и занимает полосу 30 кГц Ч 416 » 12,5 МГц. Очевидно, что те же самые частоты не могут использоваться в прилегающих сотах, поэтому семь сот, образующих “ромашку” используют один частотный план. Таким образом, для AMPS количество абонентов на одну соту составляет примерно 416/7 = 59. На рис. 2 повторное использование тех же частот показано одинаковыми оттенками.

Рис. 2. "Ромашка" частотного плана AMPS

Следует отметить, что коэффициент повторного использования частот K = 7 выбран скорее из практических натурных измерений, чем из закона затухания радиоволн в вакууме на свободной поверхности, и учитывает реальное окружение: дома, рельеф и др. На свободной поверхности этот коэффициент был бы несколько больше.

В Европе широкое распространение получили технологии с временным разделением каналов. В GSM (IS-54) используется 10 частотных каналов и 8 временных слотов, занимающих частотный ствол шириной 200 кГц. Таким образом, в системе GSM в той же полосе частот 12,5 МГц могут быть размещены 12,5/0,2 = 62 ствола по 200 кГц каждый. Учитывая, что каждый частотный канал делится на 8 временных слотов, ёмкость соты составляет 80 абонентов, против 59 в AMPS.

Технология с кодовым разделением каналов предлагает дальнейшие пути увеличения ёмкости базовых станций. Ключевой момент - использование шумоподобных сигналов. Вместо разделения спектра или временных слотов каждому пользователю назначается фрагмент шумоподобной несущей. Поскольку её фрагменты являются квазиортогональными, возникает возможность отвести всю ширину выделенного канала для каждого пользователя. Благодаря решению проблемы ближней-дальней зоны и динамическому управлению мощностью, распределение частот выглядит, как показано на рис. 3, то есть вся полоса частот 1,25 МГц используется каждым пользователем и она же вновь используется в смежной соте. Емкость на одну соту определяется балансом между требуемым отношением сигнал/шум для каждого пользователя и фактором сжатия кодовой последовательности.

Рис. 3. Частотный план CDMA

Количественным показателем качества цифрового приёмника является безразмерное отношение сигнал/шум (SNR - Signal Noise Ratio)

Под спектральной плотностью мощности шума в выражении подразумевается последняя для тепловых шумов, а интерференция - это взаимное влияние от других абонентов. Значение отношения сигнал/шум определяет отношение количества ошибочно переданных бит к их общему числу. Это отношение зависит также и от других дополнительных факторов, таких как кодирование и коррекция ошибок в канале, многолучевое распространение и замирания. Для приёмников, используемых обычно в коммерческом CDMA, отношение сигнал/шум должно составлять от 3 до 9 дБ. Энергия, приходящаяся на один бит, и скорость передачи данных связаны следующим соотношением:

где P s - мощность сигнала.

Шум плюс интерференционная составляющая - это спектральная плотность мощности. Если спектр сигнала имеет равномерное распределение с полосой W, тогда шум плюс интерференционная составляющая спектральной плотности мощности есть:

где первое слагаемое представляет собой уровень теплового шума приёмника (FN = фактор шума приёмника). Переписав выражение для отношения сигнал/шум в терминах скорости передачи данных и ширины занимаемого спектра, получим формулу, связывающую отношение энергии на один бит к мощности шума с мощностью, приходящейся на конкретного пользователя, а также со скоростью передачи данных, суммарной мощно-стью, приходящейся на других пользователей, и шириной занимаемого спектра:

Эта формула поясняет, что системы с кодовым разделением доступа дают наибольшее преимущество в сетях с высокой плотностью абонентов и высоким трафиком.

Проблема ближней-дальней зоны

Технология CDMA (и другие системы с расширением спектра) долгие годы не принимались во внимание в подвижных системах беспроводной связи по причине наличия так называемой проблемы ближней-дальней зоны. Поскольку результатом работы приёмника в таких системах является свёртка принимаемого и опорного сигналов, возникала неоднозначность в идентификации сигнала свёртки. Так, например, боковые лепестки сигнала свёртки от близкорасположенного мобильного терминала могут оказаться сравнимыми по амплитуде с основным откликом сигнала свёртки от наиболее удалённого терминала. Поэтому другой наиболее важный момент в технологии CDMA: все подвижные терминалы должны создавать вблизи антенны базовой станции примерно одинаковую напряжённость поля.

Управление мощностью

Ключевой момент коммерческого CDMA предельно прост: если испольовать управление мощностью таким образом, чтобы принимаемая мощность от всех удалённых объектов была эквивалентной, то все преимущества расширения спектра становятся реализуемыми. В предположении, что мощность контролируется, шум и взаимное влияние можно выразить соотношением:

N 0 + I 0 = N 0 + (N - 1)P,
N 0 = F N k B T O , (5)

где N - это общее число пользователей. Соотношение сигнал/шум приобретает вид:

Максимальное число абонентов на базу достигается в том случае, если мощность добавляется ровно настолько, насколько необходимо для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум, в точном соответствии с принятым значением вероятности ошибки. Если мы установим значение левой части выражения (6) равным заданному отношению сигнал/шум и решим это выражение относительно N, то получим соотношение для определения ёмкости базовой станции для CDMA:

Учитывая, что скорость передачи данных в CDMA 9,6 кбод, получим:

Или, учитывая, что 15,1 дБ - это 5,688, и возводя в квадрат, получим, что число пользователей, приходящихся на одну базовую станцию при соотношении сигнал/шум = 6 дБ, равно 32. Когда в системе предусмотрен контроль мощности, дизайнер системы или оператор имеет возможность выбрать компромисс между соотношением сигнал/шум и максимальным числом одновременных разговоров. Отметим ещё раз, что соотношение сигнал/шум и количество абонентов взаимосвязаны: если увеличить соотношение сигнал/шум на 3 дБ, то допустимое количество абонентов уменьшится вдвое, то есть до 16. В выражении (8) мы пренебрегли разницей между N и N–1. Есть ещё некоторые факторы, которые мы не учли.

Емкость соты

Дискуссия вокруг выражения (8) предполагала только одну ячейку, не учитывая интерференции с соседними. Можно задать вопрос, в чём же мы выигрываем? Емкость изолированной AMPS-ячейки даже больше. На самом деле, ничто не мешает использовать все частотные стволы (по 1,25 МГц) внутри одной соты (сопоставим рис. 2 и рис. 3). Таким образом, если мы проведём приближенное сопоставление, то для AMPS ёмкость “ромашки” из семи сот равна произведению числа абонентов на соту (59) на 7, то есть 413. Аналогичная ёмкость для CDMA равна произведению числа абонентов на соту (32) на число частотных стволов (10) и на число сот (7), то есть 2240. Отношение ёмкости CDMA к AMPS составляет 5,4. Однако, если учесть интерференцию с соседними сотами в выражении (3), то это отношение уменьшится до 4,4. Помимо возможности одновременного использования всех десяти частотных стволов, в CDMA применяется секторизация сот. Это усовершенствование позволяет увеличить сравнительное отношение ёмкости CDMA и AMPS до 13 раз.

Кодирование речи

Важным моментом для уменьшения взаимной интерференции каналов от различных абонентов является кодирование речи. Кодирование позволяет существенно уменьшить среднюю мощность передатчика.

Известно, что человеческая речь - это прерывистый источник сигнала. Из измерений фирмы Bell Laboratories следует, что активность речи составляет 35–40% от общего ресурса времени. Если использовать этот фактор, то можно ещё в два или более раз увеличить ёмкость сети. На практике этот коэффициент активности составляет 50% благодаря тому, что в период молчания подвижные и базовая станции должны поддерживать физический канал связи, и мощность не может быть сведена до нуля. Таким образом, преимущество CDMA перед AMPS может достигать 26 раз.

Особенности построения сети CDMA

Одним из основоположников технологии CDMA является американская фирма QUALCOMM. В США цифровая сотовая система CDMA была стандартизована TIA (Telecom-munication Industry Association) и описана в стандарте IS-95. Наподобие IS-54, стандарт IS-95 предусматривает совместимость с существующей системой сотовой телефонии AMPS. Для систем, работающих по стандарту IS-95, выделена та же самая полоса частот, что и для AMPS. Другими словами, CDMA работает “поверх” существующей AMPS.

Система CDMA даёт возможность каждому пользователю внутри соты использовать тот же самый радиоканал и всю выделенную полосу частот. Пользователь в смежной соте использует эту же полосу частот. Система абсолютно не нуждается в частотном планировании. Для уменьшения за-трат операторов подвижной связи и облегчения перехода от AMPS к CDMA в системе CDMA предусмотрена ширина канала 1,25 МГц, такая же, как и у AMPS. В отличие от других сотовых систем, трафик одного канала не является постоянной величиной и зависит от голосовой активности и требований, предъявляемых к сети.

В IS-95 используются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передаёт одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные разворачивающие коды для каждого пользователя. Пилотный код также передаётся и имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные трубки отвечают асинхронно, при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных трубок по служебному каналу. В IS-95 используется предиктивное линейное кодирование QCELP (Excited Linear Predictive) речи. Она кодируется и сжимается, а скорость потока данных на один канал составляет 9,6 кбод. Речевой кодек определяет голосовую активность и в паузах (во время молчания) уменьшает скорость в канале до 1200 бод. Промежуточные значения 2400, 4800 также возможны.

Спецификация частот и каналов

Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала - 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с. Нагрузочная способность канала - 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 кбод. Алгоритм расширения спектра для прямого и обратного каналов различаются. В прямом канале пользовательский поток данных кодируется и сжимается в 2 раза. Далее используется алгоритм перестановки битов (в отечественной литературе существует термин - перемежение). После этого данные сворачиваются с одной из 64-бит псевдослучайных последовательностей ПСП (функций Уолша). Каждому мобильному абоненту назначается фрагмент ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность фрагментов ПСП обеспечивается синхронной кодировкой всех каналов в соте одновременно (а сами по себе фрагменты являются ортогональными). В системе обеспечен пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала и выполнять синхронное детектирование. Для глобальной синхронизации сети CDMA в системе используются ещё радиометки от GPS-спутников. В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удалённых терминалов достигают базовой станции по различным путям. После предварительного кодирования и сжатия 1/3 и перестановки бит блоки из 6 кодированных символов упаковываются в одну из 64 ортогональных функций Уолша. Таким образом формируется 64-значный сигнал. Четырёхкратное расширение спектра на выходе создаёт поток 1,2288 Мбит/c. Исходная последовательность 307,2 Кбит/с формируется в соответствии с кодами, определёнными для пользователя 242 и базовой станции 215. Сжатие 1/3 и упаковка в функции Уолша приводит к исключительной устойчивости к интерференции. Улучшенная устойчивость к ошибкам совершенно необходима для обратного канала, так как в нём используется некогерентное детектирование и присутствует интерференция с другими мобильными терминалами внутри соты. Другой важный элемент обратного канала - это контроль мощности подвижного терминала. В системе предусмотрено медленное (статическое) управление мощностью и быстрое. Команды быстрого управления посылаются со скоростью 800 бод и встроены в разговорные фреймы. Без быстрого управления мощностью замирания, связанные с распространением радиоволн в структурах с отражающими объектами (стены домов, металлические конструкции и так далее), привели бы к значительному ухудшению характеристик системы. Медленное управление мощностью обеспечивает эквивалентное выравнивание расстояний от мобильных терминалов до базовой станции. Для борьбы с многолучевым распространением и подвижный терминал, и базовая станция используют RAKE-приёмник, использующий корреляционный приём сигналов. На входе приёмника использованы несколько корреляторов, которые сворачивают входную последовательность. При этом опорный сигнал на разные корреляторы подаётся с небольшим сдвигом во времени, соизмеримым с разницей по времени при прохождении радиоволн по различным траекториям. Выходные сигналы корреляторов суммируются. Таким образом, если уровень сигнала свёртки от одного из многолучевых сигналов в текущий момент времени оказывается равным нулю (в результате интерференционной картины распределения поля), то свёртка от задержанного сигнала будет отличной от нуля. Стандартом IS-95 предусмотрены три коррелятора на входе приёмника. Архитектура CDMA предусматривает мягкий ”handower”. Связь при переходе мобильного терминала из одной соты в другую не разрушается и не прерывается. Мобильный терминал объединяет два сигнала от двух базовых станций наподобие того, как он объединяет два сигнала от одной базовой станции, приходящих по различным траекториям.

Прямой CDMA-канал

Прямой канал CDMA состоит из пилотного сигнала, канала синхронизации, до семи пейджинговых каналов и до 63 каналов трафика. Пилотный сигнал даёт возможность мобильному терминалу принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования. По пилотному сигналу мобильные терминалы получают возможность определять относительные уровни сигналов от каждой базовой станции и принимают решение, когда и к какой базовой станции лоцироваться. Канал синхронизации передаёт синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод. Пейджинговые каналы используются для передачи контрольной информации и других сообщений и работают со скоростью 9600, 4800, 2400 бод. Прямой канал трафика передаёт любые пользовательские данные со скоростью 9600, 4800, 2400, 1200 бод.

Данные в прямом канале трафика группируются в фрейм длительностью 20 мс. Пользовательские данные по-сле предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется путём свёртки с функцией Уолша и псевдослучайной последовательностью до значения 1,2288 Мбит/с.

Подканал контроля мощности

Для минимизации количества ошибок IS-95 предусматривает контроль выходной мощности каждой трубки. Базовая станция по обратному каналу принимает и оценивает напряжённость поля от каждой трубки и информирует мобильный терминал о необходимости уменьшить/увеличить мощность.

Поскольку мощность, принимаемая базовой станцией определяется и расстоянием до мобильной, и интерференцией в канале связи (а нули и пучности располагаются на близком расстоянии в интерференционной картине), то базовая станция посылает сигналы контроля мощности через каждые 1,25 мс. Сигнал управления мощностью посылается мобильному терминалу в прямом подканале контроля. Этим сигналом предписывается увеличить или уменьшить мощность на 1 дБ. Если уровень сигнала мал, то в прямом подканале контроля передаётся “0”, предписывая тем самым увеличить мощность, и наоборот. Биты контроля мощности вставляются после скремблированых данных.

В интервале 1,25 мс передаются 24 символа данных, и IS-95 позволяет использовать 16 возможных позиций для передачи бита контроля мощности. Эти позиции расположены в начале, и любой из первых 16 бит может быть битом контроля мощности. 24 бит для дециматора длинного кода используются для скремблирования данных в интервале 1,25 мс. И по-следние 4 бита из 24 определяют позицию бита контроля мощности.

Обратный CDMA-канал

Пользовательские данные в обратном канале сгруппированы в фреймы длительностью 20 мс. Все данные в обратном канале кодируются сворачивающим кодеком, перемежаются и кодируются 64-значной ортогональной последовательностью. До передачи происходит расширение спектра. Процедуры перемежения, ортогональной модуляции, расширения спектра похожи на аналогичные для прямого канала, поэтому их описание опущено.

Заключение

Системы с прямым расширением спектра, или ещё говорят, шумоподобными сигналами, придуманы не сегодня и даже не вчера. Такие системы связи давно применяются в военной и специальной технике. И тот факт, что сегодня эта техника постепенно переходит в разряд public production, во многом обусловлен огромными успехами в микроэлектронике: цифровой и аналоговой, пассивных устройствах обработки информации. Ряд важных и полезных разработок выполнен Российскими учеными: Воронежским НИИ Радиосвязи, Московским НИИ Радиосвязи, НПО “Алмаз” и др. Для украшения материала стоит привести результаты разработок, имеющие коммерческое применение в CDMA.

На рис. 4 приведена частотная характеристика фильтра на поверхностных акустических волнах, предназначенного для мобильного терминала в стандарте IS-95, а на рис. 5 - частотная характеристика фильтра для Wideband CDMA - коммуникационной технологии, которая позволяет передавать в том числе движущееся изображение.

Литература

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

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

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

Принцип работы

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

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

Преимущества

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