|
Технология мультидоступа с кодовым разделением каналов, в
основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна
давно.
В СССР первая работа, посвященная этой теме, называлась «Основы
теории линейной селекции» была опубликована в сборнике ЛЭИС
еще в 1935 году, а ее автором был Дмитрий Васильевич Агеев.
Уже после войны в течение долгого времени технология CDMA
использовалась в военных системах связи как в СССР, так и
в США, поскольку обладала многими ценными для таких систем
преимуществами, о которых будет сказано ниже.
Долгое время технология CDMA применялась исключительно в
военных целях.
Лишь в середине 90-х компания Qualcomm на основе этой технологии
создала стандарт IS-95 (cdmaOne) и передала его для коммерческого
использования. Основные направления внедрения и использования
CDMA - это наземные фиксированные беспроводные телефонные
сети, сотовые мобильные системы связи и спутниковые системы
связи.
Сам принцип CDMA заключается в расширении спектра исходного
информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое
может производиться двумя различными методами, которые называются
следующим образом: «скачки по частоте» и «прямая последовательность».
Так называемые «скачки по частоте» (или FH - Frequency Hopping)
реализуются следующим образом: несущая частота в передатчике
постоянно меняет свое значение в некоторых заданных пределах
по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого
разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы
времени.
Приемник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина
по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую
обработку только нужного канала. С помощью FH сейчас производятся
попытки улучшения технических характеристик узкополосных цифровых
систем сотовой связи, в частности, GSM.
Второй метод «прямой последовательности» (или DS - Direct
Sequence), который основан на использовании шумоподобных сигналах
и применяется в большинстве работающих и перспективных системах
CDMA. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала
каждого абонента единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным
шумоподобным сигналом (он-то и является в данном случае кодом),
который и расширяет спектр исходного информационного сигнала.
Число вариантов таких кодов достигает нескольких миллиардов,
что позволило бы создать персональную связь в масштабах нашей
планеты.
В результате проведения описываемого процесса, узкополосный
информационный сигнал каждого пользователя расширяется во
всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей
сети (база сигнала при этом становится много больше 1). В
приемнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода,
в результате чего восстанавливается исходный информационный
сигнал. В то же самое время, сигналы остальных пользователей
для данного приемника продолжают оставаться расширенными и
воспринимаются им лишь как «белый шум», который является наиболее
«мягкой» помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной
работе приемника.
Чтобы популярно пояснить принцип работы такой системы, воспользуемся
одной очень удачной аллегорией, которую, объясняя основы технологии
CDMA, обычно предлагает компания Motorola «для экспертов и
не очень».
Представьте комнату, в которой одновременно разговаривает
друг с другом много пар людей, причем на разных языках. Каждый
из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние
разговоры воспринимаются как некий фон и не особенно мешают
разговору. При этом обеспечивается высокая степень защиты
от активных и пассивных помех, что позволяет работать при
низких значениях отношения сигнал-шум (3 - 5 дБ) со значительно
меньшей мощностью передаваемого сигнала.
Таким образом, в одном и том же радиочастотном канале одновременно
передаются информационные сигналы большой группы пользователей.
Следует также сказать, что CDMA не зря широко используется
в военных системах связи, поскольку расширение спектра сигналов
позволяет противодействовать преднамеренным искусственным
помехам. Если расширить базу радиосигнала до очень больших
величин, то можно сделать его ниже уровня шумов, которые и
сможет наблюдать потенциальный противник. На приемной же стороне
исходный сигнал будет восстановлен.
Таким образом, подобные системы можно было бы использовать
(и такие системы существуют), не мешая работе других радиосредств,
использующих тот же диапазон радиочастот. Однако это не используется
в существующих коммерческих сотовых системах CDMA.
Характерной особенностью стандарта CDMA IS-95 является ширина
радиоканала 1,23 МГц. Расстояние между несущими в стандарте
- 1,26 МГц, то есть радиоканалы расположены вплотную друг
к другу. Диапазон рабочих частот практически совпадает с диапазоном,
выделенным под стандарт AMPS (824-849 МГц и 869-894 МГц).
То есть разнос частоты передачи и приема составляет, как и
в AMPS 45 МГц.
Следует упомянуть, что все сотовые системы, работающие в
диапазоне 800 МГц, исторически назывались в США «сellular».
Одновременно стали развиваться аналогичные системы CDMA, работающие
в диапазоне 1890-1930 МГц и 1950-1990 МГц. Все системы, работающие
в этом диапазоне, называются в США «PCS».
Следует сказать, что процесс формирования шумоподобного сигнала
в IS-95 гораздо сложнее, чем было освещено выше.
Реально в такой системе на каждой базовой или абонентской
станции используются три типа псевдослучайных последовательностей
(кода), каждый из которых выполняет свою функцию: для синхронизации
работы оконечных устройств радиотракта, для идентификации
абонентских терминалов и непосредственно для передачи полезной
информации.
Таким образом, псевдослучайные последовательности - это три
источника и три составные части технологии CDMA в стандарте
IS-95.
В качестве третьего типа кода используются псевдослучайные
последовательности, сформированные в соответствии с взаимноортогональными
функциями Уолша. Всего существует 64 таких функции, что позволяет
реализовать на одной базовой станции одновременную работу
64 абонентов в одном радиоканале. Разумеется, когда в сети
появятся другие базовые станции, то появляются и дополнительные
помехи, уменьшающие динамический диапазон и соответственно
снижающие количество разговорных каналов. Реально для фиксированной
связи системы стандарта IS-95 реализуют до 40-45 разговорных
каналов в одном радиоканале, а для мобильной - 20 - 25. Последнее
обстоятельство связано с необходимостью резервирования каналов
в соседних ячейках для обеспечения функции так называемого
«мягкого» переключения («soft hand-off»). Что это такое?
Начнем с того, что голос такой системе преобразуется в цифровой
поток со скоростью 8 или 13 кбит/с. Этим занимается специальный
и очень непростой вокодер. Само по себе это неново, потому
что и в GSM речь цифровизируется, но в CDMA скорость работы
вокодера меняется в зависимости от интенсивности речи.
Учитывая, что радиоканал в CDMA представляет собой общую
трубу, ресурсы которой динамично перераспределяются между
заполняющими ее пользователями (абонентскими терминалами),
подобно тому, как это происходит, например в сетях Frame Relay,
то такая функция позволяет дополнительно увеличить емкость
сети.
Вот эта аллегория общей трубы помогает также понять еще одно
фундаментальное преимущество CDMA над TDMA, где каждому полезному
сигналу выделен жестко зафиксированный тайм-слот, обеспечивающий,
разумеется определенную пропускную способность, но не позволяющий
так легко манипулировать ресурсами, выделенными абонентам
сети CDMA.
Очень серьезный вопрос - это выравнивание уровней мощности,
излучаемой мобильными терминалами. Здесь необходимо исключить
случаи, когда терминалы, расположенные вблизи базовой станции
«заглушают» находящиеся вдали. Для этого используется весьма
изощренный алгоритм управления их мощностью излучения с динамическим
диапазоном регулировки более 80 дБ с шагом через 1 дБ. При
этом через интервалы в 1,25 мс базовая станция регулирует
мощность расположенных в зоне ее обслуживания абонентских
терминалов. Это позволяет не только поддерживать на одном
уровне качество приема на каждом радиоканале вне зависимости
от расстояния абонентского терминала до базовой станции, но
и в качестве приятного дополнения позволяет увеличить время
работы терминала без подзарядки аккумуляторов.
Передача информации в системе осуществляется при помощи потока
речевых пакетов, следующих с интервалом 20 мс. Абонентский
терминал CDMA имеет не один демодулятор, что позволяет принимать
разнесенные сигналы при многолучевом распространении, а также
поддерживать связь с несколькими базовыми станциями одновременно.
В первом случае сигналы выравниваются во времени и складываются,
что улучшает качество приема. То есть то, что для FDMA или
TDMA - плохо (они выбирают сигнал с наибольшим уровнем и довольствуются
только им), для CDMA - хорошо.
Во втором случае при переезде из одной ячейки в другую абонентский
терминал, используя, например, два демодулятора, работает
одновременно с двумя базовыми станциями, сигналы от которых
поступают на сетевой коммутатор (контроллер), где из обоих
каналов связи каждые 20 мс выбирается наилучший речевой пакет.
То есть весь процесс абсолютно незаметен для абонента сети.
Вот это и есть «мягкое» переключение.
Разумеется, весь указанный выше процесс передачи полезных
сигналов невозможен без надежной системы синхронизации, которая
обеспечивается путем приема сигналов радионавигационной Глобальной
Системы Позиционирования (GPS), которая покрывает всю поверхность
планеты при помощи группы спутников. Приемник GPS находится
на каждой базовой станции системы CDMA. Конечно, можно было
бы использовать и другие источники синхронизации, но указанный
подход обладает очевидной гибкостью, так как сигналы GPS принимаются
в любой точке планеты, что снимает с операторов сети часть
проблем.
С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать
большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным
доступом (multiple access ) к базовой станции.
Для обеспечения множественного доступа общий ресурс базовой
станции подразделяется на определенное количество "каналов",
к которым получают доступ пользователи. В одно и то же время
абонент может использовать только один канал. Захват канала
происходит при подсоединении к данной базовой станции (при
переходе к ней из зоны действия другой базовой станции или
инициализации вызова), освобождение канала - при переходе
в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров.
Под несколько туманным словом "ресурс" в первую
очередь следует понимать диапазон частот, выделенный для использования
в сотовой сети. Разные стандарты организации множественного
доступа по-разному "упаковывают" каналы в наличный
диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость
ячейки сети.
Первыми появились методы множественного доступа, основанные
на разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division
multiple access). Каждый канал занимает определенную частотную
полосу в отведенном для ячейки частотном диапазоне. В настоящее
время используются стандарты AMPS (Advanced Mobile Phone Service,
ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband Advanced Multiple
Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access Communications
System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны
на передаче аналогового сигнала. После установления соединения
вся соответствующая каналу полоса частот используется для
обслуживания диалога только между одним абонентским телефоном
и базовой станцией, какое-либо совместное применение одной
полосы частот несколькими абонентами невозможно.
Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов
"умещается" в частотном диапазоне, отведенном для
данной ячейки. Величина этого диапазона обычно составляет
одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного
для конкретной сотовой сети, что необходимо для "разнесения"
по частотам соседних ячеек сети.
Благодаря этому можно повторно использовать одни и те же
частоты в отдаленных друг от друга ячейках сети, а значит,
строить сети неограниченных географических масштабов, применяя
конечный диапазон частот.
Большей емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных
методов множественного доступа с временным разделением каналов
(Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон частот,
выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на определенное
число несущих частот (как в методах множественного доступа),
после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число
временных слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы.
Под термином "временной слот" понимается следующее.
Базовая станция, работая на данной частоте, какую-то часть
времени использует для связи с одним абонентом, какую-то -
с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало
чем отличается от применяемого при мультиплексировании с разделением
по времени. Речь обычно передается в оцифрованном виде с компрессией.
В качестве примеров TDMA можно привести следующие стандарты:
IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три
временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом)
и усиленно продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных
слотов при несущем диапазоне 200 кГц).
Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так
давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code
Division Multiple Access). Как и метод множественного доступа,
он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном
виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод возник недавно
именно в телефонии, - в основе его лежит давно применяемый
в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного
или широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе
используется термин spread spectrum, что часто переводится
на русский язык как "растянутый" или "размытый"
спектр). Полезная информация как бы "размазывается"
по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при
традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте
такой сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется
это за счет перемножения последовательности полезных битов
информации на псевдослучайную последовательность более коротких
импульсов. В результате получается сигнал, который занимает
больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность,
чем получаемый при узкополосной модуляции. CDMA как метод
множественного доступа аналогичен методу модуляции DSSS (direct-sequence
spread spectrum), используемому в беспроводных локальных сетях.
Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только
зная последовательность, на которую был перемножен полезный
сигнал при передаче, - в противном случае он будет выглядеть
как шум (отсюда и название). В военных приложениях данный
метод используется в первую очередь для защиты от помех (широкополосный
сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и подслушивания.
Для нас же сейчас более важно следующее: если два абонентских
телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции,
работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями,
то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для
друга.
Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия
одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту.
Для передачи информации отводятся частотный диапазон шириной
1,25 МГц и фрагменты общей "большой" псевдослучайной
последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного
начала этой последовательности.
Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы
друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами.
При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука
и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при
проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение;
улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения
другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной
ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной
независимости кодовых последовательностей.
Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука
считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить
в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки
и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное
качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум
оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал
(а при заданной мощности оборудования с увеличением размера
ячейки сигнал становится слабее), тем меньшим должен быть
уровень помех - а он, как мы знаем, зависит от числа используемых
каналов.
По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей
аппаратуры для CDMA, в одном несущем диапазоне шириной 1.25
МГц можно разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи
и около 30 - для фиксированных сетей (где абонентские терминалы
не перемещаются в пространстве в процессе вызова). Много это
или мало?
Попробуем сравнить емкость сети CDMA с емкостью сети на базе
AMPS. На первый взгляд, кажется, что для такого сравнения
надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц) поделить на
ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить,
не больше ли получившееся число, чем 18.
(1,25 : 0,03 = 42 > 18)
Выходит, что сравнение не в пользу CDMA?
Однако это неверный вывод, поскольку, как уже говорилось
выше, при работе в стандарте AMPS каналы, организованные в
семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 1), должны
различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать
один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат
надо разделить на семь (42 : 7 = 6).
Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS.
Но и этот результат нельзя считать окончательным, поскольку
и в CDMA, и в AMPS ячейку сети обычно делят на три сектора
по 120 градусов в каждом - это позволяет увеличить радиус
ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким образом,
снизить число базовых станций, необходимых для покрытия определенной
площади.
Так вот, при работе по стандарту AMPS в разных секторах одной
и той же ячейки приходится использовать разные частотные каналы
(иначе неизбежны взаимные помехи, поскольку секторы ограничены
не линиями, а, скорее, областями постепенного спадания мощности
сигнала), а в CDMA можно применять одни и те же. Соответственно,
полученную выше цифру 6 надо поделить на три - получим двойку.
В итоге оказывается, что при использовании одного и того
же частотного диапазона шириной 1,25 МГц емкость сети CDMA
в девять раз выше, чем емкость AMPS.
Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением
каналов можно пояснить на следующем примере.
Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком
находится два человека. Одна пара разговаривает между собой
на английском языке, другая на русском, третья на немецком
и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в
одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц
до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом,
понимаете только его, но слышите всех.
Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация
от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем
абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию,
которая предназначена для него, т.е. русский понимает только
русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается.
Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано
за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее,
то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.
В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time
Division Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым
разделением канала, т.е. несколько абонентом могут разговаривать
на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA,
в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует
более экономично.
CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в
эфире шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает
широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что
когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают
несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно
представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят).
Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой
полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц),
сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого
кодирования потерянные данные система восстановит.
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.
Основные характеристики
Диапазон частот передачи MS 824,040 – 848,860 Мгц
Диапазон частот передачи BTS 869,040 – 893,970 Мгц
Относительная нестабильность несущей частоты BTS +/- 5*10-8
Относительная нестабильность несущей частоты MS +/- 2,5*10-6
Вид модуляции несущей частоты QPSK(BTS), O-QPSK(MS)
Ширина спектра излучаемого cигнала:
- 3 Дб
- 40 Дб
1,25 Мгц
1,50 Мгц
Тактовая частота ПСП М-функции 1,2288 Мгц
Количество каналов BTS на 1 несущей частоте 1 пилот-канал
1 канал синхронизации
7 каналов персонально вызова
55 каналов связи
Количество каналов MS 1 канал доступа
1 канал связи
Скорость передачи данных:
- в канале синхронизации
- в канале перс.вызова и доступа
- в каналах связи
1200 бит/c
9600, 4800 бит/с
9600, 4800, 2400, 1200 бит/с
Кодирование в каналах передачи BTS Сверточный код R=1/2, К=9
Кодирование в каналах передачи MS Сверточный код R=1/3, K=9
Требуемое для приема отношение энергии бита информации 6-7
дБ
Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS 50 Вт
Максимально эффективная излучаемая мощность MS 6,3 – 1,0 Вт
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.
Прямые каналы в CDMA
Пилотный канал - используется подвижной станцией для начальной
синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции
по времени, частоте и фазе.
Канал синхронизации - обеспечивает идентификацию базовой
станции, уровень излучения пилотного сигнала, а так же фазу
псевдослучайной последовательности базовой станции. После
завершения указанных этапов синхронизации начинаются процессы
установления соединения.
Канал вызова - используется для вызова подвижной станции.
После приема сигнала вызова подвижная станция передает сигнал
подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызова
на подвижную станцию передается информация об установлении
соединения и назначения канала связи. Канал персонального
вызова начинает работать после того, как подвижная станция
получит всю системную информацию (частота несущей, тактовая
частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).
Канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых
сообщений и данных, а так же управляющей информации с базовой
станции на подвижную.
Обратные каналы в CDMA
Канал доступа - обеспечивает связь подвижной станции с базовой
станций, когда подвижная станция еще не использует канал трафика.
Канал доступа используется для установления вызовов и ответов
на сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы
на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются)
каналами вызова.
Канал обратного трафика - обеспечивает передачу речевых сообщений
и управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.
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.
5. Блок перемножения 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.
Реально доказанные преимущества технологии CDMA привели к
ориентации всех поставщиков, разрабатывающих системы радиотелефонной
связи III поколения (в том числе и для подвижной связи), исключительно
на нее, а точнее на различные варианты широкополосной CDMA.
Ранее международными регулирующими органами были разработаны
рекомендации к системам III поколения (Third Generation или
3G), называемые условно IMT-2000. В США существует также организация
«CDMA Development Group» (или CDG), координирующая деятельность
разработчиков. Занимается этим, разумеется, и ITU-R - международный
орган, занимающийся радиосвязью.
Концепция IMT-2000 предусматривает возможность взаимодействия
с другими существующими наземными и спутниковыми сетями связи
(в частности GSM), передачу голоса, данных и видео. Там будут
скорости передачи 64 кбит/с, 144 кбит/с, 2 Мбит/с: что-то
будет для абонентов с ограниченной мобильностью, что-то -
для высокомобильных абонентов. Основные направления работы
здесь следующие: высокоскоростная передача данных, мультимедиа-приложения,
взаимодействие со спутниковыми сетями, глобальный роуминг,
совместимость с сетями II поколения. Для систем III поколения
отводятся радиочастоты вокруг 2 ГГц.
Сdma2000
Cdma2000 - это беспроводный радиодоступ, который, как определил
ITU IMT-2000, поддерживает третье поколение услуг связи 3G.
Изначально, при разработке cdma2000 закладывались следующие
условия: полное соответствие объема и качества услуг связи
требованиям ITU к 3G; уменьшение риска и защита капиталовложений
операторских компаний; облегчение работы операторским компаниям
по развертыванию сетей.
Сети cdma2000 полностью совместимы с сетями cdmaOne (IS-95),
что и обеспечивает простой и недорогой переход к новому поколению
беспроводной связи и, тем самым, обеспечивает защиту капиталовложений
операторских компаний.
Сети cdma2000 предлагают значительное улучшение качества
звука и увеличение емкости звуковых каналов при высокой скорости
и мультимедийности передачи данных.
Эволюционный переход к cdma2000 подразделяется на две фазы,
известные как 1X и 3X. Чтобы реализовать эволюционный переход
к IMT - 2000 в полосе частот 1,25 МГц рассматривается еже
одна фаза развития стандарта 1XEV, которая позволяет расширить
возможности cdma2000 свыше 1X.
На состоявшемся этим летом в Гонконге Конгрессе CDMA были
приняты требования к этому стандарту, ранее собранные операторами
всего мира и обобщенные CDG.
Сdma2000 1X
Сети cdma2000 1X функционируют в той же полосе частот, что
и сети cdmaOne, но они обладают в 2 раза большей пропускной
способностью голосовых каналов и скоростью передачи данных
в 144Кбит/с. Сети cdma2000 1X и cdmaOne полностью совместимы,
их следует рассматривать как дальнейшее усовершенствование
одной сети другой.
TIA опубликовал cdma2000 1Х как стандарт IS-2000. Название
1Х происходит от технического термина 1XRTT, который относится
к сетям cdma2000, занимающим в спектре частот полосу 1,25МГц.
1Х означает технологию радиопередачи в полосе 1,25МГц. 1Х
может занимать полосу 1,25МГц в различных участках частотного
спектра.
Cdma2000 1XEV
Данный стандарт является дальнейшим усовершенствованием стандарта
1Х. С его помощью достигается наиболее эффективное использование
частотного спектра, увеличивается пропускная способность передачи
данных, достигается наивысшая скорость передачи информации
от 2 до 5Мбит/с все в той же полосе частот 1,25МГц. При этом
снижается риск и защищаются капиталовложения операторских
компаний. Определившиеся потребности операторов в 1XEV указывают
на два этапа усовершенствования. В ходе первого этапа для
более эффективного способа передачи информации потребуется
достижение скорости передачи данных более 2,4Мбит/с. В ходе
реализации второго этапа достигаются скорости передачи звука
и данных в реальном масштабе времени.
Реализация первого этапа ожидается в октябре 2000г., второго
- планируется на октябрь 2001г.
Cdma2000 3X
Это вторая фаза стандарта cdma2000. Усовершенствования в
данной фазе обеспечивают увеличение скорости передачи информации
свыше того, что достигнуто в 1Х, до 2Мбит/с с использованием
многоканальной системы передачи. Название 3Х происходит от
термина 3XRTT, то есть используется три канала по 1,25МГц
для предоставления услуг 3G.
Кроме того, продолжается развитие системы глобальной спутниковой
связи на низкоорбитальных спутниках. Одна из них, Iridium,
использует технологию TDMA, другая, Globalstar, - CDMA (близкую
к рассмотренной выше). Эти системы имеют свои особенности
в части оснащения космических аппаратов, числа земных станций
и т.п., однако, они должны предоставлять связь в «белых пятнах»,
где нет наземной сотовой связи. Первая система уже начала
функционировать, вторая начнет работу в будущем году. Стоимость
услуг Globalstar ниже почти на порядок (есть, по-видимому,
тут заслуга и самой технологии CDMA). И отметим, что это не
единственное ее применение, поскольку большинство перспективных
спутниковых проектов также опирается на использование технологии
CDMA.
Также, существует и активно внедряется благодаря своим высоким
техническим и потребительским характеристикам система WLL
(Wilreless Local Loop - "беспроводная последняя миля"),
использующая метод FH-CDMA и способная работать в диапазонах
радиочастот от 800 МГц до 3,5 ГГц.
Такое приложение реализуется в "фиксированных"
сетях, не поддерживающих мобильных абонентов. Следует, впрочем,
подчеркнуть, что совершенно неподвижными абоненты таких сетей
быть не обязаны, - допускается, например, перемещение с места
на место в пределах территории, на которой развернута сеть.
Наибольший интерес к фиксированным сетям проявляют компании-операторы
из развивающихся стран, где необходимо быстро обеспечить связь
на большой территории и на прокладку разветвленной кабельной
сети просто нет времени.
Помимо недостаточно развитой коммуникационной инфраструктуры,
существует и еще одна причина интереса к беспроводным технологиям
"последней мили" - большие расстояния. Этот фактор
не зависит от уровня экономического развития страны - проложить
кабель к удаленному ранчо в Соединенных Штатах ничуть не дешевле
(а скорее всего, значительно дороже), чем к какой-нибудь глухой
российской деревушке на десять домов.
Переход от мобильной связи к фиксированной сопряжен со значительным
повышением качества передачи голоса и увеличением емкости
сети. По данным корпорации Qualcomm, максимальная емкость
ячейки сети в этом случае возрастает до 45 каналов на одну
несущую частоту.
В настоящее время испытания систем WLL на базе CDMA проходят
в Канаде, Бразилии, Индии, России, Китае, Польше.
Другим весьма перспективным применением технологии CDMA будет,
как предполагается, начинающая развиваться в США система сотовой
связи в диапазоне 1900 МГц под названием PCS (Personal Communications
Services).
Идея PCS состоит в том, чтобы превратить сотовую связь во
всепроникающую телекоммуникационную технологию. Ожидается,
что ячейки такой сети будут мельче, мобильные аппараты - легче
и дешевле и что эта система позволит связываться с абонентами
в любое время и из любого места.
Согласно прогнозам, одно из наиболее эффективных решений
для организации PCS - применение технологии CDMA, в первую
очередь благодаря большей емкости таких сетей, более высокому
качеству связи (в частности, малый размер ячеек означает частые
переключения, а они, как мы помним, в CDMA происходят менее
болезнено, чем при использовании других технологий), а также
малой стоимости в расчете на одного абонента. В настоящее
время в США уже развернуты первые системы PCS на базе CDMA.
|
