Стандарт CDMA не так популярен, как всем известный и любимый операторами GSM. Однако у него есть свои плюсы и преимущества. Поэтому при покупке нового сотового телефона стоит обратить особое внимание на CDMA-GSM-телефоны. Это будет оптимальный вариант.
Что это?
Code Division Multiple Access – именно так расшифровывается аббревиатура данного стандарта связи. Под ним подразумевается использование множества каналов с кодовым разделением. При этом во время телефонного разговора личные данные и сам голос передаются по отдельным каналам и на разных частотах. Кроме того, для самой передачи данных предусмотрено больше места, чем при стандарте GSM.
Телефон CDMA – что это такое? Это гаджет, предоставляющий такие услуги, как прямой городской и мобильный номер, обмен пакетными данными и передача сообщений со скоростью до 2,3 Мбит. Принцип CDMA заключается в некотором расширении определенного спектра информационного сигнала. Для этого используется два метода: прямой последовательности и скачков по частоте. В первом случае главная несущая частота меняет свое значение в определенном диапазоне. При этом приемник работает по такому же алгоритму. Этим обеспечиваются выделение и обработка определенного канала. Метод прямой последовательности использует шумоподобные сигналы. При этом каждый отдельный сигнал модулируется уникальным кодом, расширяющим сам спектр информационного сигнала.
Что такое GSM?
О главном конкуренте CDMA известно гораздо больше. Именно он активно используется в работе отечественных сотовых сетей. Стандарт GSM применяет технологию TDMA и основан на алгоритме частотного разделения канала. Есть целых четыре диапазона:
Есть одна особенность у устройств GSM, которой не может похвастать телефон CDMA. Что это такое? Наличие дополнительной SIM-карты. С ее помощью можно легко и быстро менять оператора.
История технологии
Несмотря на перспективность и безопасность, данный стандарт используется не так часто. И многие задаются следующим вопросом: «Телефон CDMA – что это?». Его история началась еще в 30-е годы прошлого века.
В СССР соответствующими исследованиями занимался прославленный академик Агеев Д. В. В 1935 г. он издал собственный труд «Кодовое разделение каналов». Брошюра не стала бестселлером, т.к. больше относилась к будущим разработкам. Но вскоре эту тему подхватили и другие известные ученые. Так была создана начальная база для дальнейшей разработки технологии CDMA.
Уже в конце 50-х в США использовали данный стандарт в военных целях. И только в 80-х технология была рассекречена и представлена миру. Адаптировать ее смог доктор Ирвин Марк Джейкобс. Позже он даже создал собственную фирму Qualcomm, занимающуюся спутниковой связью, телефонией и сотовыми системами.
Благодаря этому американцу с 1992 г. новый стандарт стал активно внедряться по всему миру. А с 1996 года стали одинаково использоваться CDMA-GSM-телефоны. При этом на тот момент в проекте участвовало около 24 стран мира.
Стандарты CDMA
Несмотря на то что данную технологию объединяет принцип действия, у нее есть несколько направлений. Собственно, система CDMA использует определенные наборы каналов шириной 1,23МГц. При этом сам голос кодируется со скоростью 8,55 кбит/с. Иногда этот поток данных урезается до 1,2 кбит/с. Такой стандарт используют простейшие телефоны CDMA Nokia. Их плюс – в надежности и качестве.
Стандарт CDMAOne существует во временных моделях IS-95a, IS-95b и J-STD-008. Заявленная скорость сигнала здесь составляет от 9,6 кбит/с до 115,2 кбит/с. Появились данные сети еще в 1995 г. в Америке. Сейчас стандарт довольно распространен в Азии. В России разрешено предоставлять по такой системе только услуги определенной фиксированной связи.
Стандарт CDMA2000 – преемник CDMAOne. Он практически полностью соответствует поколению 3G. Еще одна его особенность и ценность заключается в том, что именно на основе этого стандарта разрабатываются новые системы сотовых операторов.
Стандарт WCDMA
Он широко распространен в Японии. Данная технология используется в высокоскоростной передаче различных мультимедиа, видеоконференций и доступа в Интернет. Китай также является лидером по использованию подобных сетей, однако наряду с WCDMA здесь продвигаются сети TD-SCDMA и CDMA-2000.
Если говорить о принципе действия, то можно сказать, что это также система множественного доступа с кодовым разделением существующих каналов и прямым расширением спектра действия. При этом скорость потока достигает 384 кбит/с, а ширина полосы – до 5 МГц. Это достигается за счет мультикодовых комбинаций и использования переменного коэффициента расширения.
Основное преимущество данного стандарта связи в том, что у него нет глобальной привязки ко времени и GPS. Поэтому он может работать независимо от города или страны, в которой находится. Этим же отличаются телефоны CDMA GSM (Одесса в том числе покрыта данной сетью).
Еще одним значительным фактором, говорящим в пользу данного стандарта, является его воздушный интерфейс. Он работает так, что можно легко использовать не только многопользовательский прием, но и интеллектуальную настройку необходимых адаптивных антенн. Это способствует значительному повышению зоны действия и пропускной способности.
CDMA-450
Внедрение данной системы стало толчком к развитию сотовых сетей нового поколения. Плюс этого стандарта состоит в том, что здесь могут полноценно использоваться все частотные диапазоны систем подвижной сотовой связи. Его уже начинают активно использовать CDMA-телефоны (Украина тоже находится в зоне охвата).
Подобные сети обеспечивают большую дальность связи. Именно поэтому операторам не нужно строить множество станций. В области предоставления мобильного Интернета здесь также есть ряд преимуществ перед привычными GSM-операторами. Технология EV-DO обеспечивает широкополосный доступ со скоростью до 2,4 Мбит/с.
Передавать данные этой системой гораздо безопаснее, т.к. здесь используется специальный алгоритм шифрования и криптографическая аутентификация всех мобильных терминалов. Полезной рассматриваемая технология будет и для обычных граждан. Это объясняется тем, что при работе станций мощность излучения в 11 раз меньше, чем от GSM-сетей.
Из всего вышеперечисленного следует вполне закономерный вопрос о том, почему в России и СНГ CDMA-450-телефоны непопулярны? Причин, как оказалось, несколько:
Преимущества стандарта CDMA
Эта технология достаточно новая. И она во многом уступает используемой сотовыми операторами GSM. У нее есть неоспоримые плюсы:
Именно поэтому все большее число пользователей выбирает телефон CDMA. Что это такое? Возможность получить все плюсы сразу!
Недостатки CDMA
Несмотря на явные преимущества перед стандартом GSM, активно используют эти сети только в Америке. Европа только начинает знакомиться с данной технологией. Среди недостатков, которые мешают быстрому и уверенному продвижению CDMA в массы, можно выделить следующие:
Двухстандартные телефоны
Как видно из статьи, и у CDMA и у GSM есть свои сильные и слабые стороны. А нашему человеку ну просто жизненно необходимо пользоваться всем и сразу. Именно поэтому был придуман двухстандартный телефон CDMA-GSM. Он объединяет в себе все преимущества обеих систем.
Что он собой представляет? Это вполне обыкновенный мобильный телефон с улучшенной батареей, которая способна выдержать большее число звонков и разговоров. По дизайну и функциональности он практически ничем не отличается от стандартных сородичей.
Такие сотовые в последнее время стали все более популярны. Поэтому постепенно все мировые мобильные бренды стали выпускать отдельные линейки двухстандартных гаджетов.
Например, CDMA-450-телефоны активно продвигаются компанией Skylink. Также в различных магазинах можно найти модели Nokia, Huawei, Pantech, HTC и многие другие.
Особенности двухстандартных телефонов
Помимо функциональной книги контактов, где одному абоненту можно присвоить сразу 4 и более номеров, а также несколько электронных адресов, у CDMA-GSM-сотовых есть еще несколько существенных отличий:
В целом же эти модели стандартизируются под привычные смартфоны и телефоны. Производители стараются создавать их в привычном дизайне и с тем же набором функций. В некоторых городах все чаще используются CDMA-телефоны. Одесса, например, как портовый центр предоставляет возможность пользоваться всеми моделями. Внутри страны выбора, конечно, меньше.
Между CDMA и GSM разница в чем? В типе разделения. G SM использует временное и частотное разделение, а CDMA – кодовое, из-за чего появляется ряд преимуществ. Причем касаются они как пользователя, так и оператора. Сейчас мы разберемся, в чем разница между CDMA и GSM-типами.
Основные отличия
GSM-телефоны используют временное и частотное разделение. На каждого абонента создается небольшая частотная полоса. При этом “процедура” обмена данными временная. Сигнал прерывается, но из-за высокой скорости обмена данных это незаметно. Прерывания связи можно заметить по писку из телефона, когда он находится рядом с другим устройством.
CDMA использует более продвинутое кодовое разделение. Каждый абонент подключен к базовой станции. Он использует весь частотный ресурс, который доступен всем абонентам, а станция общается сразу со всеми. Звонок или сообщение от конкретного абонента выделяется с помощью кода: каждому абоненту соответствует свой уникальный код, из-за чего он выделяется среди других абонентов. Эти способы соединения абонентов можно описать одним простым примером. Допустим, что в помещении находятся несколько людей. Первая часть людей говорит поочередно, по 10 секунд – это GSM-тип. Вторая часть разговаривает без очереди, все сразу, но каждая пара говорит на своем языке – это CDMA. В обоих случаях люди могут общаться, но общение без очереди в 10 секунд намного комфортнее.
У кого больше преимуществ
Разница заключается в более широкой полосе частот. Для абонента преимущества заключаются в:
Преимущество CDMA для операторов заключается в бо́льшем количестве станций, а значит и их более большем радиусе, а также более простой настройке сети и защите от перегрузок. Операторы CDMA могут покрывать гораздо более значительную территорию с минимальными затратами на оборудование, в отличие от GSM.
Тогда появляется вопрос: “Почему же формат GSM более распространен, если CDMA во всем лучше?”. Причин не так уж много, и они простые. Когда создали CDMA, GSM уже существовала. В случае перехода возникала проблема с потребительским оборудованием и оборудованием для операторов. C DMA из-за своих особенностей требовала более мощную вычислительную силу, так как разделение было кодовым и нужно было обрабатывать каждого абонента. На разработку менее распространенной сети тоже нужны были средства, да и телефоны с поддержкой CDMA стоят дороже.
Помимо этого, существовала и проблема в удобстве пользователя. В GSM-сети идентифицировать абонента можно по физической SIM-карте (на ней хранится информация, которая нужна оператору). Если пользователь хотел сменить телефон на новый, ему нужно было просто переставить SIM-карту, и об этом не нужно было уведомлять оператора.
В CDMA-телефонах нет слотов для SIM-карты, информация, необходимая оператору, прошивается в сам телефон. Из-за этого, чтобы поменять телефон, надо нести его в салон связи. Также CDMA-телефон нельзя использовать в роуминге. Сегодня уже есть телефоны, которые могут поддерживать одновременно два формата сети, проблема в ограниченном выборе устройств решилась. Американские операторы стали двигателем этого прогресса, они внесли самый большой вклад в эту технологию. В пределах российского рынка CDMA-операторы занимают намного меньшую долю, выбор совместимых смартфонов или телефонов меньше, но при желании пользователь может купить устройство на международном рынке.
Учитывая плюсы и минусы, выбор типа сети зависит только от покрытия той или иной территории вашим оператором. Основная разница CDMA и GSM – наличие физической карты.
Как отличить CDMA от GSM?
Как мы уже выяснили, между CDMA и GSM разница заключается в отсутствии физического слота для SIM.
GSM-телефоны используют SIM-карту, CDMA – E-Sim.
А как определить тип связи на iPhone?
Отличить GSM или CDMA iPhone можно по номеру на задней крышке.
iPhone 5s и более поздние модели используют LTE. Как узнать тип связи на предыдущих устройствах?
iPhone использует только формат 2g.
В iPhone какая между CDMA и GSM разница? В России нет поддержки E-Sim, и поэтому iPhone, выпущенный на российский рынок, не поддерживает это технологию. Во всем остальном мире при покупке можно выбрать тип связи, CDMA или GSM.
Если подробно расшифровать полную аббревиатуру этих четырех букв (CDMA), то у нас получится следующие слова – Code Division Multiple Access. И даже когда мы расшифруем данное значение, переведя на понятный нам язык, мы мало что сможем из этого понять. Отмечаем, что если же перевести эту фразу с английского, то мы получим тот факт, что это является системой большого количества доступа с кодовым разделением. Именно этим и являются CDMA-телефоны. Они сегодня приобретают все большую популярность. И это совсем неудивительно. Более детально, что это такое, CDMA-телефоны, мы разберем далее в нашей статье.
Что собой представляет телефон типа CDMA
Для того чтобы понять всю суть данной технологии, которая является совершенно не простой, можно провести определенную аналогию. Именно с помощью нее мы в общих чертах поймем, что собой представляет данная вещь. Всем будет гораздо удобнее и разборчивее, если провести аналогию с данным стандартом телефона. Как все мы знаем, существует несколько мобильных связей, самые распространенные из них – это GSM и NMT.
NMT-связь
Итак, разберем, что это такое, CDMA-телефоны. Во многих странах именно с помощью NMT-связи мобильного телефона начали свою работу множество операторов. Тогда они использовали так называемое частное разделение определенных каналов. Исходя из этого, мы можем понять, что каждому непосредственному абоненту выдавался свой довольно узкий аспект частот. Именно за счет этого он мог проводить свои общения. В негодность данный вид пришел совсем недавно. И вот по какой причине. Представим себе, что на одном квадратном метре стоят 3 человека, и каждый из них активно общается по телефону. Уюта совершенно никакого. А теперь они отошли на достаточное расстояние, чтобы не слышать друг друга.
Этим мы объясняем частотное разделение каналов. Именно это и используют CDMA-телефоны. Именно за счет такого сравнения в общих чертах становятся понятны некоторые детали.
Цифровой стандарт в виде GSM
Данный стандарт цифровой связи мы используем в повседневной жизни. В различных странах он все еще осуществляет свою непосредственную функцию. Данная система в свою очередь по-иному использует настроенный частотный диапазон. Связь данного типа не делит определенный диапазон на конкретные части абсолютно под каждого пользователя. Но программа делает это в определенный момент времени. Это и представляет собой временное разделение необходимых нам каналов. То есть, определенная пара людей говорят в определенное время, которое необходимо им, а другая пара говорит в свое время, и при этом, не создавая дискомфорт для других людей. Примерно по такой системе также осуществляют свою непосредственную работу телефоны стандарта CDMA. Но об этом более подробно расскажем в следующем разделе.
CDMA-стандарты связи
Итак, мы плавно подобрались к необходимому для нас стандарту. Он в свою очередь использует как предыдущий вид связи определенный диапазон, но делает это несколько иначе. Например, за счет определенного кодового разделения. Что же представляет собой кодовое разделение в данном случае, представить довольно сложно, поэтому вернемся к аналогии. Если люди разговаривают поблизости и мешают другу – это плохо, а если каждая пара людей говорит на своем языке, то есть, одни – на русском, другие – на английском, и так далее. Именно это и представляет собой данная связь с кодовым общением. Теперь нам в общих чертах известно, что это такое, CDMA-телефоны. Но все же данная информация доступна нам не так детально, как хотелось бы.
История наилучшей связи на сегодняшний день
Услуги различных довольно серьезных операторов, ведь на ряду с CDMA стоял также и “Интертелеком”, начали предоставляться еще в далеком 2000 году. Все понимают, что тогда стоимость телефонов была большая, а найти терминал также было нелегко. Но все же данная связь имела свой спрос, хоть и небольшой. У каждого оператора на тот момент был свой ряд услуг, которыми он привлекал клиентов. Данный оператор развивался постепенно, и на протяжении всех этих лет его стоимость подключения существенно снизилась, а качество услуг не переставало расти. Это и привлекало клиентов с каждым годом все больше и больше. На сегодняшний день мы имеем довольно небольшую цену, при этом большое количество преимуществ.
Также стоит отметить и ассортимент данного вида связи, ведь можно подобрать для себя тот тариф, который больше всего вам подходит.
Преимущества связи данного вида
CDMA-телефоны на сегодняшний день вошли в эксплуатацию довольно широко и пользуются необыкновенной популярностью. Из этого мы можем понять, что преимуществ в данном виде действительно много. Стационарный CDMA-телефон включает в себя широкий спектр услуг именно с помощью данной связи, рассмотрим это более детально.
Информация о том, что это такое CDMA-телефоны, полностью раскрыта. Теперь вы владеете полной информацией о данном устройстве и его непосредственных особенностях. Так, CDMA-телефон позволяет самостоятельно выбирать подходящего оператора, а также приглянувшиеся тарифы на звонки, а также доступ в интернет. Поэтому можно смело и, не задумываясь, переходить к операторам данного вида связи.
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. 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:
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. ” 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. 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 Ps — 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.
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:
N0 + I0 = N0 + (N – 1)P,N0 = FNkBTO,
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
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
мы пренебрегли разницей между N и N–1. Есть ещё некоторые факторы, которые мы не учли.
Дискуссия вокруг выражения
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
и на число сот
, то есть 2240. Отношение ёмкости CDMA к AMPS составляет 5,4. Однако, если учесть интерференцию с соседними сотами в выражении
, 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.
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 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.
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.
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.
Радиотехника – это сфера, где всегда происходили более или менее значимые события в способах обработки сигналов, методах их исследования и передачи. Жизнь ставила задачи, а инженерная мысль их решала. В настоящее время уместно говорить о прорыве на рынке телекоммуникаций нашей страны – развертывание новой сети сотовой связи на основе технологии CDMA. C DMA-система использует для передачи данных сложные (шумоподобные) широкополосные цифровые сигналы. Следует отметить, что столь перспективное направление в технике приема и передачи информации – применение шумоподобных сигналов (ШПС) – систематически изучалось русским ученым Д. В. Агеевым еще в 30-х годах уже прошлого столетия, однако практическая реализация полученных им интереснейших результатов была затруднена, а скорее, невозможна в связи с несовершенством активных и пассивных элементов электрических цепей (в частности очень низкими частотами единичного усиления). Еще раз отметим: шумоподобные сигналы – фундамент технологии CDMA.
Ретроспектива систем связи и общие определения
Система сотовой связи – радиотехническая система передачи данных между двумя и более мобильными абонентами в дуплексном режиме. Данные в нашем случае – любая информация, преобразованная (закодированная) в форму, удобную для дальнейшей обработки и передачи в канал связи. Данными может быть речь, цифровые потоки, формируемые компьютером, некоторая служебная информация и др.
Исторически первой системой связи была радиотелефонная сеть с ручным переключением каналов, начавшая свое функционирование в 1946 г. в городе Сент-Луис (США). Аппаратура была очень громоздкой и неудобной, да и качество связи оставляло желать лучшего. C течением времени совершенствовалась аппаратура, наблюдалась тенденция к переходу на более высокие рабочие частоты, где уровень помех значительно меньше, и как следствие появилась радиотелефонная сеть с функцией автоматического определения незанятого канала, т.н. транкинговая сеть. Но с ростом популярности этого вида связи появилась существенная проблема – ограниченность частотного ресурса. Эта проблема и привела ученых и инженеров к идее разбиения зоны обслуживания на небольшие участки – соты. Каждая сота должна была обслуживаться приемо-передатчиком со своим строго определенным набором частот, несовпадающим с частотами передатчиков всех соседних сот. Это позволило использовать без ограничений одинаковый набор частот в сотах, не являющихся соседними. Но, к сожалению, прошло более тридцати лет, прежде данный метод организации подвижной связи был реализован на аппаратном уровне.
Исторически первой системой сотовой связи (система первого поколения) была сеть на основе стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone), разработанная тремя странами Скандинавского полуострова, Исландией и Данией. Этот стандарт относится к FDMA-системам. F DMA (Frequency Division Multiple Access – множественный доступ с частотным разделением каналов) – метод доступа к сети, при котором каждому каналу ставилась в соответствие определенная частота для передачи и еще одна – для приема. Т.е. в мобильном телефоне “свой” сигнал выделялся из смеси сигналов частотным фильтром, а модуляция несущей осуществлялась аналоговым сигналом по частоте.
Развитие цифровой обработки сигнала предопределило появление второго поколения систем сотовой связи. Европейскими странами была создана группа ученых (Group Special Mobile) с целью разработки нового стандарта цифровой связи. Результатом их работы было создание системы GSM (1990 г.), которая позже стала расшифровываться как Global System for Mobile communications. Это – TDMA-сеть. T DMA – Time Division Multiple Access (множественный доступ с временным разделением каналов) – протокол, в котором цифровой поток разбивается на пакеты и каждый пакет передается с постоянным периодом в определенном временном окне. В остальных временных окнах передаются сигналы других абонентов сети. Основное достоинство таких сетей – большая помехоустойчивость по сравнению с FDMA-системами, хотя такое сравнение не совсем уместно для систем с аналоговой и цифровой передачей. С ША также не отставали от Европы и в 1990 г. создали свой стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service). В Японии в 1991 г. появился схожий стандарт JDC (Japanese Digital Cellular).
Вторая причина, по которой применение ШПС очень выгодна, – это высокая устойчивость к воздействию как широкополосных, так и узкополосных помех, что весьма актуально в условиях напряженной электромагнитной обстановки в пределах большого города. Третья причина – высокая энергетическая скрытность систем с ШПС и, как следствие, высокая конфиденциальность передаваемых данных. Суть сказанного состоит в том, что широкополосный сигнал не только трудно раскодировать – его трудно просто обнаружить, т.е. выявить сам факт работы абонентской станции.
