Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

Сравнительная характеристика: «Мобильный Internet», равно  как и «мобильный офис» (офис в  кармане, на ладони) — пустой звук до тех самых пор, пока он не будет обеспечен высокоскоростной, надежной и дешевой

беспроводной  связью.

1.5   Конструктивное определение связи CDMA

CDMA - Многоканальный  Доступ с Кодовым Разделением  Каналов. В отличие от других  технологий радиосвязи, в которых имеющийся частотный спектр разбивается на узкополосные каналы и временные интервалы, в системе CDMA сигналы распределяются в широкой полосе частот. Таким способом система CDMA обеспечивает более эффективное использование имеющегося частотного спектра, обеспечивая значительное увеличение пропускной способности.

Пропускная  способность системы CDMA в 10-20 раз  выше, чем у аналоговых систем AMPS, и по меньшей мере втрое по сравнению  с другими технологиями цифровой связи, такими как TDMA и GSM.

В существующих сотовых системах эта пропускная способность может быть увеличена  поэтапно. Путем перевода лишь 10% спектра  с технологии AMPS на CDMA общая пропускная способность системы может быть удвоена.

Обладая повышенной пропускной способностью, система CDMA предотвращает блокировку вызовов, позволяет удовлетворить растущий спрос на обслуживание и поддерживает новые виды цифровых услуг, такие как опознавание вызывающего абонента, передача данных и мобильная факсимильная связь. Уникальная для каждого отдельного соединения схема кодирования в системе CDMA практически полностью устраняет перекрестные помехи и значительно снижает влияние помех от других источников.

Этот подход также устраняет необходимость  сдвига несущих частот между соседними  сотами, обеспечивая надежную "мягкую" эстафетную передачу абонента, которая предотвращает прерывание вызова. Путем использования интегральных приемников типа Рейк системы Qualcomm в значительно степени снижает эффект многолучевости, характерный для зон вблизи многоэтажных зданий и на пересеченной местности.

Благодаря защищенной патентами технологии управления мощностью, система также снижает затухание  сигналов у границ сот. А применение в системе CDMA вокодеров на 13 кбит/с  переменной скоростью передачи данных обеспечивает качество передачи речи, сопоставимое с качеством связи по проводным линиям.

        Типичная выходная мощность переносного аппарата CDMA составляет всего два милливатта - значительно меньше, чем средняя выходная мощность в 125 мВт у аппаратов системы GSM.

За счет сокращения потребляемой энергии батареи переносные аппараты CDMA обеспечивают существенное увеличение продолжительности работы в режиме соединения (до пяти часов) и в режиме ожидания (до двух дней).

Снижение требований по расходу энергии также позволило уменьшить габариты и массу переносных телефонов, а также время вынужденного простоя, связанного с необходимостью перезарядки батарей. Кроме того, снижение выходной мощности уменьшает озабоченность потребителей в отношении риска для здоровья и снижает взаимное влияние с другими устройствами радиосвязи.

Сигналы с расширенным  спектром, применяемые в системе CDMA, обеспечивают зону покрытия значительно  большей площади в сравнении  с сигналами, используемыми в  системах AMPS, TDMA или GSP. В результате, количество базовых станций, необходимых для системы CDMA, сокращается в 2-5 раз. Такое расширение зоны покрытия обеспечивается практически во всех системах и при всех условиях развертывания (в городах, пригородах, сельской местности).

Радиоинтерфейс системы CDMA соответствует требованиям как стандарта цифровой сотовой связи IS-95, так и стандарта PCS J-STD-008. Система также отвечает требованиям интерфейсных протоколов

Подсистемы  Подвижной Связи (MAP) IS-41, обеспечивая  тем самым полную совместимость с проводными и беспроводными системами связи, применяемыми в США.

Сравнение технологий множественного доступа FDMA - множественный  доступ с частотным разделением.

Стандарт FDMA широко используется как в традицинных  аналоговых системах сотовой связи, так и в современных цифровых системах (как правило, в сочетании с другими методами). Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот, которую он может использовать все 100% времени. Таким образом, не временной фактор, а только лишь различия в частоте используются для разделения (дифференциации) абонентов.

Подобный подход имеет заметное преимущество: вся  информация передается в "реальном времени", и абонент получает возможность  использовать всю полосу пропускания, выделенного ему сегмента. Ширина полосы сегмента может варьироваться в зависимости от используемой системы связи. CDMA - множественный доступ с кодовым разделением. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует

временного  разделения, и все абоненты постоянно  используют всю ширину канала. Нужно  заметить, что полоса частот, выделяемая для организации одного канала, очень  широка. Вещание абонентов накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы.

В качестве иллюстрации  этого метода можно представить  комнату, в которой находятся  несколько пар людей. Эти пары хотят общаться только

друг с другом и не интересуются другими. Если каждая пара знает только один язык и его использует, а все языки различны, тогда воздух комнаты может быть "несущей частотой" для их голосов.

Аналогия заключается  в том, что воздух в комнате  является широкополосным каналом, а языки представляются в виде кодов. Если мы включим языковые "фильтры", то люди, говорящие на немецком, не услышат тех, кто говорит на испанском и т.д. Мы будем увеличивать количество абонентов до тех пор, пока общий "фоновый шум" (помехи от других абонентов) не будет нас ограничивать.

Регулируя мощность сигнала  всех абонентов, которая не должна быть выше необходимой при сохранении высокого качества речи, мы обеспечиваем связью большое количество абонентов. Максимальное количество пользователей, или каналов трафика зависит от интенсивности использования каждого канала трафика, и поэтому не является определенным. Это отражается в концепции "мягкой перегрузки" (soft overload), согласно которой дополнительный абонент (или пара по нашей аналогии) может получить доступ, если необходимо, за счет несколько возрастающих помех для других абонентов.

Большинство операторов используют в каждой ячейке три независимых  секторных антенны (трехсекторная  модель, N=7). Или, другими словами, обычно одна седьмая всех частот, выделенных оператору сотовой связи, может использоваться в любой соте. Соты должны быть разнесены достаточно далеко друг от друга с тем, чтобы помехи были устранены или сведены к минимуму, и, соответственно, достигнуто приемлемое качество речи.

В случае использования стандарта CDMA сигнал может быть принят при наличии высокого уровня помех, но при этом сохраняется то же самое или более высокое качество передачи. Все абоненты совместно используют один и тот же частотный ресурс. В стандарте CDMA одна и та же полоса частот используется в каждой соте и в каждом секторе секторизованной соты.

В данном случае модель повторного использования частот выглядит как N=1. Эта модель N=1 является тем условием, которое обеспечивает .обеспечивает для стандарта CDMA более  высокую пропускную способность (емкость) по сравнению с AMPS и другими технологиями.

Помехи, создаваемые  другими абонентами и другими  базовыми станциями, представляют собой  фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности  сети стандарта CDMA. При разработке первичной сети целью является сведение к минимуму общего уровня помех.

В стандарте CDMA существует множество способов снизить  уровень помех и довести до максимума емкость сети.

Радиотехника - это сфера, где  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. CDMA-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.

2 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. FDMA (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. TDMA - 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. США 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).                                                                        С появлением цифровых систем связи американская фирма Qualcomm начала разработку принципиально нового стандарта с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access). В отечественных трудах этот метод называется также уплотнение каналов по форме или широкополосная передача с помощью ШПС. Широкополосной эта система называется потому, что полоса частот излучаемого антенной сигнала значительно выше той минимальной полосы частот, необходимой для классических методов модуляции. Например, сигнал с амплитудной модуляцией (АМ) занимает полосу в два раза большую, чем полоса модулирующего сигнала; полоса частот сигнала с одной боковой полосой (ОБП) равна полосе информационного сигнала. Т.е. с первого взгляда кажется нецелесообразным проектировать такого рода систему, где промодулированный сигнал, скажем, занимает полосу частот в 1000 раз больше, чем исходный модулирующий. Однако это предположение в корне ошибочно как минимум по трем причинам. Во-первых, широкополосные сигналы, образованные с помощью различных ШПС, могут иметь одну и ту же среднюю частоту, т.е. передаваться в одной и той же полосе. Например, если информационный сигнал занимает полосу частот 0…10 кГц, то F=10 кГц (в системах сотовой связи примерно это значение имеет место быть). При соответствующей модуляции ШПС этим сигналом полоса сигнала на выходе становится равной 1000П или 10000 кГц. Теоретически при подборе "хороших" ШПС количество таких сигналов, передаваемых в общей полосе частот, можно сравнять с количеством тех же АМ сигналов, которые без взаимных помех размещаются в той же полосе. Т.е. в нашем примере для АМ сигнала требуется полоса 2F=20 кГц и при самой "плотной" упаковке в полосе 10 МГц можно расположить 500 каналов. 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.

2.1Теоретические сведения о системах с ШПС

2.2 Достоинства и недостатки ШПС как переносчиков информации

Подытожив и  дополнив сказанное выше, можно определить основные достоинства и недостатки ШПС как носителей информации в системах связи. Достоинства: возможность приема и обработки ШПС при отношениях сигнал/помеха много меньших единицы; высокая помехозащищенность как по отношению к широкополосным, так и узкополосным помехам; инвариантность к явлению многолучевости в канале связи; одновременная работа всех абонентов в общей полосе частот; высокая достоверность принимаемой информации; высокая энергетическая и структурная скрытность сигнала; хорошая электромагнитная совместимость (ЭМС) с другими радиоэлектронными средствами. Недостатки: сложность создания больших систем ШПС, обладающих минимальными взаимокорреляционными функциями; применение сложных и дорогостоящих устройств обработки, в частности, согласованных с ШПС фильтров. Следует отметить, что недостатки ШПС относятся скорее к технической реализации систем связи как таковых и с улучшением элементной базы (применение СБИС, устройств на ПАВ) они не столь существенны. В свою очередь, достоинства ШПС - это неотъемлимые их свойства, заложенные в самой природе данного класса сигналов. Для того, чтобы пояснить суть преимуществ применения ШПС и в дальнейшем перейти к принципам работы систем подвижной связи с кодовым разделением каналов, необходимо рассмотреть несколько принципиальных моментов, без которых невозможно вести дальнейшее изложение.

Сигналом называется изменяющаяся во времени физическая величина, отображающая передаваемое сообщение. Чаще всего сигналом является напряжение на некотором участке цепи, поэтому аналитически его можно записать следующим образом: u=u(t), где t - время, u(t) - некоторая однозначно определенная функция. Сигнал может описываться не только во временной области, но и в частотной - в виде его спектра. Это особенно важно, если сигнал имеет сложную форму. Спектры сигналов определяются по следующей формуле:

U(t) = g()2f * j

где =2f - круговая частота в рад/с;

u(t) - исследуемый  сигнал;

g() - функция  напряжения от частоты (спектр);

j - мнимая единица.

Периодические сигналы имеют дискретный спектр, непериодические - сплошной. Конечные во времени сигналы имеют бесконечный спектр. Периодические бесконечные во времени сигналы имеют ограниченный спектр.

2.3 Энергетические параметры сигналов

       Энергия сигнала на некотором отрезке времени [0;T], называемом временем наблюдения, определяется выражением или через спектр fн и fв - соответственно нижняя и верхняя частоты спектра сигнала (ограниченный спектр).