Сотовые сети стандарта СDMA. Принципы работы сотовая сеть стандарт радиосвязь

Отличительными  характеристиками системы CDMA являются усовершенствованные функции обнаружения  и коррекции ошибок, поддержка более совершенных вокодеров, пространственное разнесение приемных антенн, "мягкая" передача абонентского терминала (handover) и точное управление мощностью передаваемого сигнала. Все это обеспечивает более высокое качество передачи речи, чем в системах TDMA или FDMA.

Усовершенствованные функции обнаружения и коррекции  ошибок. В системе CDMA применяются  мощные и совершенные алгоритмы  обнаружения и коррекции ошибок. В случае обнаружения искаженных речевых данных последние исправляются либо данные обрабатываются таким образом, что эти искажения становятся минимальными.

Поддержка высококачественных вокодеров. Одним из уникальных достоинств стандарта CDMA стала одновременная  поддержка многочисленных высококачественных вокодеров внутри системы. Для сравнения  отмечу, что в системах TDMA такой поддержки нет. Новыми вокодерами для систем CDMA являются следующие: вокодер с генерацией кода и линейным предсказанием (Code Excited Linear Predictive - CELP), работающий на скорости 13 Кбит/с, и усовершенствованный вокодер с переменной скоростью (Enhanced Variable Rate Vocoder - EVRC), работающий на скорости 8 Кбит/с. Они обеспечивают лучшее качество передачи речи, чем используемый в настоящее время вокодер CDMA на 8 Кбит/с. Однако использование вокодеров на этой скорости отрицательно влияет как на пропускную способность системы, так и на площадь, которую она обслуживает, - она уменьшается. Снижение пропускной способности можно свести к минимуму и даже совсем устранить, если в перегруженных сотовых ячейках применять вокодеры, работающие на скорости 8 Кбит/с

Помехоустойчивость  и борьба с замираниями. При использовании  радиосигналов сталкиваются с наличием замираний принимаемого сигнала, вызванных  его многолучевым распространением. Системы, базирующиеся на технологии TDMA, и аналоговые системы особенно подвержены этому, поскольку они являются узкополосными системами передачи. Главным же преимуществом использования широкополосных шумоподобных сигналов является то, что они дают возможность разделить пришедший радиосигнал на отдельные лучи-сигналы. Реализацию этого преимущества можно увидеть на примере приемной системы Rake (переводится как "грабли"). Название связано с тем, что на выходе коррелятора системы сигнал принимает вид серии узких пиков, которые для обеспечения более эффективного приема сигнала при дальнейшей обработке суммируются, образуя один пик. Широкополосный сигнал CDMA также подвержен частотно-селективному замиранию. В качестве примера рассмотрим, что произойдет при частотно-селективном замирании глубиной 12 дБ в полосе частот 400 кГц. Для сигнала CDMA с шириной полосы 1,23 МГц действие этого замирания распространяется на 1/3 всей полосы сигнала. Поскольку энергия речевого сигнала, передаваемого по телефону, распределяется по всей ширине его полосы, то воздействие замирания рассматривается как среднее значение, и проявляется оно в общем снижении уровня сигнала приблизительно на 2 дБ. Если то же самое замирание глубиной 12 дБ в полосе частот 400 кГц приходится на пик спектральной плотности узкополосного сигнала шириной 30 кГц (такую ширину имеет радиосигнал некоторых аналоговых систем), тогда это замирание будет воздействовать на весь сигнал в этой полосе. В результате уровень сигнала снизится на 12 дБ. Этот "удар" по сигналу куда серьезнее: он может привести к значительному ухудшению качества передачи речи или даже к срыву вызова. Благодаря частотной избыточности системы CDMA могут успешно работать при наличии в их полосе обычных узкополосных радиостанций. В этом случае оператор или система вырезают пораженные участки спектра. При таком воздействии помехоустойчивость системы CDMA снижается пропорционально ширине полосы. Отмечу, если узкополосное устройство подавления действует на той же частоте, что и полезный сигнал системы TDMA или FDMA, и имеет достаточную мощность, оно может подавить информационный сигнал полностью. Пространственное разнесение двух приемных антенн. Принцип пространственного разнесения базируется на том, что распределение уровня сигнала при движении абонента состоит из пиковых и нулевых значений. Когда одно из этих нулевых значений приходится на одну антенну, то уровень принятого сигнала снижается. Однако если вторая антенна размещена на некотором расстоянии, то она может оказаться вне зоны нулевого уровня сигнала и будет принимать сигнал допустимого уровня.

"Мягкая" передача  трубки. Все аналоговые сотовые  системы или сотовые системы  TDMA используют "жесткую" передачу  абонентского терминала. При такой  передаче аппарат абонента теряет  канал до того, как будет занят  следующий. По технологии CDMA используется "мягкая" передача абонентского терминала. За телефоном абонента непрерывно следят две или три базовые станции. Схема транскодера CDMA такова, что позволяет сравнивать качество сигналов от двух приемников базовых станций и захватывать лучший. Режим "мягкой" передачи трубки устраняет короткие перерывы в передаче речи, которые часто случаются в сетях сотовой связи технологий FDMA и TDMA при переходе от одной базовой станции к другой. В этих сетях происходит "конкурентная борьба" за сигнал, и когда Сота В "побеждает" Соту А, абонент последней теряется - происходит так называемая "жесткая" передача трубки.

Как и у каждого  стандарта сотовой связи, в системе CDMA присутствуют дополнительные службы. Далее я опишу наиболее популярные из них.

Служба коротких сообщений CDMA (SMS). Эта служба обеспечивает обмен буквенно-цифровыми сообщениями (вызов абонента и т.д.) через инфраструктуру CDMA. Сообщения могут исходить либо от сети, либо с телефона абонента. Последний может быть телефоном для передачи речи, терминалом для передачи данных или специализированной системой для ввода коротких сообщений.

Активация по радиоканалу. Эта функция дает возможность  потенциальным абонентам сотовых  сетей связи активировать телефон  абонента без вмешательства третьей  стороны, например авторизованного дилера. Одной из главных целей активации по радиоканалу является предоставление аппарату абонента безопасного ключа, облегчающего процесс аутентификации. Другим возможным применением активации по радиоканалу может быть автоматическое обновление информации о роуминге, обеспечивающее пользователям легкий доступ к системам CDMA по всему миру.

Передача данных и факсимильных сообщений в CDMA. В  системе CDMA поддерживается одновременная  передача речи и данных. Два цифровых потока информации мультиплексируются на покадровой основе, причем речь имеет приоритет над данными, что позволяет поддерживать надлежащее качество ее передачи. Достоверность передачи данных, обеспечиваемая технологией CDMA, выше, чем в аналоговых системах или системах TDMA. Одной из отличительных особенностей передачи данных по технологии CDMA является применение двух протоколов для коррекции и передачи сигнала: радиолинии (Radio Linк Protoсol - RLP) и управления передачей (Transmission Control Protocol - TCP). Это значительно повышает безошибочность работы системы. Использование технологии CDMA для передачи данных обеспечивает абоненту значительно более высокую мобильность по сравнению с аналоговыми системами. Испытания с участием поставщиков абонентского оборудования показали, что абонент может позвонить по телефону из того же места, откуда посылает факс, выйти в сеть Интернет и т.д. В будущем системы CDMA смогут поддерживать синхронные и асинхронные службы передачи данных. Модем в этой системе будет находиться не в аппарате абонента, а в сети. Это обеспечивает прямую цифровую связь через радиоканал, устраняя необходимость преобразовывать цифровой сигнал в аналоговый и обратно. При таком подходе к построению сети сотовой связи любой абонент ее обеспечивается "прозрачной" связью с модемом стационарной линии. При этом модем пользователя этой линии может работать с любой существующей техникой модуляции V-серии. Управление потоком информации является составной частью системы CDMA, поэтому скорость передачи по радиоканалу отличается от скорости стационарной линии. Например, для уменьшения задержки скорость передачи данных по радиоканалу может быть выше скорости стационарной линии. И наоборот, чтобы поддерживать больше пользователей, имеющих одновременные запросы для передачи данных, скорость передачи по радиоканалу может быть ниже скорости стационарной линии.

Служба пакетной передачи данных. Пакетная передача данных обеспечивает абонентам возможность  непосредственного подключения  к сети Интернет и другим сетям. Последнее  будет устанавливаться через IP-адреса, которые посылаются как часть сообщения с пакетными данными. Во многих случаях для этого типа соединений не требуется никакого взаимодействия модемов. Одно из главных достоинств пакетного режима передачи данных - это возможность аппарата абонента связываться со множеством точек во время одного и того же сеанса. Другое преимущество заключается в том, что радиочастотные ресурсы сети не заняты, когда аппарат абонента не передает никаких пакетов, - таким образом, они становятся доступными другим пользователям. На больших скоростях, т.е. превышающих 14,4 Кбит/с, пакетная передача данных будет более эффективной, чем коммутация каналов (передача речи одним абонентом). Это возможно за счет разделения спектрального диапазона между большим числом пользователей. Пакетный режим передачи данных и передача данных по коммутируемым линиям дополняют друг друга.Приложения режима пакетной передачи данных будут поддерживать переключения с передачи речи на передачу данных. Это означает, что во время вызова в таком режиме абонент может отменить поступление входящего речевого вызова и решить, следует ему продолжать пакетную связь или можно принять речевой вызов. CDMA является цифровой технологией, открывающей двери в новое поколение услуг и средств беспроводной передачи данных. Используя цифровое кодирование и "широкий спектр" радиочастотных технологий, CDMA обеспечивает более высокое качество голосовой связи, лучшую секретность информации, более высокую пропускную способность системы и гибкость, по сравнению с другими технологиями беспроводной связи, а также предоставляет широкий диапазон передовых услуг, таких как обмен оперативными сообщениями, электронная почта и доступ в Интернет.

4.1 Стандарт CDMA

Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением. В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк и каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. Эта система использует наборы каналов шириной 1.23МГц. Голос кодируется на скорости 8.55кбит/с, но определение голосовой активности и различные скорости кодирования могут урезать поток данных до 1200бит/с. В системах CDMA могут устанавливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала, теоретически - сигнал может быть слабее, чем уровень шума.

4.2 Стандарт CDMAOne

Стандарт cdmaOne, существует в вариациях IS-95a, IS-95b (cellular по американской терминологии, 800 МГц) и J-STD-008 (PCS, диапазон 1900). Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в Ассоциации телекоммуникационной промышленности TIA (Telecommunications Industry Association). Как правило, в сетях cdmaOne используется IS-95a, он обеспечивают передачу сигнала со скоростью 9,6 кбит/с (с кодированием) и 14,4 кбит/с (без кодирования). Версия IS-95b основана на объединении нескольких каналов CDMA, организуемых в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Скорость может увеличиваться до 28,8 кбит/с (при объединении двух каналов по 14,4 кбит/с) или до 115,2 кбит/с (8 каналов по 14,4 кбит/с). Собственно, кроме IS-95 сети cdmaOne используют еще целый набор протоколов и стандартов, их список можно найти в любой достаточно глубокой статье по этой теме.

Коммерческие  сети cdmaOne появились в 1995 году и пользуются заслуженной популярностью как на своей родине, в Америке, так и в Азии. Именно cdmaOne подразумевают под терминами "CDMA" и "CDMA-800" (наибольшее распространение получил именно 800-мегагерцовый вариант, IS-95). Прямой и обратный каналы располагаются соответственно в диапазонах 869,040-893,970 и 824,040-848,860 МГц. Используются 64 кода Уолша и несущие в 1.25 МГц.

4.3 Стандарт WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA) - технология радиоинтерфейса избранная большинством операторов сотовой связи Японии и (в январе 1988 года) институтом ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг третьего поколения. Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, посему ширина полосы WCDMA составляет5 Мгц. Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости.

WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов) представляет собой технологию, использующую расширенную полосу пропускания и разновидность принципа DMA. Это технология мобильной радиосвязи третьего поколения, обеспечивающая значительно более высокие скорости передачи данных, чем стандарт GSM. WCDMA поддерживает передачу голоса, изображений, данных и видео в сетях мобильной связи на скорости до 2 Мбит/с (локальный доступ) или 384 кбит/с (глобальный доступ). WCDMA используется в основном в Европе при переходе от стандарта GSM к стандарту UMTS

4.4 Стандарт CDMA2000

Стандарт cdma2000 является дальнейшим развитием стандарта 2 поколения cdmaOne. Дальнейшим развитием cdmaOne должен был стать IS-95c, и именно это обозначение очень часто используется производителями.

Официальным обновлением  стандарта, разработанным компанией Qualcomm и утвержденным ITU (Международный союз электросвязи, International Telecommunication Union), является cdma2000. В документах Lucent Technologies встречается обозначение IS-2000. Наконец, международный союз электросвязи (МСЭ) отобрал из десяти предложенных проектов пять радиоинтерфейсов третьего поколения IMT-2000 (International Mobile Telecommunications System - 2000 - Международная система мобильной связи - 2000), в их числе - IMT-MC (Multi Carrier), который представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95). Еще один из пяти стандартов IMT-2000 - IMT-DS (Direct Spread) - построен на базе проектов W-CDMA и взят за основу европейской системы UMTS. На начало 2003г. из 127 миллионов пользователей CDMA почти 15 миллионов использовали технологию cdma2000. В течение первых семи месяцев 2002 года, в Азии и Америке было запущено 11 сетей CDMA2000 и общее количество этих сетей составляло 18. Это - 99% рынка 3G, на IMT-MC приходилось 14.8 миллионов абонентов, на UMTS - 0.13 миллиона. Однако, стоит отметить, что реализованная фаза cdma2000 1X все же не является полноценным 3G, ибо не дотягивает до обязательных двух мегабит. Поэтому ее чаще называют 2.5G. Изначально cdma2000 (IMT-MC) разделили на две фазы - 1X и 3X. Именно к первой фазе применяется название IS-95C. А вторую позже назвали 1X-EV (evolution), разделив ее на две фазы - cdma2000 1X EV-DO (data only) и cdma2000 1X EV-DV (data & voice).

5 Расчетные  показтели СDMA

Рекомендации:

1. Если при  построении профиля трассы у  Вас обнаружилось препятствие  - попробуйте увеличить высоту  антенны. Зная точно высоту  БС, добавляйте по 1м высоты для  своей антенны, чтобы добиться  прямой оптической или радиовидимости  для сигнала. Еси оптическая видимость требует установки антенны более 15...20м, используйте построение трассы по радиовидимости.

2. Если в вашей  местности есть отраженный сигнал - расположите антенну в горизонтальной  плоскости, как телевизионную.  Добейтесь максимально возможных показателей по программе Axesstel. Антенна можно ставить и по диагонали, а не строго в горизонтаьной или вертикальной плоскости, можно приподымать или опускать траверсу над уровнем горизонта для получения лучшего уровня сигнала. Это связано с распространением отраженных волн, если нет прямой видимости. В общем, можно и нужно экспериментировать при настройке антенны.

3. Если Вы  находитесь на расстоянии до 10км  от БС, достаточно будет антенны  с усилением 10...12дБ, с триной  траверсы примерно 1м.