Общее описание и преимущества
CDMA
1. Общее описание и
преимущества .
1.1 История развития
В последние годы значительный
прогресс в телекоммуникационных технологиях
достигнут благодаря переходу на цифровые
виды связи, которые, в свою очередь, базируются
на стремительном развитии микропроцессоров.
Один из ярких примеров этого - появление
и быстрое внедрение технологии связи
с цифровыми шумоподобными сигналами
и с методами многостанционного доступа
с кодовым разделением каналов, теория
которого была разработана в 1935 г. Хронология
становления CDMA выглядит так:
1935 г. - В СССР опубликована
первая работа посвящённая обработке
сложных сигналов - "Основы теории
линейной селекции. Кодовое разделение
каналов". Сборник ЛЭИС. Ее написал
профессор Дмитрий Васильевич
Агеев .Работа вышла небольшой брошюрой
и содержала основы ортогонального разделения
сигналов, разделения сигналов по форме.
1942 г. - Голливудская актриса
Хедди Ламарк во время второй мировой
войны оставила свою профессию и занялась
частотным кодированием. Она одной из
первых разработала frequency hopping, "перескок
частоты". Эти работы велись под грифом
"секретно". Примерно в одно и то же
время появились работы "Математическая
теория связи" Клода Э. Шеннона и "Теория
потенциальной помехоустойчивости"
Владимира Александровича Котельникова.
Шеннон и Котельников по сути создали
научную базу для разработки технологии
МДКР .
1943 г. - В США описана
система скрытой передачи речи,
в которой информационный сигнал,
сформированный с помощью узкополосной
частотной модуляции гармонической
поднесущей речевым сообщением, перемножался
с широкополосным сигналом.
1956 г. - Лабораторией Линкольна
Массачусетского технологического
института разработана и испытана
в реальных условиях система
телеграфной КВ радиосвязи "Rake"
с разделением лучей и суммированием их
энергий.
Филипп Годварт опубликовал
принципиальнейшую работу "Принцип
неопределенности в радиолокации",
в которой было отмечено, что можно создать
сигналы с базой значительно больше единицы.
Это первый сигнал, относящийся к разряду
широкополосных (ШПС). Параллельно в нашей
стране был создан радиолокатор с линейно-частотной
модуляцией. Начинались разработки систем
МДКР именно с радиолокации, а только потом
эти методы стали использоваться в радиоуправлении.
1960 г. - В США выпущена
система связи ARC-50. Ее экспериментальные
исследования начались в 1956г.
Система связи использовалась
для организации обмена речевыми
сообщениями между самолётом
и наземными службами, а также
для определения расстояния до
самолёта. В ARC-50 впервые были использованы
технические решения, которые
в дальнейшем стали базовыми
при проектировании систем связи
с шумоподобными сигналами (ШПС).
1960 г. - В США разработана
специальная система телефонной
связи с использованием ШПС
RACEP, обеспечивающая связь с подвижными
наземными абонентами.
60-е годы - По мере развития
методов аналого-цифрового преобразования
речевых сигналов появились первые
предложения использовать ШПС
в коммерческих системах связи.
В это же время фирмой Motorola
предложена широкополосная система передачи
речи с использованием дельта-функции.
70-80 годы - В США активно
внедрялись системы спутниковой
связи, авиационные, сухопутной
подвижной связи. Наиболее крупной
явилась объединённая система
распределения тактической информации
JTIDS, созданная для нужд ВВС
США. Другая военная система
с ШПС SINCGARC предназначалась для обеспечения
связи между наземными объектами и самолётами.
Были созданы такие спутниковые системы
как MIL-STAR для нужд стратегической и тактической
связи, FLEITSATCOM для нужд тактической связи
ВМС США и др.
Конец 80-х годов - В США
развёрнута первая спутниковая система
связи коммерческого назначения
по технологии CDMA Omni TRACKS, разработанная
компанией Qualcomm.
1988 г. - Ассоциация производителей
оборудования сотовой связи (CTIA)
опубликовала документ UPR, который
определял требования к ССПС (Системам
Сухопутной Подвижной Связи). К
их числу относились:
десятикратное увеличение эффективности
использования частотного спектра
по сравнению с существующими
аналоговыми системами;
обратная совместимость
с существующими аналоговыми
системами;
разумная стоимость абонентского
терминала;
возможность введения новых
услуг;
качественное улучшение
предоставляемых услуг
1991 г. - Компанией Qualcomm разработан
проект стандарта IS-95.
1993 г. - Ассоциацией производителей
оборудования связи (TIA) утверждена
базовая версия IS-95, и в июле 1993
г. Федеральная комиссия по
связи США (FCC) признала в качестве
стандарта IS-95 предложенную компанией
Qualcomm технологию цифровой сотовой связи
на основе CDMA.
1995 г. - Эксплуатация первой
коммерческой сотовой системы
мобильной связи на базе технологии
CDMA IS-95 в Гонконге.
.. На сегодня уже многие
специалисты в сфере телекоммуникаций
полагают, что технология сотовой
связи с кодовым разделением
каналов CDMA (Code Division Multiple Access) в ближайшие
годы нового столетия затмит собой все
остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS
и другие, составляя серьезную конкуренцию
цифровым технологиям на базе TDMA.
1.2 Особенности
CDMA обеспечивает cущественное
увеличение емкости сети. Как и метод множественного
доступа, он подразумевает передачу голосовой
информации только в оцифрованном виде.
Не случайно подчеркивается, 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 переводится
на русский язык как "распределенный",
или "растянутый", "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.
Полосы информационных сигналов могут
быть расширены с коэффициентами от 10
до 10000 за счет представления их специальными
двоичными последовательностями с использованием
нескольких различных методов, описываемых
ниже . В результате получается сигнал,
который занимает больший частотный диапазон
и имеет значительно меньшую интенсивность,
чем получаемый при узкополосной модуляции.
В этом случае информацию
можно принять , 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 канала
связи от перехвата (intercepting), помех (jamming)
и подслушивания (covertness) . Для понимания
принципа работы 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 ( для IS-95: 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 зависит
от числа используемых каналов.
Общеизвестно, что мобильный
телефон обеспечивает не слишком
высокое качество связи. В городах,
где обычно и развертываются
сети мобильной связи, имеется
много индустриальных помех. Распространяясь
между базовой станцией и мобильным
аппаратом, радиоволна многократно
отражается от препятствий; в
результате интерференции сигналов,
прошедших разными путями, интенсивность
принимаемого сигнала может внезапно
упасть. То есть сигнал от отправителя
к получателю попадает не только
по самому короткому пути - прямой,
но и другими путями. Это свойство
распространения радиосигнала называется
многолучевостью. Многолучевое распространение
может вызывать ряд нежелательных эффектов.
Радиосигналы, доходя до получателя разными
путями, будут испытывать соответственно
разные временные задержки. В точке приема
сигналы суммируются. Если при этом среди
отраженных сигналов преобладают сигналы,
синфазные прямому, сигнал усиливается,
если больше противофазных - ослабевает.
Такие явления, называемые в радиотехнике
замираниями или федингами (fading), обычно
наблюдаются в ограниченных пространственных
областях, чьи форма и расположение определяются
расположением зданий и длиной волны,
на которой ведется передача. Наконец,
качество связи заметно снижается при
переходах мобильного абонента от одной
ячейки сети к другой: во многих стандартах
сотовой связи осуществляется так называемое
"жесткое переключение" (hard handoff),
при котором сначала разрывается связь
с покидаемой ячейкой и только после этого
устанавливается связь с новой.
С этих позиций очень
большие преимущества с точки
зрения качества связи дает
применение широкополосной модуляции
сигнала . Широкополосный сигнал значительно
меньше страдает от помех, особенно узкополосных.
Узкополосная помеха способна "испортить"
широкополосный сигнал только в каком-то
относительно узком частотном диапазоне,
и полезная информация может быть восстановлена
по неповрежденным участкам несущего
диапазона. Это относится и к федингам,
о которых говорилось выше: интерференция
прошедших разными путями сигналов приводит
к снижению суммарной интенсивности лишь
в достаточно узком частотном диапазоне,
и снова полезную информацию можно восстановить
по неповрежденной части сигнала. Конечно,
сигнал несколько ухудшается, однако это
несопоставимо с потерями качества связи
при использовании обычных методов модуляции.
Воздействие узкополосных помех
(а) и федингов (б) на широкополосный
сигнал.
Таким образом, можно
сделать следующие выводы :
При перемещении точки
приема условия периодически
изменяются, так как сложение
волн, приходящих с разных направлений,
создает пространственную интерференционную
картину (этот эффект особенно
сильно сказывается на мобильных
пользователях и типичен для
узкополосных систем). Для систем
со Spread Spectrum действие этого эффекта
сильно ослабляется из-за того, что на
разных частотах в пределах его широкого
спектра создаются разные интерференционные
картины, что и вызывает выравнивание
результирующего сигнала.
Время задержки сигналов
при прохождении больших расстояний
может меняться из-за изменений
характеристик среды распространения,
причем это сказывается по-разному
на сигналах, приходящих разными
путями, что при сложении вызывает
временные флуктуации уровня
сигнала ( замирания). Несинфазное изменение
уровня сигнала на разных частотах спектра
Spread Spectrum сигнала приводит к сильному
ослаблению этого эффекта на подобные
системы.
Помимо повышения
качества связи, устойчивость CDMA
к федингам приводит к значительной
экономии ресурса источников
питания и улучшению экологических
параметров мобильных телефонов.
В других сетях мобильные телефоны
обычно работают на более высокой
мощности, чем это нужно для
устойчивой связи с базовой
станцией, что позволяет при внезапном
возникновении фединга не потерять
связь (происходит лишь значительное
снижение ее качества). В CDMA же
такой резерв не нужен, поэтому
телефон может работать с меньшей
мощностью передаваемого сигнала.
Этим не ограничиваются
преимущества технологии CDMA, связанные
с использованием широкополосной
модуляции сигнала. Вместо жесткого
переключения (hard handoff, или break before make) от
ячейки к ячейке, принятого во всех прочих
сотовых сетях, в CDMA можно использовать
мягкий переход (soft handoff, или make before break):
мобильный аппарат сначала устанавливает
связь с базовой станцией, в зону действия
которой он переходит, и только после этого
освобождает канал в покидаемой ячейке.
Это возможно за счет того, что и в покидаемой,
и в новой ячейке используется одна и та
же несущая частота. Данное преимущество
заметнее всего сказывается на работе
телефонов, находящихся в пограничной
зоне между двумя ячейками, где уровни
сигналов от базовых станций примерно
одинаковы. Тогда выбор базовой станции
в значительной степени определяется
случайными причинами, и абонент подключается
то к одной, то к другой станции. При жестком
переходе частые переключения значительно
ухудшают качество связи и даже могут
привести к ее обрыву, а при мягком переходе
ничего подобного не происходит.
Нижеследующее изложение
принципов CDMA будет частично построено
на описании некоторых действующих
стандартов, таких как IS-95 и RadioEthernet
(802.11).
2. Принципы кодового разделения
каналов
Принципы кодового разделения
каналов связи CDMA как уже отмечалось,основаны
на использовании широкополосных сигналов
(ШПС), полоса которых значительно превышает
полосу частот, необходимую для обычной
передачи сообщений, например, в узкополосных
системах с частотным разделением каналов
(FDMA). Основной характеристикой ШПС является
база сигнала, определяемая как произведение
ширины его спектра F на его длительность
Т :
В= F*T
В результате перемножения
сигнала источника псевдослучайного
шума с информационным сигналом
энергия последнего распределяется
в широкой полосе частот, т.
е. его спектр расширяется.
В радиоустройствах, построенные
по технологии Spread Spectrum (распределенный
спектр),расширение спектра передаваемого
сигнала осуществляется при помощи псевдослучайной
последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей
алгоритм распределения. Каждое приемное
устройство для декодирования сообщения
должно знать кодирующую последовательность.
Устройства, имеющие различные PN, фактически
не "слышат" друг друга. Так как мощность
сигнала распределяется по широкой полосе,
сам сигнал оказывается "спрятанным"
в шумах и по своим спектральным характеристикам
также напоминает шум в радиоканале.
Метод широкополосной
передачи был подробно описан
К. Е. Шенноном, который первым
ввел понятие пропускной способности
канала и установил связь между
возможностью осуществления безошибочной
передачи информации по каналу
с заданным отношением сигнал/шум
и полосой частот, отведенной
для передачи информации. Для
любого заданного отношения сигнал/шум
малая частота ошибок при передаче
достигается при увеличении полосы
частот, отводимой для передачи
информации.