Выполнил студент
группы 09-ОЗИ1
Ильенко А. К.
Преподаватель:
Дракин А.Ю.

Сотовая связь стандарта CDMA

ВВЕДЕНИЕ

Мобильная связь – одно из современных направлений в области связи, интенсивно развивающееся на протяжении вот уже нескольких десятилетий.
CDMA (Code Division Multiple Access) - полностью цифровой стандарт связи.
Данный стандарт разрабатывался еще в 30-х годах ХХ века. В течение нескольких десятилетий сигнал использовался лишь в военных системах связи. Стоит отметить, что стандарт использовался не только армией США, но и армией СССР. Военные неспроста выбрали данный стандарт.
Стандарт связи CDMA имеет множество преимуществ. Вполне логично, что развитие стандарта не стояло на месте, и он много раз совершенствовался, изменялся, дополнялся. Не остановилось развитие и сейчас. В число преимуществ стандарта связи CDMA можно отнести высокую скорость передачи данных, высокую мобильность, надежность, безопасность и т. д.
Подробнее все преимущества, недостатки и технические характеристики стандарта раскрыты в данном реферате.

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ СТАНДАРТА

История технологии CDMA берёт своё начало в далёкие 30-е годы прошлого (ХХ) столетия.
«В 1935 году в СССР академик Агеев Дмитрий Васильевич издал небольшим тиражом брошюру под странным названием "Кодовое разделение каналов". В ней были определены основы ортогонального разделения сигналов, разделения сигналов по форме. В то время реально существовал только один способ разделения каналов связи - частотный. И относилось это, в основном, к каналам радиосвязи. При таком методе каждый канал занимает некоторую свою полосу в общем спектре частот. Эти полосы относительно узки и разделены между собой защитными интервалами. Частотный диапазон в те далёкие времена ещё не был так перегружен как сегодня, поэтому использование такого способа разделения каналов связи считалось достаточно простым и логичным, поскольку осуществлялась манипуляция только одним параметром сигнала - частотой. Однако учёные, работавшие в области разработок новейших систем связи, в общем, и радиосвязи, в частности, понимали, что такая идиллия не будет долгой. И вскоре придётся заниматься проблемой более экономичного использования частотного ресурса. Кроме того, узкополосные радиосигналы оказались очень чувствительны к селективным замираниям. Требовалось разработать методику, которая минимизирует потери полезного сигнала за счёт селективных замираний и позволит бережнее относиться к используемому диапазону частот. Иными словами говоря, требовались новые способы разделения каналов связи и новые принципы формирования этих самых каналов, которые бы повысили помехозащищённость полезных сигналов и позволяли бы повторно использовать одни и те же полосы частот.»
«Несколько позже, примерно в одно и то же время, появляются работы "Математическая теория связи" Клода Шеннона (США) и "Теория потенциальной помехоустойчивости" Владимира Александровича Котельникова (СССР). В конце 40-х годов Филипп Годварт опубликовал работу "Принцип неопределенности в радиолокации", в которой показал, что можно создавать сигналы с базой (произведением длительности сигнала на полосу частот, которую он занимает) значительно больше единицы. По сути, это было первое описание сигналов, относящихся к разряду широкополосных (ШПС).» (4)
«Таким образом, эти люди создавали научную базу для разработки интереснейших технологий в области радиосвязи. Однако в то время ни аппаратные, ни тем более программные средства ещё не позволяли реализовать на практике использование тех сложных математических алгоритмов, которые были необходимы для создания систем с кодовым разделением каналов.
Впервые радиооборудование, использующее кодовое разделение каналов, появилось в США где-то в конце 50-х годов. Технология CDMA нашла применение в военных системах, где успешно отработала более двух десятков лет. Однако, существующая на тот момент элементная база, несовершенное программное обеспечение, недостаточное финансирование закрытых разработок по CDMA и относительно невысокие емкости сетей с кодовым разделением каналов не позволяли в полном объеме использовать все преимущества нового метода доступа. Во второй половине 80-х годов военное ведомство США рассекретило данную технологию и разрешило ее использование в гражданских средствах радиосвязи (диапазон 800 МГц).» (4)
«Своим появлением гражданская технология CDMA обязана инженеру, доктору технических наук, Ирвину Марку Джейкобсу. После более чем двадцатилетней работы над TDMA и спутниковыми системами VSAT он занялся CDMA. Метод широкополосной передачи сигналов и уникальная устойчивость к помехам могли, по его мнению, дать значительный выигрыш в емкости и эффективности использования радиочастот.
Первого июля 1985 года доктор Джейкобс учредил и возглавил фирму "QUALCOMM" (Сан-Диего, штат Калифорния), которая сразу же стала осваивать международный рынок мобильной спутниковой связи, цифровых сотовых систем и телефонии. В 1989 году эта компания буквально взорвала рынок, заявив, что использование технологии CDMA может в 20 раз увеличить емкость аналоговых сотовых сетей. Поначалу возможность коммерческого использования новой технологии оспаривалась сторонниками TDMA, которые видели слишком много технических препятствий для ее реализации. Однако уже в 1991 году сомнения развеялись после успешно проведенных полевых испытаний. Рекомендации IS-95 были приняты Ассоциацией телекоммуникационной промышленности (TIA) и уже в 1992 году превратились в стандарт цифровой сотовой радиотелефонной связи.» (4)
«Коммерческие права на пакет технологий CDMA у QUALCOMM приобрели 39 азиатских, европейских и американских производителей, среди которых такие известные компании, как MOTOROLA, LUCENT TECHNOLOGIES, NORTEL, LG, SAMSUNG, SONY, NEC, ERICSSON и другие.
В сентябре 1995 года в Гонконге фирма HUTCHISON начала развертывание первой в мире коммерческой сети CDMA, используя базовое оборудование Motorola (базовые станции SC 9600 и коммутирующее оборудование EMX 2500) и мобильные телефоны Qualcomm. На конец 1996 года эта сеть насчитывала 113 сот, работала на одном частотном канале с полосой 1,25 МГц и обслуживала более 40.000 абонентов.» (3)
Правда, соты CDMA были наложены на существующую сеть AMPS и мобильные терминалы работали в двойном режиме, т.е. при сбое в CDMA-сети абонентский терминал автоматически переключался в сеть AMPS (FDMA).
«В Корее в январе 1996 года фирма КМТ, используя оборудование Gold Star, начала коммерческую эксплуатацию CDMA-сети. А в апреле Shinsengi Telecom начала создавать новую сеть на базе оборудования Samsung, Sony, Qualcomm. На конец 1996 года эти сети обслуживали более 200.000 клиентов. Корея приняла IS-95 в качестве национального стандарта сотовой связи.
В США развертыванием CDMA-сетей занимаются такие фирмы, как Air Touch (Сан-Диего, Лос-Анджелес), BANM (Трентон, Нью-Джерси), 360-Communications (Лас-Вегас, Невада). Они используют базовое оборудование Qualcomm, Lucent Technologies, Motorola, а также абонентские терминалы фирм Qualcomm, Sony, Nortel.
В Австралии, в канун Олимпийских игр, были построены сети сотовой мобильной радиотелефонной связи в Сиднее и Мельбурне на базе оборудования CDMA-one (IS-95) производства фирмы Samsung.» (4)
Всего же системы CDMA были развёрнуты в 34 странах мира.
В отличие от других технологий, CDMA обеспечивает высокое качество речи, и стала первой цифровой технологией, удовлетворяющей высоким международным стандартам. По характеристикам качество передачи речи сопоставимы с качеством проводных телефонов, при этом отличительной особенностью является отсутствие помех, акустического фона и искажений в передаваемой информации. Встроенная система кодирования обеспечивает высокую степень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа и прослушивания. Технология CDMA позволяет передавать факсимильные сообщения, а также предоставлять услуги передачи данных.

Стандарт CDMA разрабатывался еще в 30-х годах минувшего столетия. На тот момент стандарт носил название CDMA One. Это был полностью цифровой сигнал, работающий в диапазоне частот 824 – 849 МГц для приема и 874 – 899 МГц для передачи.

Стандарт третьего поколения, основанный на IS-95. Является витком развития от стандарта CDMA One. В стандарте появилась поддержка набора услуг 3G, определенных International Telecommunications Union (ITU) для IMT-2000.
Фактически сигнал являлся переходным и вскоре был заменен более современным WCDMA. Основная задача - расширение существующих сетей CDMA путем добавления системы пакетной передачи данных и обеспечение, таким образом, плавного перехода к сетям третьего поколения.
Внедрение CDMA 2000 предусматривает две фазы - 1Х и 3Х. Первая фаза (CDMA 2000 1X / IS-2000), спецификация которой завершена и опубликована Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности, должна обеспечить скорости доступа в 144 Кбит/с, вторая (CDMA 2000-3X / IS-2000-A), разработка которой будет закончена в 2000 году - до 2 Мбит/с.

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA) - технология радиоинтерфейса, изобретенная компанией ERICSSON и избранная большинством операторов сотовой связи Японии (в январе 1988 г.) и институтом ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг третьего поколения.
Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг, таких как видео, доступ в Интернет и видеоконференции. Обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и до 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, посему ширина полосы WCDMA составляет 5 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.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

«СDMA - система множественного доступа с кодовым разделением - стала, возможно, самой многообещающей системой, появившейся на мировом рынке. Десятилетия назад эта технология использовалась в военной связи (США), а сегодня известна всем как глобальный цифровой стандарт для коммерческих систем коммуникаций.
За последние годы технология использования CDMA была протестирована, стандартизирована, лицензирована и запущена в производство большинством поставщиков беспроводного оборудования и уже применяется во всем мире.
В отличие от других методов доступа абонентов к сети, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Фактически метод манипулирует и частотой, и временем, и энергией.» (1, с.61)
«В технологии CDMA возможно обеспечение высокого качества речи при одновременном снижении излучаемой мощности и уровне шумов. Результатом является постоянное высокое качество передачи речи и данных с минимальной средней выходной мощностью. В сотни раз меньшее значение выходной мощности в отличие от других, используемых в настоящее время стандартов - отличительное качество технологии CDMA при рассмотрении двух немаловажных факторов: воздействия на организм человека и продолжительности работы без подзарядки аккумулятора. Емкость CDMA от десяти до двадцати раз выше, чем у аналоговых систем, и от трех до шести раз превышает емкость других цифровых систем. Сети, построенные на ее основе, эффективно используют радиочастотный ресурс, благодаря возможности многократного использования одних тех же частот в сети.
Группа стандартов CDMA коренным образом отличается от своих собратьев по сотовой телефонии и эти стандарты по праву считаются стандартами 2.5 поколения.» (5)
«CDMA использует технологию Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread Spectrum. Основа DSSS - использование шумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы, чем необходимо для обычных способов модуляции. Хотя DSSS была изобретена ещё в 1940-е, коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной тому - отсутствие технологий позволяющих создавать малогабаритные приёмопередатчики использующие DSSS.
Используя разные псевдослучайные последовательности (коды) можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в одной и той же полосе частот.» (1, с.61)
«Ведя по телефону конфиденциальные переговоры, или осуществляя передачу данных, хотелось бы максимально обезопасить их от доступа и прослушивания со стороны третьих лиц. Учитывая тот факт, что технология CDMA изначально разрабатывалась для применения в армии США, нетрудно сделать вывод, что вопросам надежности работы системы и защиты передаваемой информации уделялось первоочередное внимание, поэтому технология CDMA гарантирует конфиденциальность Ваших переговоров. Возможности, предоставляемые пользователю:» (6)
• Выдающееся качество передачи звука и разговора. CDMA обеспечивает такое же высокое качество передачи голоса, как и при использовании обычной кабельной связи. Кроме этого, CDMA устраняет фоновые шумы, разговоры по параллельным каналам и помехи, увеличивая конфиденциальность информации и качество связи.
• Меньший расход энергии. Телефоны CDMA затрачивают на передачу данных существенно меньше энергии, чем телефоны, использующие другие технологии, в результате увеличивается срок работы батареи, продолжительность разговора и время ожидания. Используя меньшие батареи, производители могут выпускать меньшие по размеру, более легкие телефоны.
• Меньшее число прерванных разговоров. CDMA увеличивает пропускную способность системы, виртуально устраняя сигналы о занятой линии, параллельные и прерванные разговоры, являющиеся результатами переполнения системы. Используя запатентованный метод передачи звонков между ячейками, называемый "soft handoff", CDMA значительно сократил вероятность срывов звонков или прерываний во время работы в режиме громкоговорящей связи.
• Расширенная зона действия. Сигнал CDMA, охватывающий более широкий спектр, обеспечивает большую зону действия, чем другие беспроводные технологии, как в помещениях, так и за их пределами. Кроме того, CDMA используют другие типы телекоммуникационных систем, предоставляя единую, широкую зону действия и согласованность.
• Безопасность и секретность информации. Кроме устранения параллельных разговоров и посторонних шумов, широкого спектра передачи сообщени,зкдрвнных в цифровом виде, технология CDMA защищает от прослушивания. Кодирование голосовых сообщений CDMA также обеспечивает защиту от несанкционированного вмешательства и других видов мошенничества.
• Дополнительные услуги. Использование канала с цифровым управлением CDMA позволяет пользователям получать доступ к широкому диапазону новых услуг, включая идентификацию позвонившего абонента, передачу оперативных сообщений и передачу данных.

3. СТАНДАРТИЗАЦИЯ

«Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования стандарта IS-95 с кодовым разделением каналов (CDMA) впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в увеличении емкости системы сотовой связи по сравнению с аналоговой и увеличении эффективности использования выделенного спектра частот.
Система CDMA IS-95 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. 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 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. Таким образом, система абсолютно не нуждается в частотном планировании. Для уменьшения затрат 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.
Безопасность или конфиденциальность является свойством технологии CDMA, поэтому во многих случаях операторам сотовых сетей не потребуется специального оборудования шифрования сообщений.
Система CDMA Qualcomm построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования последовательностей 64 видов, 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 и 1200 бит/с.
В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 МГц.» (1, с.62-65)

«Стандарт CDMA 2000 является дальнейшим развитием стандарта второго поколения CDMA One. Дальнейшим развитием CDMA One должен был стать IS-95c, и именно это обозначение очень часто используется производителями.
Официальным обновлением стандарта, разработанным компанией Qualcomm и утвержденным ITU, является CDMA 2000. 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 CDMA 2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта CDMA One (IS-95).» (2, с.98,102-105)

«WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) - широкополосный метод множественного доступа с кодовым разделением. Эта технология представляет собой разновидность метода CDMA (Code Division Multiple Access). Главным его отличием от CDMA является дополнительная операция, проводимая до передачи сигнала в эфир – расширение.
Итак, рассмотрим общие принципы WCDMA. Вначале данные, полученные от источника информации, подвергаются расширению. Здесь речь идет о расширении спектра сигнала, основная цель которого распределить энергию сигнала в широкой полосе частот. Это достигается путем перемножения каждого бита полезного сигнала на специальную расширяющую последовательность. Такая процедура получила название spreading. Благодаря этому, скорость сигнала увеличивается, уменьшается длинна импульсов (теперь они называются чипами) и, следовательно, увеличивается занимаемая частотная полоса. После расширения производится аналогичная CDMA (Code Division Multiple Access) процедура: кодирования сигнала специальным ортогональным кодом. Эта процедура необходима для разделения источников информации на приемном конце и выделении требуемого сигнала.» (7)

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ

«Фирмы Qualcomm и Motorola разработали двухрежимные CDMA IS-95 подвижные станции, которые поддерживают связь с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS и N-AMPS). Это обстоятельство дает значительные преимущества абонентам CDMA IS-95, так как позволяет использовать свой радиотелефон там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие.
Структурная схема подвижной станции для CDMA IS-95 фирмы Qualcomm приведена на рис.4.1, Основное отличие между абонентскими станциями CDMA IS-95 и существующими станциями аналоговых стандартов заключается в добавлении в состав подвижных станций CDMA IS-95 функций цифровой обработки сигналов, которые реализованы в настоящее время на трех заказных СБИС. Эти три интегральные схемы конструктивно объединяются в одном устройстве.» (8)

«В системах связи CDMA IS-95 используются соты с круговой диаграммой направленности антенн или секторные соты (обычно 120-градусные).
На рис.4.2 показана типовая структурная схема базовой станции (BTS) для соты с круговой диаграммой направленности антенны с цифровым оборудованием, в состав которого входят канальные блоки. Каждый канальный блок может быть сконфигурирован как информационный канал или как служебный канал. Для синхронизации работы сети используется приемник GPS (глобальная система местоопределения). Сюда входят генератор, формирующий секундные импульсу. и опорный тактовый генератор.
Отсек приемопередатчика преобразует сигналы промежуточной частоты, сформированные в отсеке цифрового блока, в радиочастотный сигнал на несущей частоте и обеспечивает обратное преобразование принимаемого сигнала на промежуточную частоту. В направлении передачи сигнал проходит от приемопередатчика через усилитель мощности и фильтр к передающей антенне. В обратном направлении тракт приема начинается с приемных антенн, фильтра, усилителя с низким коэффициентом шума. Затем в приемопередатчике сигнал преобразуется на промежуточную частоту и поступает в отсек цифрового оборудования. Следует отметить, что передающий и приемные тракты подключаются непосредственно к своим антеннам, что позволяет исключить дорогостоящие сумматоры мощностей и потери мощности при сложении.» (8)

«Управление режимами работы цифрового оборудования и приемопередатчика осуществляется контроллером соты (СС). Контроллер соты обеспечивает требуемые режимы и алгоритмы работы оборудования внутри соты, назначает и конфигурирует ресурсы BTS для обслуживания нагрузки и вызовов, формирует статистическую информацию о работе соты, контролирует распределение сигналов опорных частот. Он также управляет объединением портов канальных блоков для передачи сообщений в цифровую линию к контроллеру сети (BSC) и центру коммутации подвижной связи (MSC).» (8)

«Фирмой Motorola разработаны комплексы сетевого оборудования SC 9600 и SC 2400 для создания систем связи с "суперсотовой" (SC) архитектурой, которая объединяет новые и существующие технологии сотовой связи и открывает широкие возможности по совершенствованию управления оборудованием и функциями связи. Объединение и централизация управления компонентами различных сетей в совокупности с созданием унифицированного гибкого приемопередающего оборудования определяет перспективность нового технического решения Motorola SC 9600 и SC 2400.
Оборудование SC 9600 предназначено для работы в полосах частот 869-894 МГц - передача от базовой станции, 824-849 МГц - передача от подвижной станции и состоит из радиочастотного модема (SIF), обеспечивающего формирование сигналов с различными протоколами связи, линейного усилителя мощности (LPA) и подсистемы диагностики.
В состав радиочастотного модема может входить до 80 CDMA канальных плат и 16 CDMA приемопередатчиков, которые могут обеспечить поддержку 320 CDMA IS-95 каналов. Для TDMA, AMPS, N-AMPS SC 9600 может содержать до 96 приемопередатчиков речевых сообщений и сигнальной информации.
В состав BTS может входить до трех линейных усилителей мощности. Каждый усилитель обслуживает все выходы передатчиков, работающих на одну антенну и обеспечивает дистанционную настройку под конкретные частоты.
Подсистема диагностики обеспечивает контроль и поддержку работоспособности оборудования BTS совместно с центром управления радиоподсистемой (OMC-R).
Между SC 9600 и центром коммутации подвижной связи поддерживается открытый интерфейс, что обеспечивает совместимость этого оборудования с центрами коммутации различных производителей.
В целом оборудование SC 9600 обеспечивает возможность обслуживания абонентов в стандартах CDMA IS-95, AMPS, N-AMPS и D-AMPS. Кроме того, возможно использование этого оборудования в сетях сотовой цифровой пакетной передачи данных (CDPD).
Дальнейшим развитием семейства оборудования SC Motorola является создание комплекса SC 2400, предназначенного для сетей с малыми и средними сотами. SC 2400 представляет собой базу для создания и развития систем сотовой радиосвязи с повышенной эффективностью, низкой стоимостью, возможностью дистанционного управления в двух диапазонах частот 800 МГц и 2 ГГц . SC 2400 поддерживает CDMA, AMPS, N-AMPS, а также CDPD .
Оборудование SC 2400 компактно, имеет модульную структуру, обеспечивает экономичное развитие емкости сети, имеет единый радиочастотный модем для различных радиоинтерфейсов. Рабочие полосы радиочастот:
869 - 894 МГц - передача от базовой станции
824 - 849 МГц - передача от подвижной станции
1930 - 1970 МГц - передача от базовой станции
2180 - 2200 МГц
1850 - 1890 МГц - передача от подвижной станции
2130 - 2150 МГц
Общая емкость: 48 физических каналов для аналоговых стандартов и 160 физических каналов для цифровых стандартов.» (8)

5. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА

5.1 Принципы формирования сигнала в прямом канале трафика

«При передаче на БС речевой сигнал разбивается на кадры и поступает в речевой кодек. Длительность кадра в каналах трафика 20 мс, в каналах синхронизации 26,666 мс. В схеме канала (рис. 8.5) показаны: 1 - выход речевого кодера, U1 - сверточный кодер со скоростью R = 1/2; U2 — блок перемежения; А1 и А4 - сумматоры по модулю 2, А1 - мультиплексор; G1- генератор псевдослучайной последовательности (ПСП); U3 и U4 - делители цифрового потока, а также квадратурный фазовый модулятор. Скорость передачи на выходе речевого кодера 9,6 кбит/с, а на выходах сверточного кодера и блока перемежения 19,2 кбит/с. Генератор G1 создает ПСП с периодом повторения Тпсп = (2 в 42 степени)-1. Скорость цифрового потока на выходе генератора ПСП Вг = 1,2288 Мбит/с. Для снижения скорости служат делители цифрового потока U3 и U4. Скорость на выходе U3 уменьшена до 19,2 кбит/с, для того, чтобы совпали скорости цифровых потоков на входах сумматора А1. Часто применяется другое название G1 - генератор длинного кода и другое название делителей цифрового потока - дециматоры. Скорость цифрового потока на выходе дециматора U4 снижается до 800 бит/с. С него снимается сигнал 800 Гц, который используется для управления цифровой последовательностью мультиплексора при введении сигнала (1 бит) управления мощностью, который поступает по входу 3.» (1, с.65-74)
«Генератор ПСП, делитель U3 и сумматор А1 выполняют функцию скремблера. Скремблирование позволяет обеспечить скрытность передачи. После скремблирования цифровой сигнал поступает на мультиплексор А2. Сигнал на выходе А2 - это скремблированный модулирующий символ плюс сигнал управления мощностью.
Шумоподобный сигнал образуется на выходе сумматора A3 путем сложения по модулю 2 модуляционного символа с сигналом Уолша. Этот процесс называется расщеплением.
На выходе A3 каждый бит модулирующего сигнала расщепляется на 64 бита. Для каждого (j-го) речевого канала используется своя функция Уолша - Wj(64), одна из 64, что обеспечивает ортогональность сигналов логических каналов. Далее сигналы поступают на квадратурный фазовый модулятор. В его составе: А4 и А5 -сумматоры по модулю 2, Z1 и Z2 - полосовые фильтры, UB1 и UB2- фазовые модуляторы, А6 - устройство объединения сигналов, G2- генератор СВЧ (или ПЧ) сигнала, фазовращатель на п/2. В А4 и А5 выполняется разделение ШПС с помощью пары квадратурных ортогональных последовательностей - пилот-тона синфазного канала I и пилот-тона квадратурного канала Q:
• ПСП пилот-тона синфазного канала
• ПСП пилот-тона квадратурного канала
Период повторения ПСП пилот-тона Тп =Тпсп / Bг = 26,66 мс, или 75 повторений каждые 2 с.
Выходные сигналы модуляторов квадратурных каналов суммируются в А6 и подаются на усилитель мощности (УМ), либо на преобразователь частоты и УМ и далее в антенну. Полоса частот излучаемого сигнала 1,25 МГц. На одной несущей передается 64 канала.» (1, с.65-74)

5.2 Принципы формирования сигнала в обратном канале трафика

«Обратные каналы - зто композиция каналов доступа и каналов трафика. Поскольку на обратной линии не поддерживается синхронизация и на устанавливается системное время, то сигнал обратного канала не может приниматься на когерентный демодулятор. Модуляционные параметры для прямого и обратного каналов разные. На АС применена 64-кратная ортогональная модуляция. Используются 64 модуляционных символа - ортогоуальные функции Уолша Wj(64), каждая длиной 64 бита. В модуляторе блоку из шести кодовых символов ставится в соответствие одна из функций Уолша.» (1, с.74-81)

«В каналах трафика скорость передачи цифрового сигнала на выходе речевого кодера U1 (точка 1) может принимать одно из значений, указанных в табл. 8.3. Этот цифровой сигнал поступает на сверточный кодер U2, в котором R =1/3 и число регистров К = 9. На выходе сверточного кодера формируются кодовые символы с фиксированной скоростью передачи BС = 9,6/R = 28,8 кбит/с. Если скорость входного сигнала U2 ниже, чем 9,6 кбит/с. этот сигнал будет повторен в U2 несколько раз для того, чтобы скорость на выходе кодера (точка 2) поддерживалась постоянной.» (1, с.74-81)
«В каналах доступа каждый символ кода имеет фиксированную скорость передачи 4,8 кбит/с и он передается сам и еще повторяется, т. е. передается дважды. С выхода блока перемежения U3 сигнал поступает ча модулятор U4, который называется ортогональным 64-кратным модулятором. В нем кодовые символы заменяются на соответствующие функции Уолша.
Скорость передачи модуляционных символов Bмс = 307,2 кбит/с. Модуляционные символы поступают на блок маскирования U5. В этом блоке выполняется маскирование избыточных данных, создаваемых повторителем кода при входной скорости менее 9,6 кбит /с. Маскирующая последовательность формируется из ПСП генератора длинного кода G1. Это 14 бит, которые являются последними битами в ПСП. Характер маскирующей последовательности определяется скоростью передачи данных в кадре.
Генераторы G1 на схемах рис. 8.5 и 8.6 имеют одинаковые параметры. Устройство А1 - сумматор по модулю 2 выполняет расщепление модулирующих символов с помощью ПСП от генератора длинного кода. Каждый модулирующий символ расщепляется в отношении r = Вг Bмс =1,2288 0,3072 = 4 . Итак, каждый модулирующий сигнал передается в виде четырех чипов ПСП.
Сигналы разных АС отличаются друг от друга собственной фазой длинного кода, что позволяет БС на приеме разделить сигналы, принимаемые от разных АС. В отличие от прямой линии перекрывающиеся последовательности сигналов разных АС в обратной линии не ортогональны. В обратном канале (на АС) ортогональные функции Уолша используются для повышения помехоустойчивости связи, в отличие от БС, где они применяются для уплотнения каналов.»(1, с.74-81)

6. БЕЗОПАСНОСТЬ

«Стандарт IS-95 обеспечивает высокую степень безопасности передаваемых сообщений и данных об абонентах. Прежде всего он имеет более сложный, чем GSM, радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемежения с последующим "расширением" передаваемых сигналов с помощью составных ШПС, сформированных на основе 64 видов последовательностей Уолша и псевдослучайными последовательностями с количеством элементов 2 в 15 и 2 в 42.» (8)

«Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений.
Процедура аутентификации в стандарте IS-95 соответствует процедуре аутентификации стандарта D-AMPS (IS-54B).
В подвижной станции хранится один ключ А и один набор общих секретных данных, которые используются при работе как в режиме с частотным разделением каналов, так и в режиме CDMA IS-95. Подвижная станция может передавать "цифровую подпись" для аутентификации, состоящую из 18 бит. Эта информация передается в начале сообщения (в ответе подвижной станции на запрос сети при поиске станции), добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных, передаваемых по каналу доступа. Предусматривается возможность обновления общих секретных данных в подвижной станции.
Шифрование сообщений, передаваемых по каналу связи (ТСН), осуществляется также с использованием процедур стандарта IS-54B.
В стандарте IS-95 используется также режим "частный характер связи", обеспечиваемый с помощью секретной маски в виде длинного кода. Этот процесс также аналогичен процессу формирования маски в виде длинного кода, который описан в стандарте IS-54B.»(8)

7. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

7.1 Преимущества

Высокая пропускная способность.
Полевые испытания, проводившиеся в различных условиях, подтвердили, что при высокой нагрузке пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем. Если выражать это в Эрлангах при заданном качестве обслуживания, то преимущества систем CDMA еще более очевидны. При использовании существующих вокодеров, которые работают на половинной скорости передачи, пропускная способность увеличивается еще в 1,7 раза (при том, что для сети CDMA необходимо на 30-40% базовых станций меньше, чем для GSM, и в 2-3 раза меньше, чем для AMPS). Дополнительная секторизация (свыше 3) также увеличивает пропускную способность. Существует возможность выделения требуемой полосы частот по потребности. Кроме того, максимальная дальность связи (в отличии от TDMA-систем) ограничена лишь мощностью и радиовидимостью.
Высококачественная связь.
Вокодер, работающий на переменной скорости передачи, обеспечивает преобразование речевых сигналов в цифровую форму и высококачественное воспроизведение речи. Фоновые сигналы заглушаются даже при большой нагрузке. Система независимо отслеживает поступающие отдельные сигналы при многолучевом распространении, что значительно снижает подверженность замираниям. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками. Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Метод мягкого хэндовера абонента , применяемый в системах CDMA, обеспечивает почти прозрачную передачу вызовов между сотами. Такой надежный метод передачи практически исключает потерю вызовов и снижает нагрузку на коммутационное оборудование. Кроме того, излучаемая мобильными аппаратами средняя мощность в сотовых системах CDMA составляет менее 10 мВт, что на 1-2 порядка ниже мощности, требуемой в системах с временным разделением каналов TDMA .
Возможность дальнейшей эволюции системы.
В существующей системе предусмотрены поисковые службы и цифровая передача данных. Существующая структура управления обеспечивает протоколы факсимильной связи. Могут быть предусмотрены и более высокие скорости передачи (в настоящее время используется скорость 9,6 кбит/с). Портативные абонентские станции, основанные только на методе CDMA и совместимые с сотовыми системами и УАТС, могут отвечать перспективным требованиям. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивая одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи
Возможность введения новых функций.
При желании с одного и того же аппарата можно получить выход к беспроводной УАТС, домашнему беспроводному телефону, общественным беспроводным цифровым телефонным аппаратам, к сети персональной связи и к сотовым сетям. Обеспечиваются интерфейсы с УАТС, сетью ISDN и коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Цифровые сигналы управления позволяют организовать целый ряд служб передачи данных, которые можно добавлять по мере того, как компания-оператор будет вводить новые услуги. Вокодер с переменной скоростью передачи и предусмотренная возможность передачи данных позволяют вводить различные уровни обслуживания. Предусмотренные в системе измерения уровня сигнала и его задержки позволяют определять положение подвижной станции.
Секретность связи.
Цифровая форма сигналов, передача в широкой полосе частот, защита информации для каждого адресата - все это обеспечивает значительно более высокую, чем в других системах, секретность связи.
Простота перехода (и совместимость с аналоговыми системами).
CDMA позволяет увеличить ёмкость базовых станций (в 8–10 раз по сравнению с AMPS , в 4–5 раз — по сравнению с GSM) и обеспечивает более высокое качество обслуживания. Пропускная способность и радиопокрытие позволяют вводить CDMA при значительно меньшем числе сот, чем на существующих сетях. Зона радиоохвата антенны и секторизация не зависят от соты и не так тесно связаны, как в узкополосных системах. Последующее расширение может быть поэтапным и может быть местным (чтобы быстро обеспечить радиопокрытие в каком-то одном месте) или глобальным. Абонентские станции CDMA рассчитаны на работу в двух режимах, поэтому они могут подключаться либо к каналам CDMA, либо к аналоговым каналам AMPS. Отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты также облегчает задачу разработки сетей.
Цена и наличие оборудования.
Существующие оценки стоимости системы CDMA в отношении сетевого и абонентского оборудования показывают, что по стоимости эта система эквивалентна существующим аналоговым системам. Более высокая пропускная способность позволяет организовать связь при значительно меньшем числе сот, чем в аналоговых системах и системах с TDMA, что снижает капитальные и эксплуатационные затраты. Проверенная технология заказных интегральных схем позволила свести технологию сложных схем CDMA к очень простым решениям.

7.2 Недостатки

• Необходимость сложного регулирования уровня мощности
• Потеря синхронизации ("неуспевание") на скорости выше 100-120 км/час
• Сложности реализации эффективного "мягкого хэндовера"
• Некоторая количественная ограниченность ортогональных последовательностей.
• Неопределенность полнокровного легального использования в России. 

8. УСЛУГИ В СЕТЯХ CDMA

«Можно долго говорить о преимуществах той или иной техники, но для коммерческого телекоммуникационного оператора архиважным является набор услуг, за которые абонент будет платить деньги. Главным достоинством сетей CDMA является очень высокое качество передачи речи, а это, согласитесь, главная услуга всех телефонных сетей.
Речь в системе CDMA преобразуется в цифровой поток посредством специального вокодера с переменной в зависимости от интенсивности речи скоростью. Это позволяет экономно использовать пропускную способность радиотракта. То есть, пока вы молчите, ресурс радиоканала может использовать другой абонент, тоже разговаривающий в настоящий момент.
В системах стандарта IS-95 используются вокодеры с максимальными скоростями передачи 8 кбит/с и 13 кбит/с. Соответственно может осуществляться и передача данных со скоростями соответственно 9,6 кбит/с и 14,4 кбит/с. Заметим, что последняя цифра недоступна в сетях других стандартов.
Качество передачи речи с вокодером на 13 кбит/с близко к качеству, которое обеспечивается в кабельных цифровых линиях связи. Но, конечно, такие вокодеры несколько уменьшают емкость сети. Поэтому для абонентов, которых интересует только голосовая связь, разработаны так называемые «улучшенные» вокодеры на 8 кбит/с с таким же высоким качеством речи. Следует отметить, что тема вокодеров продолжает оставаться актуальной в смысле дальнейшего улучшения качества при дальнейшем уменьшении скорости передачи. Цена вопроса - дальнейшее увеличение емкости сети. И это заставляет продолжать такие работы многих специалистов.
Что, собственно, имеется в виду, когда говорится о высоком качестве передачи речи в сетях CDMA? Это, прежде всего, чистый звук и непривычное для радиотелефонов отсутствие посторонних шумов. Но тут, как говорится, лучше один раз услышать, чем десять раз увидеть в различной литературе. Ну что же, теперь для этого не обязательно ехать куда-нибудь, например, в США или Корею. Сети CDMA (IS-95) уже работают в ряде регионов России. Можно было поговорить по радиотелефонам CDMA и на московских форумах СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-97 и -98, где работали такие демонстрационные системы, смонтированные компаниями Qualcomm и «Персональные коммуникации». А ныне это вообще не такая уж и экзотика, потому что в России понастроено сетей IS-95 уже немало.
И, конечно, законный интерес вызывают способы доступа в сеть ИНТЕРНЕТ через сотовые сети IS-95. Разумеется, абонент сети CDMA может одновременно разговаривать по сотовому телефону и работать на подключенном к нему компьютере в ИНТЕРНЕТ. Среди существующих сегодня стандартов для мобильной связи наилучшие позиции здесь именно у IS-95 вследствие обеспечения самой большой скорости доступа (14,4 кбит/с). И компании-производители обещаю в скором времени увеличить и эту скорость (благо в «общей трубе» радиоканала CDMA можно перераспределять ресурс, выделенный каждому абоненту). Кстати, презентация системы передачи данных по сети CDMA была организована компанией Qualcomm во время проведения московской выставки СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ-98 на базе сети московского оператора «Персональные коммуникации».
Конечно, абоненты смогут обмениваться факсимильными сообщениями и общаться по электронной почте. А в обозримом будущем ожидается появление скоростей передачи 64 кбит/с и даже 144 кбит/с.
Что же касается различных дополнительных услуг, которые предоставляются абонентам цифровых сотовых сетей (переадресации вызовов, голосовая почта, определение номеров, услуги IN и т.п., включая роуминг), то все они определяются сетевым коммутационным оборудованием (контроллером или центром коммутации) и не зависят от типа используемого радиоинтерфейса. Что заложено разработчиками в коммутатор, то и получится (главное, чтобы можно было установить на него дополнительный soft). В общем, что оператор посчитал необходимым закупить для своей сети (на основе, например, маркетинговых исследований), тем абоненты и смогут воспользоваться. И если чего-то сейчас нет, то это вполне можно докупить и позже.» (2, с.106-109)
Исторически сложилось так, что европейцы наиболее подробно разработали различные приложения (в части дополнительных услуг) для стандарта GSM (но это относится больше к функциям коммутатора, а не радиоинтерфейса). А вот 20 февраля 1998 года компания Qualcomm объявила об успешном окончании испытаний с британским оператором Vodafon базовой станции CDMA (IS-95), включенной в центр коммутации подвижной связи сети GSM. Это означает, что теперь нет ничего невозможного и существует реальная возможность совместить многочисленные услуги, разработанные в рамках проекта GSM и адаптированные к европейским телефонным сетям, с преимуществами радиоинтерфейса IS-95.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стандарту CDMA отведена одна из главных ролей в процессе эволюции систем связи. Стандарт разрабатывается несколько десятилетий, тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей. Основные функциональные элементы CDMA входят в разрабатываемый сейчас международный стандарт глобальной системы подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).
Сегодня CDMA – одна из наиболее быстро развивающихся систем сотовой связи. Новые, отчасти революционные технические новшества, совместимые с CDMA будут представлены в ближайшем будущем. Все это служит твердой основой для того, чтобы технология CDMA не потеряла своих позиций на рынке услуг связи и оставалась одной из наиболее защищенных и надежных технологий.

1. Невдяев Л. М. Мобильная связь 3-го поколения. Серия изданий «Связь и бизнес», М., 2000 - 208 с.
2. Бабков В.Ю, Вознюк М.А, Никитин А.Н, Сиверс М.А. - Системы связи с кодовым разделением каналов, СПбГУТ. СПб, 1999 – 120 с.

Интернет-ресурсы
3. Общие сведения о стандарте связи CDMA (электронный ресурс)//cdma.ru (сайт) URL: http://www.cdma.ru/user/base.php (Дата обращения: 02.05.11)
4. История CDMA (электронный ресурс)//cdma.kz (сайт) URL: http://www.cdma.kz/script_site.html?id=5 (Дата обращения: 02.05.11)
5. Технология стандарта CDMA (электронный ресурс)//cdma.ru (сайт) URL: http://www.cdma.ru/technology/ (Дата обращения: 02.05.11)
6. CDMA. Общие сведения (электронный ресурс)//cdma.kz (сайт) URL: http://www.cdma.kz/script_site.html?id=13 (Дата обращения: 02.05.11)
7. WCDMA (электронный ресурс)//Сотовая связь. История, стандарты, технологии (сайт) URL: http://celnet.ru/WCDMA.php (Дата обращения: 22.05.11)
8. CDMA One (IS-95). Технические характеристики (электронный ресурс)// (сайт) URL: http://www.pbxlib.com.ua/mobile/article_125.html (Дата обращения: 22.05.11)