Встречая последний год уходящего тысячелетия, мы начинаем серию публикаций, которые призваны высветить «затененные» грани некоторых известных технологий связи. Специализированные издания нередко грешат тем, что из цельной концепции выхватываются лишь отдельные аспекты, обычно — интересные в практическом отношении. Существующие монографии (к сожалению, многие из них написаны более 5 лет назад) предназначены для специалистов и слишком сложны для широкого круга пользователей. Задача новой рубрики — дать по возможности краткое систематизированное представление о рассматриваемых технологиях, фокусируя ваше внимание на недостаточно «знакомых» аспектах. А начнем мы с одного из самых «модных» и нашумевших имен — CDMA.

Основой технологии кодового разделения каналов (CDMA) является передача шумоподобных, или широкополосных, сигналов (ШПС), что обеспечивает использование существенно более широкой полосы частот, чем в случае передачи узкополосных. В качестве ШПС обычно применяются фазоманипулированные сигналы, сформированные на базе кодовых (псевдослучайных) последовательностей с «хорошими» корреляционными свойствами. Свертка сигнала в приемнике осуществляется с помощью согласованного фильтра.

Использование различных кодов (псевдослучайных последовательностей) ШПС позволяет абонентам систем CDMA работать в общей полосе частот и получать доступ к любому каналу (он не закрепляется «жестко» за каким-либо пользователем). И хотя сигналы разных абонентов накладываются друг на друга, создавая взаимные помехи, они легко выделяются из общего спектра.

ШПС применяются в радиосвязи уже много лет, но до 60-х гг. метод кодового разделения каналов был доступен только военным структурам, а любая информация о создававшихся системах основательно засекречивалась. Однако к концу 70-х технология CDMA практически была сформирована (в те годы ее главным недостатком считалась сложность технической реализации), а в 1998 г. появились первые коммерческие системы.

Каковы же достоинства CDMA, определившие интерес к этой технологии разработчиков оборудования и операторов связи?

Прежде всего упомянем высокую помехоустойчивость к узкополосным помехам, трансформируемым в процессе свертки полезного сигнала в обычный шум. Причем по мере расширения спектра передаваемого сигнала выигрыш становится все больше.

Другое важная характеристика, обусловившая привлекательность CDMA для мобильной связи, — эффективная работа приемных устройств в условиях многолучевого распространения сигнала. Поскольку длительность одного символа ШПС меньше разности времен прихода двух лучей, то при приеме можно суммировать энергии разных лучей и тем самым повысить значение сигнал/шум.

В CDMA-системах процедура мягкого переключения каналов (soft handover) при переходе абонента из одной соты в другую достаточно проста, поскольку реализация базового принципа этой технологии («разрыв после установления нового соединения», make before break) позволяет избежать скачков уровня сигнала и помех. Отметим для сравнения: в системах, основанных на стандарте TDMA, абонентская станция сначала завершает связь с БС одной соты и лишь затем устанавливает новое соединение.

Связь между соседними сотами или секторами одной БС организуется на одной несущей частоте, что обеспечивает более эффективное использование частотного ресурса (особенно если положения абонентов фиксированы). Это дает возможность избежать частотного планирования, упрощает развертывание сети и ее развитие. Архитектура CDMA-системы позволяет гибко и эффективно управлять радиоресурсами (т.е. назначать полосы частот, интервалы времени, уровни мощности) и, что еще важнее, естественным образом реализовать процедуру динамического перераспределения каналов. Именно благодаря этим качествам CDMA стала основой большинства проектов систем подвижной связи третьего поколения.

Конфиденциальность и защищенность от несанкционированного доступа в CDMA-системах достаточно высоки, поскольку каждому абоненту присваивается своя, индивидуальная, кодовая последовательность.

Стандарт, использующий в качестве «ядра» ШПС, дает возможность снизить пиковый уровень мощности, излучаемой абонентской станцией. Учет статистики активности абонентов, а также реализация в абонентских станциях режима дежурного приема обеспечивают энергосбережение, а значит, увеличение ресурса непрерывной работы аккумуляторов без подзарядки.

Недостатков у CDMA немного, хотя на решение некоторых проблем понадобился не один десяток лет. Главным сдерживающим фактором ее практического применения долгие годы была, как уже отмечалось, сложность оборудования. И хотя появление DSP-процессоров привело к некоторому его упрощению, круг производителей, которым по плечу создавать такую аппаратуру (особенно базовые станции), не назовешь широким.

Другой недостаток — возникновение взаимных помех, ухудшающих условия приема при возрастании числа активных абонентов, что сказывается на связи периферийных удаленных абонентских станций. Так, по мере увеличения загрузки системы могут уменьшаться размеры зоны обслуживания и ухудшаться помеховая обстановка («дыхание» соты, cell breathing). Главные же камни преткновения на пути внедрения технологии CDMA — высокая чувствительность к разбросу мощностей абонентских станций и сложность синхронизации базовых станций. Первая из этих проблем была решена за счет создания уникальной высокоточной системы управления мощностью (шаг 0,5—1 дБ, скорость 0,8 или 1,6 кбит/с), а вторая — с помощью сигналов GPS.

Для повышения качества связи одной абонентской станции с помощью мягкого переключения каналов нужно одновременно выделять для нее два или более каналов, что снижает пропускную способность общего канала радиосвязи. Наконец, для российских пользователей серьезным недостатком является необходимость выделения операторам CDMA-сетей широких участков спектра.

От ШПС к CDMA

50-60-е гг. Формирование теории ШПС и CDMA как самостоятельного научного направления. Начало экспериментальных исследований

70-80-е гг. На базе ШПС созданы первые военные системы связи и навигации (JTIDS, SINCGARS, FLEETSATCOM)

1988 г. Развернута спутниковая система Omnitracs (Северная Америка)

1991 г. Развернута спутниковая система Euteltracs (Европа)

1993 г. Утвержден проект стандарта IS-95 (TR-45.5 TIA, США)

1995 г. МО США объявило о начале эксплуатации системы GPS

1995 г. В Гонконге введена в эксплуатацию первая система стандарта IS-95

1998 г. В МСЭ представлены 12 из 16 проектов систем 3-го поколения на базе CDMA (cdma2000, W-CDMA и др.)

1999 г. Введена в эксплуатацию спутниковая система Globalstar

Историческая справка

Огромную роль в разработке и реализации CDMA сыграла американская компания Qualcomm, организованная в 1985 г. известными американскими учеными Эндрю Витерби и Ирвином Джекобсом. Накопленный ими опыт позволил создать первые коммерческие спутниковые систеы для сопровождения грузоперевозок — Omnitracs и Euteltracs. Следующий важный шаг Qualcomm (1991 г.) — разработка проекта стандарта CDMA для сотовых систем общего пользования. После двухлетней доработки базовую версию стандарта CDMA утвердила Ассоциация производителей оборудования связи TIA (США). Реальное воплощение технологии (согласно международной классификации стандартов — IS-95) началось в сентябре 1995 г., когда в Гонконге была развернута система на базе CDMA — cdmaOne.20.

Наиболее горячими поклонниками CDMA стали азиатские страны — Япония, Китай, Малайзия и особенно Южная Корея, где построена крупнейшая в мире сеть сотовой связи на 2,6 млн абонентов. В России первая сеть фиксированной связи на базе оборудования компании Qualcomm была развернута АО «Связьинформ» Челябинской области в конце 1996 г, а ее коммерческая эксплуатация осуществляется с сентября 1997 г.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями