Курсы валют 19 Января
USD56.76
EUR69.26

CDMA

Добро пожаловать в мир CDMA (Code Division Multiple Access)!

Источник: http://www.cdma.ru/

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 пять лет 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.

 

Из истории CDMA

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 (или метод) 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 (эфир, увы, не бездонная бочка!). Кроме того, узкополосные радиосигналы оказались очень чувствительны к селективным замираниям. Требовалось разработать методику, минимизирующую потери полезного сигнала за счёт селективных замираний и позволяющую бережнее относится 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). А во время второй мировой войны голливудская актриса Хедди Ламарк оставила свою профессию и увлеклась частотным кодированием. Она одной из первых разработала принцип «frequence hopping» («перескок частоты»), который используется в настоящее время в стандарте GSM. 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).

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).

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.
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. Правда, соты CDMA были наложены на существующую сеть AMPS и мобильные терминалы работали в дуалмодовом 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.

Всего же системы CDMA были развёрнуты в 34 странах мира, в том числе в Аргентине, Бразилии, Германии, Египте, Израиле, Индии, Канаде, Китае, Южной Корее, Перу, Польше, США, Таиланде, Украине, Филиппинах, Чили и т.д.

Кроме вышеназванного стандарта (IS-95) в 1999 году был разработан и широкополосный вариант - W-CDMA (Ericsson, Швеция), функционирующий в диапазоне 1800 МГц. Он предназначался для использования в районах с высокой плотностью населения, так как обладал ещё большей пропускной способностью.

А к концу ХХ века для Европы стала актуальной проблема «цифровизации» существующих аналоговых сетей сотовой связи, действующих в диапазоне 450 МГц (NMT-450, C-450…). Спрос, как известно, порождает предложение. И вот к концу 2000 года появляется ещё одна разновидность технологии CDMA – CDMA-450 (или CDMA-2000), презентованная американской компанией Lucent Technologies. Это оборудование соединило в себе все достоинства CDMA-800 и «дальнобойность» аналоговых стандартов диапазона 450 МГц.

Однако, продвижение технологии CDMA на рынке услуг сотовой мобильной радиотелефонной связи нельзя назвать лёгким. У оборудования нового поколения нашлись серьёзные оппоненты, прилагавшие немало усилий для того, чтобы доказать несостоятельность и неэффективность нового метода разделения каналов связи. Среди них такой монстр, как Ericsson (Швеция), потративший значительные средства на заказные газетно-журнальные публикации против внедрения CDMA и судебные иски к конкурирующей компании Qualcomm и в то же время занимавшийся разработкой широкополосного варианта CDMA?!

 

Стандарты

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

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.

В России стандарт сразу попал в опалу - в отличие от федеральных стандартов NMT и GSM был разрешен только для фиксированного применения. Кроме того, используемый им диапазон частот 800 МГц по требованиям Минсвязи необходимо освободить для цифрового телевидения. В этом диапазоне работают также сети "американских" стандартов N-AMPS, D-AMPS и CDMA. Однако, МАП признало это решение незаконным, а члены Ассоциации-800 уже договорились с Минсвязи об "обмене" лицензий x-AMPS на GSM 1800. Операторы же CDMA IS-95 подобного соглашения не заключали, официально они по-прежнему имеют право предоставлять услуги только фиксированной связи.

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

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).

И именно стандарт cdma2000 1X EV-DO подразумевается под 3G IMT-MC. Стандарт 1x-EV-DO был принят TIA в октябре 2000 года и предусматривает следующую схему функционирования: аппарат одновременно производит поиск сети 1x и 1xEV, передачу данных осуществляет с помощью 1xEV, голоса - с помощью 1x.

Стандарт 1xEV-DV полностью соответствует всем требованиям 3G. Его практическая реализация планируется в 2003-2004 годах.

Теперь о CDMA-450. Следует отметить, что стандарты семейства cdma2000 не требуют организации отдельной полосы частот и в ходе их эволюционного развития от cdmaOne могут быть реализованы во всех частотных диапазонах используемых системами сотовой подвижной связи (450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 МГц).

 

Что выгодно отличает CDMA от других цифровых технологий?

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;
  • продолжительности работы без подзарядки аккумулятора.

Емкость CDMA от десяти до двадцати раз выше, чем у аналоговых систем, и в три- шесть 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.

По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый "код" служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи. Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа и прослушивания.

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. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками.

Абонент не хочет оставаться без связи при пересылке факса, когда телефон длительное время занят. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивающий одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи.