CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделением
Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения каналов, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы.
После войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи, как в СССР, так и в США. Во второй половине 80-х годов военное ведомство США рассекретило данную технологию и началось её использование в гражданских средствах связи.
Способ применяется в сотовой связи (в России, например, Оператором связи Skylink и в спутниковой навигации (GPS).
Эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA
Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.
CDMA 2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей CDMA One, основанных на IS-95. При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается и совершенствуется.
Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA.
При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернет, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.
Переход к следующей фазе CDMA2000 1ХEV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23мГц, скорость передачи — до 2.4мбит/с в прямом канале и до 153,0кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени. Следующей фазой развития стандарта является 1ХEV-DO Rev A, что позволяет увеличить сетевую ёмкость и скорость передачи данных. На данном этапе обеспечивается передача данных со скоростью до 3,1мбит/с по направлению к абоненту и до 1,8мбит/с по направлению от абонента. Операторы смогут предоставлять те же услуги, что и на базе Rev. 0, а, кроме того, передавать голос, данные и осуществлять широковещание по IP сетям. В мире уже есть несколько таких действующих сетей. Поскольку прогресс не стоит на месте, разработчики оборудования уже работают над реализацией следующей фазы — 1ХEV-DO Rev B, — что позволит достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9мбит/с к абоненту и 2,4мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5мбит/с к абоненту и 27,0мбит/с от абонента. Применение таких сетей - улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP, Push to Talk, видеотелефония, параллельное использование голоса и мультимедиа, мультисессионные сетевые игры и др.
Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA 2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.
Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250,0мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2,0Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1,0Вт. Справедливости ради отметим, что мнение о вредном влиянии излучения мобильных телефонов на организм человека учёными так и не доказано, но и не опровергнуто
Этапы эволюционного развития сетей CDMA
Решением Международного совета по электросвязи, сектор телекоммуникаций - МСЭ -Т (International Telecommunications Union — ITU) установлены новые спецификации стандартов наземной и спутниковой радиосвязи 3G - третьего поколения IMT — 2000.
Данные спецификации позволяют без потери совместимости оптимизировать производительность большинства беспроводных сетей и представляют операторам возможность обеспечить совместимость своих сервисов со стандартом 3G.
В мире сложилась как бы двоякая ситуация с созданием сотовых сетей связи 3G. Базовой для них выбрана прогрессивная технология с кодовым разделением каналов (CDMA), но она по-разному реализуется технически. Это связано с двумя основными направлениями перехода существующих систем сотовой связи в поколение 3G - европейским, которое базируется на постепенной модернизации систем сотовой связи с временным разделением каналов (TDMA), известных как GSM, и американским, в основе построения систем связи которого заложена модернизация уже существующих систем One.
Под сетями стандарта One обычно подразумевают сети наиболее раннего стандарта с кодовым разделением каналов - IS-95A. Общепринято также объединять в это понятие сети стандарта IS-95В.
Под сетями стандарта CDMA 2000 подразумевают сети стандарта IMT-2000 c радиоинтерфейсом IMT-MC, который, в свою очередь подразделяется на две фазы —CDMA 2000 1Х и CDMA 2000 3Х.
Стандарт CDMA 2000 1Х называют также IS-95C.
1.Note: The radio interfaces shown in the figure are commonly known by the following names: ULTRA FDD (W-CDMA) for IMT-DS; CDMA 2000 for IMT-MC; ULTRA TDD, and TDS-CDMA for IMT-TC; UWC-136 for IMT-SC; and CECT for IMT-FT.
Эволюция от CDMA One к CDMA 2000
Рис. 2. Эволюция от стандарта IS-95A к стандартам третьего поколения
В CDMA сообществе до последнего времени не было единого мнения по поводу фазы следующей за CDMA 2000 1X.
В качестве альтернативы перехода к CDMA 2000 3X активно рассматривался предложенный группой LMNQS (Lucent, Motorola, Nortel, Qualcomm, Samsung) стандарт HDR или 1X-EV. За последние полгода основные поставщики оборудования CDMA и операторы пришли к единому мнению, что за основу следует взять именно 1X-EV. В ходе последующих дискуссий были выделены две фазы этого стандарта CDMA 2000 1X EV-DO и CDMA 2000 1X EV-DV.
Таким образом, схема эволюции сетей IS-95A к третьему поколению приобретает в настоящее время следующий вид:
На конференции в Стокгольме стандарт CDMA 2000 1X EV-DO был принят ITU-T как стандарт третьего поколения IMT-2000.
Следует также отметить, что стандарты семейства CDMA 2000 не требуют организации отдельной полосы частот и в ходе их эволюционного развития от CDMA One могут быть реализованы во всех частотных диапазонах используемых системами сотовой подвижной связи (450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 мГц) и могут быть наложены как на инфраструктуру сети ANSI-41 так и на GSM-MAP.
Рис. 4
IP-трафик в сетях CDMA One
В отличие от сетей GSM, принципы пакетной передачи закладывались в IS-95A c
самого начала. Все абонентское оборудование этого стандарта поддерживает пакетную передачу данных, а сердцем каждой базовой стации и контроллера базовых станций является IP/ATM коммутатор. Следствием этого является простота реализации пакетной передачи данных в сетях cdmaOne — для этого необходимо лишь приобрести шлюз в IP сеть называемый Inter Working Function (IWF).
Структура сети представлена на Рис.5, 6.
В сетях IS-95A пиковая скорость передачи данных ограничена максимальной шириной полосы одного канала трафика, который может быть выделен либо под голос, либо под данные и составляет 14,4 Кбит/сек. Сети стандарта IS-95B отличаются от сетей IS-95А, в основном, возможностью объединения нескольких каналов трафика для одного пользователя с целью увеличения пиковой скорости передачи данных до 64 Кбит/сек. В этом смысле сети IS-95B являются аналогами широко внедряемых сегодня сетей GPRS. Коммерческий запуск сетей IS-95B состоялся в 1999 г. в Корее (операторы KT Freetel и Hansol) и в 2000 г. в Японии (операторы DDI и IDO).
IP-трафик в сетях CDMA 2000 1X
Большинство Операторов связи сетей IS-95A решило пропустить этап перехода к IS-95B и перейти сразу к первой фазе стандарта третьего поколения — стандарту
CDMA 2000 1X.
Основными отличиями данного стандарта от IS-95A являются:
— наличие пилота в обратном канале, т. е. реализован когерентный прием в обратном канале,
— использование большего количества кодов Уолша и, соответственно, большего числа служебных каналов и каналов трафика на одном частотном канале,
— наличие быстродействующей схемы контроля мощности в прямом и обратном канале,
— организация дополнительных каналов трафика в случае необходимости передачи больших массивов данных.
Все перечисленное выше позволило увеличить пиковую скорость передачи данных до 153,6 кбит/сек и увеличить спектральную эффективность в 1,7 раза, как для голосового, так и для IP трафика.
Использование CDMA 2000 1X позволяет обслуживать одной базовой станцией в 1,7 раза больше абонентов с голосовым трафиком, чем использование IS-95A в той же полосе частот.
Несмотря на то, что применение CDMA 2000 1X по различным оценкам дает также увеличение покрытия для голосового сервиса примерно на 35% с применением той же топологии базовых станций, антенн и антенно-фидерных трактов, при развертывании сети CDMA 20001X все же может понадобиться установка дополнительных базовых станций или репитеров. Это обусловлено тем, что отношение сигнал/шум влияет на скорость передачи данных и для получения хорошего качества услуги по всей сети необходимо улучшение покрытия по сравнению с сетью IS-95A.
Полевые испытания и опыт действующих операторов CDMA 2000 1X (SK Telecom, KT Freetel, LG Tekecom, Verizon Wireless) показывают, что в указанных выше условиях средняя скорость передачи составляет 130,0кбит/сек с симметричным трафиком в прямом и обратном каналах. Ресурс по передаче трафика данных предоставляемый базовой станцией делится между пользователями подобно тому, как офисная локальная сеть ограничивать потребности каждого пользователя. Однако, учитывая "взрывной" характер трафика данных, когда максимальная ширина полосы достаточно редко запрашивается пользователем, величины немного меньшие, чем 130,0кбит/сек, являются вполне достижимыми.
Для перехода к новому стандарту в сети IS-95A необходимо произвести следующую модернизацию:
— Заменить платы канальных элементов на базовых станциях на платы нового
типа или добавить их;
— Произвести модернизацию программного обеспечения;
— Установить новые или модернизировать существующие элементы доступа в IP-сеть: PCF (Packet Control Function), PDSN (Packet Data Service Node), AAA (Accounting, Authentication, Authorization). Функции PCF были определены таким образом, чтобы в максимальной степени сделать подсистемы PDSN и AАА универсальными и стандартно применимыми в сетях передачи данных. Таким образом, удалось добиться того, что PDSN представляет собой стандартный маршрутизатор доступа в IP сеть, а ААА представляет собой стандартный радиус-сервер.
Рис. 7. Структура сети CDMA 20001X
Следует также отметить, в стандарты семейства cdma2000 на транспортном уровне заложен протокол Mobile IP, который позволяет пользователям пользоваться роумингом передачи данных без смены IP адреса при переходе из домашней в гостевую систему или другую сетевую среду.
Рис. 8. В данном случае структура сети приобретает вид
Стандарт CDMA 2000 1X обладает полной прямой и обратной совместимостью с IS-95A. Это означает, что телефоны стандарта CDMA 2000 1X будут работать в сетях IS-95A. В свою очередь телефоны IS-95A тоже будут работать в сетях cdma2000 1X, только лишь с меньшей скоростью передачи данных - 14,4кбит/сек.
IP-трафик в сетях cdma2000 1Х EV
Поскольку задачи передача голоса и данных предъявляют принципиально разные требования к построению радиоинтерфейса, при разработке стандартов серии CDMA 2000 EV было решено "развести" трафик голоса и данных по разным частотным каналам. Как первая фаза этого стндарта был разработан стандарт CDMA 2000 1Х EV-DO, который описывает исключительно передачу данных в отдельном частотном канале 1,25мГц.
Передачи голоса чувствительна к задержкам в тракте передачи, поэтому в системах радиосвязи с кодовым разделением каналов необходимо постоянно поддерживать стабильный канал передачи, постоянно отслеживая и изменяя мощность сигнала в зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. В CDMA 2000 1Х EV-DO реализован другой механизм — приемник каждые 1,67 мс измеряет соотношение сигнал/шум и скорость передачи данных варьируется в зависимости от условий, в которых находится приемник. Передача производится с максимальной скоростью, когда приемник находится в наилучших условиях.
Все вышесказанное позволяет добиться скоростей передачи 2,4мбит/с в прямом, и 307,0кбит/с в обратном каналах, а также увеличить спектральную эффективность при передаче данных примерно в шесть раз по сравнению с CDMA One.
Далее фаза этого стандарта CDMA 2000 1Х EV-DV разработанная Motorola совместно с Nokia, Philips Semiconductors и Texas Instruments позволяет осуществить передачу и голоса и данных в одном частотном канале 1,25 МГц и достичь пиковых скоростей передачи 4,8 МГц.
Для перехода к стандарту CDMA 2000 1Х EV-DO необходимо:
— Выделить отдельные частотные каналы для передачи данных,
— Заменить платы канальных элементов на базовых станциях на платы нового типа,
— Произвести модернизацию программного обеспечения.
Сети стандарта CDMA 2000 1Х EV могут быть реализованы как в виде централизованной, так и децентрализованной архитектуры Рис. 9,10.
Сценарий перехода CDMA 2000 1X —CDMA 2000 1X EV практически не отличается от перехода CDMA One —CDMA 2000 1X.
Во втором случае фактически организуется наложенная сеть передачи данных в отдельных частотных каналах. В этом смысле децентрализованный вариант реализации сети CDMA 2000 1Х EV является аналогом хорошо известных сетей CDPD.
Так же, как и CDMA 2000 1X cтандарт CDMA 2000 1Х EV обладает полной прямой и обратной совместимостью со стандартом CDMA 2000 1X и, соответственно, с IS-95A.
Российские ученые: GSM медленно убивает горожан
Существующие темпы роста числа абонентов мобильной связи в нашей стране значительно опережают все оптимистические прогнозы. На этом фоне продолжаются исследования и сопровождающие их споры о влиянии мобильных телефонов на здоровье человека. Отечественные эксперты так же проводят подобные изыскания, — результаты одного из них, посвященного телефонам и базовым станциям стандарта СDMA, представлены ниже.
Исследования безопасности для человека мобильных телефонов ведутся уже давно. При этом в настоящее время во всем мире нет однозначного подхода1 к проблеме нормирования электромагнитного излучения носимого радиотелефона.
Научно-технический прогресс не стоит на месте. Если буквально 3-4 года назад в основном использовали сотовые телефоны мощностью 2-5 Вт, то в настоящее время сотовый телефон мощностью более одного ватта уже является редкостью.
Особую актуальность приобретает вопрос приоритетного развития систем сотовой радиосвязи, у которых при прочих равных потребительских свойствах, меньше уровень ЭМИ абонентской и базовой станции, а создание сети связи требует меньшего количества базовых станций. С этой точки зрения наиболее перспективной является система мобильной радиосвязи на основе стандарта СDMA.
В отечественной и зарубежной литературе имеется много публикаций, подчеркивающих экологичность стандарта CDMА. В то же время практически отсутствуют конкретные результаты исследований сравнительных эколого-технических характеристик абонентских и базовых станций этого стандарта с наиболее распространенным в России стандартом GSM.
Какой 3G-путь выбирает Россия?
До настоящего времени во всем мире с переменным успехом продолжается дискуссия о путях перехода к сетям сотовой связи третьего поколения, которые, кроме всего прочего должны предоставлять услуги высокоскоростного доступа в Интернет.
Все сводится к двум вариантам: европейскому, который поддерживают страны Западной Европы и североамериканскому, который поддерживают США, Канада, Китай, Япония, страны Юго-Восточной Азии. По какому же пути пойдет Россия? Здесь у нас появился реальный шанс ликвидировать допущенное технологическое отставание.
Оба варианта создания сетей сотовой связи третьего поколения предполагают использовать технологию кодового разделения каналов. Еще в 1935 году выдающийся советский ученый Д. Агеев, почти на 10 лет раньше К. Шеннона, в своей работе "Линейные методы селекции и проблема пропускной способности эфира" теоретически обосновал технологию кодового разделения каналов.
Исторически военные связисты США и СССР применяли технологию кодового разделения каналов при создании закрытых систем связи. И в этом не имели себе равных в мире. Разработаны и готовятся к внедрению новые системы сотовой связи с кодовым разделением каналов (CDMA). Максимальная мощность ЭМИ носимого радиотелефона в таких системах не превышает 0,01 Вт (что меньше, чем у "безопасного" с этой точки зрения бесшнурового радиотелефона).
Проведенные исследования также показали, что из всех применяемых технологий сотовой связи самой экологичной является технология CDMA. Однако темпы внедрении этого стандарта в нашей стране достаточно медленны, если не говорить о весьма странном курсе на сворачивание целого ряда этих сетей протокола IS-95 (массово используемого в Северной Америке и Юго-Восточной Азии), основанном не на технико-экономических, а скорее на политических факторах (но, отражающих жесткую конкурентную борьбу; политика, как известно, — это "концентрированная экономика").