|
|
CDMA связь
Мобильные телефоны стали уже вполне привычным явлением нашей жизни – несмотря на то, что сотовая связь по-прежнему относится к разряду высоких технологий. А одной из самых «высоких» и перспективных признан множественный доступ с кодовым разделением сигналов – Code Division Multiple Access, или, сокращенно, CDMA.
Американец российского происхождения
Над используемой сегодня в системах сотовой связи версией CDMA – CDMAone – трудилась американская фирма Qualcomm. Причем CDMAone – последняя в ряду действующих технологий сотовой связи. Соответствующий стандарт – IS-95 – был принят только в 1994 году. Более того, многие технические решения, воплотившиеся в этом стандарте, ранее в радиосвязи широко не применялись. Однако родилась эта технология значительно раньше. Еще в 1935 году в сборнике трудов ЛЭИС появилась статья, где излагались основные идеи новой технологии, составившие впоследствии фундамент нынешнего CDMA. В общем, научные корни этого американского стандарта вполне можно считать российскими.
Почему же этому know how потребовалось почти шестьдесят лет, чтобы стать массовым? Причин две – сложность технической реализации и уникальные возможности.
Военное прошлое
Технология CDMA использует широкополосные сигналы, которые занимают спектр радиочастот, значительно больший, чем это требуется для передачи полезного сообщения. Подобная «избыточность» дает массу преимуществ. Во-первых, сигнал приобретает «шумоподобный» характер, не позволяющий без знания кода восстановить передаваемое сообщение. Во-вторых, мощность радиопередатчика, «размазанная» в широкой полосе, делает величину сигнала столь маленькой, что она может оказаться даже меньше уровня естественных шумов радиоэфира, и сигнал невозможно заметить. А принять его можно, только опять-таки зная код, по которому следует «собрать» энергию сигнала из широкой полосы и восстановить исходное сообщение.
Широкополосные сигналы очень устойчивы к помехам со стороны других сигналов. Узкополосные сигналы (например, от обычных радиостанций) не могут целиком «забить» широкополосный сигнал, а только искажают его небольшую часть, что не мешает правильному приему сообщений. Другие такие же широкополосные сигналы ведут себя аналогично естественным шумам и тоже не очень сильно мешают. Естественно, новой технологией сразу же заинтересовались военные и возвели вокруг разработок непроницаемую стену: создавать такие устройства можно было, только не считаясь с расходами и не мечтая скрыть их «в кармане». Лишь современный уровень развития микроэлектроники позволил «впихнуть» «начинку» в размеры привычного мобильного телефона.
Совсем просто о кодовом разделении
Каждую минуту с любой базовой станцией сотовой сети пытаются связаться сразу несколько телефонов, находящихся в ее окрестностях. Поэтому станции должны обеспечивать «множественный доступ», то есть одновременную работу без взаимных помех сразу нескольких радиотелефонов.
В аналоговых системах первого поколения (стандарты NMT, AMPS, N-AMPS и др.) множественный доступ реализуется частотным методом – FDMA (Frequency Division Multiple Access): базовая станция имеет несколько приемников и передатчиков, каждый из которых работает на своей частоте, а радиотелефон настраивается на любую частоту, используемую в сотовой системе. Связавшись с базовой станцией на специальном служебном канале, телефон получает указание, какие частоты он может занять, и перестраивается на них. Это не отличается от способа настройки той или иной радиоволны. Однако число каналов, которые удается выделить на базовой станции, не очень велико, тем более что соседние станции сотовой сети должны иметь разные наборы частот, чтобы не создавать взаимных помех. В большинстве сотовых сетей второго поколения стал применяться частотно-временной метод разделения каналов – TDMA (Time Division Multiple Access). В таких системах (а это сети стандартов GSM, D-AMPS и др.) тоже используются различные частоты, но только каждый такой канал выделяется телефону не на все время связи, а только на небольшие промежутки времени. Остальные такие же интервалы поочередно используются другими телефонами. Полезная информация в таких системах (в том числе и речевые сигналы) передается в «сжатом» виде и в цифровой форме.
Совместное использование каждого частотного канала несколькими телефонами позволяет обеспечить обслуживание большего числа абонентов, но частот все равно не хватает. Существенно улучшить это положение смогла технология CDMA.
Суть метода кодового разделения сигналов, примененного в CDMA, заключается в том, что все телефоны и базовые станции одновременно используют один и тот же (и при этом сразу весь) выделенный для сотовой сети диапазон частот. Для того чтобы эти широкополосные сигналы можно было различать между собой, каждый из них имеет специфическую кодовую «окраску», обеспечивающую его уверенное выделение на фоне других. Образно это выглядит так: представьте себе, что вы находитесь в большом ресторане или магазине, где одновременно на разных языках разговаривает друг с другом много пар людей. Несмотря на окружающий многоголосый шум, каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как фон, не особенно мешающий общению.
Этот пример отражает суть метода: и аппаратура для кодового разделения сигналов, и слуховой аппарат человека используют одни и те же – корреляционные – методы обработки. Наверное, многие в детстве пробовали писать «секретные письма» с помощью специального трафарета, сделанного из клетчатого листа бумаги с вырезанными квадратиками. Накладывая этот трафарет на другой лист, буквы сообщения пишут через вырезанные окошки, а остальные клетки письма просто заполняют в случайном порядке любыми буквами. Для человека несведущего такой листок представляет собой просто смесь букв – «информационный шум», но стоит на него наложить исходный трафарет – весь «шум» сразу пропадает, а через прорези виден текст письма. Если же письмо «шифровалось» с помощью другого трафарета, в окошках будут проглядывать буквы, не образующие осмысленного сообщения, то есть опять «шум». Аналогичные результаты получаются и при работе с сигналами CDMA. Такой способ выделения сигналов имеет массу преимуществ.
Что для немцев плохо…
Кодовый метод разделения оперирует только одним параметром сигналов – их кодами – и мало чувствителен, например, к искажениям формы. Благодаря этому в системах CDMA удается использовать «во благо» даже такое «зло» городов, как многочисленные переотражения сигналов от окружающих зданий. Наверное, всем приходилось видеть сильно мешающее просмотру передач двоение-троение контуров изображений, возникающее на экране телевизора с комнатной антенной.
Любой радиотелефон получает точно такую же «адскую» смесь, которая при технологии TDMA может сделать полностью невозможной связь даже вблизи базовой станции.
А CDMA справляется со всем этим, ведь переотраженный сигнал – просто еще одна копия полезного сообщения, которую коррелятор точно так же выделяет. А если сигнал копии сложить с основным, можно поддерживать связь при значительно меньших уровнях принимаемого радиосигнала. Каждый телефон способен использовать сразу три таких сигнала, а базовые станции – даже по четыре. Другая уникальная возможность CDMA – «мягкое» переключение абонента с одной базовой станции на другую. Решение такой задачи в других сотовых системах представляет серьезную проблему, ведь базовые станции в соседних сотах всегда работают на разных частотах. Поэтому для перехода абонентскому телефону, достигшему границы между сотами, надо сначала отключиться от прежней станции и только потом перестроиться на частоту новой. Помехи в связи в этот момент, а то и обрыв соединения – не редкость.
 В сетях CDMA, как уже было сказано ранее, используется единая полоса частот, поэтому сигнал телефона могут принимать сразу несколько соседних базовых станций. И мобильный телефон в сети CDMA всегда «ведут» сразу две, а то и три станции, а для связи используются самые «качественные» сигналы.
Другая особенность стандарта CDMA связана с мощностью работы передатчиков телефонов.
Если вспомнить пример с одновременным разговором на разных языках большого количества людей, вполне понятно, что их общение может быть сразу нарушено, если чей-нибудь громкий голос заглушит остальные. Для того чтобы такое не происходило в сетях CDMA, в алгоритме работы системы предусмотрена специальная процедура высокоточной регулировки мощности телефонов. Ее цель – достижение такой ситуации, когда амплитуды сигналов всех радиотелефонов, находящихся в зоне действия базовой станции, на входе ее приемника будут практически равны. Для этого станция с частотой 800 раз в секунду посылает каждому телефону указание о величине мощности, с которой должен сейчас работать его радиопередатчик. Амплитуда такой регулировки огромна: до ста миллионов.
В результате для телефонов, удаленных от базовой станции, эта мощность оказывается выше, а для расположенных вблизи – совсем маленькой. Но передатчики радиотелефонов всегда настраиваются на минимальную мощность, необходимую для устойчивой связи. Такой принцип настройки имеет три плюса. Прежде всего, минимальные мощности работы передатчиков создают минимальный общий уровень помех, а следовательно, базовая станция может «услышать» и слабый сигнал удаленного на большое расстояние телефона. Кроме того, минимальная мощность передатчика обеспечивает минимальный разряд батареи телефона. Ну и, наконец, маленькая мощность передатчика позволяет уменьшить облучение пользователя.
Однако этим перечень положительных свойств CDMA не заканчивается.
Итак, возможности
Высокая надежность и качество связи, даже внутри зданий и в движении.
Наибольшая абонентская емкость систем.
Возможность покрытия больших территорий не очень большим числом базовых станций.
Высокое качество передачи речи, близкое к проводным цифровым сетям.
Надежная защита от несанкционированного доступа, а также конфиденциальность переговоров.
В стандарте CDMA предусмотрен доступ к широкому спектру услуг, включая определение номера звонящего абонента, блокировку, фильтрацию и переадресацию вызовов, обмен короткими сообщениями (SMS), одновременную передачу данных и голоса, трехстороннюю конференц-связь, цифровую голосовую почту и даже пакетную передачу данных для обеспечения высокоскоростного доступа в Интернет и обмена информацией.
Перспективы
О злоключениях CDMA в нашей стране написано достаточно. Тем не менее этакий вариант «фиксированного самолета» уже стал реальностью. Наиболее точно суть происходящего выразила Ассоциация NMT 450 в меморандуме, принятом в ноябре прошлого года: «Решение о предоставлении возможности мобильной связи в сетях операторов CDMA... создает реальную угрозу интересам операторских компаний NMT 450, а также GSM и D-AMPS (AMPS)». Как не пожалеть о том, что в России еще нет ассоциации пользователей мобильной связью, которая так же отстаивала бы их интересы.
А тем временем технология CDMA нашла свое место и в спутниковой мобильной связи (например, в системе GlobalStar), но главное – она легла в основу большей части новых стандартов, разрабатываемых для наземных систем мобильной связи третьего поколения. Компания Qualcomm уже предлагает усовершенствованный вариант CDMA под названием CDMA2000, а Ericsson разработал другую версию широкополосной CDMA – Wideband CDMA (W-CDMA). Работы здесь еще продолжаются, меняются названия, появляются новые варианты стандартов, но одно уже ясно – сотовые технологии третьего поколения будут из «семьи» CDMA.
|
