Преимущества технологии cdma

В системах сетей сотовой связи - ССС поколений 1G (аналоговые системы беспроводной связи) и 2G (цифровые системы беспроводной связи) множественного доступа с частотным разделением (каналов) - FDMA - существует проблема так называемого "многократного использования" ("reuse") частотных каналов (частот).

Чтобы не мешать друг другу, соседние BTS, обслуживающие каждая свою "соту" (ячейку), должны использовать разные частоты.

Если у BTS шесть "соседей" (наиболее часто рассматриваемый случай - 7 сот в минимальном фрагменте сети), зона действия каждой BTS представляет собой равносторонний гексагон - шестиугольник (сота, ячейка).

Количество каналов, которые может использовать одна BTS в семь раз меньше, чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению пропускной способности локальной зоны - LA (ячейки, соты), которую обслуживает BTS, и к увеличению плотности установки BTS за счет разбиения ячеек (сот) на более мелкие ячейки в густонаселённых районах.

В устройствах абонентского доступа систем CDMA не используется технология FDMA, поэтому частотный ресурс в CDMA используется очень эффективно.

В устройствах абонентского доступа систем CDMA не используется также и технология множественного доступа с временным разделением (каналов) - TDMA, что позволяет значительно увеличить скорость передачи информации (пропускную способность каналов).

Пропускная способность сети CDMA обычно в несколько раз выше, чем в сетях TDMA и на порядок выше, чем в сетях FDMA.

Для того чтобы MS, находящаяся рядом с BTS, не "мешала" своим сигналом более отдалённым MS, в CDMA предусмотрена плавная автоматическая регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению энергопотребления MS вблизи BTS и, соответственно, увеличению времени работы MS без подзарядки аккумулятора.

Одной из особенностей сетей CDMA является возможность "мягкого переключения" ("soft handoff") из одной локальной зоны - LA (ячейки, или соты) в другую или от BTS одной соты к BTS другой соты. При этом, возможна ситуация когда одну MS "ведут" сразу несколько BTS.

Пользователь не замечает, что его MS "передана" другой BTS. Чтобы это стало возможным, необходима четкая синхронизация обеих BTS.

В военных и коммерческих системах синхронизация обеспечивается сигналами точного времени через спутники системы GPS - Global Positioning System - глобальной системы навигации (США).

Технология CDMA - это практически полностью цифровой стандарт, т.к. все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только "последняя миля" (всегда) является аналоговой, причём гораздо более простой, чем у других стандартов сетей сотовой связи - ССС. Это позволяет практически полностью выполнить MS в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции и тем самым значительно снизить ее высокую стоимость.

Системы CDMA используют современные технологии для преобразования аналоговых (речь, звук, видео, данные) сигналов в цифровые сигналы, что

повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению со схемами множественного доступа с временным разделением (каналов) - TDMA.

Эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA

1989 год В США принята технология TDMA - множественный доступ с временным разделением (каналов) в качестве цифрового стандарта, который заменил аналоговый стандарт N-AMPS. Это позволило Операторам сотовой связи разделять сигнал на мельчайшие временные интервалы в доли секунды, что предоставляет возможность одновременного доступа к системе TDMA втрое бóльшему числу абонентов (пользователей).

В этом же году компания Qualcomm Inc. представила систему CDMA, по-новому реализующую идею, десятилетиями использовавшуюся в системе спутниковой связи военных в США и в бывшем СССР. После трех лет тестирования промышленностью была предложена система CDMA в качестве второго (после GSM) международного стандарта, повышающего емкость системы в 10-20 раз.

1993 год ITU-T одобрил международный стандарт CDMA: IS-95А.

Аббревиатура IS - Interim Standard - временный стандарт - используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер.

Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 - TIA / EIA - Telecommunication Industry Association / Electronic Industries Alliance - видно, что в его рассмотрении принимал также участие альянс - EIA, который объединяет семь крупных организаций США. Системы IS-95 разделяют частотный спектр на полосы шириной 1,25мГц. Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20,0мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2кбит/с до 9,6кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

1997 год Завершена разработка стандарта IS-95B; скорость передачи данных 64,0кбит/с. ITU-T принял основные рекомендации для оценки CDMA технологий.

Для IS-95: стандарт - CDMA, бренд: CDMA-One.

1998 год ITU-T одобрил стандарт CDMA 2000 для поколения мобильной связи 2,5G - 3G.

1999 год Операторы связи в Северной Америке, Корее и Японии запустили Интернет и информационные сервисы, используя стандарт CDMA-One.

2009 год Компания TIA / EIA (Telecommunication Industry Association / Electronic Industries Alliance) предложила группу стандартов CDMA 2000 -временный международный стандарт IS-2000 (lMT 2000 - International Mobile Telecommunications). Стандарт является развитием действующего врéменного международного стандарта IS-95 (CDMA-One).

ITU-T установил дополнительный частотный спектр для группы стандартов CDMA:

IMT-2000 - International Mobile Telecommunications - международные мобильные телекоммуникации (начало эксплуатации - 2000г.), эта система предложена европейским институтом ETSI и называется сегодня UMTS.

UMTS - Universal Mobile Telecommunication System - универсальная мобильная телекоммуникационная система.

Эта система не является полностью новой, а скорее является промежуточной - поколение 2,5G.

Функционирует пять интерфейсов радиодоступа:

-IMT-DS (Direct Spread, W-CDMA / UTRA FDD) представляет собой стандарт на базе технологии W-CDMA – широкополосной системой CDMA, используется в основном в Европе при переходе от стандарта GSM к стандарту UMTS, W-CDMA и является основой европейской системы UMTS;

- IMT-MC (Multi Carrier, CDMA 2000) представляет собой модификацию многочастотной системы CDMA 2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта CDMA-One (IS-95);

- IMT-TC (Time-Code, UTRA FDD / CDMA, CDMA 2000);

- IMT-SC (Single Carrier, IS-136 - AMPS);

- IMT-FT (Frequency Time, DECT).

Технология CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сетей сотовой связи.

Для перехода к стандарту в сети IS-95A необходимо произвести следующую модернизацию: - Заменить платы канальных элементов на BTS на платы нового типа или добавить их. - Произвести модернизацию программного обеспечения или установить новое. - Установить новые или модернизировать элементы доступа в IP-сеть.

В стандарт CDMA 2000 на транспортном (4-м) уровне ЭМ ВОС заложен протокол

Mobile IP. Он позволяет пользоваться роумингом передачи данных без смены

IP-адреса при переходе из домашней сети в гостевую или другую сеть.

Стандарт CDMA 2000 (IMT-MC, или IMT 2000) разделен на две фазы - 1X и 2X.

Основные отличия стандарта CDMA 2000 1X от стандарта IS-95A:

- Наличие пилотного канала в обратном канале.

- Большое количество (до 64-х) кодов Уолша и большое количество каналов связи в одном частотном диапазоне. - Наличие быстродействующей схемы контроля мощности в прямом канале и в обратном канале связи. - Организация дополнительных каналов в случае необходимости передачи больших файлов пакетов данных.

Все это позволило значительно увеличить скорость передачи данных для речевого трафика и (или) для IP трафика.

В сетях IS-95A пиковая скорость передачи данных ограничена максимальной шириной полосы одного канала трафика, который может быть выделен либо для передачи речи, либо для передачи данных, которая составляет 14,4кбит/с.

Сети стандарта IS-95B отличаются от сетей IS-95А, в основном, возможностью объединения нескольких каналов трафика для одного пользователя с целью увеличения скорости передачи данных.

Сети IS-95B являются аналогами широко внедряемых сегодня сетей GPRS.

Первые коммерческие запуски сетей IS-95B состоялись в 1999г. - в Корее и в 2000г. - в Японии.

Использование систем CDMA 2000 1X позволяет обслуживать одной BTS в 1,7 раз больше каналов с речевым трафиком, чем использование систем IS-95A в такой же полосе частот.

Ресурс по передаче трафика данных делится между пользователями, подобно тому, как офисная локальная сеть ограничивает потребности каждого пользователя.

Стандарт CDMA 2000 1X обладает полной прямой и обратной совместимостью со стандартом IS-95A. Это означает, что MS стандарта CDMA 2000 1X работают в сетях IS-95A. В свою очередь мобильные станции IS-95A также работают в сетях CDMA 2000 1X, только со скоростью передачи данных - 14,4кбит/сек.

Эволюция технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA 2000.

Стандарт CDMA 2000 не является полноценным 3G, т.к. не дотягивает до обязательных 2,048мбит/с - скорости передачи данных в одном канале. Поэтому его называют поколением 2,5G.

Стандарт CDMA 2000 1Х называют также IS-95C.

Вторую фазу CDMA 2000 позже назвали 1X-EV (evolution), разделив ее на две фазы:

- CDMA 2000 1X EV-DO (evolution-data only);

- CDMA2000 1X EV-DV (evolution-data & voice).

Стандарты семейства CDMA 2000 не требуют организации отдельной полосы частот.

В ходе эволюции технологии CDMA могут быть реализованы во всех частотных диапазонах, используемых системами сетей сотовой связи (450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900мГц и т.д.).

При построении системы сотовой связи на основе технологии CDMA 2000 1Х, первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153,0кбит/с, что позволяет предоставлять услуги речевой связи, передачу коротких сообщений - SMS, работу с электронной почтой, Интернет, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Переход к технологии CDMA 2000 1Х EV-DO происходит при использовании той же полосы частот - 1,25мГц, скорости передачи - до 2,4мбит/с - в прямом канале и до 153,0кбит/с - в обратном канале. Это делает систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме практически реального времени.

На конференции в Стокгольме стандарт CDMA 2000 1X EV-DO был принят

ITU-T как стандарт третьего поколения (3G) - IMT-2000.

Поскольку задачи передачи речи и пакетов данных ставят принципиально разные требования к построению радио интерфейса, при разработке стандартов серии CDMA 2000 1X EV было решено разделить трафики речи и данных по разным частотным каналам. Как первая фаза этого стандарта был разработан стандарт CDMA 2000 1Х EV-DO, который описывает исключительно передачу данных в отдельном частотном канале 1,25мГц. Передача речи чувствительна к времени задержки речевого сигнала, поэтому в системах CDMA 2000 1Х EV-DO необходимо поддерживать стабильный канал передачи, постоянно отслеживая и изменяя мощность сигнала в зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. Приемник каждые 1,67мс измеряет соотношение сигнал/шум и скорость передачи данных. Вышесказанное позволяет увеличить скорости передачи до 2,4мбит/с в прямом, и 307,0кбит/с в обратном каналах.

Это увеличивает спектральную эффективность передачи данных примерно в шесть раз по сравнению с технологией CDMA-One.

Следующая фаза этого стандарта CDMA 2000 1Х EV-DV разработана совместно компаниями Motorola, Nokia, Philips Semiconductors и Texas Instruments, позволяет осуществить передачу и речи, и данных в одном частотном канале 1,25мГц и достичь пиковых скоростей передачи 4,8мГц.

Для перехода к стандарту CDMA 2000 1Х EV-DO необходимо: - Выделить отдельные частотные каналы для передачи данных. - Заменить платы канальных элементов в BTS 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.

Сценарий эволюции от системы CDMA 2000 1X к системе CDMA 2000 1X EV практически не отличается от эволюции системы CDMA-One к системе

CDMA 2000 1X. Во втором случае фактически организуется наложенная сеть передачи данных в отдельных частотных каналах.

Децентрализованный вариант реализации сети CDMA 2000 1Х EV является аналогом хорошо известной технологии CDPD - Cellular Digital Packet Data - сотовая система передачи пакетов цифровых данных.

Следующий этап развития стандарта

технология CDMA 2000 1ХEV-DO-Rev A, которая позволяет увеличить сетевую ёмкость и скорость передачи данных:

- до 3,1мбит/с - в прямом канале - к MS (мобильной станции) к BTS (базовой трансиверной станции)

- до 1,8мбит/с - в обратном канале - от MS.

Операторы связи предоставляют те же услуги, что и на базе Rev 0, а также речь, данные и широковещательные услуги по IP-сетям.

В мире уже есть несколько таких действующих сетей.

Разработчики оборудования работают над реализацией следующей технологи CDMA 2000 1ХEV-DO Rev B, что позволит достигнуть следующих скоростей в одном частотном канале:

4,9мбит/с - к MS и 2,4мбит/с - от MS.

Для увеличения скорости можно объединить до 15-ти частотных каналов

(в настоящее время - максимально возможное количество), что даст возможность передавать пакеты данных со скоростями:

73,5мбит/с - к MS и 27,0мбит/с - от MS.

Применение CDMA технологий улучшает работу чувствительных к временным задержкам приложений типа: VoIP, Push to Talk, видео, речевых сообщений, сетевых игр и т.д.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA 2000 являются:

-широкая зона обслуживания,

-высокое качество речи (практически эквивалентное полностью проводным сетям),

-гибкость и дешевизна внедрения новых услуг,

-высокая помехозащищённость,

-устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания,

-низкая излучаемая мощность MS.

Для систем CDMA 2000 максимальная излучаемая мощность MS составляет 250,0мВт, в то время как:

• для систем GSM-900 - 2,0Вт (в импульсе),

• для систем GSM-1800 - 1,0Вт (в импульсе).

Особую актуальность приобретает вопрос приоритетного развития систем сотовой связи, у которых при равных потребительских свойствах, меньше уровень ЭМИ - электромагнитного излучения, а создание сотовой сети связи требует меньшего количества BTS. С этой точки зрения наиболее перспективной является система мобильной связи на основе стандарта CDMA.

Максимальная мощность ЭМИ, излучаемая MS систем CDMA, не превышает 0,01Вт (меньше, чем у безопасного "бесшнурового" радиотелефона).

Проведенные исследования также показали, что из всех применяемых технологий сотовой связи самой экологичной является технология CDMA. Темпы внедрения этого стандарта в нашей стране достаточно медленны, если не говорить о курсе на сворачивание целого ряда этих сетей стандарта IS-95 (массово используемого в Северной Америке и Юго-Восточной Азии), основанном не на технико-экономических, а скорее на политических факторах.