Сотовые сети стандарта CDMA

Министерство науки и образования Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования города Москвы

Политехнический колледж №42

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «МДК. 01. 01 технология монтажа систем мобильной связи»

На тему: «Сотовые сети стандарта CDMA»

Группа ССО-25-13

Выполнила: Воробьёва Ю.С.

Проверил: Курилов С.Ж.

Оценка:

                            Подпись:

                                     Дата:

Москва 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………3

1. ОСНОВЫ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СТАНДАРТА CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)…………………………………………………………………5

         1.1. История сотовых сетей………………………………………………5

         1.2. Общая характеристика сотовых сетей………………………………7

         1.3. Принципы функционирования сотовых сетей……………………11

Выводы по первой главе…………………………………………………….....14

2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОТОВЫХ СЕТЕЙ……………….15

         2.1. Описание общих характеристик CDMA и GSM…………………...15

         2.2. Сравнение технологий систем GSM и CDMА……………………...19

2.3. Расчет отношения сигнал/шум в каналах…………………………..23

Выводы по второй главе………………………………………………..29

3. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПОЯСНЕНИЕ СОТОВЫХ СЕТЕЙ………………..30

Выводы по третьей главе……………………………………………………….33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….34

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………………35

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………….36

ВВЕДЕНИЕ

         Цели: Изучить и исследовать основы сотовых систем стандартов CDMA.

Задачи: Узнать историю сотовых систем, общую характеристику и их принципы функционирования, сравнить технологии систем GSM и CDMA, а также рассмотреть CDMA как инструмент решения экономических задач.

CDMA — технология радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи. CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmаOne (основанных на IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается.

Следующей фазой развития стандарта в направлении увеличения сетевой ёмкости и передачи данных является 1XEV-DO Rev A: передача данных со скоростью до 3,1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1,8 Мбит/с — 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. Разработчики оборудования CDMA связи запустили новую фазу — 1XEV-DO Rev B, — с целью достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9 Мбит/с к абоненту и 2,4 Мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Применение таких сетей — улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений, видео телефония, сетевые игры и т. п. Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг, высокая помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт.

Таким образом, CDMA — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию, которая применяется для улучшения работы чувствительных к временным задержкам приложений и т.д.

1. ОСНОВЫ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СТАНДАРТА CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)

1.1 История сотовых сетей стандарта Code Division Multiple Access (CDMA)

Стандарт CDMA - множественный доступ с кодовым разделением, по происхождению американский, хотя и получил первоначально наиболее широкое распространение в Южной Корее. У истоков этого стандарта стояла компания Qualcomm. Метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) использовался ранее в военных приложениях, в частности, в спутниковой связи, и компания Qualcomm принимала активное участие в соответствующих разработках. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым в работе «Кодовое разделение каналов». В ней было показано, что при использовании линейных методов возможны три вида разделения сигналов: частотное, временное и компенсационное (по форме).

Стандарт CDMA очень тесно конкурировал со стандартом DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service - цифровая усовершенствованная мобильная телефонная служба). CDMA претендовал на нишу цифровой системы сотовой связи диапазона 800 МГц в США, но уступил ее стандарту DAMPS, который использует метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA - Time Division Multiple Access). Причинами тому послужили большая сложность CDMA по сравнению с TDMA, меньшая степень преемственности по отношению к AMPS (Advanced Mobile Phone Service), а также отставание по срокам готовности к реализации на два-три года. Однако стандарт CDMA появился и настойчиво отвоевывает свое место на рынке, хотя ситуация с ним несколько противоречива. 1989 - 1990 гг. были определены основные технические решения стандарта, в 1991 - 1992 гг. проведены полевые испытания. В 1990 г. были сформулированы основные положения стандарта, первая версия которого была выпущена в 1993 г. под наименованием IS-95; впоследствии она была уточнена и перевыпущена: EIA/TIA Intertim Standard IS-95-A: mobile station - base station compatibility standard for dual-mode wideband spread spectrum cellular system (1995) - стандарт, определяющий правила совместной работы подвижных и базовых станций широкополосной системы сотовой связи с расширением спектра. После выпуска стандарта IS-95 это наименование часто используется как синоним стандарта CDMA^[2].

Рис.1 Структура каналов связи в стандарте CDMA IS-95

         Стандарт CDMA имеет диапазон 800 МГц. Он совместим с аналоговым AMPS, и все аппараты CDMA-800 поддерживают AMPS, но это совмещение реализуется иначе, чем для комбинации AMPS/DAMPS. Рабочая полоса частотного канала CDMA составляет 1,23 Мгц, так что при замене системы AMPS системой CDMA группа частотных каналов первого замещается одним частотным каналом второго, а всего в пределах одного блока размещается 10 частотных каналов CDMA.

Коммерческое использование стандарта CDMA-800 началось в 1995 г. На начало 2000 г. общее число его абонентов в мире составляло около 50 миллионов, из них более 20 миллионов - в Южной Корее. Практически одновременно с вводом CDMA-800 в конце 1995 г., в США началось коммерческое использование стандарта в диапазоне 1900 МГц. Стандарт CDMA имеет свою международную ассоциацию - Группу развития стандарта CDMA (CDMA Development Group - CDG), образованную в 1995 г. и объединяющую 101 компанию - производителей аппаратуры и операторов стандарта  IS-95^[7].

Стандарт CDMA, как и другие современные стандарты сотовой связи, продолжает развиваться, в частности, в направлениях повышения качества передачи информации и ввода новых видов услуг. С 1997 г. начал использоваться усовершенствованный кодер речи с увеличенной до 13 Кбит/с частотой кодирования. В том же 1997 г. начата разработка экспериментальной системы мобильной связи третьего поколения на основе широкополосной системы CDMA.

         Таким образом, стандарт CDMA – это множественный доступ с кодовым разделением. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым. Имеет диапазон 800 МГц.

1.2 Общая характеристика сотовых сетей

Преимуществами сотовых сетей стандарта CDMA являются:

·       гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.

·        более высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.

·       Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому позволяют более экономно расходовать батарею^[10].

При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). На изображении ниже показан пример, демонстрирующий применение метода для генерации сигнала. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений показана в приложении 3.  Сигнал данных с длительностью импульса T_b комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна  (зам: ширина полосы пропускания пропорциональна , где  = время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна  и ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна . Так как  много меньше , ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина  называется фактором распространения или базой сигнала и определяет в известной мере верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией одновременно^[5].                

CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире шумоподобными. Широкополосная — потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы — потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая — потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные система восстановит, см. рис 1, где показан полезный сигнал и помеха (СЗС — селективная помеха).  Основные характеристики стандарта CDMA показаны  (см. приложение 5).

        

Рис. 2. Полезный сигнал и помеха

 

Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью? (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 Мгц.

Приложение 4

Конфигурация системы стандарта CDMA показана (см. приложение 4).

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим “эстафетной передачи” при переходе из соты в соту.

Мягкий режим “эстафетной передачи” происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего “склеивания” кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в “эстафетной передаче”.

Таким образом, преимуществами сотовых сетей стандарта CDMA являются: гибкое разделение ресурсов, высокая защищенность каналов и экономное расходование батареи.

1.3. Принципы функционирования сотовых сетей

В принципе функционирования сотовых сетей существует два основных ресурса - частота и время. Разделение пар приёмников и передатчиков по частотам таким образом, что каждой паре выделяется часть спектра на всё время соединения, называется FDMA (Frequency Division Multiple Access). Разделение по времени таким образом, что каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называют TDMA (Time Division Multiple Access). В CDMA (Code Division Multiple Access), для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время.

Приложение 3

Приложение 3

       Схема расширения спектра частот цифровых сообщений показан (см. приложение 3).

 CDMA использует специальные коды для идентификации соединений.  Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. Структурная схема CDMA базовой станции показана (см. приложении 2).

Рис.3  Структурная схема обратного канала трафика

 В результате работы нескольких передатчиков эфир, в данном частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника^[4].

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующем примере.                                                    Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.                                                                           Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.

Рис. 4 Матрица Уолша

В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access — многостанционныйдоступ с кодовым разделением канала, т. е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично.

А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.

Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

         Таким образом, для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. В результате работы нескольких передатчиков эфир, в  частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него^[8].

Вывод по первой главе

CDMA — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию, которая применяется для улучшения работы чувствительных к временным задержкам приложений и т.д. Стандарт CDMA  – это множественный доступ с кодовым разделением. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым. Имеет диапазон 800 МГц. преимуществами сотовых сетей стандарта CDMA являются: гибкое разделение ресурсов, высокая защищенность каналов и экономное расходование батареи. Для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. В результате работы нескольких передатчиков эфир, в  частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него.

2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОТОВЫХ СЕТЕЙ

2.1 Описание общих характеристик CDMA и GSM

В практическом вопросе мы сравним 2 системы: GSM и CDMA. CDMA (Code Division Multiple Access) – технология сотовой системы подвижной радиосвязи, в которой используется множественный доступ с кодовым разделением каналов. Была разработана и предложена для коммерческого применения компанией Qualcomm (США), хотя основные принципы технологии были разработаны еще в середине ХХ в. С тех пор этот вид связи прошел серьезный эволюционный путь развития. Сегодня поставщики услуг CDMA-связи используют систему CDMA2000.  А это:

·        качество голосовой связи - это достигается благодаря использованию       более современных систем кодирования и высокой помехоустойчивости;

·       широкий охват местности - использование новейших технологий и алгоритмов обработки сигналов;

·       устойчивая работа в зданиях и тоннелях - принимаемый сигнал складывается из нескольких распространяющихся сигналов, что позволяет без потери качества работать в зданиях и тоннелях;

·        в сотни раз меньшее значение выходной мощности;

·       емкость CDMA от десяти до двадцати раз выше, чем у аналоговых систем;

·       CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения;

·        высокая конфиденциальность передаваемых данных - за счет использования технологии CDMA достигается высокая энергетическая скрытность систем с шумоподобным сигналом;

·        высокая скорость соединения с Интернетом – сейчас, благодаря технологии CDMA, а точнее стандарту CDMA2000 1х-EVDO Rev.A, скорость доступа к интернету достигает 3,1 Мбит/с.

GSM (Global System for Mobile Communications) – глобальная система мобильной связи – является одной из лидирующей в мире цифровых сотовых систем связи и принадлежит ко второму поколению или 2G. Сеть GSM впервые открыто в 1991 году. В конце прошлого века стандарт GSM был внедрен в более чем 100 странах мира и стал "де-факто" стандартом мобильной связи в Европе и Азии.

В сотовой связи стандарта GSM используются радиочастоты 900, 1800 или 1900 МГц (трехдиапазонные телефоны при этом могут использоваться в сетях любого из перечисленных частотных диапазонов). Они были разработаны ещё в далёком 1992 году и предусматривались как евростандарты.

В сравнении с аналоговыми стандартами GSM имеет целый ряд преимуществ. Основные из них – применение маломощных передатчиков в абонентских аппаратах и в базовых станциях. Процедура установления обычного соединения показана (см. пиложение 1).

 Это удешевляет саму аппаратуру, но не сказывается на качестве связи. Кроме того, передача информации в цифровом виде позволяет легко обеспечить высокую степень конфиденциальности переговоров.

Не секрет, что все (или многие) ждут от мобильной связи что-то новое. Новым этапом в развитии рынка может стать развитие стандартов третьего поколения 3G^[1].

3G объединяет в себя пять стандартов мобильной связи – TD-SCDMA, UMTS (WCDMA), CDMA 1X-EV-DO, DECT, EDGE (UWC-136). Из них в наших условиях могут работать только два – UMTS (WCDMA) и CDMA 1X-EV-DO.

Проблема в том, что для строительства сети UMTS нужны колоссальные инвестиции – вдуматься только: максимальный радиус распространения сигнала – всего 700-800 метров от базовой станции (соты) в то время, как у обычного GSM она равна 32 километрам. Можно себе представить, какое количество сот нужно разместить в одном только Киеве с учетом того, что площадь нашей столицы – 840 кв.км. А кроме столицы есть еще 24 областных центра, более мелкие города, магистрали. Одним словом, строительство сетей третьего поколения на основе стандарта GSM (UMTS) в Украине выглядит утопией.

Кроме того, есть еще одна не очень радующая особенность - телефоны UMTS обладают очень хорошим аппетитом в плане потребления энергии аккумуляторов. На сколько минут хватило бы, например аналогов прожорливых Samsung Cxxx или Nokia 8800… . И самое главное – во многих европейских странах стандарт UMTS показал себя не как прибыльный, принеся операторам серьезные убытки, после чего прошла волна разочарований.

Преимуществ у CDMA 1X-EV-DO намного больше, часть которых обусловлена «естественными» свойствами самого стандарта CDMA:

-        передача сигнала происходит на уровне радио шумов, что, во-первых, в разы снижает уровень облучения передатчиков, а во-вторых, даже найти такую волну, чтобы ее прослушать, достаточно сложно;

-        уровень безопасности не дает никаких шансов разговору быть прослушанным.;

-        дальность распространения сигнала вокруг БС – 50 километров, когда у GSM – 32. Следовательно, строительство сетей CDMA в 1,56 раз дешевле;

-        стоимость содержания сетей стандарта CDMA ниже, чем у сетей GSM;

-        стандарт по своей сути поддерживает разделение сигнала (из названия стандарта), что положительно влияет на скорость передачи данных;

-        особенности стандарта предполагают улучшенное качество передачи голоса, что максимально приближено к проводным сетям (здесь нет понятия «железного» голоса, что очень часто бывает в GSM);

–       факт переключения телефона на другую соту определить очень сложно (разве что в сервисном меню телефона);

-        продолжительность работы от аккумулятора у телефонов стандарта намного выше, чем у привычных для нас GSM телефонов.

Есть и минусы у CDMA, правда часть из них постепенно решаются и уходят в историю:

-        главная проблема в том, что количество телефонов, работающих в этом стандарте значительно меньше, чем у GSM. Однако, в последнее время, все больше производителей начинают разработку телефонов для этого стандарта;

-        многие телефоны стандарта CDMA не поддерживают R-UIM карты (аналог SIM);

-        слабый уровень проникновения таких сетей в СНГ;

-        организация видео-телефонии в стандарте CDMA немного сложней, чем в UMTS.

Во всем остальном, стандарты очень похожи - оба имеют одинаковый набор базовых услуг - SMS, MMS, голосовая почта, конференции, переадресация, WAP и т.д.

Первая украинская «ласточка» появилась на нашем рынке – PEOPLEnet (Телесистемы). А это значит, что уже сейчас мы можем пользоваться мобильным Интернетом со скоростью до 3,1 Мб/с, а во время разговора можно не только слышать, но и видеть друг друга. Однажды эта компания уже пыталась выйти на рынок, получив первую в Украине лицензию на мобильную связь в стандарте CDMA^[6]. В 1998 году они успели развернуть сеть в Киеве и начать ее тестирование. Но, по непонятным причинам, поставщик оборудования Qualcom не смог пройти сертификацию. Говорят, это связано с тем, что Телесистемы в то время пытались выйти с тарифами примерно в три раза ниже, чем у Киевстар и UMC (для Украины времен Кучмы такое лоббирование чьих-то интересов - дело вполне нормальное).

И главное - это оператор, построенный за украинские деньги и у его владельцев нет планов продавать его россиянам или туркам.

Cписок операторов, которые поддерживают стандарты:

·        GSM - MTC, Киевстар, Wellcome GSM (Beeline).

·                   CDMA - PEOPLEnet, NEWTONE, ITC, Велтон Телеком, CDMA Украина.

Таким образом, развитие 3G сетей  не избежно. Учитывая реалии нашей и соседних стран, не сложно догадаться, что CDMA1X-EV-DO будет развит до уровней национальных стандартов на много раньше, чем UMTS. Если (или когда) это произойдет – можно будет с уверенностью говорить о том, что стандарт GSM начал уверенно, но верно вымирать. 

2.2. Сравнение технологий систем GSM и CDMA  

CDMA скорее явилась удачной надстройкой над мощным техническим базисом GSM, хотя на сегодня в чем-то уже устаревшим.

 Сейчас, когда человечество стоит на пороге внедрения технологий мобильной связи 4-го поколения (4G) споры о том, какая из технологий (GSM или CDMA) лучше, больше похожи на философские диспуты о вечных категориях.

         Тем не менее, краткий сравнительный анализ возможностей GSM и CDMA будет весьма полезен для более глубокого понимания современных стратегий и тенденций развития новейших технологий мобильной связи, во многом определяемых заложенной этими решениями базой.

 Базовые технические параметры. За счет примения более прогрессивной технологии кодового разделения каналов CDMA обеспечивает значительное снижение уровней излучаемой мощности, что удешевляет оборудование и улучшает его санитарно-экологические характеристики^[3].

 Кроме того, в CDMA применяется более эффективная по сравнению с GSM схема управления излучаемой мощностью мобильного терминала и организации эстафетной передачи (т.н. «мягкий хендовер»), что увеличивает размеры зоны радиопокрытия сети CDMA и улучшает показатели обслуживания, особенно, если абонент находится в движении, а также обслуживается в зонах с неравномерным рельефом или густой застройкой.

 Низкий уровень излучения передатчика сети CDMA улучшает скрытность связи, а применение специализированных разделительных кодов повышает информационную безопасность.

 Голосовая связь. GSM стал первым чисто цифровым стандартом мобильной телефонии со всеми достоинствами этого вида связи – более высокой по сравнению с аналоговой связью помехозащищенностью и защитой от перехвата, а также более высоким качеством из-за применения голосового кодека.

         Тем не менее, главным недостатком голосовой связи GSM является ее реализация в режиме коммутации каналов (КК), что затрудняет прямое внедрение услуг пакетной передачи, в частности, IP-телефонии. Кстати, указанный недостаток режима голосовой связи GSM сохранился и при дальнейшей эволюции к технологиям 3G/UMTS, и его прийдется исправлять уже в системах 4G/LTE.

         В свою очередь CDMA, начиная со стандарта IS-95B и до своих новейших разработок (CDMA Rev.A/B), голосовую связь реализует в режиме коммутации пакетов (КП), что позволяет ей поддерживать при однотипных кодеках «прозрачный» обмен голосом с сетями цифровой телефонии и IP, а также внедрять т.н. конвергентные услуги.

 Дополнительным достоинством режима пакетной голосовой связи CDMA является возможность реализации интегрированного обслуживания абонента по схеме «голос+данные».

Поддержание качества связи. В отличие от GSM, где сигналы от абонентских станций (мобильных терминалов) базовые станции обрабатывают асинхронно (т.е. в любой момент времени сразу после их поступления), в CDMA это происходит в строго определенные моменты времени и одновременно для всех абонентов (т.н. синхронный прием) по единому управляющему сигналу от приемника GPS.

 Это позволяет значительно уменьшить уровень межсотовых и внутрисотовых помех в сети CDMA, что абоненты могут реально ощущать в поддержании одинаково приемлемого качества связи в различных условиях, например, на открытом пространстве, при быстром движении в городе с плотной застройкой или глубоко под землей.

         Сеть просто GSM не в состоянии обеспечить настолько равномерно приемлемое качество связи в любой точке любому абоненту в любой момент времени.

Технологическая адаптивность. Благодаря реализации синхронного приема и более эффективному режиму контроля мощности в CDMA все основные технические параметры сети (размер зоны обслуживания, пропускная способность (емкость) радиосети и качество обслуживания) не только взаимосвязаны, но и и есть возможность улучшения одних параметров за счет других.

         Например, при увеличении абонентской нагрузки в CDMA возможно сохранение высокой скорости передачи за счет уменьшения размера соты радиопокрытия или некоторого некритичного ухудшения качества связи.

         Технология GSM подобной адаптивностью своих технических параметров не обладает.

         Базовые станции CDMA обладают большим запасом абонентской емкости и устойчивости в условиях экстремальной нагрузки, нежели базовые станции GSM^[11].

Сотовое радиопланирование. На первый взгляд CDMA, как широкополосная система с расширением спектра, проигрывает в показателе эффективности использования частотного ресурса узкополосной GSM, и это справедливо в пересчете на одного абонента на радиоканал, но без привязки к общему сотовому радиопланированию.

 Мобильная сеть обычно строится как совокупность сот (сайтов), обеспечивающих непрерывное радиопокрытие определенной территории.

         Классическая сотовая сеть GSM предполагает использование т.н. кластеров – наборов соседних сот с неповторяющимися частотами (обычно таких сот в GSM-кластере 7), в то время как CDMA вообще не использует кластеры и может задействовать в соседних сотах одну и ту же частоту.

         Это не только серьезно упрощает общее сотовое радиопланирование сети CDMA, но и позволяет для покрытия крупных территорий обойтись меньшим совокупным частотным ресурсом (1-2 рабочих радиоканала). Кроме того, это дает возможность на любом этапе добавлять базовые станции CDMA в местах повышения абонентской нагрузки без необходимости существенного перепланирования действующей радиосети. Вписывание дополнительных базовых станций GSM в действующую сотовую структуру или добавление новых радиоканалов в сотах может вызвать необходимость полного перепланирования значительного сегмента радиосети, на что из-за дополнительных затрат далеко не всегда готовы сотовые операторы.

Передача данных. CDMA как широкополосная технология с высокоэффективной системой помехозащиты существенно превосходит GSM по показателю скорости передачи абонентских данных в радиоканале.

 Этому способствует как применение более эффективных алгоритмов цифровой модуляции и кодирования, так и реализация передачи данных по стеку протоколов TCP/IP.

Кроме того, с самого начала архитектурная концепция CDMA предполагала наличие высокопродуктивного пакетного транспортного ядра на базе IP протокола.

         На сегодня роль внутренней IP транспортной платформы в системе CDMA выполняет протокол Ethernet, что дает возможность:

 - в отличие от GSM осуществлять обмен трафиком между базовыми станциями CDMA без промежуточного преобразования (транскодирования);

 - организовать взаимный обмен трафиком между сетями передачи данных различных стандартов, поддерживающих IP протокол, например, CDMA, Wi-Fi, WiMAX.

         В результате оператор CDMA получает возможность предоставления на рынке сервисного пакета т.н. конвергентных «троичных услуг», т.е. голос+данные+видео^[6].

Эволюция технологий. С момента своего появления на рынке и GSM, и CDMA разрослись в два независимых семейства технологий, эволюционируемых сначала к 3-му поколению (3G), а затем – к 4-му (4G).

 Главное достоинство CDMA состоит в том, что ей удалось максимально сохранить приемственность технологических решений на пути к 3G/4G и в наибольшей степени реализовать обратную техническую и частотную совместимость, в то время как семейство технологий GSM на пути эволюции к 3G/4G претерпело значительные трансформации, не всегда одинаково эффективные с точки зрения современного рынка.

Таким образом, эволюция от сетей 2G/GSM к сетям 3G/UMTS далеко не в полной мере оправдала ожидания операторов в сервисном и финансовом аспектах, в то время как эволюция CDMA EV-DO 1x/Rev.A оказалась более востребованной на рынке услуг мобильного Интернета.

2.3. Расчет отношения сигнал/шум в каналах

Для расчета отношения сигнал/шум в трафик-каналах, пилот-канале, в поисковом канале и в канале синхронизации я решила взять данные, приведенные ниже:

(дБм)- мощность мобильного терминала;

(дБ)- потери в кабеле мобильного терминала;

(дБ)- коэффициент усиления антенны мобильного терминала;

(дБ)- потери при ориентации антенны мобильного терминала;

(дБ)- допуск на проникновения в здания;

(дБ)- коэффициент усиления приемной антенны базовой станции;

 (дБ)- потери в фидере базовой станции;

(дБ)- коэффициент усиления передающей антенны базовой станции;

(дБм)- эффективная мощность излучения трафик–канала;

(дБм)- мощность от передающей антенны базовой станции;

- число трафик–каналов поддерживаемое одной сотой;

- коэффициент активности речи;

(дБм)- средний уровень сигнала, требуемый при приеме;

 (дБм)- мощность пилот канала;

(дБм)- мощность канала оповещения;

(дБм)- полная мощность всех трафик-каналов на выходе усилителя.

При вычислении эффективного соотношения сигнал/шум для пилот-канала, канала синхронизации и канала поискового вызова, необходимо вычислить мощность принятого сигнала и принятой интерференции по каждому каналу. Нижеприведенные расчеты позволять произвести анализ канала прямого соединения^[12]f.

Параметры базовой станции –  Таблица  1

№	% застройки	Центральная частота f, МГц	Высота антенн БС hb, м	Высота антенн МС hm, м	Еb/N0	P(%)- надежность
3	25	833	28	1,4	8	0,70

Эффективная мощность излучения трафик канала:

,

где p_t – эффективная мощность излучения (ЭМИ) трафик канала (дБм);

P_t – ЭМИ всех трафик каналов от передающей антенны БС (дБм);

N_t – число трафик каналов поддерживаемое одной сотой;

С_f – коэффициент активности речи

.

Мощность, приходящаяся на одного абонента (мобильную станцию):

,

где p_u – мощность в трафик канале на одного абонента (дБм);

G_t – коэффициент усиления передающей антенны БС (дБ);

L_c – потери в фидере БС (дБ).

.

Полная мощность базовой станции (БС):

,

где p_s – мощность канала синхронизации (дБм);

p_p – мощность пилот - канала (дБм);

p_pg – мощность канала оповещения (дБм).

Усилитель мощности БС:

, (4)

где Р_а – полная мощность всех трафик-каналов, пилот-канала, поискового канала, и канала синхронизации на выходе усилителя (дБм);

Р_с – полная излучаемая мощность БС (дБм).

.

Полная мощность принятая мобильной станцией:

,

где р_т – полная мощность принятая мобильной станцией (дБм);

 – средние потери на трассе между БС и мобильной (дБ);

Al – допуск на теневые потери (дБ);

Gm – коэффициент усиления (на приеме) антенны мобильной станции.

Принятая мощность трафик-канала:

,

где р_tr – принятая мобильной станцией мощность трафик-канала от БС (дБм).

.

Принятая мощность пилот-канала:

,

где р_pr – принятая мобильной станцией мощность пилот-канала от БС (дБм).

.

Принятая мощность поискового канала:

,

где р_pgr – принятая мобильной станцией мощность поискового канала от БС (дБм).

.

Принятая мощность канала синхронизации:

,

где р_sr – принятая мобильной станцией мощность канала синхронизации от БС (дБм).

.

Интерференция от других пользователей в трафик-канале:

,

где I_ut – плотность интерференции создаваемой другими абонентами в трафик-канале (дБм/Гц);

.

Интерференция, создаваемая другими базовыми станциями в трафик-канале:

,

где I_ct – плотность интерференции создаваемой другими БС в трафик канале (дБм/Гц);

f_r – коэффициент переиспользования частоты (f_r=0.65).

Плотность интерференции для трафик-канала:

,

где I_ut – плотность интерференции канале трафика (дБм/Гц).

.

Интерференция от других абонентов (той же БС) в пилот-канале:

,

где I_uр – плотность интерференции других абонентов в пилот-канале (дБм/Гц).

.

Интерференция, создаваемая другими базовыми станциями в пилот - канале:

,

где I_ct – плотность интерференции создаваемой другими БС в пилот - канале (дБм/Гц);

 – коэффициент переиспользования частоты;

.

Плотность интерференции для пилот-канала:

,

где I_р – плотность интерференции для пилот-канала (дБм/Гц).

.

Интерференция от других абонентов (той же БС) в поисковом-канале:

,

где I_upg – плотность интерференции от других абонентов в поисковом канале (дБм/Гц).

.

Интерференция, создаваемая другими базовыми станциями в поисковом-канале:

,

где I_cpg – плотность интерференции создаваемой другими БС в поисковом-канале (дБм/Гц);

.

Плотность интерференции для поискового-канала:

,

где I_рg – плотность интерференции для пиоскового-канала (дБм/Гц).

.

Интерференция от других абонентов (той же БС) в канале синхронизации:

,

где I_us – плотность интерференции от других абонентов в канале синхронизации (дБм/Гц).

.

Интерференция, создаваемая другими базовыми станциями в канале синхронизации:

,

где I_cs – плотность интерференции создаваемой другими базовыми станциями в канале синхронизации (дБм/Гц);

.

Плотность интерференции для канала синхронизации:

,

где I_S – плотность интерференции для канала синхронизации (дБм/Гц).

.

Тепловой шум:

,

где N₀ – плотность теплового шума (дБм/Гц);

N_f – значение шума в приемнике мобильной станции (дБ).

.

Отношение сигнал/шум + интерференция в трафик-канале:

,

где b_tr – скорость передачи данных в трафик-канале (бит/с).

.

Отношение сигнал/шум + интерференция в пилот-канале:

,

Отношение сигнал/шум + интерференция в поисковом-канале:

,

где b_pgr – скорость передачи данных в поисковом канале (бит/с).

.

Отношение сигнал/шум + интерференция в канале синхронизации:

,

где b_rs – скорость передачи данных в канале синхронизации (бит/с).

.

Вывод по второй главе

Развитие 3G сетей  не избежно. Учитывая реалии нашей и соседних стран, не сложно догадаться, что CDMA1X-EV-DO будет развит до уровней национальных стандартов на много раньше, чем UMTS. Если (или когда) это произойдет – можно будет с уверенностью говорить о том, что стандарт GSM начал уверенно, но верно вымирать.  Эволюция от сетей 2G/GSM к сетям 3G/UMTS далеко не в полной мере оправдала ожидания операторов в сервисном и финансовом аспектах, в то время как эволюция CDMA EV-DO 1x/Rev.A оказалась более востребованной на рынке услуг мобильного Интернета.

3. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПОЯСНЕНИЕ СОТОВЫХ СЕТЕЙ

Можно выделить три задачи региональных операторов, ведущих к экономическому успеху:

1.                развитие телефонной сети.

2.                Реконструкция и обновление действующей сети, улучшение качества связи.

3.                Расширение видов и числа услуг.

Развитие телефонной сети в свою очередь, базируется на трех основных требованиях платежеспособного потребителя:

-                     быстрота выполнения заявки;

-                     установка телефона в любой географической точке;

-                     быстрота соединения и высокое качество разговора;

Место системы CDMA в развитии телекоммуникаций области. Современные технологии связи с первых дней работы позволяют уходить от непроизводительного труда на всех этапах, начиная с проектирования и заканчивая строительством и эксплуатацией. Оценена простота проектирования и монтажа системы CDMA.

Данная система сразу стала популярной. За ней закрепился стабильный спрос, характерный, впрочем, для всех радиосистем, которые создают возможность немедленной установки телефона в тех районах, куда годами не доходили проводные сети. Это одноэтажные массивы городов, загородные дачные участки, пригородные хозяйства.

Отзывы клиентов подтвердили преимущества CDMA. Система отличается лучшим качеством передачи речи и надежностью соединения. Немалую роль играет гарантия качества защищенности от несанкционированного доступа. Разумная тарифная политика и качество связи, удобная местная нумерация создают системе необходимую популярность^[13].

 Необходимость смены технологий. Современное оборудование не оставляет нам шансов строить и эксплуатировать сети по старым правилам. Если мы меняем координатную станцию на цифровую, мы вынуждены проводить и определенную реконструкцию абонентской сети, поменять почти всю сеть абонентских линий. Нет возврата к столбовым многокилометровым линиям, голым кабелям связи с низкой изоляцией. В то же время строить для четырех-пяти абонентов хутора или поселка линии бронированным кабелем, заглубленным в грунт не менее метра, чтобы защитить от порывов, мы не сможем из экономических соображений. Современные радиотелефонные системы - один из наиболее приемлемых, на наш взгляд, способов телефонизации местности с малой плотностью населения.

Координатные и декадно-шаговые станции составляют 80% коммутационного оборудования в области. Кабельное хозяйство и воздушные линии связи по возрасту превосходят коммутационные системы. Задача, которую вынуждены решать все операторы, - это проблемы села. Полноценная реконструкция и обновление сельской телефонной связи могут стать реальностью только при восстановлении платежеспособности населения, но готовить решение нужно уже сегодня. Не следует сбрасывать со счетов вариант определенного развития экономики, когда износ сельских сетей поставит перед оператором задачу вынужденной их реконструкции.

Реконструкция сельской телефонной связи и CDMA. Одной из основных задач, которые позволяет решать CDMA, следует считать замену изношенных сельских станций и абонентских линий. Система позволяет обслужить абонентов в радиусе 30 километров и более. С помощью CDMA возможны высвобождение и перенос АТС, еще способных работать, из районов, где устанавливаются базовые станции, хотя подобные решения могут быть лишь временными и вынужденными.

Целесообразно использовать недавно сертифицированные выносные концентраторы серии QCT - 8000, которые позволяют телефонизировать отдельные здания и компактные поселки. В квартирах пользователей устанавливается стандартный проводной телефонный аппарат, который дешевле радиотелефонов в 5-6 раз.

Кроме задач развития и реконструкции очень важно было решать проблему предоставления современных дополнительных услуг, в том числе для самых дальних сельских населенных пунктов. Это услуги передачи данных и факсимильных сообщений, услуги Интернет. Испытания последней модификации аппарата фирмы Qualcomm QCT - 1000 показали, что передача данных осуществима на высоком уровне, что существенно расширяет круг потребителей.

В настоящее время различными исследовательскими организациями значительное внимание уделяется разработке систем подвижной радиосвязи сотовой и микросотовой структуры нового поколения с кодовым разделением каналов (CDMA) . Одной из таких разработок является проект CJDIT, финансируемый в рамках программы RACE Европейским сообществом. Реализация системы CDMA до последнего времени сдерживалась отсутствием ряда технических решений, включая проблемы реализации абонентских станций с приемлемыми потребительскими качествами.

Одна из первых сотовых систем подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов была разработана фирмой Qualcomm (США), принципы ее построения положены в основу CDMA стандарта США IS-95^[7].

Оценка состояния и направлений развития сотовых систем связи с кодовым разделением каналов представляет интерес для операторов и будущих абонентов этих сетей.

Выводы к третьей главе

Таким образом, можно выделить три задачи региональных операторов, ведущих к экономическому успеху, какое место системы CDMA в развитии телекоммуникаций области, что одной из основных задач, которые позволяет решать CDMA, следует считать замену изношенных сельских станций и абонентских линий, и что в настоящее время различными исследовательскими организациями значительное внимание уделяется разработке систем подвижной радиосвязи сотовой и микросотовой структуры нового поколения с кодовым разделением каналов (CDMA) .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

CDMA — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию, которая применяется для улучшения работы чувствительных к временным задержкам приложений и т.д. Стандарт CDMA  – это множественный доступ с кодовым разделением. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым. Имеет диапазон 800 МГц. преимуществами сотовых сетей стандарта CDMA являются: гибкое разделение ресурсов, высокая защищенность каналов и экономное расходование батареи. Для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. В результате работы нескольких передатчиков эфир, в  частотном диапазоне, становится ещё более шумоподобным. Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него. Эволюция от сетей 2G/GSM к сетям 3G/UMTS далеко не в полной мере оправдала ожидания операторов в сервисном и финансовом аспектах, в то время как эволюция CDMA EV-DO 1x/Rev.A оказалась более востребованной на рынке услуг мобильного Интернета. Можно выделить три задачи региональных операторов, ведущих к экономическому успеху, какое место системы CDMA в развитии телекоммуникаций области, что одной из основных задач, которые позволяет решать CDMA, следует считать замену изношенных сельских станций и абонентских линий, и что в настоящее время различными исследовательскими организациями значительное внимание уделяется разработке систем подвижной радиосвязи сотовой и микросотовой структуры нового поколения с кодовым разделением каналов (CDMA) .

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Авдеева Л.В. /Учебное пособие/. // Мобильные системы. Спецвыпуск по стандарту CDMA.// 2007.

2. Бабков В.Ю./ Системы мобильной связи / 2008.

3. Варакин Л.Е./Компьютерная газета/. //Теория систем сигналов// 2005.

4. Громаков Ю.А. /Стандарты и системы подвижной связи/ 2006.

5. Пышкин И.М./Системы подвижной радиосвязи/2007.

6. Сивов В.А./ Помехозащитность радиосистем со сложными сигналами/ 2010.

7. Тихвинский В.О. /Сети подвижной связи 3 поколения. Экономические и технические аспекты развития в России/ 2001.

8. Тузов Г.И. /Статистическая теория приема сложных сигналов/ 2006.

9. Gromakov Y. A. /Digital cellular mobile radio system with code division multiple access/ 2007.

10. Dixon R. K. /Broadband system/ 2004.

11. Sechko E. /Computer newspaper/. //Cellular communications standards// 2003.

12. Varakin L.E / Communication systems with noise-like signals / 2009.

13. Velichko V.V. /Data transmission in mobile networks of third generation./ //Radio and Communications// 2005.

14. http://emanual.ru/show/76/8/

15. http://crimeforum.org/index.php?/topic/6328-sotovaia-sviaz-standarta-cdma/

16. kunegin.narod.ru/ref3/mob/8.htm

17. https://ru.wikipedia.org/wiki/CDMA

Приложение 1

 

Процедура установления обычного соединения (входящий вызов к подвижной станции)

 

Приложение 2

Структурная схема CDMA базовой станции

Приложение 3

Приложение 3

Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Приложение 4

Приложение 4

Конфигурация системы стандарта CDMA

Приложение 5

Основные характеристики стандарта CDMA