CDMA без тайн

Итак, технология CDMA продолжает укреплять свои позиции в мире. Наибольшую популярность она приобрела в США, Южной Корее и Японии, которые относятся к числу стран с высоким уровнем развития телекоммуникаций. Определились основные области применения: мобильная сотовая связь и беспроводной доступ (WLL). Приближается время, когда к ним присоединится спутниковая связь в лице глобальной низкоорбитальной системы Globalstar. Что касается России, то сети WLL на базе CDMA уже развернуты в нескольких городах и в недалеком будущем планируется увеличение их числа.

Системы с кодовым разделением каналов, строго говоря, не являются принциниалыю новым словом в науке и технике. Они были известны задолго до сегодняшнего дня. Например, системы с расширением спектра, использующие сложные (шумоподобные) сигналы, широко применялись и применяются в настоящее время в таких областях, как и радиолокация, телеметрические системы, радионавигация и связь, особенно при решении специальных задач. Эти системы ценили, прежде всего, за их скрытность и помехоустойчивость, которая достигалась благодаря широкополосности и низкой спектральной плотности сигналов. Задача обеспечить одновременную работу многих каналов в общей полосе частот при этом, обычно, не стояла. В системах связи первых поколений часто применялись птумонодобные сигналы, то есть длинные последовательности единиц и пулей, в которых символы чередовались по закону, близкому к случайному. К их числу относятся М-последовательности и вновь образованные последовательности (в зарубежной литературе — последовательности Голда).

Вследствие большого прикладного значения сложных сигналов их исследованиями длительное время параллельно занимались во многих странах мира. В частности, наиболее активно работы проводились в США и бывшем СССР. В результате был накоплен значительный объем информации, благодаря которой стал возможен переход к более совершенным системам нового поколения.

Одним из широко провозглашаемых преимуществ CDMA перед другими системами является более эффективное использование выделяемого частотного ресурса. Сообщается, например, что по сравнению с AMPS эффективность может быть выше в 30 раз! Прежде чем бурно реагировать на такой успех, можно попытаться проанализировать его причины. Для начала вспомним, что предельную пропускную способность канала связи можно оценить, используя соотношение Шеннона (см. врезку).

Все существующие системы связи, в том числе и известные на сегодняшний день сотовые системы, в разной степени далеки от порога Шеннона. Причин здесь много. Одна из них связана с выбором одного из трех методов доступа: частотное разделение (FDMA), временное разделение (TDMA) и кодовое разделение (CDMA). Все они, а также их комбинации применяются в существующих стандартах сотовой связи: FDMA — в AMPS, TDMA — в GSM, а CDMA в стандарте IS-95. Метод доступа определяет порядок использования общей полосы частот, выделенной для многоканальной системы связи. Известно, что любой метод многостанционного доступа уступает по суммарной пропускной способности случаю, когда в отведенной полосе организован один скоростной канал, занимающий всю полосу.

При FDMA это связано, в частности, с необходимостью введения защитных частотных интервалов для предотвращения взаимных помех между каналами. Совершенно аналогично при TDMA вводятся защитные временные интервалы.

Что касается CDMA, то вследствие того, что все каналы используют один и тот же частотно-временной ресурс, здесь тоже имеется свой источник взаимных помех. При одновременной работе нескольких каналов каждому из них выделяется индивидуальный код. Каждый информационный символ (О или 1 ) передается соответствующей кодовой последовательностью, длина которой может достигать нескольких десятков, сотен и даже тысяч знаков. Длина последовательности зависит от класса кодов и количества каналов. Каждый абонентский приемник содержит устройство, которое оптимальным образом обрабатывает (сжимает) собственный и подавляет чужой сигнал.

Количественные оценки эффективности различных радиосистем можно получить, опираясь на основные положения теории информации. Например, потенциальная пропускная способность канала связи V [бит/с], ширина его полосы DF [Гц] и отношение сигнал/шум Р _с/Р_ш [eg.] связаны соотношением:

V=DР • log₂(1+Р_c/Р_ш)

К сожалению, в системах первого поколения невозможно было достичь полного подавления, чужие сигналы увеличивали уровень шума и снижали общую эффективность. Мощность помех увеличивалась с ростом числа одновременно работающих каналов (примерно пропорционально их количеству). Сравнение различных методов доступа продемонстрировало наибольшую эффективность временного разделения TDMA, а наименьшую — кодового разделения CDMA. Что же касается FDMA, то оно занимает промежуточное положение. Но как же тогда быть с постоянно подчеркиваемыми преимуществами CDMA? В объяснении этого парадокса и состоит суть новизны систем нового поколения с кодовым разделением.

В отличие от предшественников данные системы относятся к классу систем с синхронным кодовым разделением. Понятие синхронности здесь является ключевым и означает, что кодовые последовательности передаются не в произвольные моменты времени, а привязаны к единой синхронизирующей сетке времени. Это позволило применить новый класс кодов, основанных на множестве функций Уолша, которые в математике относят к ортогональным функциям. Их главной особенностью является то, что при оптимальной обработке чужой сигнал может быть полностью подавлен. Таким образом, взаимные помехи между каналами полностью устраняются. Что же касается объема ансамбля (то есть числа различных сигналов этого класса), то он ограничен только возможностями технической реализации и потребностями, диктуемыми конкретной практической задачей.

Еще раз напомним, что положительного эффекта можно достичь лишь при тщательной синхронизации всех приемопередатчиков в сети связи, число которых, как известно, может достигать многих тысяч. Кроме того, усложняются устройства генерирования и оптимальной обработки кодированных сигналов. Все это требует применения специально разработанных для этих целей цифровых СБИС. Одновременно усложняется оборудование базовых станций, требуется их тщательная привязка к местности и т.д. Таким образом, платой за преимущества современных систем CDMA стала сложность базовой и абонентской аппаратуры, что не могло не сказаться на стоимости. Распространение их стало возможным, прежде всего, благодаря успехам микроэлектроники. Как уже не раз случалось, повышение эксплуатационных характеристик определил технологический прогресс. По сути дела стандарт IS-95 описывает аппаратуру следующего поколения по сравнению с действующими системами AMPS и GSM. В этом его сила и его слабость. Дальнейший успех во многом будет зависеть от того, насколько быстро удастся достичь баланса между стоимостью и качеством.

Эффективность системы во многом определяется ее помехозащищенностью. Общепризнанно, что с данной стороны CDMA имеет явные преимущества. Это особенно актуально для городских условий, где тяжелая электромагнитная обстановка и существуют проблемы с распределением частот, специфические условия распространения радиоволн, а также множество узкополосных помех различного происхождения. При обработке широкополосных сигналов в оптимальном приемнике происходит эффективное подавление помех за счет декорреляции. Это дает возможность понизить мощность передатчиков и увеличить радиус соты. Есть и дополнительный эффект — уменьшение уровня облучения абонента при разговоре. Хотя до сих пор нет единого мнения относительно влияния электромагнитного излучения сотового телефона на здоровье человека, чисто психологически это успокаивает.

Возникает вопрос: если CDMA действительно обладает такими достоинствами, то сколько времени еще "протянут" остальные стандарты? Ответить на него не просто. Дело в том, что в технике, пожалуй, нет ничего консервативнее стандартов. Смена их связана с заменой огромного количества аппаратуры, материальными затратами и неудобствами для пользователей. Поэтому для перехода к новому стандарту нужны чрезвычайно веские основания.

В различных странах эта задача решается по-разному. Например, в США, где в свое время были повсеместно развернуты сети аналогового стандарта AMPS, так или иначе необходимость обновления назрела. Иное дело в Европе, где основным стандартом является относительно передовой цифровой стандарт GSM. Там многие специалисты относятся к CDMA с понятной осторожностью. По их мнению, технология, основанная на частотно-временном разделении TDMA и FDMA, еще не сказала последнего слова. 06 этом, в частности, свидетельствует успешное продвижение по миру микросотовых систем, основанных на технологии DECT.

Как известно, делать прогнозы — занятие неблагодарное. И все же рискнем предположить, что в ближайшем будущем системы с кодовым и временным разделением будут развиваться параллельно и делить мировой рынок связи, причем скорее по географическому принципу. А пока компания Qualcomm на пресс-конференции в Москве подтвердила намерение продолжать разработку серии новых стандартов CDMA, в том числе для передачи информации мультимедиа (115 кбит/с), и высокоскоростного стандарта со скоростью передачи 2 Мбит/с.

Вместе с тем нельзя не отметить определенных усилий по сближению CDMA и TDMA. В первую очередь это относится к разработчикам CDMA, которые вынуждены считаться с тем, что их аппаратура вступает на рынок связи, где господствуют другие стандарты. Сообщается об успешных работах по стыковке CDMA с AMPS и GSM. Не следует переоценивать эти достижения, так как они пока носят частный характер. Например, в случае с GSM была продемонстрирована возможность использования SIM-карты GSM в телефонном аппарате CDMA. Таким образом, речь идет об унификации вспомогательного оборудования.

Что касается стандартов цифровой подвижной связи следующего поколения, то тенденция объединения различных методов доступа здесь проявляется более отчетливо. Например, в перспективном стандарте UMT-2000, разработанном в Европе и претендующем на статус международного, наряду с частотно-временным разделением применяется и кодовое. Этим достигается повышение эффективности использования радиоспектра.

Статья опубликована на сайте: 09.08.2000