Технология мультидоступа. Все о CDMA

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным доступом (multiple access ) к базовой станции. 

Для обеспечения множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи. В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова), освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров. 

Под несколько туманным словом "ресурс" в первую очередь следует понимать диапазон частот, выделенный для использования в сотовой сети. Разные стандарты организации множественного доступа по-разному "упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость ячейки сети. 

Первыми появились методы множественного доступа, основанные на разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access). Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS (Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами невозможно. 

Благодаря этому можно повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных методов множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа), после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином "временной слот" понимается следующее. Базовая станция, работая на данной частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом, какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало чем отличается от применяемого при мультиплексировании с разделением по времени. Речь обычно передается в оцифрованном виде с компрессией. 

В качестве примеров TDMA можно привести следующие стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц). 

Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод возник недавно именно в телефонии, - в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый" или "размытый" спектр). Полезная информация как бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции. CDMA как метод множественного доступа аналогичен методу модуляции DSSS (direct-sequence spread spectrum), используемому в беспроводных локальных сетях. 

Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, - в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и подслушивания. Для нас же сейчас более важно следующее: если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга. 

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей "большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. 

Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. 

Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы знаем, зависит от числа используемых каналов. 

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей аппаратуры для CDMA, в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в пространстве в процессе вызова). Много это или мало? 

Попробуем сравнить емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется, что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц) поделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не больше ли получившееся число, чем 18. 

(1,25 : 0,03 = 42 > 18)

Выходит, что сравнение не в пользу CDMA? 

Однако это неверный вывод, поскольку, как уже говорилось выше, при работе в стандарте AMPS каналы, организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 1), должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить на семь (42 : 7 = 6). 

Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS. 

Но и этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPS ячейку сети обычно делят на три сектора по 120 градусов в каждом - это позволяет увеличить радиус ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким образом, снизить число базовых станций, необходимых для покрытия определенной площади. 

Так вот, при работе по стандарту AMPS в разных секторах одной и той же ячейки приходится использовать разные частотные каналы (иначе неизбежны взаимные помехи, поскольку секторы ограничены не линиями, а, скорее, областями постепенного спадания мощности сигнала), а в CDMA можно применять одни и те же. Соответственно, полученную выше цифру 6 надо поделить на три - получим двойку. 

В итоге оказывается, что при использовании одного и того же частотного диапазона шириной 1,25 МГц емкость сети CDMA в девять раз выше, чем емкость AMPS.