В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в свою очередь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с цифровыми шумоподобными сигналами и с методами многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, теория
которого была предложена в нашей стране Л. Е. Варакиным. Многие специалисты в сфере телекоммуникаций полагают, что технология сотовой связи с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access) в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию цифровым технологиям, таким как GSM.Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами - защищенность канала связи от перехвата
(intercepting), помех (jamming) и подслушивания (covertness). Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использована для вооруженных сил США, и лишь совсем недавно американская компания Qualcomm на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (cdmaOne) и передала его для коммерческого использования.Основные направления внедрения и использования CDMA - это наземные фиксированные беспроводные телефонные сети (стандарт cdmaOne WLL), сотовые мобильные системы связи и спутниковые системы связи. Наибольшего рыночного успеха добились разработчики именно этих сетей. В сотовых сетях внедрение CDMA сопряжено с определенными техническими трудностями. При быстром перемещении подвижного абонента (скорость автомобиля более 100 км/ч) происходит потеря сигнала из-за появления ошибок в сети вследствие недостаточного быстродействия процессоров, обрабатывающих сигнал.
В 1995 г. в Министерстве связи РФ и ГКРЧ было принято решение об использовании систем сотовой связи стандарта CDMA диапазона 600 МГц для построения сетей фиксированного доступа. Первая пробная система беспроводной местной связи CDMA WLL на 30 000 номеров была создана в Челябинске. Российские операторы не оставили без внимания новую технологию, и сегодня уже появились первые работающие сети, число которых в ближайшем будущем должно значительно возрасти. Уже сегодня развернуты и вводятся в эксплуатацию сети в Ростове, Краснодаре, Новочеркасске и в Московской области.
Оборудование для этого стандарта уже выпускают шесть компаний: Hughes Network Systems, Lucent, Motorola, Nortel, Oualcomm и Samsung. По данным консорциума CDMA Development Group (CDG), выбор оборудования значительно расширится, поскольку производить его начнут многие новые фирмы.
В настоящее время метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах: стандарт CDMA предложен и внедряется компанией Qualcomm, стандарт B-CDMA - компанией Inter Digital, FH/CDMA
- компанией Tadiran Telecommunications. Эти стандарты значительно отличаются друг от друга, в первую очередь, по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра. Построенные на их основе системы различаются между собой как функциональными возможностями, так и областью применения. Ниже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемого в настоящее время.Принцип работы системы сотовой связи с кодовым разделением каналов можно пояснить на таком простом примере. Предположим, что вы находитесь в большом ресторане или магазине, где непрерывно разговаривают на разных языках. Несмотря на окружающий шум (многоголосье), вы понимаете своего партнера, если он говорит на одном с вами языке. На самом деле, в отличие от других цифровых систем, которые делят отведенный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу. Центральными понятиями метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов в реализации компании Qualcomm являются расширение спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), кодирование по Уолшу (Walsh Coding) и управление мощностью.
Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. Так например, низкочастотный сигнал может быть передан с помощью амплитудной модуляции (AM) в полосе частот, в 2 раза превосходящей полосу частот этого сигнала. Другие виды модуляции, такие как частотная модуляция (ЧМ) с малой девиацией и однополосная AM, позволяют осуществить передачу информации в полосе частот, сравнимой с полосой частот информационного сигнала. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Последнее осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.
Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Г.
В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется.
Метод широкополосной передачи был открыт К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.
Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного шумоподобного сигнала ШПС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Г, состоящую из
N бит длительностью Гц каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.
Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.
Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передаче широкополосного сигнала и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого широкополосного сигнала в первоначальный спектр информационного сигнала.
Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области — это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на
выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша — одни из немногих ортогональных кодов, которые можно использовать длякодирования и последующего объединения ряда информационных сигналов. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:
Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический “О”, за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от базовой станции к абонентскому терминалу) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все абонентские станции работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников базовой станции квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту “далеко — близко”. Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых базовой станцией сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.
На рисунке приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума (ПСП). Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумопо-добный сигнал излучается передающей антенной.
На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от базовых станций соседних ячеек и от подвижных станций других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех
расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в подвижной станции используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными базовыми станциями.В системах, основанных на других методах доступа, необходимо планировать распределение частотного ресурса между соседними ячейками, с тем чтобы предотвратить взаимное влияние сигналов соседних ячеек. В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса — один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. В системах, использующих методы доступа с временным или частотным разделением каналов, абонентская емкость ячейки жестко ограничена и определяется числом доступных каналов связи или временных интервалов.
В противоположность этому системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек.Эти показатели взаимосвязаны, и нельзя одновременно достичь максимальных значений каждого из них. Приходится искать компромисс. Такая взаимосвязь является достоинством системы, поскольку дает возможность гибкого проектирования сети. Например, в густонаселенных районах можно принести в жертву площадь покрытия, увеличив число абонентов, а на окраинах за счет снижения их числа увеличить площадь зоны обслуживания (качество речи в обоих случаях можно сохранить одинаковым). В реальных системах подвижной сотовой связи речь идет о 25-35 абонентах на одну базовую станцию или сектор. В системах фиксированного абонентского радиодоступа их больше (около 45 абонентов). Во время испытаний в Челябинске, где развернута сеть беспроводной местной связи CDMA WLL, а не сотовая сеть CDMA, на расстоянии 8 км от базовой станции нормально функционировало 56 абонентских терминалов.