CDMA One (IS-95)
Введение
CDMA One – это первый стандарт мобильной связи, который придал толчок повсеместному использованию сотовой связи и нашел широкое распространение в Северной Америке. CDMA One – это только брендовое имя стандарта, часто упоминаемого как IS-95. Первые спецификации стандарта IS-95 выпускались под аббревиатурой IS-95A, а более поздние, усовершенствованные релизы опубликовывались как IS-95B. Именно IS-95B обычно ассоциируют с CDMA One. Наряду с голосом системы сотовой связи этого стандарта могли передавать данные со скоростями: 14,4 кбит/сек для IS-95A и 115 кбит/сек - IS-95B.
CDMA One была первой системой сотовой связи, в которой использовался кодовый метод множественного доступа (CDMA - code division multiple access). Предшествующие системы использовали частотный (FDMA - frequency division multiple access) и временной (TDMA - time division multiple access) методы множественного доступа. Все последующие после IS-95 стандарты сотовой связи, включая стандарты третьего поколения - 3G использовали CDMA при построении радио интерфейса. Таким образом, CDMA One оказалась системой-пионером в этой области.
История CDMA One
Идея использовать распределение энергии сигнала в заданном частотном диапазоне с помощью специальной расширяющей последовательности (DSSS - direct sequence spread spectrum) для множественного доступа в мобильных системах связи пришла от калифорнийской компании Qualcomm в 1980 годах. Предыдущие DSSS – системы преимущественно использовались в военных системах связи и для спецслужб, т.к. они обладают высокой устойчивостью к обнаружению факта передачи, нарушению связи и подслушиванию разговоров.
Система предполагала перемножение (одновременную передачу в радио эфире в одном частотном диапазоне) данных с различными скоростями. Специальная последовательность, известная под названием расширяющий код (spreading code), использовалась для распределения энергии сигнала в широком частотном диапазоне = 1,25 МГц. Исходная информация может быть восстановлена лишь с использованием исходной последовательности. Таким образом, имея достаточное количество расширяющих кодов можно построить систему с множественным доступом.
С целью улучшения стандарта CDMA One был образован консорциум, в котором к компании Qualcomm присоединились два других крупнейших оператора сотовой связи Nynex и Ameritech с целью разработки первой CDMA-системы. Позднее этот союз был расширен компаниями Motorola и AT&T, которые внесли дополнительные ресурсы для ускорения разработки системы. Результатом их работы послужила публикация нового стандарта под аббревиатурой IS-95A в 1995 году под эгидой ассоциации индустрии сотовой связи (CTIA - Cellular Telecommunications Industry Association). В последствие была образована группа разработки CDMA (CDG - CDMA Development Group). Ее цель была продвигать CDMA и развивать технологии и стандарты, хотя в наши дни основные работы по стандартизации проводятся 3GPP2.
Спустя 3 года компанией Hutchison Telecom была запущена в эфир первая система сотовой связи стандарта CDMA One. Позднее сети IS-95 нашли широкое распространение в Северной Америке и странах Азии. Однако некоторые сети также были развернуты в Южной Америке, Африке, Среднем Востоке, также как и в некоторых странах Восточной Европы.
Опираясь на успех первого релиза стандарта CDMA One - IS-95A, была проведена работа по его улучшению. Основные изменения коснулись технологии передачи данных, и результатом стало увеличение максимальной скорости до 115 кбит/сек.
Система CDMA в дальнейшем была улучшена и преобразована в систему стандарта третьего поколения, которая предусматривала гораздо более высокие скорости передачи данных и новые услуги для абонентов. В результате перехода к 3G стандарт получил новое название CDMA2000, а после дальнейшего улучшения появились стандарты CDMA 2000 1x и CDMA 2000 1x ev-do (evolution data only or data optimised), которые предоставляли абонентам еще более высокие возможности, особенно в области передачи данных.
Особенности стандарта IS-95
Как отмечалось ранее, стандарт IS-95 использует кодовый принцип разделения абонентов (CDMA). Именно с его использованием связаны основные особенности и отличия от стандартов предыдущих поколений (NMT, AMPS, GSM и т.п.). Рассмотрим ключевые особенности стандарта CDMA One, которые дают преимущества перед системами других стандартов:
1. Мягкая передача (Soft handoff). В связи с тем, что в каждой соте используются одинаковые частоты, единственное отличие между пользовательскими каналами заключается в используемой расширяющей последовательности. Поэтому, при переходе абонента из одной соты в другую нет перехода между частотами, как это было в стандартах с частотным разделением. Мобильный терминал (MS) получает аналогичный сигнал, как в соте-источнике, так и в новой соте, поэтому нет необходимость в перенастройке приемника на другую частоту. При этом мобильный терминал может получать сигнал от двух, трех и более сот. Поэтому резкое снижение качества сигнала от одной соты не приведет к разрыву соединения. В свою очередь, сразу несколько базовых станций (BTS) могут принимать сигнал от MS и контроллер базовых станций (BSC) может сравнить два и более сигнала и выбрать наилучший. Оба этих фактора снижают вероятность обрыва соединения во время хэндовера.
Пример Soft handoff с 3 базовыми станциями
2. Гибкая емкость сети . В системах с временным и частотным разделениями строго определено количество доступных для абонентов каналов. При этом, если система настроена соответствующе и нет проблем с работой оборудования, каналы не влияют друг на друга. Если будут попытки доступа в соту свыше числа настроенных каналов, то таким абонентам будет отказано в обслуживании.
Теоретически, это не важно: разделен ли спектр на частоты, таймслоты или коды – емкость сети будет одинаковой. Однако для CDMA все абоненты разделены с помощью кодов. Поэтому дополнительные пользователи могут быть добавлены за счет незначительного снижения качества соединений. Таким образом, емкость CDMA-систем в случае возникновения необходимость может варьироваться.
3. Терпимость к многолучевому распространению. Расширение спектра эффективно в борьбе с частотно-селективными замираниями, которые могут возникать при многолучевом распространении сигналов. В случае использования CDMA, энергия полезного сигнала распределяется в широкой полосе пропускания. Поэтому возникающие частотно-селективные замирания, которые являются сосредоточенными в узком частотном канале не могут нанести существенных искажений для всего сигнала. Для систем, в которых энергия полезного сигнала сосредоточена в узкой области частотно-селективные замирания могут повлечь существенное снижение качества передачи, либо даже временную блокировку каналов системы.
Пример многолучевого распространения сигнала
Кроме того, в CDMA One, многолучевое распространение сигнала может принести пользу для получателя сообщения при использовании, так называемого, Rake-приемника. Он принимает все переотраженные лучи сигнала и, анализируя их, может выявить ошибки и устранить их, тем самым улучшить качество связи.
4. Нет необходимости использовать эквалайзер. Когда скорость передачи намного превышает 10 кбит/сек в FDMA и TDMA системах, необходимо использовать эквалайзер для снижения межсимвольной интерференции. Это связано с тем, что при увеличении скорости уменьшается длительность интервала и межсимвольные интервалы, соответственно. Поэтому энергия последующих символов может быть наложена одна на другую. В CDMA One, за счет того что энергия каждого символа передается в широкой полосе, межсимвольная интерференция не так опасна. Кроме того, значительную помощь в борьбе с этим негативным явлением оказывает Rake-приемник.
5. Высокая скрытность и устойчивость к воздействиям извне. Важная особенность расширенных сигналов заключается в том, что они становятся шумоподобными или псевдослучайными. Эти два термина означают, что спектр сигнала становится похож на спектр белого шума, как по форме, так и по мощности. Поэтому в эфирt такой сигнал оказывается замаскирован в покрывающих его внешних помехах и становится достаточно тяжело определить наличие сигнала, и тем более попытаться оказать на него воздействие, подслушать или подменить.
Кроме преимуществ, системы с CDMA обладают и некоторыми недостатками:
1. Системы CDMA являются само интерферирующими. Это означают, что работающие в эфире устройства оказывают влияние на работу других устройств, создавая им помехи. Это связано с тем, что в системе используются не совсем ортогональные (независимые) коды. Поэтому MS различных абонентов могут создавать влияние друг на друга. Причем чем больше мобильных терминалов работает в сети, тем большее влияние они оказывают друг на друга. Именно не полная ортогональность кодов является основным ограничивающим фактором для пропускной способности и емкости системы.
2. Проблема «ближней - дальней» зон возникает из-за того, что сигнал от MS, находящихся ближе к базовой станции претерпевает меньшее затухание, чем мобильный телефон, который находится на краю соты. Такая ситуация возникает из-за того, что энергия всех сигналов передается в общем частотном диапазоне. Это приводит к тому, что ближние мобильныt терминалы могут заглушить дальних и сократить тем самым зону покрытия соты. Основным способом борьбы с этой проблемой является управление мощностью. Обычно в системах с кодовым разделением применяется несколько различных механизмов регулирования мощностью, что позволяет снизить до минимума последствия этого явления.
Проблема ближней-дальней зоны
Стандарт IS-95 в России
История стандарта CDMA One в нашей стране достаточно богата. В первые годы повсеместного распространения сотовой связи в России (на рубеже XX-XXI столетий) было даже трудно сказать, какой из стандартов является превалирующим: IS-95 или GSM. До 2001 года в некоторые периоды CDMA имел даже большее число абонентов, чем GSM. Однако изначально в нашей стране именно стандарт GSM предусматривался как основной при строительстве сетей сотовой связи. Трудности в правовых аспектах строительства сетей CDMA One создали значительную задержку в его распространении. Хотя это не единственный сдерживающий фактор. Мобильные аппараты, работающие в стандарте IS-95 были запрограммированы на работу в определенной сети и было невозможно сменить оператора также легко, как и с MS стандарта GSM, где для этого достаточно было поменять SIM-карту.
В то же время, многие специалисты отмечают, что CDMA One гораздо экономичнее стандарта GSM и позволяет более эффективно использовать радио ресурсы. Это и другие вышеотмеченные преимущества не позволили этому стандарту быть забытым. В результате на основе CDMA One были реализованы другие стандарты уже третьего поколения.
