Тема: Принцип кодового разделения каналов

Принцип кодового разделения каналовCDMA (англ. Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, была опубликована еще в 1935 году ее автором Д.В. Агеевым.

После войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи, как в СССР, так и в США. Во второй половине 80-х годов военное ведомство США рассекретило данную технологию и началось ее использование в гражданских средствах связи. Способ применяется в сотовой связи (в России, например, оператором Skylink) и в спутниковой навигации (GPS).

Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

Рисунок 42 Технология множественного доступа

с кодовым разделением каналов

CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmaOne (основанных на IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается и совершенствуется.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Рисунок 43 Построение системы мобильной связи

на основе технологии CDMA2000

Переход к следующей фазе CDMA2000 1xEV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23 МГц, скорость передачи - до 2.4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и дает возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени. Следующей фазой развития стандарта является 1ХEV-DO Rev A, что позволяет увеличить сетевую емкость и скорость передачи данных. На данном этапе обеспечивается передача данных со скоростью до 3.1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1.8 Мбит/с по направлению 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 дейсвующих сетей. Поскольку прогресс не стоит на месте, разработчики оборудования уже работают над реализацией следующей фазы - 1ХEV-DO Rev B, - что позволит 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. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5 Мбит/с к абоненту и 27 Мбит/с от абонента. Применение таких сетей - улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP, Push to Talk, видеотелефония, параллельное использование голоса и мультимедиа, мультисессионные сетевые игры и др.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищенность, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1 Вт (в импульсе). Справедливости ради отметим, что мнение о вредном влиянии излучения мобильных телефонов на организм человека учеными так и не доказано, но и не опровергнуто.

Группа стандартов CDMA коренным образом отличается от своих собратьев по сотовой телефонии и эти стандарты по праву считаются стандартами 2.5 поколения. Если FDMA (NMT, AMPS, NAMPS) и его продолжение - TDMA (GSM, DAMPS) используют набор частотных диапазонов с разделением каждого канала на временные интервалы (для TDMA) для множественного доступа абонетов к услугам сотовой сети, то в CDMA всё по-другому.

CDMA использует технологию Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread Spectrum (прямая последовательность (псевдошум) с широким спектром). Основа DSSS - использование шумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы, чем необходимо для обычных способов модуляции. Хотя DSSS была изобретена ещё в 1940-е, коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной тому - отсутствие технологий позволяющих создавать малогабаритные приёмопередатчики использующие DSSS.

Кратко о CDMA.

Представьте себе узкополосный сигнал промодулированный неким потоком данных со скоростью, например 9600 bps. Пусть есть уникальная, повторяющаяся, псевдослучайная цифровая последовательность со значительно большей скоростью, скажем 1.25 Mbps. Если менять фазу узкополосного сигнала в соответствии с псевдослучайной последовательностью, то мы получим шумоподобный сигнал с широким спектром, содержащий в себе информацию. Если рассмотреть, что происходит с точки зрения частоты - то получится что информационный сигнал "расплылся" (spread) по спектру шумоподобного сигнала (pseudonoise). Теперь осталось выдать этот широкополосный сигнал в эфир.

На пути от передатчика к приёмнику к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков. Принятый и демодулированный сигнал перемножим с точной копией шумоподобного сигнала, который использовался для модуляции (здесь необходима очень высокая степень синхронизации приёмника и передатчика) и получим узкополосную составляющую с высокой энергией на единицу частоты - переданный поток данных. Так как помехи и сигналы от других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобным сигналом, то после перемножения они ещё больше расползутся по спектру и их энергия на единицу частоты уменьшится.

Таким образом, используя разные псевдослучайные последовательности (коды) можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в одной и той же полосе частот.

Нужно сказать, что вышеприведенное описание технологии DSSS сильно упрощено, хотя, надеюсь, даёт представление о том, как это всё работает.

И чем CDMA лучше других?

В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse) частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты:)) то количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени работы телефона без подзарядки.

Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность "мягкого" перехода от одной БС к другой (soft handoff). При этом, возможна ситуация когда одного абонента "ведут" сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его "передали" другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning System) американской спутниковой системы определения координат.

CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.

Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда, за счет сокращения ёмкости сети.

Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи, что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению с действующими TDMA стандартами.

Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации данной технологии в "железе"

Перспективы CDMA

В мире, развитие CDMA идет нарастающими темпами. Наибольшее распространение получили стандарты IS-95 (800 MHz) и CDMA PCS (1900 MHz). На май 2000г в 43 странах использующих CDMA насчитывалось более 57 миллионов абонентов, причём с мая 1999 количество пользователей удвоилось. Исторически сложилось так, что CDMA наиболее распространён в Северной и Южной Америке и Юго-Восточной Азии. С принятием Китаем CDMA как федерального стандарта сомнений в том, что этот стандарт станет основным на нашей планете, практически не осталось.

Cтандарты CDMA изначально включали в себя функцию передачи данных и на сегодня, почти все современные CDMA телефоны способны предоставлять пользователю 14.4 Kbps цифровой канал. А сама сеть использует IP протокол для передачи данных. Таким образом, CDMA уже сейчас полностью Internet-совместима. Нет проблем и с более высокими скоростями. Некоторые операторы CDMA в US уже предоставляют услуги передачи данных со скоростями до 144 Kbps. Кроме того, система используемая этими операторами позволяет динамически изменять пропускную способность канала в зависимости от активности клиента и загрузки сети, тем самым оптимизируя использование ресурсов сети. По заявлениям CDMA Development Group уже сейчас достижима скорость 300 Kbps, что вплотную приближает существующие CDMA стандарты к 3-му поколению.

У CDMA гораздо меньше проблем с переходом к 3-му поколению по сравнению с TDMA системами. TIA/EIA (Telecommunication Industry Association / Electronic Industries Alliance) предолжила группу стандартов cdma2000 (IS-2000) которые являются развитием ныне действующего IS-95. Основные отличия cdma2000 от своего предшественника - большее количество диапазонов для использования в организации мобильной связи и увеличение скорости передачи данных до 1Mbps на физическом уровне. Также добавлены новые протоколы для обеспечения всевозможных сервисов. Особо следует подчеркнуть требование стандарта об обратной совместимости с IS-95. Все мобильные станции cdma2000 должны работать в сетях IS-95, и соответственно все базовые станции cdma2000 должны обслуживать мобильные станции IS-95. Более того, имеется требование обеспечения handoff"а (перехода от одной соты к другой) между cdma2000 и IS-95. Таким образом, возможна незаметная для пользователя миграция сети от IS-95 к cdma2000. Также примечателен факт, что стандартом предусмотрено использование некоторых диапазонов используемых ныне старыми аналоговыми стандартами (например Band Class 5 (NMT-450)) что даёт возможность операторам этих стандартов перейти от 1-го поколения сразу к 3-ему, постепенно отдавая участки своего диапазона под cdma2000, по мере увеличения количества абонентов пользующихся новым оборудованием. Однако даже в cdma2000 сохранена возможность работы мобильных и базовых станций в аналоговом режиме. Этот режим практически идентичен стандарту AMPS c A-Key идентификацией и предназначен для обеспечения связи там, где использование цифрового режима по тем или иным причинам невозможно.

Сdma2000 был принят в группу IMT-2000, которая определяет глобальное виденье организацией ITU (International Telecommunication Union) систем 3-го поколения, в качестве одного из основных радиоинтерфейсов, что позволяет предполагать его дальнейшее распространение. Причём из-за преимуществ перед TDMA технологиями (стандарт UWC-136 также предлагается в качестве одного из возможных радиоинтерфейсов в IMT-2000) вполне возможно распространение CDMA и в Европе, которая на данный момент является вотчиной TDMA стандарта GSM.

Многоканальная телефонная связь и методы разделения каналов

Многоканальная телефонная связь (МТС)

При обычной телефонной связи число одновременно действующих соединений должно быть меньше или равно числу предоставляемых каналов связи, а это удорожает строительство кабельных линий при большом числе абонентов. Выходом в этом случае является организация многоканальной связи на некоторых участках телефонной сети.

СПИ - система преобразования информации;

ТЛФ - телефон;

ГК - групповой канал;

Д - делитель;

ГС - групповой сигнал.

Каналы тональной частоты ТА имеют диапазон 0,4 - 3,1 кГц и объединяются в групповой сигнал, которые занимают полосу частот N (3,1 кГц + защитный интервал). Защитный интервал примерно равен 0,3 кГц.

Если изобразить сетку частот f, ты мы увидим, что каналы расположены следующим образом

1, 2, …, N - номера телефонных каналов.

Преимущество многоканальной телефонной связи состоит в уменьшении затрат на прокладку линий связи, поскольку по одной паре проводов удается передать одновременно несколько разговоров. Полоса пропускания воздушной линии связи со стальными проводниками составляет 30 кГц, с медными - 150 кГц, для кабельных линий связи - 10 МГц, для коаксиального кабеля примерно - 1000 МГц.

Реально используются следующие варианты по числу каналов:

1-й уровень - 12 телефонных каналов.

2-й уровень - 60 каналов.

3-й уровень - 300 каналов.

Методы разделения каналов

1. Частотное разделение каналов (ЧРК) - FDMA

Данный метод стоится с применением многоканальных фильтров и преобразователей частоты.

ПФ - полосовой фильтр;

ПЧ - преобразователь частоты;

ТЛФ - телефонный аппарат;

С - сумматор.

Преобразователь частоты с номером i производит амплитудную модуляцию с i-го телефонного аппарата, полосовым фильтром выделяется верхняя или нижняя боковые посолы амплитудно-модулированного сигнала. А в сумматоре происходит формирование группового сигнала. После передачи по общему каналу процесс обработки происходит в обратном направлении.

2. Временное разделение каналов (ВРК) - TDMA

При временном разделении каналов сигнал с каждого телефонного аппарата преобразуется в цифровую форму. При этом формируются пакеты данных, содержащие определенное число бит (бит - единица информации в цифровом виде). Сформированные пакеты для каждого телефонного канала передаются в специально отведенные временные слоты, которые делятся на временные каналы. Отдельные слоты разделены защитными временными интервалами.

Принцип временного разделения каналов широко используется в современных системах передачи информации, поскольку позволяет сократить избыточность информации при сжатии данных цифровыми методами. Временное разделение каналов используется не только в проводных сетях общего пользования, но и в сотовых системах связи.

3. Кодовое разделение каналов (КРК) - CDMA

Принцип кодового разделения каналов заключается в разделении каналов по кодам.

4. Спектральное разделение каналов (СРК) - WDMA

Принцип спектрального разделения заключается в разделение каналов по длине волны.

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется периодически. На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

На рис. приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рис. а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u 1 (t), u 2 (t) и u 3 (t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов.

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала T K называется канальным интервалом . Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Т Ц. От соотношения Т Ц и T K зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

При временном разделении существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами.

Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция .

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения.

Многоканальные системы с ВРК широко используются для передачи аналоговой и дискретной информации.

Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне (рис. 8.9).

Основные этапы образования группового сигнала показаны на рис.8.10.

Информация от источников аналоговых сигналов поступает на входы соответствующих индивидуальных импульсных модуляторов АИМ (ШИМ, ФИМ). Формируемые отсчеты сигналов на выходе первого импульсного модулятора () (рис. 8.10,в), на выходе второго импульсного модулятора () (рис. 8.10,г) берутся через одинаковый интервал , но с таким сдвигом во времени, чтобы они не перекрывались.

Затем передающий распределитель считывает импульсы от всех источников, формируя сигнал (рис. 8.10,д), спектр которого с помощью группового модулятора (ГМ) переносится в область частот, отведенных для данной линии связи. Групповой сигнал , передаваемый по линии связи, несет информацию как от первого, так и о второго источника одновременно. На приемной стороне с выхода группового демодулятора (ГД) импульсы группового сигнала поступают на вращающиеся контакты приемного распределителя для формирования канальных последовательностей , и т.д. из которых на выходе импульсных детекторов формируются непрерывные сигналы поступающие к получателям сообщений .

Следует подчеркнуть, что рис. 8.9 служит лишь для иллюстрации идеи временного уплотнения и не отражает современных технических методов коммутации. В действительности аппаратура временного уплотнения обходится без механических распределителей, которые заменены электронными распределителями, выполняющими те же функции (рис. 8.11).

Рис.8.11. Схема многоканальной связи с ВРК.

Выходы всех импульсных модуляторов подключены к «своим» электронным ключам, работой которых управляет распределитель коммутирующих импульсов. В свою очередь, распределитель запускается от генератора тактовых импульсов.

Временное разделение сигналов осуществляется устройством, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 8.11. Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом – этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов. Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

При временном разделении каналов важнейшую роль играет система синхронизации, алгоритм работы которой каждый раз выбирается индивидуально для принятого способа импульсной модуляции, способа временного объединения каналов, структуры сигналов синхронизации и т.д.