Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи (стр. 10 из 16)

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 военныхприложениях 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 CDMAопределяется 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. (Строго говоря, в последнем случае все несколько сложнее, однако сейчас мы не станем в это углубляться.)

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей аппаратуры для CDMAв 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 CDMAс 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 AMPSканалы, организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17), должны различаться по частотам, а в CDMAво всех ячейках можно использовать один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить на семь (42 : 7 = 6). Получаем, что емкость CDMAвтрое выше, чем AMPS. Но и этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPSячейку сети обычно делят на три сектора по 120° в каждом - это позволяет увеличить радиус ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким образом, снизитьчисло базовых станций, необходимых для покрытия определенной площади. Так вот, при работе по стандарту AMPSв 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 CDMAможно 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 CDMAв девять раз выше, чем емкость AMPS. При сравнении CDMAс другими стандартами выигрыш в емкости получается меньшим; конкретное число можно узнать путем аналогичных расчетов.

Возможность использования в двух соседних ячейках сети одной и той же несущей частоты значительно упрощает так называемое частотное планирование, которое является весьма сложной операцией при развертывании сети. Если же применяется частотное разделение каналов, необходимо расписать все используемые в ячейках сети частоты так, чтобы ни в одной паре соседних ячеек не оказалось двух одинаковых частотных каналов. Это совсем не просто и часто связано со значительными материальными затратами.

Качество связи

Общеизвестно, что мобильный телефон обеспечивает не слишком высокое качество связи. Причин тому много. В городах, где обычно и развертываются сети мобильной связи, имеется много индустриальных помех. Распространяясь между базовой станцией и мобильным аппаратом, радиоволна многократно отражается от препятствий; в результате интерференции сигналов, прошедших разными путями, интенсивность принимаемого сигнала может внезапно упасть. Такие явления, называемые в радиотехнике федингами (fading), обычно наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой ведется передача. Наконец, качество связи заметно снижается при переходах мобильного абонента от одной ячейки сети к другой: в обычных стандартах осуществляется так называемое "жесткое переключение" (hardhandoff), при котором сначала разрывается связь с покидаемой ячейкой и только после этого устанавливается связь с новой.

Конечно, сравнивать качество связи, устанавливаемой с фиксированных телефонов, с качеством мобильной связи не вполне корректно: в последнем случае действует значительно больше факторов, обуславливающих ухудшение связи. Тем не менее факт остается фактом - CDMAпозволяет получить значительно более высокое качество связи, чем стандарты, основанные на FDMAи TDMA. Причины этого следующие: во-первых, CDMA- чисто цифровая связь (аналоговый сигнал попросту невозможно передавать тем способом, какой принят в CDMA), а во-вторых, в CDMAиспользуется широкополосная модуляция сигнала.

Цифровой сигнал значительно меньше уязвим для помех, чем аналоговый. Кроме того, в CDMAприменяются новейшие алгоритмы коррекции ошибок передачи, а в аппаратуре обычно используются самые современные методы сжатияголосового сигнала. Это позволяет достигнуть большой степени сжатия голоса при достаточно высоком качестве связи.

Очень большие преимущества с точки зрения качества связи дает применение широкополосной модуляции сигнала (рис. 18). Широкополосный сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно восстановить по неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при использовании обычных методов модуляции.

Рис. 18. Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал.

Помимо повышения качества связи, устойчивость CDMA к федингам приводит к значительной экономии ресурса источников питания и улучшению экологических параметров мобильных телефонов. В других сетях мобильные телефоны обычно работают на более высокой мощности, чем это нужно для устойчивой связи с базовой станцией, что позволяет при внезапном возникновении фединга не потерять связь (происходит лишь значительное снижение ее качества). В CDMAже такой резерв не нужен, поэтому телефон может работать с меньшей мощностью передаваемого сигнала.

Этим не ограничиваются преимущества технологии CDMA, связанные с использованием широкополосной модуляции сигнала. Вместо жесткого переключения (hardhandoffили breakbeforemake) от ячейки к ячейке, принятого во всех прочих сотовых сетях, в CDMAможно использовать мягкий переход (softhandoffили makebeforebreak): мобильный аппарат сначала устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которой он переходит, и только после этого освобождает канал в покидаемой ячейке. Это возможно за счет того, что и в покидаемой, и в новой ячейке используется одна и та же несущая частота. Данное преимущество заметнее всего сказывается на работе телефонов, находящихся в пограничной зоне между двумя ячейками, где уровни сигналов от базовых станций примерно одинаковы. Тогда выбор базовой станции в значительной степени определяется случайными причинами, и абонент подключается то к одной, то к другой станции. При жестком переходе частые переключения значительно ухудшают качество связи и даже могут привести к ее обрыву, а при мягком переходе ничего подобного не происходит.