Технологія CDMA

CDMA (Code Division Multiple Access) - цифрова безпровідна технологія, розроблена і вперше упроваджена QUALCOMM

CDMA (Code Division Multiple Access) - цифрова безпровідна технологія, розроблена і вперше упроваджена QUALCOMM. CDMA конвертує мову в цифрову інформацію, яка потім пересилається як радіосигнал по безпровідній мережі. Використовуючи унікальний код для розрізнення кожної окремої соти, CDMA дає можливість безлічі користувачів одночасно "ділити" ефір - без атмосферних перешкод, "перетину" розмов або інтерференції.

Історія CDMA

Стартує як комерційний продукт в 1995 році, CDMA швидко стала однією з самих безпровідних технологій, що швидко поширюються, в світі. У 1999 році міжнародний телекомунікаційний союз (International Telecommunications Union) вибрав CDMA як промислового стандарту для нових безпровідних систем "третього покоління" (3g). Багато ведучих безпровідні носії в даний час вбудовані або модифіковані в мережі 3g CDMA, для того, щоб забезпечити велику ємкість для голосового трафіку, поряд з можливістю високошвидкісної передачі даних.

Назву стандарту CDMA (Code Division Multiple Access) означає "Система множинного доступу з кодовим розділенням", і цю назву відображає принцип роботи цього стандарту. CDMA - технологія "розподіленого спектру", що означає розподіл інформації, що міститься в окремих сигналах на набагато більшу ширину смуги, чим в первинному сигналі. Виклик в CDMA починається із стандартної швидкості в 9600 біт/с (9.6 кбіт/с). Потім він поширюється до швидкості передачі - близько 1.23 Мбіт/с. "Розподіл" означає, що цифрові коди, вживані до біт даних, асоційовані з користувачами соти. На відміну від інших методів доступу абонентів до мережі, де потужність сигналу концентрується на вибраних частотах або тимчасових інтервалах, сигнали CDMA розподілені в безперервному частотно-часовому просторі. Фактично метод маніпулює і частотою, і часом, і потужністю. Традиційне використання розподіленого спектру - для військових цілей. Із-за значної ширини смуги сигналу розподіленого спектру, його важко стискувати і важко ідентифікувати. Цим він кардинально відрізняється від технологій, що використовують точну ширину частотних смуг. Оскільки широкосмуговий сигнал розподіленого спектру дуже важкий у виявленні, він виявляється як не більше ніж легка піднесеність над "рівнем шуму" або рівнем інтерференції. У інших технологіях потужність сигналу концентрується усередині вузької, точно визначуваної смуги, яка легко обнаружіма.

Підвищена безпека є відмінною рисою технології CDMA. Дзвінки з телефону CDMA будуть захищені від випадкового підслуховування, оскільки, на відміну від взаємодії в аналоговому режимі, простий радіоприймач не зможе виділити окремі цифрові взаємодії із спільної маси RF випромінювання в смузі частот.

Синхронізація виконується на фінальних стадіях кодування радіосигналів від базової станції на мобільний телефон, CDMA вводить спеціальний "псевдовипадковий код" в сигнал, який відтворюється через певні проміжки часу. Базові станції в системі відрізняються один від одного тим, що передають різні порції коди протягом заданого проміжку часу. Іншими словами, базові станції передають зміщені за часом версії однієї і тієї ж псевдовипадкової коди. Для того, щоб гарантувати, що використовувані зсуви за часом залишаються унікальними (не збігаються для різних базових станцій), станції CDMA повинні залишатися синхронізованими в спільних тимчасових вічках. Точність такого спільного тимчасового вічка забезпечується за допомогою Global Positioning System (GPS).

Еволюція стандарту

Перші комерційні мережі CDMA забезпечували приблизно в 10 разів більшу потужність, чим аналогові, а також TDMA- і GSM-сети. Розроблена компанією Qualcomm і вперше представлена як комерційний продукт в 1995 р., CDMA стала однією з безпровідних технологій, що найшвидше розвиваються, в світі.

У своєму виступі щодо безпеки і конфіденційності цифрових безпровідних комунікацій в березні 1997 р. президент Qualcomm Dr. Irwin M. Jacobs говорив про те, що CDMA – унікальна з точки зору безпеки, оскільки забезпечує високий ступінь захищеності розмови від прослухування. «Вона практично робить неможливим створення пристрою, що дозволяє сканувати канали передачі і прослухувати які б то не було розмови в мережах CDMA».

Принцип роботи CDMA – переклад мови в цифрову інформацію, яка передається як радіосигнал по безпровідній мережі. Використовуючи унікальне кодування для розпізнавання кожного окремого дзвінка, CDMA робить можливим використання хвиль багатьма людьми одночасно – без перешкод, спотворень або втрати зв'язку, оскільки дозволяє забезпечити унікальний метод шифрування, який міняється для кожної нової розмови. В процесі шифрування може бути використано до 4,4 трлн різних код. «Батько» CDMA – компанія Qualcomm – визнає, що не існує технології, яка була б повністю захищена від «зломів», і постійно збільшує стійкість технології CDMA в плані її безпеки.

У 1999 р. Міжнародний союз по телекомунікаціях (International Telecommunication Union, ITU) стандартизував третє покоління безпровідного зв'язку (3g), яке може зробити реальними високошвидкісну передачу даних і інші можливості. Стандарт 3g включає три режими роботи, не засновані технології CDMA. Сьогодні більше 50 провідних виробників вже отримали ліцензії Qualcomm на використання нової технології.

З огляду на те, що стандарт Cdma2000 був розроблений як досконаліший в порівнянні із стандартами попереднього покоління, що довели свої переваги систем CDMA, Cdma2000 забезпечує найшвидший, простіший і прибутковий шлях до сервісів 3g. Тоді як всі технології 3g (Cdma2000, WCDMA і TD-SCDMA) можуть бути життєздатні після довгого часу за виробничими показниками, комерційним успіхом і визнанням ринку.

До справжнього моменту 20 операторів в 10 країнах запустили продукти і сервіси 3g в комерційне використання. Широкий асортимент чіпсетів Cdma2000, телефонів і систем мережевих інфраструктур зараз поставлені на потоково-масове виробництво, економлячи на зростанні масштабів виробництва, оскільки все більше операторів зв'язку розвертають і освоюють нові послуги стандарту Cdma2000.

Технологія Cdma2000 1x підтримує сервіси передачі і голосу, і даних в рамках звичайного 1,25 мегагерцового CDMA-канала і забезпечує безліч експлуатаційних переваг для інших технологій. Перш за все, вона практично подвоює потужність старіших CDMA-систем (враховуючи навіть крупніші доходи TDMA і GSM), сприяючи розвитку голосових сервісів і нових безпровідних сервісів Інтернет. Крім того, технологія забезпечує середні швидкості передачі даних від 50 до 90 кб/с (це набагато швидше, ніж дозволяє середнє dial-up з'єднання), аж до 144 кб/с.

Еволюція платформ і рішень

Розвиток самого стандарту для нового покоління мобільного зв'язку, безумовно, стимулює і створення нових рішень для всіх, хто працює над підвищенням якості і збільшенням кількості нових послуг мобільного зв'язку на базі CDMA.

Qualcomm активно підтримує всі розробки на базі стандарту і вивела на ринок вже другу версію програмного інструментарію BREW SDK для пристроїв безпровідного зв'язку.

BREW, Binary Runtime Environment for Wireless – орієнтована на CDMA програмна платформа для стільникових телефонів, смартфонов, коммуникаторов, КПК і так далі Це щось ніби моста між процесорами мобільних пристроїв і додатками для них, написаними на мові високого рівня. Основний конкурент BREW – Java Mobile Edition (J2me), просувна Sun.

BREW – повне, відкрите до змін рішення для створення і поширення додатків, конфігурації пристроїв, розрахунку вартості послуг і оплати. Провайдер безпровідних послуг, розробник або виробник – BREW – всім їм відкриває можливості для легкої і швидкої реалізації повного спектру технологічних і ділових досягнень в області безпровідних послуг.

Закінчене, але, в той же час, гнучке вирішення BREW включає базову систему додатків і їх перенесення для виробників устаткування, BREW Sdk™ (Software Development Kit – пакет розробки програмного забезпечення) і систему поширення BREW Distribution System (BDS) – потужний віртуальний сервіс, який об'єднує провайдерів і розробників в області безпровідного зв'язку.

BREW надає розробникам програмного забезпечення необхідні інструменти і підтримку, завдяки яким можна легко створювати додатки для безпровідних пристроїв. На його базі можна створювати безпровідне устаткування, що відповідає всім вимогам, крім того, що скорочує час виробництва і витрати на впровадження. BREW позволіяющийся асортимент додатків. Для користувачів тут теж є вельми істотна перевага: можливість персоніфікувати свої пристрої, які можуть викачувати по мережі різні застосування безпосередньо на телефон користувача без участі оператора.

Основна особливість нової версії набору для розробників BREW – покращувана підтримка додатків для електронної комерції і посилені функції безпеки.

Серед інших можливостей і новин BREW SDK – розширені інтернет-функції, включаючи роботу з HTML, XHTML (заснований на XML мова розмітки гіпертексту, максимально наближений до поточних стандартів HTML), chtml (compact HTML, мова розмітки для мобільних пристроїв), компоненти для браузеров, SMS-функции, розширена підтримка служби gpsone. Можна оцінити і багатші графічні і мультимедійні можливості: підтримку JPEG, спрайту і звукового формату CMX (Compact Multmedia extentions CMX, для одночасного відтворення музики MIDI, голосу, зображення).

Важливим моментом є просте портірованіє застосувань на різні пристрої: тут приділена увага перенесенню розробок на апарати з малим об'ємом пам'яті (наприклад, безпровідні модемні модулі або недорогі телефони). Виробникам пристроїв надається можливість при компіляції вибирати компоненти BREW, що включаються, і залишати тільки необхідні.

Отже, світ змінився. І вже сьогодні за допомогою BREW оператори безпровідних мереж можуть запропонувати більшу кількість послуг своїм користувачам, ніж коли-небудь, тим самим збільшуючи ARPU з мінімальними зусиллями і нульовими витратами на створення додатків. Це означає, що розвивати бізнес на базі нових технологій CDMA не лише цікаво, але і вигідно.

Принципи побудови мереж CDMA

Про стрімке завоювання CDMA світового ринку телекомунікацій говорять наступні цифри. Не дивлячись на відносну новизну (перша стільникова система рухливого радіозв'язку спільного користування в цьому стандарті була відкрита для комерційної експлуатації у вересні 1995 р. в Гонконзі), вже в 1996 р. в Південній Кореї працювала комерційна мережа з 2 млн. користувачів. У цьому ж році в США 60% новій номерній ємкості було введено за допомогою стандарту CDMA, який міцно утримує перше місце як по кількості охоплюваного населення, так і по числу операторів, що використовують дану технологію. Мережі цього стандарту розгорнені в сусідніх з Україною державах - Росії, Молдові і Польщі. По прогнозах світового ринку мобільного зв'язку, зроблених британською аналітичною групою Nortel, до 2002 р. спільна кількість користувачів стільникових мереж CDMA зросте до 126 млн. У році, що настав, перші мережі CDMA будуть введені в комерційну експлуатацію в Україні. Розгледимо особливості побудови і функціонування даної системи.

Спільні відомості

Система CDMA побудована по методу прямого розширення спектру частот на основі використання 64 видів псевдовипадкових послідовностей (ПСП), сформованих згідно із законом функцій Уолша. Мовні повідомлення передаються за допомогою речепреобразующего пристрою з алгоритмом Celр. Використання системи переривистої передачі мови на основі детектора активності мови і вокодера з алгоритмом CELP у поєднанні із змінною швидкістю перетворення аналогового мовного сигналу в цифровій сприяє зниженню взаємних перешкод в мережі і збільшенню її ємкості. Це відбувається через те, що абонентський термінал (АТ) випромінює сигнал тільки на інтервалах активності мови, які складають близько 35% тривалості розмови. На лінії від базової станції до абонентського терміналу ("вниз") адресною ознакою кодового каналу служить одна з 64 ортогональних функцій Уолша, а на лінії "вгору" - квазіортогональні довгі ПСП. Зв'язок в системі CDMA організовується за стільниковим принципом з використанням всіх типових елементів стільникової мережі рухливого радіозв'язку (схема). Технічні дані устаткування мереж CDMA приведені в таблиці. 1. При відношенні енергії інформаційного символу до спектральної щільності шуму 7...8 дб і допустимій частоті помилок 1% можна організувати 60 активних каналів на трьохсекторну стільнику. Для синхронізації роботи мережі використовуються сигнали, що приймаються з радіонавігаційних супутників GPS за допомогою спеціального приймача, що входить до складу базової станції (БС).

Діапазон робочих частот від АТ до БС лежить в межах 824-849 Мгц, а у зворотному напрямі - в межах 869-894 Мгц. Таким чином, дуплексне рознесення рівне 45 Мгц. Спільна смуга частот кожного радіоканалу - 1,23 Мгц. По краях робочого діапазону частот, виділеного операторові мережі CDMA, рекомендується передбачити наявність захисних смуг. Якщо по сусідству працює система AMPS, ширина захисної смуги повинна складати 270 кгц, якщо яка-небудь інша система зв'язку - захисну смугу слід збільшити до половини основної смуги, тобто до 615 кгц. Стандарт CDMA дає можливість використовувати одну і ту ж частоту, що несе, по всій мережі у всіх сотах. Коефіцієнт повторного використання частоти для CDMA дорівнює 1.

Взаємодія базової станції і терміналу

Базова станція, керована контроллером і сполучена з ТФОП за допомогою інтерфейсу, як який зазвичай використовується так званий центр комутації рухливого зв'язку, може одночасно використовувати 64 канали передачі, з яких один канал, - пілотний, один - для синхронізації, сім каналів - для персонального виклику, останні 55 - для передачі мовних повідомлень. У напрямі "вниз" канали називають прямими. Пілотний канал використовується для початкової синхронізації АТ з мережею і для контролю за сигналами БС за часом, частоті і фазі. Канал синхронізації забезпечує ідентифікацію БС, контроль рівня випромінювання пілотного сигналу, а також фазу ПСП БС. Канал виклику використовується для виклику АТ і для призначення після встановлення з'єднання каналу зв'язку. Канал прямого трафіку служить для передачі мовних повідомлень і даних. У нім організований також безперервний субканал управління потужністю шляхом заміщення декілька біт мовних даних із швидкістю 800 біт/с. Передача "0" означає, що абонентська станція повинна збільшити рівень своєї вихідної потужності на 1 дб, а передача "1" - зменшити на 1 дб. Максимально можлива швидкість зміни потужності складає 16 дб (у 40 разів) протягом 20 мс. Динамічний діапазон регулювання - 84 дб.

Таке регулювання дозволяє АТ працювати з мінімально необхідною потужністю випромінювання, даючи можливість БС приймати сигнали абонентських терміналів з практично однаковим рівнем потужності незалежно від видалення. Це забезпечує як мінімізацію взаємних перешкод в мережі і збільшення її ємкості, так і вищу екологічну безпеку АТ для користувача. Проте при планеруванні мережі необхідно враховувати, що розмір сотів має бути приблизно однаковий. Інакше виникають перешкоди від АТ, що знаходяться в сусідніх сотах. Радіус соти в місті може досягати 4-5 км., в сільській місцевості - від 7-8 до 25-30 км., залежно від рельєфу місцевості і висоти розташування антен. У напрямі від АТ до БС канали називають зворотними. До їх числа входять канал доступу і канал зворотного трафіку. Канал доступу використовується для встановлення викликів і відповідей на повідомлення, передавані по каналу виклику, і для передачі команд і запитів на реєстрацію в мережі.

У кожному каналі БС при передачі використовується одна з 64 послідовностей Уолша. Зміні знаку біта інформації відповідає поворот на 180 градусів фази використовуваної послідовності. Унаслідок ортогональності послідовностей перешкоди між каналами передачі відсутні. Вони виникають тільки від сусідніх БС, що працюють на тій, що тій же несе і використовують ту ж послідовність, але з іншим циклічним зрушенням. У абонентському терміналі ортогональні сигнали використовуються для підвищення перешкодостійкості каналів. При цьому кожній групі з 6 біт інформаційного повідомлення відповідає одна з 64 послідовностей Уолша. Різні циклічні зрушення ПСП в абонентських терміналах дозволяють БС при прийомі розділити сигнали від АТ.

Абонентський термінал може знаходитися в одному з чотирьох станів: ініціалізації, черговому, доступу, активному. В стані ініціалізації АТ веде пошук пілотного каналу на нульовій функції Уолша. Виявивши його, він знаходить на 32-ій функції Уолша канал синхронізації. З повідомлення, передаваного по каналу синхронізації, АТ отримує дані про конфігурацію системи і її тимчасовій структурі. На наступному етапі АТ входить в режим чергового стану, виявляє канал персонального виклику і веде безперервний контроль за повідомленнями, що поступають. Ці повідомлення від БС можуть містити всі необхідні дані, щоб ініціювати виклик або прийняти його від іншого абонента. В разі проходження виклику АТ переходить в стан доступу. При успішній спробі доступу АТ входить в активний стан.

Передача повідомлень

Передача повідомлень в мережі здійснюється кадрами. При цьому в каналах застосовуються: згортальне кодування "вниз" із швидкістю 1/2, "вгору" - 1/3, декодер Вітербі з м'яким рішенням, перемеженіє передаваних повідомлень. Використовувані принципи прийому дозволяють аналізувати помилки в кожному інформаційному кадрі і стирати кадр при перевищенні допустимого рівня, тим самим підтримуючи високу якість передачі мови. Крім того, в системі CDMA використовуються роздільна обробка відбитих від будівель сигналів, що приходять з різними затримками, і подальше їх вагове складання, що значно знижує негативний вплив ефекту многолучевості. При роздільній обробці променів в кожному каналі прийому на БС використовуються чотири що паралельно працюють корелятора, а в ношеному абонентському терміналі - три корелятори.

У системі CDMA передбачений режим м'якої естафетної передачі (soft handoff) під час переходу абонента з соти в стільнику. При цьому АТ підтримує зв'язок одночасно з двома або трьома БС, проводячи безперервний пошук всіх пілот-сигналов на робочій частоті з фіксацією їх рівнів. В разі виявлення досить сильного пілот-сигнала, що не належить до обслуговуючого його вічка (сектору), він посилає повідомлення своєї базової станції. На основі повідомлень, що поступають від різних БС, контроллер базових станцій приймає рішення, яка БС буде залучена в процедуру естафетної передачі, призначає цій БС вільну функцію Уолша з належного набору і повідомляє їй код АТ. Обслуговуючою БС поступає команда направити АТ повідомлення про початок процедури естафетної передачі. Абонентський термінал, що приймає інформацію одночасно від двох БС, вибирає кращий мовний кадр з двох. Аналогічним чином мережевий інтерфейс, приймаючи одну і ту ж інформацію від двох БС, вибирає кращу на основі покадрового порівняння.

Переваги стандарту

Система безпровідного доступу, побудована за технологією CDMA, забезпечує стандартний набір мовних і немовних послуг, типовий для цифрових стільникових систем другого покоління. Цей набір включає передачу мови з високою якістю, передачу даних і факсограмм, а також додаткові послуги: переклад з'єднання на іншого абонента, конференц-зв'язок і голосову пошту. Проте описані вище принципи побудови системи CDMA визначають наступні її переваги перед іншими стандартами стільникового зв'язку, роблячи цю технологію привабливішою як для операторів, так і для абонентів. Технологія CDMA забезпечує велику ємкість мережі в порівнянні з іншими відомими технологіями побудови стільникових мереж за рахунок як більшого числа каналів на 1 Мгц виділеної смуги частот, так і повторного використання каналів зв'язку на даній території. Наприклад, допустиме співвідношення сигнал/перешкода в каналах GSM складає 9 дб, в аналогових каналах - 17...18 дб. Це дозволяє забезпечити повторне використання частот при меншому територіальному рознесенні базових станцій і тим самим збільшити ємкість мереж GSM приблизно удвічі в порівнянні з аналоговим стандартом TAGS, а при використанні напівшвидкісного мовного кодека - в чотири-п'ять раз. Стандарт CDMA дає можливість використовувати одну і ту ж частоту по всій мережі у всіх сотах. Ємкість в даному випадку збільшиться по відношенню до AMPS до десяти разів. До додаткового підвищення ємкості приводить і використання детектора активності мови і вокодера з алгоритмом CELP. Порівняльні характеристики систем стандартів CDMA і TDMA приведені в таблиці.

Використання у всіх сотах однієї і тієї ж частоти приводить, по суті, до виключення необхідності частотного планерування при проектуванні мережі. Планерування зводиться до того, щоб соти за розміром були приблизно однакові. Крім того, технологія обробки сигналу з ефектом багатопроменевого поширення підвищує інтенсивність сигналу, дозволяючи збільшити розмір соти.

Оскільки в технології CDMA інформація розподілена по широкому спектру і кодована, сигнал важко виявити і прослухати. Тобто технологія безпечніша в порівнянні з іншими стільниковими системами з точки зору захисту інформації. Кодування мовних сигналів із змінною швидкістю дозволяє мовним бітам передаватися з тією швидкістю, яка необхідна для забезпечення високої якості мови. Це економить заряд батареї мобільного телефону, збільшуючи тривалість розмови. До цього ж приводить пониження потужності АТ до мінімально необхідною для роботи в мережі. Додатковою перевагою є велика екологічна безпека системи (випромінювана потужність мінімальна і, крім того, розподілена по широкому спектру частот). Реалізація "м'якого" переходу з соти в стільнику (з сектора в сектор) виключає переривання розмови при перетині абонентом кордону соти.

Налаштування підключення інтернету в Linux

Використовується модем Novatel U720, ISP - InterTelecom

В терміналі набереємо sudo nano /etc/modules, повинен відкритися текстовий редактор nano. Якщо у файлі є anydata, то видаляємо його, і пишем:

usbserial vendor=0x16d5 product=0x6501, зберігаємо (Ctrl+X, Y, Enter).

Далі необхідно виконати:

sudo rmmod anydata usbserial

sudo modprobe usbserial vendor=0x16d5 product=0x6501

sudo nano /etc/ppp/peers/cdma

у файл який відкрився вставляєм:

debug
noipdefault
defaultroute
ipcp-accept-local
lcp-echo-interval 60
lcp-echo-failure 5
usepeerdns
nopcomp
noauth
noaccomp
nodetach
user "КОРИСТУВАЧ"
connect "/usr/sbin/chat -s -S -V -t 5 -f /etc/ppp/cdma.chat"

Зберігаєм і виходимо.

Так само створюємо «/etc/ppp/cdma.chat» і вписуємо:

'ATZ'

'OK' 'ATI'

'OK' 'ATDT#777'

'CONNECT' 'ATO'

зберігаєм і виходим(#777 номер дозвону).

Відкриваєм файл «/etc/ppp/pap-secrets» і дописуєм:

"КОРИСТУВАЧ" * "ПАРОЛЬ"

Набираємо команди:

sudo ln -sf /dev/ttyUSB0 /dev/modem

sudo pppd /dev/modem 115200 file /etc/ppp/peers/cdma user КОРИСТУВАЧ

Для відключення нету потрібно набрати:

sudo killall -w pppd