Свежий номер №37 (366) / «Последняя миля» мобильной связи
 
Евгений Шильников, shl@pronto.msk.ru 25.10.2000


 
<< Начало

Страница 1
Окончание

Одновременно с GSM появился стандарт для беспроводных учрежденческих телефонных станций — DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Разрабатывавшийся для внутренних беспроводных сетей крупных предприятий, складов, супермаркетов и т. п. и имеющий радиус действия 100–300 м, DECT оказался подходящим стандартом и для местных телефонных мини-сотовых сетей. Правда, радиус соты при этом не превышает ста метров, но при использовании специальных направленных антенн БС может работать с терминалами на расстояниях до 5 км. В стандарте DECT используется полоса частот 20 МГц, речевой сигнал сжимается по алгоритму ADPCM до скорости 32 кбит/с, поддерживаются различные службы передачи данных, обеспечивается взаимодействие с сетями связи любого другого типа. DECT-сети работают в диапазоне 1880/1900 МГц, разбитом на десять частотных каналов, и потому являются мультичастотными (MC). В каждом частотном канале речь передается в 24 тайм-слотах (TDMA), то есть емкость одной БС составляет 120 речевых каналов (10 несущих помножить на 12 тайм-слотов). В первой половине тайм-слотов передается информация от БС к терминалам, а во второй — в обратном направлении (дуплекс с разделением по времени — TDD). Таким образом, DECT (подобно GSM, кстати) может быть определена как система MC/TDMA/TDD. Специальный алгоритм выбора каналов (Continuous Dynamic Channel Selection — непрерывный динамический выбор канала) позволяет нескольким БС работать «бок о бок», не координируя работу. Принцип таков: любой из портативных терминалов стандарта DECT имеет доступ к любому каналу (как к частотному, так и к временному). Когда необходимо установить соединение, терминал сам выбирает канал, обеспечивающий наиболее качественную связь. После того как соединение установлено, терминал продолжает автоматически анализировать весь диапазон, и если обнаруживается канал, дающий лучшее качество связи, терминал сам переключается на него. Старое и новое соединения перекрываются во времени, что обеспечивает незаметность переключения. В DECT предусмотрено шифрование сигнала и аутентификация пользователей. Системы DECT очень хороши в городах, где они экономически более выгодны, чем сотовые сети. «Критической» точкой считается плотность больше двадцати одновременно говорящих абонентов на 1 км2, после которой классические сотовые системы начинают «захлебываться».

Еще один очень интересный стандарт, Bluetooth, разработан для беспроводной связи компьютера с периферией на расстоянии до 10 м, его коммуникационный интерфейс обеспечивает работу до восьми устройств одновременно. Bluetooth-устройства работают на частотах, выделенных для безлицензионного использования (2,4 ГГц), и могут передавать сигналы со скоростью от 720 кбит/с до 1 Мбит/с. Строятся они на дешевых компьютерных чипах (приемопередатчик и модем). По своему назначению Bluetooth — нечто среднее между описанным выше стандартом DECT и инфракрасным iRDA (infra Red Data Association), давно и широко используемым средством беспроводного соединения компьютерной техники.

Рисунок 4

Рисунок 5

Продвигаемый компанией Ericsson (разработан вместе с Nokia, IBM, Intel и Toshiba), Bluetooth постепенно выходит за первоначальные рамки — связь в пределах одной компьютерной станции. Теперь он рассматривается как универсальная технология беспроводного соединения любых устройств — карманных компьютеров, мобильных терминалов и пр. — в локальной зоне диаметром порядка 10 м. Планируется также применение этой технологии в «бытовых» целях, например, для оплаты парковки, приобретения билетов в кассах, для автоматического включения света в доме при появлении хозяина и т. д. Рабочая версия Bluetooth была обнародована на конференции в Женеве «Телеком ’99», где были продемонстрированы оборудованные этой технологией лаптопы, смартфоны, карманные компьютеры и другая техника. На сегодня к альянсу Bluetooth присоединились многие компании, в том числе One2One, Рисунок 6Motorola, Qualcomm, Compaq, Dell, 3Com, Palm, VLSI, Xircom, Psion, Dacom и Lucent.

Но, пожалуй, самым совершенным и перспективным способом передачи данных является стандарт CDMA (Code Division Multiplex Access, IS-95 — множественный доступ с кодовым разделением), предложенный компанией Qualcomm лет пять тому назад. В CDMA для формирования каналов используются специальные шумоподобные сигналы (ШПС), или сигналы с распределенным спектром (Spread Spectrum), которые ранее широко применялись в радиолокации, навигации и военных системах связи (рис. 6). Суть ШПС-кодирования заключается в том, что цифровые данные складываются с импульсными последовательностями (длиной N+1 на каждый бит), имеющими ортогональные корреляционные функции (рис. 7). Ортогональность корреляционных функций позволяет на приеме уверенно различать последовательности — при их детектировании в корреляционных фильтрах вырабатывается сигнал, амплитуда которого равна либо N (для «своей» последовательности), либо очень мала («чужая» последовательность). Известно несколько видов таких импульсных последовательностей, причем чем больше N, тем сильнее отклик на выходе фильтра и тем больше взаимно ортогональных (то есть однозначно различаемых) кодов можно сформировать в системе. Кодирование двоичных битов полезного сигнала импульсными последовательностями, которые можно легко разделять на приеме, позволяет передавать их в одном частотном канале с полосой, расширенной в N+1 раз. Зато в пределах этой полосы теоретически можно передавать столько отдельных каналов, сколько наберется в импульсной Рисунок 7последовательности длиной N взаимно ортогональных кодов. А их могут быть тысячи…

В стандарте CDMA было взято N=127. Речь, преобразованная с помощью кодека речи в цифровой поток скоростью 9,6 кбит/с, кодируется последовательностью длиной 128 символов, и на выходе получается многосимвольный импульсный сигнал с частотой 1,228 мегасимволов в секунду, занимающий спектр в 1,25 МГц. За счет кодового разделения в одной и той же полосе передается в десять раз больше каналов, чем в стандарте AMPS, и в три-четыре раза больше, чем TDMA-каналов стандарта GSM. Теоретически можно передать и в сто раз больше, но другие факторы (допустимая вероятность ошибки, борьба с помехами и т. п.) заставляют вводить специальные кодовые промежутки. Это делается для того, чтобы искажение импульсов последовательности, вызванное ошибками при передаче, не приводило к неправильному детектированию кода.

Наверное, одно из главных достоинств CDMA — единая частота группового сигнала для всех базовых станций. Поэтому их можно ставить так далеко друг от друга, как позволяют «зоны видимости», а количество одновременно действующих каналов уже не определяется количеством БС. Значит, станций требуется меньше по сравнению с системами AMPS. На практике получается, что даже при двойном резервировании кодовых последовательностей можно устанавливать БС в три раза реже аналоговых и GSM-станций. При этом не нужны переключения частот мобильного телефона при переходе между сотами. Более того, сама природа метода — детектирование принятых сигналов на корреляционных фильтрах — позволяет складывать энергию сигналов в условиях многолучевого приема (при отражениях, при получении сигнала от нескольких БС и т. д.), что выгодно отличает его от других видов связи. Можно перечислить еще целый ряд объективных преимуществ CDMA (чистый от помех голос, хорошая защита от постороннего доступа, большая скрытность передачи, меньшая мощность выходного сигнала телефонной трубки, меньше потенциальный вред здоровью, больше время работы трубки без подзарядки и т. д.). Кроме того, в пересчете на одного абонента себестоимость канала связи в системах CDMA по крайней мере втрое ниже, чем у любого другого из рассмотренных стандартов. А раз так — то и тарифы меньше. Этот фактор и обусловил выбор CDMA в качестве стандарта для сетей фиксированной (стационарной) связи в России. Причем тарифы и абонентская плата ненамного выше, нежели у обычных телефонных линий, правда, сама трубка обходится недешево.

Конечно, как и всякое техническое решение, CDMA имеет свои минусы. Первый и, пожалуй, самый серьезный — сравнительная сложность аппаратуры, что тормозит широкое внедрение технологии. Второе неприятное свойство многоканальных CDMA-систем заключается в том, что в приемном тракте мобильного терминала сигналы от других терминалов оказываются помехами, причем все они складываются по абсолютной величине, тем самым повышая порог шума. При разных расстояниях терминалов от БС уровень их сигналов отличается на несколько порядков (пропорционально квадрату расстояния, как известно), то есть на десятки децибел. Для уменьшения этого эффекта применяют нормирование выходной мощности передатчиков в зависимости от расстояния между терминалом и БС, что требует передачи специальных управляющих сигналов.

О другом недостатке, свойственном любым системам с кодовой модуляцией, вспоминают реже. Речь идет об интерференционном пропадании сигнала при многолучевом приеме на движущийся (относительно среды отражения сигнала) приемник. Для того чтобы подобный эффект проявился на практике, необходимо, чтобы время запаздывания отраженного сигнала равнялось ширине импульса сигнала, то есть составляло около 0,8 мкс. Такая задержка соответствует расстоянию около 240 м (240 м = 3*108 м/с*0,8мкс » 3*108 м/с*1/1,228 МГц). Именно при таких условиях (когда, скажем, автомобиль движется вдоль длинного сплошного бетонного или металлического забора, отстоящего от трассы на 120 м) могут быть периодические перерывы в связи, но, с другой стороны, так ли уж часто встречаются подобные условия?

В России CDMA особого признания пока не получил. Почему — читайте во врезке.

В заключение скажем, что в ближайшее время в системах беспроводной связи цифровая передача полностью вытеснит аналоговые стандарты ввиду явного превосходства в эффективности использования частотных ресурсов (см. статью «Молчание —золото») и в качестве передачи, причем стандартам, основанным на кодовом разделении, будет отводиться все большая роль. До тех пор, пока очередные умные головы не придумают еще более экономичного и дешевого способа построения «последней мобильной мили».

СУДЬБА ФЕРМЕРА

Почему же CDMA не получил в России широкого распространения, подобно GSM, и почему всемирно признанный в качестве стандарта второго поколения и, более того, положенный в основу принятых Международным союзом электросвязи трех из четырех стандартов на беспроводную связь третьего поколения, CDMA находится у нас на положении Золушки? Почему Министерство связи упорно не хочет дать возможность операторам CDMA-сетей использовать преимущества этих сетей для мобильных абонентов?

Отвечаем. Во-первых, потому, что CDMA вышел в свет позже других и, несмотря на свои явные преимущества, экономическую и организационную эффективность, пока не смог вытеснить имеющиеся сотовые системы с насиженных частот. Пока не смог. Представьте реакцию человека, который только что построил дом, завел хозяйство, развел кур и овец и вдруг слышит: «Знаешь, парень, дом надо сломать, зверей разогнать и все начать заново — вот тебе отличный новый проект, он тебе обойдется в три раза дешевле, у тебя будет в шесть раз больше кур, а твои овцы дадут в пять раз больше шерсти». Догадываетесь, куда хозяин (читай, оператор и владелец действующей сотовой сети) пошлет советчика? Или другой, еще «лучший» вариант: вдруг появится новый сосед, который заведет свое новое хозяйство, а вкусной пищей переманит всех кур и овец первого хозяина. Что тому останется делать? Гнать не в меру инициативного соседа палками. И, наверное, он будет по-своему прав.

Но не прав тот руководящий орган, который, планируя хозяйство, учитывает интересы только «первого» хозяина-фермера. По идее, он должен больше думать о тех, кому требуется увеличение поголовья кур и собранных тюков шерсти, — о потребителях. Можно сделать так, чтобы наряду со старыми хозяевами (операторами), чьи интересы подкреплялись бы льготами или субсидиями, внедрялись и новые технологии, тарифная политика для которых не давала бы соблазна всем абонентам старых систем немедленно перебегать к новым. За счет повышенных тарифов могли бы набираться компенсации для старых систем. Но для этого нужно желание правителей делать для других благо и разумение, как это делать. Правда, это сложнее, чем просто «не пущать». Мудрые китайцы сделали внедрение стандарта TD-SCDMA национальной программой, южные корейцы уже полностью перешли на эти технологии и только совершенствуют их для развития широкополосных каналов. Новые стандарты на беспроводную цифровую связь — связь третьего поколения — предусматривают построение каналов с пропускной способностью от 384 кбит/с до 1,5 Мбит/с, а также несимметричные каналы, позволяющие более эффективно работать с Интернетом.

Есть, впрочем, еще два свойства системы, которые ужасно не нравятся нашим предписывающим и охраняющим органам. Первое: сам псевдошумовой широкополосный CDMA-сигнал, мощность которого, как правило, находится на уровне шумов, а значит, труднее поддается не только подслушиванию, но даже обнаружению. И второе: для синхронизации используется общий для всех БС временной сигнал глобальной навигационной спутниковой системы GPS Navstar, которую наши власти упорно не хотят признать действующей в нашей стране. Вспомните, например, историю со «шпионом», который занимался настройкой CDMA-сети в Ростове-на-Дону и для этого, разумеется, использовал GPS-приемник Navstar.


 
<< Начало

Страница 1
Окончание


Евгений Шильников
shl@pronto.msk.ru
 


<< Молчание - золото
Все материалы номера
Золотая лихорадка >>