FDMA, TDMA, CDMA… ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ?

Опубликовано в №4/1999 журнала Computer Club Magazine

РАДИОВОЛНЫ КАК СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Каких только средств передачи информации не придумали люди за всю свою многовековую историю! Сигнальные костры и бой тамтамов, голубиная почта и фельдъегерская связь, телеграф и телефон… Вот мы и добрались до героя нашего рассказа. Теперь стоит рассмотреть такой очень важный элемент любой системы передачи информации, как среда. Какую бы замечательную систему формирования и обработки сигналов мы ни создали, если параметры среды ей не соответствуют, передача информации оказывается либо невозможной, либо несоизмеримой по качественным характеристикам.

Из школьного курса физики хорошо известно, что электромагнитная волна - носитель информации - способна распространяться как свободно через эфир, так и направленно - через провода и кабели. При этом необходимо решить две основные задачи. Во-первых, совместить в одной среде сигналы от различных источников, и затем разделить их в точке приема. Во-вторых, согласовать параметры сигнала с возможностями среды. В результате создается канал передачи: при свободном распространении - радиоканал, при направленном - проводной.

Однако я не стану останавливаться на проводной связи и ее проблемах - об этом достаточно подробно я написал в своей статье), опубликованной в апрельском номере журнала Com&Com.KZ. Наш сегодняшний разговор - о технологиях радиосвязи применительно для сотовых сетей.

ОДНА СОТА УЖЕ СЕТЬ

Любая сотовая сеть строится по достаточно простому принципу: центр управления - базовые станции (не менее одной ;-) - абонентские терминалы. Естественно, что каждый оператор сотовой связи стремится к максимальному наполнению своей сети абонентами. Отсюда возникает проблема обеспечения множественного доступа (multiple access) к базовой станции, для чего ее общий ресурс, а, попросту говоря, лицензированный диапазон частот, делится на определенное количество "каналов", к которым и получают доступ пользователи. Естественно, что в одно и то же время один канал может использоваться только одним абонентом.

Рассмотрим теперь, какие же методы множественного доступа используются в мире (см. Рис.1).

Рис.1. Методы организации множественного доступа

Исторически первыми появились методы множественного доступа, основанные на разделении каналов по частоте (Frequency Division Multiple Access, FDMA). В этом случае, каждый канал занимает строго определенную полосу частот в закрепленном за сотой частотном диапазоне, и какое-либо совместное использование одной полосы частот несколькими абонентами невозможно. В настоящее время в-основном используются стандарты AMPS (Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц) - именно в этом стандарте работает "ветеран" казахстанской сотовой связи АЛТЕЛ, NAMPS (Narrowband Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access Communications System, ширина канала 25 кГц). Отметим, что все эти стандарты основаны на передаче аналогового сигнала.

Упомянув о невозможности совместного использования одной полосы частот несколькими абонентами в границах одной соты, мы не можем не задаться вопросами: какова стандартная ширина таких каналов и, соответственно, сколько их "умещается" в частотном диапазоне одной соты? Практика показывает, что общий диапазон частот, отведенный для конкретной сотовой сети, достаточно разделить на семь, чтобы обеспечить "разнесение" по частотам соседних ячеек сети (см. Рис.2). Таким образом, можно повторно использовать одни и те же частоты в неграничащих друг с другом сотах, а, значит, практически неограниченно расширять сеть даже в условиях ограниченного диапазон частот.

Рис.2. Схема распределения частотных поддиапазонов по ячейкам сотовой сети:
а) для FDMA, б) для TDMA, в) для CDMA

КАК ПОДЕЛИТЬ ВРЕМЯ?

Из Рис.2 хорошо видно, что большей, по сравнению с FDMA, емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных методов множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). В TDMA используется интересная особенность работы базовой станции, заключающаяся в том, что на определенной частоте базовая станция какую-то часть времени работает на одного абонента, какую-то - на другого, и так далее. Перерывы связи между этими временными интервалами (time slot) достаточно малы, чтобы не осприниматься человеческим ухом, однако достаточны велики, чтобы обеспечивать беспроблемную работу нескольких абонентов в одной полосе частот. Понятно, что под "каналами" в TDMA понимаются уже не эти полосы частот, а временные интервалы, в которых и передается в оцифрованном и сжатом виде информация. Всем нам теперь хорошо известный GSM (восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц) и есть не что иное, как один многочисленных стандартов TDMA. Другими широко известными примерами TDMA являются стандарты IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три временных слота) и PDC (каналы TACS на 25 кГц по три слота в каждом).

СКАЖИ СВОЙ КОД

Наконец, третий герой моего рассказа - метод множественного доступа, хорошо известный военным связистам, но появившийся, что называется, "в широкой продаже" всего-то 3-4 года назад - это CDMA (Code Division Multiple Access). В отличие от FDMA и TDMA, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Таким образом, фактически метод манипулирует и частотой, и временем, и энергией (см. выше Рис.1).

Основная идея CDMA заключается в том, что в одной и той же полосе частот подбирается комбинация сигналов, свободных в точке приема от взаимных влияний друг на друга. Исходный сигнал от абонента смешивается с одним из этой комбинации (образно говоря, помечается "кодом") - в итоге формируется и передается через канал широкополосный сигнал с распределенной энергией. Ясно, что принять информацию можно, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, - в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название - шумоподобный сигнал). Отсюда следует, что сигналы от двух абонентов, находящихся в зоне действия одной базовой станции и работающих на общей частоте (1,25 Мгц), но с разными кодирующими последовательностями, практически не создают помех друг для друга. Что и доказывает опыт работы первого (и пока единственного) в Казахстане оператора, использующего CDMA (правда, для стационарных абонентов) - компании ИНСТАФОН.

ЧТО ЛУЧШЕ?

В мою задачу не входит сравнивать работу конкретных сетей и конкретных компаний, использующих те или иные методы множественного доступа. А вот сравнивать сами методы можно и нужно. Как показывает мировая практика, сейчас сравнение это в пользу CDMA. Увеличенная емкость каждой соты, упрощенное частотное планирование сети (при добавлении новых сот), соизмеримое с проводными каналами качество связи (широкополосный сигнал мало подвержен промышленным импульсным помехам, коих в условиях города немало) и ее защищенность (кодированный сигнал по умолчанию) - даже этот далеко не полный список "знаков отличия" CDMA делает эту технологию современной точкой отсчета для дальнейшего развития беспроводного доступа. Хотя - и тому несть числа примеров - прогнозировать успех или неуспех той или иной технической идеи - занятие неблагодарное, подвластное разве что Его Величеству Времени…