NB:    Частота, время или код? Что мы знаем о принципах работы сотовых телефонов? Чем отличается один стандарт от другого? Какими станут сотовые телефоны в ближайшем и отдаленном будущем? И, самое главное, что это даст пользователям?

Принципиальные отличия

Как работает обычный телефон - понятно. Информация передается электрическим сигналом по проводам, так что путаницы не возникает, зато возникает проблема передвижения. Сотовые системы используют свободное распространение волн в эфире. Перемещаться с сотовым телефоном можно, зато появляется вопрос формирования каналов (разделения сигналов) абонентов. Сегодня существуют 3 метода формирования каналов в эфире, и все они активно используются в мире и в России.

Первый - метод частотного разделения (FDMA, Frequency Division Multiple Access). В каждом сеансе связи абоненту выделяется своя узкая полоса частот, почти как свой собственный телефонный провод. Так работают все аналоговые сотовые системы с частотным разделением каналов: NMT (в нашем городе такую связь предоставляет компания "СОТЕЛ") и AMPS (ПССР).

Второй - метод временного разделения (TDMA, Time Division Multiple Access). При таком способе разделения в каждом сеансе абоненту также выделяются узкие полосы частот, но не на все время связи, а на короткие промежутки времени. Остальное "свободное" время эти же частоты используются другими абонентскими терминалами. Такой способ можно применить, если информация (в том числе и речь) будет передаваться в "сжатом" виде и в цифровой форме, кусочками. По принципу временного разделения сигналов работают цифровые стандарты второго поколения GSM и DAMPS. GSM получил самое широкое распространение в Европе и на территории России: практически 80 % всех сотовых телефонов - это телефоны GSM. В Нижнем Новгороде услуги GSM предоставляют компании НСС, МТС и Би Лайн.

Третий - метод кодового разделения (CDMA, Code Division Multiple Access). В этом случае все абоненты одновременно используют одну и ту же полосу частот, причем во всю ее ширину сразу. Сигнал каждого абонента индивидуальным образом кодируется, поэтому его можно четко выделить из общего шумового фона и расшифровать. В качестве кодов используются псевдослучайные последовательности, сформированные в соответствии с взаимно ортогональными функциями Уолша. Всего используется 64 функции, а кодов может быть несколько миллиардов. Чтобы было понятнее, представьте, что перед вами лист бумаги, весь покрытый буквами. Совершенно бессмысленный набор, прочесть который невозможно. Вы берете трафаретную рамку, накладываете на лист... и читаете сообщение! Берете другую, примеряете - и читаете другое сообщение. Тот, у кого рамки нет, всегда будет воспринимать листок с буквами исключительно как листок с буквами, безо всякого смыла - "информационный шум". Такой принцип обеспечивает исключительно высокую защиту абонента от несанкционированного доступа. По способу разделения и назван стандарт сотовой связи CDMA. Это последняя из появившихся технологий, и, видимо, она станет технологией связи третьего поколения (3G). Считается, что будущее сотовой телефонии именно за ней. Раньше ее с успехом использовали военные службы, а гражданская эксплуатация началась лишь в 90-х годах. В Нижнем Новгороде сотового оператора CDMA пока нет, зато в Казани, Самаре, Москве и других городах - пожалуйста.

Проблемы

В данном материале рассмотрены принципиальные отличия узкополосной и широкополосной передачи данных, условно их объединим как TDMA и FDMA. В обоих случаях имеют место следующие проблемы:

1. Подавление сигнала, помехи. Большинство искусственных помех имеет узкополосную природу, как и сам полезный сигнал. Кроме того, в городе или на сложной рельефной местности возникают многочисленные "отражения" сигнала, а это - дополнительные помехи.

2. "Жесткое" переключение. Пока абонент находится в зоне действия одной базовой станции (в одной соте), связь нормальная. Когда же он пересекает границу соты, вызов должен быть передан на другую станцию. При этом происходит смена радиоканала. Существующие системы могут сделать это так: сначала отключить один, а потом уже подключить другой. Абонент ощущает это переключение на себе: качество связи заметно ухудшается, а иногда соединение и вовсе прерывается. Тот, кто имеет привычку говорить по сотовому в автомобиле, знает, о чем идет речь.

3. Частотное планирование. Узкополосные системы требуют сложного частотного планирования для того, чтобы разделить сигналы соседних базовых станций (которые тоже, как и телефоны, работают в выделенном им спектре частот), чтобы они не вступали в конфликт друг с другом. Помните задачу: во сколько цветов надо раскрасить карту, чтобы каждая страна не соприкасалась с другой страной такого же цвета? В случае с сотовой связью, где сота имеет вид шестигранника, традиционно применяют частотный план 1:7. Другими словами, в одной соте используется 1/7 часть всего диапазона, выделенного оператору. Представьте теперь, что одна такая сота покрывает центральную часть Нижегородского района. Будний день, деловая активность, все хотят позвонить. Что мы имеем? Правильно, локальную перегрузку. И без полной и радикальной перестройки сети устранить эту проблему невозможно. В то же самое время Кузнечихинская сота пустует.

Эти недостатки в существующих стандартах пока не решены. Вряд ли они будут решены вообще - таковы уж особенности узкополосных систем.

Каковы альтернативы?

Почему CDMA во всем мире считается самым продвинутым? Может быть, потому, что метод кодового разделения сигналов позволил решить эти и многие другие проблемы. Использование метода расширенного спектра оказалось панацеей. Например, частотное планирование оказалось ненужным.

Проблема помех решилась просто. Телефон постоянно воспринимает все сигналы, передающиеся в его полосе частот, как шум и просто отсеивает лишнее. Проблема "отражений" снимается: телефон воспринимает повторные сигналы отдельно. Поэтому отраженный сигнал становится еще одной копией полезного сообщения, которую коррелятор привычно выделяет из общего шумового фона. А если сигнал копии сложить с основным, то можно поддерживать прекрасную связь при низком уровне сигнала, то есть связь приобретает необычайную "дальнобойность". Каждый телефон CDMA способен обрабатывать сразу три отображения, а базовые станции - по четыре.

Второй проблемой обозначим "жесткое" переключение. Поскольку в системе CDMA одновременно используется вся полоса частот, то сигнал от одного телефона могут принимать несколько базовых станций. Поэтому телефон "ведут" две, а то и три станции одновременно, а для связи выбирается самый качественный сигнал. То есть если у других операторов телефон похож на эстафетную палочку, которую перекидывают из руки в руку (и могут уронить), то в системе CDMA за палочку держатся две руки, и в какой-то момент остается та, что держит крепче. Так получается "мягкое переключение". Оно, в свою очередь, уменьшает необходимое для постоянной непрерывной связи количество базовых станций и значительно увеличивает емкость системы.

В принципе, емкость - это отдельный сложный вопрос. В системе CDMA изначально заложена высокая эффективность использования частотного диапазона. Теоретически здесь в частотной полосе 1.25 МГц в условиях одной базовой станции возможна передача 61 телефонного канала информации плюс три служебных (по числу возможных кодов). Практически число телефонных каналов при фиксированной связи достигает 50, а при подвижной - 25 (потому что для осуществления мягкого переключения приходится резервировать каналы в соседних сотах). Это позволяет увеличить размеры сот, емкость сети и расширить покрытие. Емкость CDMA возрастает в 4 раза по сравнению с TDMA и в 10-20 раз по сравнению с аналоговым методом FDMA. Совершенно невероятные цифры.

Еще одна особенность стандарта связана с мощностью излучения телефонов и базовых станций. Общеизвестно, что самые мощные передатчики установлены в аналоговых телефонах, потому что количество базовых станций в этих моделях небольшое. Цифровые системы второго поколения уменьшают мощность излучения за счет установки большего количества базовых станций. Алгоритм работы CDMA иной - снова сказывается специфика широкополосной передачи. Понятно, что если какой-то сигнал из всей полосы принимаемых базовой станцией будет значительно мощнее, то он попросту заглушит остальные. Это значит, что для обеспечения эффективности на входе приемника станции мощность каждого сигнала должна быть одинаковой, то есть ее надо постоянно регулировать. Для этого станция с частотой 800 раз в секунду посылает по служебному каналу каждому абоненту указание, с какой мощностью должен сейчас работать его передатчик. В результате величина излучения для удаленных от станции телефонов выше, а для тех, что расположены вблизи, ниже. При этом передатчики настраиваются на минимально возможную для установки качественной связи мощность. Плюсы налицо:

1. крайне низкий уровень помех и возможное за счет этого значительное удаление абонента от станции;

2. минимальная мощность обеспечивает существенно больший, чем в GSM или FDMA, срок службы батарей;

3. уменьшение излучения аппаратов.

С другой стороны, может случиться так, что в какой-то момент в зону действия одной соты попадет слишком много абонентов (смотри вышеописанную ситуацию с будним днем и Нижегородским районом, когда чрезмерная активность абонентов FDMA и TDMA вызывает перегрузку). Большое количество телефонов увеличивает количество помех. Для снижения уровня помех можно снижать мощность излучения, но только до достижения порога распознавания сигнала. А дальше уменьшается мощность самой базовой станции. При этом те абоненты, которые находятся на границе соты, автоматически попадают в соседние ячейки, и нагрузка на данную станцию снижается. Так гибко избегают локальных перегрузок сети.

Это еще не все пользовательские преимущества. Казанские и московские владельцы телефонов CDMA рассказывают об удивительном качестве передачи речи (вспомните металлическое звучание голоса в GSМ-овских телефонах), отсутствии фона на радиоприемниках (вспомните треск в динамиках, когда рядом звонит тот же GSМ-овский мобильник) и более низких ценах на связь вообще. Мы не обсуждаем рыночные механизмы, мы обсуждаем только возможности технологии - и все. К сожалению, данная технология в Нижнем Новгороде пока не представлена, и когда появится - неизвестно.