1.1.5. Скорости передачи, пиковая и пропускная способность
Помимо пиковой скорости передачи данных одной из важнейших характеристик сети является пропускная способность. Первая — означает максимальную скорость передачи, которую отдельный пользователь может достичь в идеальных условиях. Вторая — это общий ресурс по передаче данных доступный всем пользователям, находящимся в одном секторе базовой станции. Если пропускная способность возрастает, каждая из базовых станций сети может пропустить через себя больший трафик, следовательно, для обслуживания абонентов требуется меньше базовых станций, а, следовательно, меньше оборудования и капитальных затрат.
Пиковая скорость влияет на качество услуги и доступные виды сервиса (приложений), пропускная способность влияет на себестоимость услуги, но и на качество услуги тоже.
По заявленной пиковой скорости передачи данных стандарт W-CDMA достаточно близок к cdma2000 1Х EV, то по пропускной способности достаточно сильно уступает ему и, скорее, близок по данному параметру к cdma2000 1Х.
Переход к стандартам cdma2000 сразу позволяет оператору за счет более высокой спектральной эффективности и, следовательно, более высокой пропускной способности высвободить 40% спектра и заполнить этот диапазон новыми услугами высокоскоростной передачи данных. Более того, необходимо учитывать, что в cdma2000 стандартизован новый вокодер — SMV.
На Рис. 11 приведены экспериментальные данные показывающие, что при качестве передаче речи сравнимым с качеством широко используемого сегодня вокодера EVRC, вокодер SMV позволяет сэкономить еще 34% спектрального ресурса требуемого для передачи голоса.
Таким образом, оператор cdma2000 сможет обслужить 100% голосовых абонентов в 40% имеющегося спектра, остальная часть спектра высвобождается для предоставления услуг передачи данных.
Для сравнения спектр, который потребовался бы оператору cdmaOne, в случае, если бы он решил реализовать услуги передачи данных «экстенсивным путем», т. е. прямым наращиванием частотного ресурса. В этом случае ему потребовалось бы 360% спектра дополнительно, что в нашем конкретном примере составит диапазон 54 МГц.
Рис. 11
Основные преимущества стандартов cdma2000 1X и cdma2000 1X EV-DO для оператора сети 3G:
простота и наименьшая стоимость реализации;
быстрый выход на рынок;
возможность использования, как существующего спектра, так и спектра UMTS;
более высокая спектральная эффективность;
использование опыта построения и эксплуатации существующих сетей CDMA.
Практическое занятие №2 анализ угроз безопасности информации в сети cdma
Основные преимущества стандарта CDMA-one могут одновременно являться и недостатками системы безопасности передачи информации:
Возможность повышения пропускной способности сети в час наибольшей нагрузки (ЧНН).
Наивысшую экологичность абонентского терминала – наименьшую излучаемую мощность.
Максимальную надежность связи в условиях многолучевых замираний и индустриальных помех.
Максимальный срок использования батарей абонентского терминала до следующей зарядки (вдвое больше, чем для других технологий).
Максимальную из всех технологий мобильной связи скрытность и конфиденциальность связи.
Остановимся подробнее на характеристике некоторых из перечисленных преимуществ технологии CDMA.
В отличие от всех других технологий сотовой связи с жестко фиксированным количеством каналов n трафика на базовой станции, в технологии CDMA количество предоставляемых каналов трафика может увеличиваться (>n) при незначительном и кратковременном снижении качества обслуживания в ЧНН. Так, например, пропускная способность базовой станции технологии CDMA , может возрасти не менее чем на 15% при увеличении количества ошибок по принятым кадрам с 1% до 3%.
Однако, известно, что при таком возрастании количества ошибок по принятым кадрам качество передаваемой речи практически не ухудшается. Только при возрастании количества ошибок свыше 5% отмечается незначительное снижение качества связи (при увеличении пропускной способности более чем на 20%).
Проводимые в течение 6 лет медицинские исследования выявили факт тройного увеличения риска онкологических заболеваний мозга при использовании сотового телефона с повышенной мощностью излучения. Американский Институт электро- и радиоинженеров разработал стандарт 802.11, устанавливающий нормы на характеристики сетей глобальной мобильной связи. Согласно этому стандарту мощность излучения портативного абонентского терминала из соображений охраны здоровья не должна превышать 10 мВт. Как известно, максимальная мощность абонентских терминалов, используемых в сотовых сетях стандартов NMT, GSM, AMPS/DAMPS, CDMA составляет соответственно 3 Вт; до 2 Вт; 0,6 Вт и более; 0,2 Вт [9]. Приведенный ряд максимальных мощностей потенциально отражает наивысшую чувствительность приемников CDMA за счет использования самых эффективных методов обработки сигналов (когерентный прием многолучевых сигналов. Однако, указанная максимальная величина мощности излучения абонентского терминала технологии CDMA в 0,2 Вт (200 мВт) могла бы иметь место (за счет действии автоматической регулировки мощности абонентского терминала по поддержанию энергетического баланса между прямым и обратным каналами базовой станции) только в случае максимальной разрешенной мощности на передатчике базовой станции (20 Вт) и при отсутствии разнесенного приема на базовой станции. Вместе с тем, согласно разрешительным документам Главгоссвязьнадзора (ГСН) России, допустимая мощность излучения базовых станций технологии CDMA снижена относительно максимально-возможной в 4-10 раз по разным регионам России. Поэтому минимальная мощность излучения абонентского терминала технологии CDMA в 9-30 раз меньше, чем у самого "лучшего" в этом смысле абонентского терминала стандарта DAMPS.
В результате, с учетом применения в России на всех базовых станциях технологии CDMA разнесенного приема и получения за счет этого дополнительного снижения мощности излучения абонентского терминала в рэлеевском канале еще в 5-10 раз, получаем, что даже максимально возможная мощность излучения абонентского терминала технологии CDMA не превышает допустимой медицинской нормы 10 мВт. При прочих равных условиях это на (1-1,5) порядка меньше, чем у ближайшего по этому параметру конкурента — абонентского терминала стандарта DAMPS. По сравнению с абонентскими терминалами стандартов GSM и NMT выигрыш еще более впечатляющий. Таким образом, только абонентские терминалы технологии CDMA обеспечивают выполнение требуемых медицинских норм по максимально-допустимой мощности излучения.
Наивысшая скрытность во время сеанса связи в сетях технологии CDMA обусловлена типом используемого радиосигнала с широкой базой D=BT=100, где D — база или коэффициент сжатия сигнала, В — полоса сигнала CDMA в эфире в МГц, Т — длительность информационной посылки в мкс. Обнаружить сам факт наличия такого сигнала специальными средствами в эфире гораздо сложнее, чем "простых" сигналов, используемых в стандартах GSM, DAMPS, NMT, поскольку спектральная плотность мощности сигнала CDMA в эфире на 20 дБ ниже, чем у "простых" сигналов при равных скоростях передачи информации и мощности передатчика.
Наивысшая конфиденциальность обусловлена многоступенчатым кодированием, расшифровка которого потребует несколько лет. Так, если сигналы аналоговых стандартов можно прослушать самыми простыми измерительными приемниками, которые свободно продаются, то для прослушивания с эфира сигналов стандартов GSM и DAMPS поставляется уже более совершенная аппаратура радиоконтроля. Например, аппаратура SIMCPI-900 осуществляет перехват входящих и исходящих разговоров в сетях сотовой связи. В конце 1998 г таких систем насчитывалось около100 в различных странах мира. Аппаратура представляет из себя чемодан-дипломат и работает от постоянного источника 12 в или, в течение 2 часов, от аккумуляторной батареи. В России негосударственными организациями разработан и выпускается московской фирмой "Ново" комплекс контроля сотовых систем связи стандартов AMPS, NAMPS, DAMPS, NMT-450 серии "Стрела". Комплекс позволяет вести сквозное прослушивание и запись телефонных разговоров в контролируемых каналах, контролировать входящие и исходящие звонки по интересующим номерам.
Несанкционированное использование этой аппаратуры контроля для прослушивания телефонных разговоров преследуется законом.
Что касается обнаружения из эфира сигналов технологии CDMA, то из-за их повышенной криптостойкости и скрытности под шумами эта задача является сверхсложной и дорогостоящей. Например, стоимость спецаппаратуры для прослушивания сигналов технологии CDMA может превосходить стоимость самой базовой станции.
С учетом таких уникальных свойств технологии CDMA как повышенные криптостойкость, помехоустойчивость и сложность обнаружения в сочетании с пониженным расходом емкости аккумуляторной батареи, следует признать целесообразность применения технологии CDMA также для нужд силовых структур и ведомств.
В процессе коммерческой эксплуатации в России сотовых сетей технологии CDMA были выявлены случаи влияния внеполосных излучений передатчиков базовых станций технологии CDMA на приемные тракты базовых станций технологии GSM (в диапазоне выше 890 МГц) при близком расположении антенн обеих систем. С целью исследования этих явлений и выработки мер их устранения в Московском Управлении ГСН (УГСН) было проведено техническое совещание с участием заинтересованных сторон (УГСН, ЗАО «МобильныеТелеСистемы» (МТС), ОАО «Персональные коммуникации»). В результате проведенных исследований УГСН и ГСН обязали операторов технологии CDMA за свой счет в согласованные с МТС сроки установить на выходах передатчиков базовых станций дополнительные полосовые фильтры для снижения уровня внеполосных излучений на 45 дБ. После установки таких фильтров помеховые влияния со стороны сетей технологии CDMA на приемники технологии GSM полностью исчезли, о чем свидетельствует протокол, подписанный руководством ЗАО МТС и ОАО «Персональные коммуникации».
Для устранения подобных явлений в будущем, в новых поставках базовых станций технологии CDMA установлен специальный дуплексер, обеспечивающий требуемое подавление внеполосных излучений спектра на частотах работы стандарта GSM (более 890 МГц).
2.1 Вопросы частотного развития сетей технологии CDMA в России
В настоящее время в РФ не существует более прогрессивной технологии 2-го поколения, чем CDMA.
Вместе с тем совершенно очевидно, что даже самую прогрессивную технологию нельзя противопоставлять максимально-возможному сближению распределения и использования радиочастотного спектра в РФ с распределением, принятым в каком-либо районе. Но в таком противопоставлении нет никакой необходимости, поскольку существует ряд технических и организационно-технических решений, обеспечивающих оптимальное сочетание основных концептуальных принципов построения сотовых сетей подвижной связи на основе технологии CDMA.
Во-первых, для огромных размеров территории России, далеко превосходящих размеры стран Западной Европы, и малой плотности населения наиболее эффективным диапазоном построения сотовых сетей связи является диапазон «800» и «900» (DAMPS, CDMA, GSM), а частотные диапазоны «1800» (GSM) и «2100» (третье поколение) менее выгодны, и могут использоваться лишь в крупных населенных пунктах, обеспечивая поддержку по нагрузке уже существующим сетям диапазонов «800» и «900». Для остальной части России такие проекты нерентабельны.
В этих особых условиях государственный подход к развитию систем сотовой связи в России должен предполагать использование диапазона «800» и дальнейшее развитие в этом диапазоне наиболее эффективной технологии сотовой связи CDMA-one, например, путем эволюционного развития к стандарту третьего поколения CDMA-2000 через поэтапные модификации 1ХRTT и 3XRTT, предполагающие повышение скорости передачи данных с 144 Кбит/с до 2 Мбит/с соответственно на одном и трех каналах CDMA шириной 1,23 МГц).
Технические достижения в области оптимальных методов обработки информации и повышения эффективности использования спектра уже сегодня позволяют передавать 2,5 Мбит/с и даже 5 Мбит/с в полосе одного частотного канала шириной 1,23 МГц (соответственно, технические предложения Qualcomm — технология HDR и Motorola/Nokia — технология 1XTREME).
Вместе с тем, из официально выделенного соответствующими решениями ГКРЧ для строительства сетей технологии CDMA в России частотного диапазона 828-831 МГц (873-876 МГц), операторами используется лишь один частотный канал шириной 1,23 МГц, а второй частотный канал в разрешенном диапазоне пустует... Для сравнения укажем, что, например, в Московском регионе стандарт технологии AMPS-DAMPS занимает полосу от 7 до 10 МГц, а стандарт технологии GSM — в общей сложности не менее 12 МГц и при этом больше нет ни одного свободного участка спектра.
Между тем сегодня практически все сети технологии CDMA в мире используют несколько частотных каналов шириной 1,23 МГц, обычно не менее трех. Это обстоятельство связано не с тем, что стандарт технологии CDMA не может развиваться, используя лишь один частотный канал шириной 1,23 МГц, а с предоставлением новых услуг передачи высокоскоростной информации (в настоящее время до 144 Кбит/с и до 2 Мбит/с в перспективе). Кроме того, использование нескольких частотных каналов позволяет снизить тарифы на услуги связи за счет снижения затрат на обслуживание меньшего количества мест установки многочастотных базовых станций. При этом, вне зависимости от технологии сети сотовой связи, основанной на механизмах рассеяния и дифракции электромагнитных волн, существует минимальное расстояние между базовыми станциями, при котором резко возрастает уровень внутрисистемных помех и более чем вдвое падает пропускная способность. Величина минимального расстояния между базовыми станциями составляет, как правило, (500-700 м). Использование же микросот может быть оправдано лишь в отдельных «закрытых» местах, а, в целом, приводит к резкому повышению удельных затрат, следовательно, цен у всех операторов. При низком подвесе антенн микросот возрастает уровень межсистемных и индустриальных помех для всех технологий.
Помимо указанных негативных последствий неиспользования свободного частотного канала в разрешенном диапазоне CDMA в России следует сказать об убытках, которые несет государство, не получая платы за свободный частотный канал и налогов с той расширенной социальной группы населения, которая могла бы быть абонентами сети в результате снижения цен на услуги и тем самым способствовать повышению экономической активности региона.
Что касается перспективы использования диапазона 800 для нужд цифрового телевидения, то следует учесть следующее:
- Почти весь диапазон, на первичной основе, занят в настоящее время радиоэлектронными средствами (РЭС) военного и специального назначения, что отмечено в документах Международного союза электросвязи. При этом электромагнитная совместимость (ЭМС) между РЭС военного и специального назначения и РЭС цифрового телевидения не обеспечивается практически во всем диапазоне 800. В то же время, вывод РЭС военного и специального назначения за пределы диапазона 800 не предполагается из-за огромных материальных затрат.
- Один канал цифрового телевидения занимает полосу не более 8 МГц. Диапазон размещения основных и резервных каналов цифрового телевидения 470-862 МГц. Между тем, полоса, занимаемая самым эффективным стандартом CDMA мобильной связи в этом диапазоне, составляет всего 1,23 МГц. Максимальная полоса, которая может потребоваться стандарту CDMA для обеспечения в полном объеме услуг связи 3-го поколения при эволюционном пути развития составляет не более 3×1,23 МГц.
Совершенно очевидно, что сохранение и развитие в приведенных ограниченных рамках (в диапазоне «800») стандарта IS-95 технологии CDMA (работающего, к тому же, на вторичной основе по отношению к РЭС военного и специального назначения), в этом диапазоне практически не может сдерживать развитие в России цифрового телевидения.
В результате, на сегодняшний день в России нет никаких естественных технических ограничений на полноценное развитие самого совершенного стандарта мобильной связи 2-го поколения на основе технологии CDMA-one.
2.2 Технические вопросы ЭМС РЭС CDMA с РЭС Министерства обороны (МО) и гражданскими РЭС
В соответствии с поручениями ГСН России, под руководством НИИ Радио были проведены научно-исследовательские работы по расчету норм ЭМС между РЭС строящихся сетей CDMA с одной стороны и РЭС МО и сотовых сетей стандарта AMPS-DAMPS с другой. В ходе исследований определены нормы частотно-территориального разноса (ЧТР), при которых обеспечивается ЭМС между указанными средствами. В соответствии с разработанными нормами ЧТР операторам сетей технологии CDMA выданы Разрешения ГСН России на строительство сетей. В ходе проведения рассмотренных научно-исследовательских работ (НИР) были проведены исследования возможности ЭМС мобильных терминалов технологии CDMA c РЭС силовых структур и сотовыми сетями технологии AMPS-DAMPS. Исследования показали полную ЭМС этих РЭС.
Таким образом, не существует никаких технических препятствий для обеспечения ЭМС РЭС технологии CDMA (в том числе в мобильном варианте) с РЭС силовых структур и гражданскими средствами.
По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый "код" служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи. Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа и прослушивания.
Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками.
Абонент не хочет оставаться без связи при пересылке факса, когда телефон длительное время занят. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивающий одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи.
2.3. Вопросы интеграции технологий сотовых сетей мобильной связи
Практика коммерческой эксплуатации сотовых сетей связи почти всех без исключения операторов России, вне зависимости от видов стандартов, особенно в крупных городах, показывает осложнение электромагнитной обстановки в эфире за счет непреднамеренных индустриальных помех различного класса (широкополосных, импульсных, узкополосных). В результате мощными помехами могут быть временно поражены не только отдельные базовые станции, но и целые кластеры базовых станций различных операторов (МТС, БиЛайн, Сонет и др). Так, например, грубое нарушение норм ЭМС службами связи одного из крупных московских банков нерегулярно, но на продолжительное время, приводило к помеховому поражению нескольких базовых станций сетей Билайн и Сонет даже в центре Москвы. Только тесная и оперативная координация действий технических специалистов сотовых сетей БиЛайн и Сонет, во взаимодействии со специальной службой УГСН по Москве и Московской области по обнаружению и поиску помех, позволили решить проблему. Однако, из-за нерегулярности появления помех их поиск, как правило, затягивается, что приводит к временному ухудшению качества связи на пораженных секторах базовых станций.
Учитывая реальную тенденцию осложнения электромагнитной обстановки с каждым годом, а также принимая во внимание неизбежность эволюционного перехода к более широкополосным системам 3-го поколения — вопрос защиты аппаратуры базовых станций от мощных индустриальных помех различных классов становится актуальным для всех операторов сотовых систем связи. Поскольку радиоинтерфейс сотовых мобильных систем связи 3-го поколения использует технологию CDMA, то специалисты ОАО «Персональные коммуникации» в составе научно-технической группы Ассоциации операторов CDMA, совместно с отраслевыми институтами и конструкторскими бюро (КБ) проводят научно-исследовательские работы по разработке устройств защиты от помех различных классов в различных частотных диапазонах. Проводя такую работу в области высоких технологий в интересах практически всех операторов сотовых сетей России, операторы CDMA привлекают к процессам проектирования и производства отечественные науку и производственную базу.
Следует отметить, что уже сегодня компании- операторы сетей технологии CDMA России осуществляют реальную поддержку отечественных производителей, используя их продукцию и инициируя новые разработки и совершенствование параметров. Операторы технологии CDMA закупают у отечественных производителей репитеры CDMA, секторные антенны со специальными характеристиками, устройства СВЧ-трактов (малошумящие усилители (МШУ), усилители мощности, фильтры, дуплексеры, делители мощности и т. д.), источники мощного питания для базовых станций, радиочастотные кабели и проводят НИР и опытно-конструкторские работы (ОКР) с отраслевыми институтами и КБ по разработке специальных устройств инфраструктуры технологии CDMA.
Ввиду использования в технологии CDMA адаптивных алгоритмов регулирования мощности, пропускной способности и качества обслуживания- процессы частотно-территориального планирования и оптимизации сети имеют специфические особенности и принципиально отличаются от аналогичных процессов проектирования и оптимизации других технологий. Для подготовки собственных специалистов в этой области, прошедших школу практической деятельности, требуются годы, а стоимость работ по оптимизации и проектированию крупной сети иностранными специалистами составляет значительную часть контракта. Поэтому подготовка отечественных кадров для развертывания систем связи 3-го поколения, имеющих опыт строительства и эксплуатации сетей технологии CDMA-one и эволюционного перехода от них к системам связи 3-го поколения, позволит открыть новые рабочие места и экономить значительные средства, минимизируя использование иностранных специалистов.