Способы организации множественных условий

Методы множественного доступа

Понятие множественно­го доступа (английский эквивалент multiple access)связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Широкое применение нашли три варианта множественного доступа.

1. Множественный доступ с частотным разделением (англий­ское FDMA— Frequency Division Multiple Access) или множествен­ный доступ с разделением каналов связи по частоте — наиболее простой из методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможностям реализации. В этом методе каждому пользова­телю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот (частотный канал), которой он владеет безраздельно (рис.).

Рис. Метод FDMA в координатах «время-частота»

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) — это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом полоса составляет 10. 30 кГц. Основное слабое место метода FDMA — недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу временного разделения каналов.

2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи (английское Time Division Multiple Access — TDMA) достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользо­вателям на определенный промежуток времени (рис.).

Рис. Метод TDMA в координатах «время-частота»

Строго говоря, приведенная на рис. схема соответствует не чистому методу TDMA, а сочетанию FDMA с TDMA, поскольку мы рассматриваем здесь случай не одного, а нескольких частотных каналов, каждый из которых делится во времени между нескольки­ми пользователями. Однако именно такая схема находит практиче­ское применение в системах сотовой связи GSM и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» информации во времени. Отметим, что разделение во времени может использо­ваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английское Time Division Duplex — TDD). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское Frequency Division Duplex — FDD), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA сам по себе не реализует всех потенци­альных возможностей по эффективности использования спектра. Дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Опреде­ленные преимущества в этом плане имеет метод множественного доступа с кодовым разделением.

3. Множественный доступ с кодовым разделением (английское Code Division Multiple Access — CDMA) предоставляет группе поль­зователей (от 30 до 50) общую полосу частот шириной не менее 1 МГц (рис.).

Рис. Метод CDMA в координатах «время-частота»

Основная особенность метода CDMA — это работа в широкой по­лосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами.

Система связи, реализующая CDMA, является системой с рас­ширенным спектром (английское spread spectrum) — спектр инфор­мационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной после­довательностью импульсов с достаточно малыми дискретами (анг­лийский термин chip — буквально щепка, осколок, фрагмент),частота следования которых для практических систем составляет 1,2288 МГц.

При этом для различения каналов одной базовой стан­ции информация каждого канала модулируется специальной кодовой последовательностью, которая формируется с помо­щью функции Уолша. Функции Уолша широко используются в цифровой обработке сигналов и являются дискретным анало­гом синусоид кратных частот.

В приемнике имеется возможность выделения информа­ции из общей широкой полосы, которая используется од­новременно всеми физическими каналами. Для получения ширины спектра более 1 МГц длитель­ность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс. Расширение спектра засчет модуляции псев­дослучайной последовательностью в сочетании с кодовым раз­делением физических каналов определяют такие достоинства метода CDMA,как высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распростра­нения, высокую емкость системы.

В прямом канале от базовой станции к подвижной моду­ляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения физических каналов данной базовой станции; модуляция длинной псевдослучайной последовательностью (ПСП) (бинарная фазовая модуляция) — с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадра­турная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) — для расширения полосы и различения сигналов разных базовых станций.

Решение последней задачи обеспечивается тем, что все базо­вые станции используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями; при этом все физические каналы одной базовой станции имеют одну и ту же фазу последовательности.

В обратном канале [от подвижной станции к базовой] мо­дуляция сигнала короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) используется для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару ПСП с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) помимо шифрования сообщений несет информацию о подвижной станции в виде ее зако­дированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных подвижных станций одной ячейки засчет индиви­дуального для каждой станции сдвига последовательности.

Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчиво­стью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует час­тотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: точной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и обработки «речевой активности», точной синхронизации базовых станций. Последнее может быть реализовано при помощи спутниковой геодезической системы GPS (Global Position­ing System — Глобальная система определения местоположения), но в результате такая система сотовой связи оказывается не автономной.

Метод CDMA в настоящее время рассматривается как метод доступа для третьего поколения систем сотовой подвижной связи.

Литература

1. «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей» под редакцией Гордиенко В.Н., Крухмалёва В.И., М.: Горячая линия – Телеком, 2004 г.

2. Тепляков И.Н. «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей», М.: Радио и связь, 2003 г.

3. Крупнов А.Е., Варакин Н.Е. «Основы управления связью РФ», М.: Радио и связь, 1998 г.

4. Слепов Н.Н. «Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи», М.: Радио и связь, 2000 г.

5. Абилов А.В. «Сети связи и системы коммутации», Ижевск: ИжГТУ, 2002 г.

6. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. «Системы и сети передачи информации», М.: Радио и связь, 2001 г.

7. Беллами Дж. «Цифровая телефония», М.: Эко-Трендз, 2006 г.

8. Б. Скляр «Цифровая связь», М.: Вильямс, 2005 г.

9. «Сети следующего поколения NGN» под редакцией Рослякова А.В., М.: Эко-Трендз, 2008 г.

Источник

Технологии множественного доступа.

Для передачи информации используются различные физические среды: оптоволокно, витая пара, радиорелейные линии связи и т.п. При этом любой реальный канал связи имеет ограниченную полосу пропускания. Часто одну и ту же линию передачи информации используют несколько пар абонентов. В таком случае возникает необходимость разделить общий ресурс между всеми участниками информационного обмена.

Любой канал связи обладает двумя конечными характеристиками: ширина частотного спектра, занимаемого каналом и время его использования. От сюда вытекают 2 из 3 основных способа разделения каналов: FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с частотным разделением и TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с временным разделением. Также существует третий важный для сотовых систем связи способ множественного доступа с кодовым разделением — CDMA (Code Division Multiple Access). Рассмотрим их подробнее.

Метод FDMA разбивает весь частотный спектр канала связи на поддиапазоны равной/неравной ширины, симметричные/несимметричные в обоих направлениях. Каждый из этих поддиапазонов представляет собой канал связи, который назначается отдельной паре абонентов. Этот канал будет им доступ на протяжение всего времени, однако им запрещено выходить за отведенные им частотные границы иначе их сигнал будет оказывать влияние на соседние каналы. FDMA обычно используется в аналоговых системах связи. В сотовой связи он нашел применение практически во всех стандартах: от NMT (Nordic Mobile Telephone) до LTE (Long Term Evolution) и Mobile WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

TDMA предусматривает, что весь канал связи, со всей полосой пропускания будет предоставлен каждому из абонентов, но на небольшой промежуток времени – таймслот. Через некоторое время ему снова будет доставлен этот же канал на такой же по длительности промежуток времени и т.д. пока будет длиться сеанс связи. TDMA обычно применяется для передачи цифровых сигналов, потому как именно им требуется широкая полоса пропускания, а ресурс по времени может быть ограничен и разбит на короткие промежутки. Этот метод нашел применение в стандартах GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), LTE.

CDMA заметно отличается от FDMA и TDMA, т.к. он разграничивает доступ абонентов по неочевидному сразу признаку – кодам. Принцип CDMA заключается в том, что перед передачей в эфир информационный сигнал перемножается со специальным ортогональным кодом. Если на приемном конце снова перемножить эту последовательность на первоначальный ортогональный код, то мы получим исходный сигнал. Однако, если мы будем использовать любой другой ортогональный код, отличный от исходного, то мы не сможем восстановить даже части информации. Главная проблема данного метода заключается в том, что невозможно сгенерировать много абсолютно ортогональных кодов. На практике используют почти ортогональные коды и этого оказывается вполне достаточно для одновременной работы большого числа абонентов с приемлемыми характеристиками связи. Метод CDMA нашел применение в североамериканском стандарте сотовой связи CDMA 2000.

Также в последнее время получил распространение еще один метод разделения каналов WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), который является разновидностью CDMA. Его главное отличие заключается в том, что перед кодированием сигнала его сначала подвергают процедуре «расширения спектра» (spreading). Эта процедура дает ряд преимуществ, главным из которых является повышенная помехоустойчивость. Технология WCDMA используется в актуальном в настоящее время стандарте UMTS.

Ниже в таблице представлены основные методы множественного доступа и их краткие характеристики.

Источник

Множественный доступ к среде передачи – ЧАСТЬ 1

Понятие множественного (многостанционного) доступа (Multiple Access) к среде передачи связано с организацией совместного использования канальных ресурсов телекоммуникационной системы многими пользователями.

Можно выделить два ключевых подхода к распределению ресурсов между пользователями системы: т.н. контролируемый доступ и состяза­тельный доступ. Для первого характерно наличие в системе некоего ре­гулятора или принципа, в соответствии с которым определенная часть канального ресурса выделяется тому или иному пользователю. В другом случае пользователи системы «конкурируют» за доступ к ресурсу. Методы множественного доступа, относимые к этим двум вышеназванным катего­риям, приведены табл. 2.11.

Основные методы множественного доступа в беспроводной связи

Методы «контролируемого» доступа

Протоколы «состязательного» доступа

(Frequency Division Multiple Access)

TDMA (Time Division Multiple Access)

S-ALOHA (Slotted ALOHA)

CDMA (Code Division Multiple Access)

CSMA (Carrier sense Multiple Access)

SDMA (Space Division Multiple Access)

DAMA (Demand Assigned Multiple Access)

(Polarization Division Multiple Access)

(Media Access Protocol for WLAN’s)

Как видно из таблицы, контролируемый доступ предполагает разделение пользователей по одному из видов «физического» ресурса: частотного (Frequency Division), временного (Time Division), кодового (Code Division), значительно реже – пространственного (Space Division) и поляризационного (Polarization Division). На их основе могут быть построены гибридные схемы множествен­ного доступа: FDMA/TDMA (используемая в системе GSM), FH-CDMA, TD- CDMA и OFDMA.

Методы состязательного доступа различаются не в зависимости от вида рас­пределяемого ресурса, а согласно наборам правил, которыми руководствуются пользователи системы, конкурируя за этот ресурс. Поэтому во многих источни­ках эти методы именуют протоколами доступа, что, пожалуй, более верно.

2.6.1. Множественный доступ с частотным разделением каналов

При множественном доступе с частотным разделением каналов каждому из К пользователей на время сеанса связи выделяется отдельный частотный канал с шириной полосы А/ в пределах полосы AF_s=K Af, занимаемой си­стемой. Каждый пользователь полностью занимает весь временной ресурс системы (рис. 2.52, а). Каналы при FDMA между собой не перекрывают­ся, что теоретически должно обеспечить ортогональность сигналов разных пользователей.

Однако на практике полностью избежать межканальных (внутрисистем­ных) помех не удается. Ввиду неидеальности разделительных фильтров в при­емнике имеет место взаимное просачивание энергии сигналов, передаваемых по соседним каналам. Это влияние стараются уменьшить, применяя спектрально- эффективные (частотно-компактные) виды модуляции, или вводя защитные ин­тервалы между частотными каналами. Впрочем, последнее приводит к сокраще­нию частотного ресурса, используемого для передачи информации.

2.6.2. Множественный доступ с временным разделением каналов

Рис. 2.52. Концепции использования частотно-временного ресурса в технологиях FDMA, TDMA и CDMA

При множественном доступе с временным разделением (TDMA) каждому пользователю системы для передачи (приема) сообщений на время сеанса связи в пределах временного ресурса системы выделяется свой собственный временной интервал (окно или слот) (рис. 2.52, б). При этом частотный ресурс в пределах временного окна полностью предоставлен в распоряжение одного пользователя. Как правило, слоты группируются в периодически повторяющиеся кадры.

В идеальном случае, разделение сигналов во времени должно исключить их взаимное влияние, обеспечив ортогональность пользовательских каналов. Од­нако переходные процессы (сигнал с ограниченным спектром теоретически бес­конечен во времени) и многолучевость приводят к возникновению межканаль­ных помех. Для устранения этих негативных воздействий используют защитные временные интервалы. Как и в случае FDMA, это снижает удельную долю ре­сурса системы, непосредственно используемую для передачи информации.

Различают фиксированное распределение и динамическое распределение временного ресурса системы TDMA между пользователями. В первом случае все слоты априори распределены для приема (или передачи) информации. Во втором, временные слоты кадра не закрепляются за конкретными пользовате­лями заранее, а предоставляются тем по запросу. Понятно, что динамическое распределение позволяет более эффективно использовать канальные ресурсы системы.

2.6.3. Множественный доступ с кодовым разделением каналов

Рис. 2.55. Временная диаграмма работы протокола S-ALOHA

Применение S-ALOHA позволило значительно уменьшить число коллизий между передаваемыми пакетами (поскольку те могут возникать только между пакетами, переданными в одном временном интервале).

Источник