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.