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.