Методы многостанционного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Понятие множественного доступа в беспроводной связи основано на изолировании сигналов, относящихся к различным каналам в пределах используемой несущей. Рассмотрим три базовых метода многостанционного доступа: FDMA или множественный доступ с частотным разделением (МДЧР); TDMA или множественный доступ с временным разделением (МДВР); CDMA или множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКРК).

FDMA – множественный доступ с частотным разделением.Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которую он может использовать все 100% времени. Таким образом не временной фактор, а только лишь различия в частоте используются для разделения (дифференциации) абонентов. Подобный подход имеет заметное преимущество: вся информация передается в "реальном времени", и абонент получает возможность использовать всю полосу пропускания, выделенного ему сегмента. Ширина полосы сегмента может варьироваться в зависимости от используемой системы связи. Метод FDMA используется во всех аналоговых системах связи, при этом полоса частот Δf составляет 10 – 30 кГц. Основной недостаток FDMA – недостаточно эффективное использование полосы частот.

TDMA – множественный доступ с временным разделением. Стандарт TDMA активно используется современными цифровыми системами беспроводной связи. В отличие от систем частотного разделения, все абоненты системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом каждый имеет временные ограничения доступа, т. е. частотный канал разделяется между несколькими пользователями. Каждому абоненту выделяется временной промежуток (кадр), в течение которого ему разрешается "вещание". После того, как один абонент завершает вещание, разрешение передается другому, затем третьему и т.д. После того, как обслужены все абоненты, процесс начинается сначала. С точки зрения абонента его активность носит пульсирующий характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из них предоставляется возможность передать свои данные, тем, соответственно, меньше данных он сможет передать. Если ограничить потребности (возможности) абонента известной величиной, можно оценить количество пользователей, которых реально сможет обслужить система с таким способом разделения среды. Временное разделение, как правило, накладывается на частотное разделение, и вещание ведется в выделенной полосе частот. Цифровая обработка сигналов по схеме TDMA используется в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS при сохранении той же полосы частотного канала Δf=30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы.

По причине ограниченности ресурсов радиосоединения, предоставляемых в совместное использование большому количеству пользователей, метод управления радиоресурсами должен позволять разделять радиоресурсы на максимально возможное количество частей. Метод, избранный стандартом GSM, представляет из себя комбинацию методов разделения времени и частоты (Time-Division Multiple Access и Frequency-Division Multiple Access - TDMA/FDMA). Часть FDMA включает в себя разделенные по частоте полосы, шириной до 25 MHz, на 124 несущих полосы, разделенных между собой полосами по 200 kHz. Одна или несколько несущих частот приписываются к каждой базовой станции. К каждой из этих несущих частот применяется механизм разделения времени, используя схему TDMA. Основной единицей времени в схеме TDMA является период пакета (burst period).

CDMA - множественный доступ с кодовым разделением.Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Нужно заметить, что полоса частот, выделяемая для организации одного канала, очень широка. Вещание абонентов накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы.

В случае использования технологии CDMA сигнал может быть принят при наличии высокого уровня помех, но при этом сохраняется то же самое или более высокое качество передачи. Все абоненты совместно используют один и тот же частотный ресурс. В технологии CDMA одна и та же полоса частот используется в каждой соте и в каждом секторе секторизованной соты. В данном случае модель повторного использования частот выглядит как N=1. Эта модель N=1 является тем условием, которое обеспечивает для технологии CDMA более высокую пропускную способность (емкость) по сравнению с другими технологиями. Помехи, создаваемые другими абонентами и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети технологии CDMA. При разработке первичной сети целью является сведение к минимуму общего уровня помех. В технологии CDMA существует множество способов снизить уровень помех и довести до максимума емкость сети.

Системы с многостанционным доступом на основе кодового разделения каналов (МДКРК) представляют собой развитие систем с прямым расширением спектра с помощью псевдослучайных последовательностей (ПСП) и систем, с расширением спектра путем перестройки рабочей частоты. Они создают основу для многостанционной связи. В системе МДКРК каждому пользователю выделена отдельная, отличающаяся от других ПСП (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Совместное использование спектра в МДКРК

Если эти ПСП взаимно некоррелированны, то в пределах одной соты К независимых абонентов могут передавать сообщения одновременно, занимая одну и ту же полосу радиочастот. В приемниках осуществляется корреляционная обработка сигналов (сжатие спектра), в результате чего происходит восстановление переданных сообщений di(t) = 1,...К. Ha рисунке 2.14 показана концепция совместного использования спектра в системе МДКРК на примере К равным 10 несущих с прямым расширением спектра. Если предположить, что 10 мобильных передатчиков осуществляют передачу одновременно, то на входе приемника базовой станции будут присутствовать 10 перекрывающихся во времени и по частоте сигналов. То же самое можно сказать о приемнике мобильной станции. Если мощности всех принимаемых сигналов считать равны Рs и толькo один полезный сигнал интерферирует с остальными девятью МДКРК сигналами равной мощности, то отношение сигнал/помеха (C/I) нa РЧ входе приемника будет равно 1/9 или - 9,54 дБ. Такое отрицательное значение отношения сигнал/помеха обусловлено внутрисистемной помехой, создаваемой девятью другими несущими с прямым расширением спектра, одновременно занимающими ту же самую полосу частот, что и несущая полезного сигнала. В результате корреляционной обработки (сжатия спектра) это отрицательное значение отношения несущая/помеха (С/I) в широкой полосе радиочастот преобразуется в положительное значение отношения сигнал/помеха (С/I) в узкой полосе модулирующих частот. Отношение сигнал/помеха в полосе модулирующих частот должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать достижение относительно низких значений Ре. Значение отношения сигнал/помеха (С/I) в полосе модулирующих частот выбирается на несколько децибелов выше по сравнению с отношением сигнал/шум (С/N).

В системах с прямым расширением спектра все каналы передачи сообщений (каналы трафика) в пределах одной соты одновременно совместно используют одну и ту же полосу радиочастот, т.е. радиоканал. Соседние соты могут использовать либо те же самые, либо соседние частотные каналы. Некоторые из подвижных объектов могут располагаться близко к базовой станции, а другие далеко от нее. Сильный сигнал, принимаемый базовой станцией от близкорасположенного подвижного объекта, будет маскировать слабый сигнал, принимаемый от удаленного подвижного объекта. Этот эффект маскирования или внутриполосной помехи, создаваемой близкорасположенным подвижным объектом, известен под названием помехи «ближний – дальний». Помеха этого вида представляет серьезную проблему при проектировании и применении МДКРК систем.

Управление мощностью позволяет снизить уровень помехи «ближний – дальний». Идеальная схема управления мощностью обеспечивает равенство погрешностей всех принимаемых базовой станцией сигналов подвижных объектов, расположенных в данной соте, независимо от перемещений, потерь при распространении радиоволн и/или расположения подвижного объекта. Измеренный уровень принимаемого пилот-сигнала на подвижном объекте позволяет оценить потери при распространении радиоволн от передатчика базовой станции до приемника подвижного объекта. По результатам оценки потерь на подвижном объекте формируется сигнал управления передаваемой мощностью и устанавливается необходимая мощность передатчика. Эта процедура повторяется с необходимой скважностью и благодаря этому достигается адаптивное управление мощностью.

Реальная точность управления мощностью равна 1,5 дБ. В идеальном случае она должна быть равна 0 дБ. Это означает, что все переданные сигналы от различных подвижных объектов должны быть приняты с одинаковой мощностью, т.е. разность их уровней равна 0 дБ. Это позволяет разрешить проблему близкорасположенного и удаленного пользователей и оптимизировать (максимизировать) емкость сотовых МДКРК систем.

На сегодня уже многие специалисты в сфере телекоммуникаций полагают, что технология сотовой связи с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access) в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и другие, составляя серьезную конкуренцию цифровым технологиям на базе TDMA.

Особенности кодового разделения каналов.CDMA обеспечивает существенное увеличение емкости сети. Как и метод множественного доступа с временным разделением, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Не случайно подчеркивается, что этот метод возник недавно именно в телефонии – в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС: в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что переводится на русский язык как "распределенный", или "растянутый", "размытый" спектр). Полезная информация как бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой традиционно модулированный сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. Полосы информационных сигналов могут быть расширены с коэффициентами от 10 до 10000 за счет представления их специальными двоичными последовательностями с использованием нескольких различных методов, описываемых ниже. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции. В этом случае информацию можно принять, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и второе название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты канала связи от перехвата (intercepting), помех (jamming) и подслушивания (covertness). Для понимания принципа работы важно следующее положение. Если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи информации отводятся частотный диапазон (для IS-95: шириной 1,25 МГц) и фрагменты общей "большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения.

Принципы кодового разделения каналов.Принципы кодового разделения каналов связи CDMA как уже отмечалось, основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

В= F*T (2.26)

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. В радиоустройствах, построенные по технологии Spread Spectrum (распределенный спектр), расширение спектра передаваемого сигнала осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не "слышат" друг друга. Так как мощность сигнала распределяется по широкой полосе, сам сигнал оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале.

Метод широкополосной передачи был подробно описан К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений V связаны соотношением Т = 1/V. Поэтому база сигнала В = F/V характеризует расширение спектра ШПС (Sшпс) относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться разными методами и/или их комбинацией. Рассмотрим два основных метода расширения спектра:

- прямым расширением спектра частот;

- скачкообразным изменением частоты несущей.

Метод прямого расширения спектра псевдослучайной последовательностью. Каждый информационный бит заменяется пачкой из десяти или больше бит, называемых «чипами». При этом пропорционально расширяется и полоса частот. Иными словами узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП или PN) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью τ₀ каждый. Получаем широкополосный шумоподобный сигнал (ШПС), база которого численно равна количеству элементов ПСП. Таким образом, для сдвига фазы несущей (фазовой манипуляции) используется быстрый поток битов. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Битовые PN последовательности специально генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц было приблизительно равное. Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы – инвертированным PN-кодом. Эта модуляция так и называется – модуляцией с разрядной инверсией. В результате этого смешивания получается PN-сигнал. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений показана на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Схема прямого расширения спектра частот цифровых сообщений псевдослучайной последовательностью

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передачи ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

В корреляторе (приемника) неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". В то же время, последовательность, соответствующая "1", приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN-последовательности и поток нулей – для неинвертированной PN-последовательности, что в конечном счете и будет означать восстановление переданной информации. Чаще всего передача реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying – QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты. Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN-код.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области – это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В технологии CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи возникают в основном от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с другим циклическим сдвигом.

Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

Благодаря низкому уровню мощности сигнала, полученного методом прямого расширения спектра, практически не создаются помехи обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В другую же сторону – обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком.

В результате можно сказать, что использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды – обычными узкополосными устройствами и "поверх них" – широкополосными.

Метод скачкообразного изменения частоты несущей. Скачкообразное изменение частоты несущей во втором способе – смотри рисунок 2.16, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности. Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой системе связи. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

Рисунок 2.16 - Схема расширения спектра частот цифровых сообщений методом частотных скачков

При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный момент использует только один из этих подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков – она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике по заранее определенной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что, не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя.

Другая пара передатчик-приемник будет использовать другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту № 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга. Для случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте.

Ниже приводятся диаграммы для некоторых видов частотной манипуляции (ЧМ) FHSS.

Медленные «прыжки».Длительность передачи символа меньше времени нахождения на одной из подчастот. (т.е., на каждом подканале может быть передано более одного символа) – смотри рисунок 2.17.

Рисунок 2.17 - Диаграмма медленных «прыжков» (Т_S – длительность передачи символа)

Быстрые «прыжки».Быстрые прыжки показаны на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 - Диаграмма быстрых «прыжков» (Т_S – длительность передачи символа)

Длительность передачи символа больше времени нахождения на одной из подчастот ( на каждом подканале передается лишь часть кода символа).

Итак, ШПС-технологии для метода прямой последовательности имеют свойства:

- помехозащищенность;

- не создаются помехи другим устройствам;

- конфиденциальность передач;

- возможность повторного использования одного и того же участка спектра.