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 Af (частотный канал), которой он владеет безраздельно (рисунок 14.10).

Рисунок 14.10 - 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 Df 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 (рисунок 14.11).

Рисунок 14.11 - Метод TDMA в координатах «время-частота»

Строго говоря, приведенная на рисунке 14.11 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, и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» информации в 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, однако, 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.

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.

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. Так что при скорости информационной последователь­ности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дис­кретов модулирующей псевдослучайной последовательности (ПСП). Полоса сигнала с расширенным спектром при этом на уров­не 3 дБ составляет 1,23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Для модуляции сигнала используются три вида функций: «корот­кая» и «длинная» ПСП и функции Уолша порядков от 0 до 63. Длина короткой ПСП составляет 2¹⁵ - 1 = 32 767 знаков, длинной ПСП –2⁴² - 1 = 4,4 х 10¹² знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова (для функций Уолша имеется в виду дискрет функций высшего порядка) и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

В прямом канале от базовой станции к подвижной (рисунок 14.12) моду­ляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения физических каналов данной базовой станции; модуляция длинной 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.

Рисунок 14.12 - Упрощенная схема обработки сигналов в передающем тракте базовой станции методом CDMA

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, рисунок 14.13) 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 за счет индиви­дуального для каждой станции сдвига последовательности.

Рисунок 14.13 - Упрощенная структурная схема обработки сигналов в передающем тракте подвижной станции методом CDMA

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.

Дата добавления: 2014-01-07