Оптическая и радиосвязь

Принципы разделения каналов в системах БС

МЕТОДЫ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА

Понятие «множественный доступ» (multiple access) связано с организацией совместного ис­пользования ограниченного участка частотного спектра многими пользователями. В настоя­щее время известны пять вариантов множественного доступа:

- FDMA (Frequency Division Multiple Access) - множественный доступ с частотным разделением каналов связи;

- TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с временным разде­лением каналов связи;

- CDMA (Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделе­нием каналов связи;

- SDMA (Space Division Multiple Access) - множественный доступ с пространствен­ным разделением каналов связи;

- PDMA (Polarization Division Multiple Access) - множественный доступ с поляризаци­онным разделением каналов связи.

Практический интерес для сотовой мобильной связи представляют первые три из них.

Четвертый метод фактически используется при реализации принципа повторного ис­пользования частот, в частности при делении сот на секторы с использованием направлен­ных антенн, но об этом не говорится как о методе множественного доступа.

Так как в стандарте GSM используется TDMA, частично в сочетании с FDMA, рассмот­рим первые два метода множественного доступа.

1. Метод FDMA - множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, наиболее прост при реализации, так как в этом методе каждому пользователю на время се­анса связи выделяется своя полоса частот Δƒ (частотный канал), которую он использует все время (рисунок 2.1).

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи, при этом полоса частот Δƒ составляет 10 - 30 кГц. Основной недостаток метода FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Рисунок 2.1 - Множественный доступ с частотным разделением

каналов связи

2. Метод TDMA - множест­венный доступ с разделением ка­налов связи по времени, состоит в том, что каждый частотный канал разделяется между пользователя­ми во времени - частотный канал по очереди предоставляется не­скольким пользователям на опре­деленные промежутки времени, то есть реализуется, например, не­сколько физических каналов в од­ном частотном. В качестве приме­ра на рисунке 2.2 представлен слу­чай, когда каждый частотный ка­нал делится между тремя пользо­вателями.

Данная схема не соответствует чистому TDMA, а отражает сочета­ние FDMA и TDMA так как здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каж­дый из которых делится во времени между несколькими пользователя­ми. Именно такая схема находит практическое применение в систе­мах сотовой мобильной связи и ее называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается кодированию и шифрова­нию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.

Второе поколение (2G) - стандарты цифровой радиотелефонной связи TDMA - Time Division Multiplies Access (множественный доступ с временным разделени­ем - каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала), к которым относятся широко распространенные сейчас протоколы GSM и DAMPS. Для них впервые были предложены автоматические службы:

- роуминг (rouming - блуждание) - обеспечивает автоматическую перерегист­рацию абонента при переходе из одной зоны сотовой базовой станции в дру­гую;

- роутинг (roating) - обеспечивает автоматическую переадресацию поступивше­го вызова к абоненту, перешедшему в другую зону.

Рисунок 2.2 - Множественный доступ с временным разделением

каналов связи

Роуминг означает для абонента возможность передвигаться от сети одного операто­ра к сети другого оператора со своим радиотелефоном, имея возможность также удоб­но вести все разговоры, как если бы он находился в своей собственной «домашней» зоне обслуживания. При роуминге входящие звонки перенаправляются из «домаш­ней» в «гостевую» сеть, или наоборот. При этом возникает необходимость в обмене информацией и в финансовых расчетах между этими сетями. Поэтому перед откры­тием роуминга между двумя операторами заключается роуминговое соглашение - договор, регламентирующий порядок взаиморасчетов, а также тарифы на услуги. Без наличия такого соглашения роуминг работать в сети не будет.

Цифровые системы мобильной связи 2-го поколения появились в начале 90-х годов, при этом они отличались от аналоговых систем двумя принципиальными особенностями:

- возможностью использования спектрально-эффективных методов модуляции в соче­тании с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов вместо частот­ного разделения (FDMA), используемого в аналоговых системах;

- предоставлением пользователям широкого спектра услуг за счет интеграции передачи речи и данных с возможностью шифрования данных.

На рисунке 2.3 показаны системы мобильной связи 2-го поколения, которые можно разде­лить на 4 основных класса:

1) системы сотовой мобильной связи с радиусом действия в пределах соты от 0,5 до 35 км (TDMA - FDD - [GSM, D-AMPS (IS-136), PDC]);

2) транкинговые системы радиосвязи с радиусом зоны обслуживания от 2 до 50 км в за­висимости от высоты поднятия антенн (FDMA - FDD - [АРСО, Tetrapol, Digistar], TDMA -FDD - [TETRA, IDEN]);

3) системы беспроводного доступа с типовыми размерами соты до 0,3 км (FDMA - TDD -СТ2, TDMA - TDD - [DECT, PHS]);

4) спутниковые системы связи с зоной обслуживания в одном луче 400...800 км и гло­бальной зоной обслуживания для одного спутника 3000...8000 км в зависимости от высоты орбиты (FDMA - FDD - INMARSAT-M, TDMA - FDD - [ICO, AceS, Thuraya], TDMA -TDD - IRIDIUM, CDMA - FDD - [GLOBALSTAR, ELIPSO]).

Различия между системами разных классов 2-го поколения состоят в следующем:

- по организации связи: в сотовых системах и системах беспроводного доступа осу­ществляются индивидуальные вызовы между абонентами, средняя продолжитель­ность разговора может достигать нескольких минут; в транкинговых системах передаются короткие сообщения (не более 1 минуты), при этом связи могут орга­низовываться индивидуально и через диспетчера (время установления связи не превышает 0,3 с);

- по способу использования частотного ресурса: системы мобильной связи можно разделить на два класса:

1) системы с жестко закрепленными за абонентами каналами;

2) системы с предоставлением канала по требованию при нахождении абонентов в об­щей зоне обслуживания; при этом первый класс получил широкое распространение в системах конвенциональной радиосвязи и в ряде транкинговых систем, а второй - в сотовых системах связи;

- по объемам трафика: в сотовых системах и системах беспроводного доступа воз­можно обслуживание с плотностью трафика до 10000 Эрл/км², для транкинговых сис­тем - объем не превышает 1...2 Эрланг/км²;

- по размерам сот: для сотовых систем размеры сот зависят от плотности абонентов, приходящихся на единицу зоны радиопокрытия, и от характера распределения або­нентов в зоне обслуживания; при этом в местах с повышенной плотностью абонентов создаются пикосоты с радиусом до 100 м; в районах наиболее интенсивной застройки и с высокой плотностью населения организуются микросоты с радиусами от 100 до 500 м; радиус действия макросотовых зон, которые охватывают город и пригородные зоны, не превышает 30...35 км; при обслуживании абонентов в сельской местности, в удаленных и труднодоступных районах могут использоваться наземные макросоты и мегасоты (с радиусом до 400...800 км) космических систем мобильной связи;

- по составу и качеству предоставляемых услуг: наиболее высокое качество обеспе­чивают сотовые системы и системы беспроводного доступа, которые предоставляют дуплексную связь, как для мобильных абонентов, так и для связи с сетями PSTN и ISDN, аналогичные услуги, но с меньшими возможностями, реализованы в космиче­ских системах, а в транкинговых используются в основном полудуплексная связь и групповой вызов абонентов.

По результатам сравнительного анализа характеристик основных систем земной мо­бильной связи 2-го поколения следует:

- перечисленные стандарты трех основных систем наземной мобильной связи имеют определенные различия по основным параметрам и прежде всего по методам доступа, методам дуплексирования каналов, числу каналов на несущую, скорости передачи, типам речевых кодеков, отношениям сигнал/шум и др.;

- данные различия привели к тому, что используемые стандарты оказались в принципе несовместимыми, что в свою очередь вызвало желание международного сообщества создать единый стандарт мобильной связи глобального характера;

- для совместимости европейских стандартов GSM 900, DCS 1800 и американского D-AMPS/1900 был создан стандарт GSM 900/1800/1900, в определенной степени по­зволивший объединить три стандарта и сделать его единым стандартом 2-го поколе­ния цифровых наземных мобильных систем.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS: при сохранении то полосы частотного канала Δƒ = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов (ФК) растает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы.

Рисунок 2.3 - Системы мобильной связи 2-го поколения:

TDMA - множественный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access); FDMA - многостанционный доступ с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access); FDD - дуплексная передача с частотным разделением (Frequency Division Duplex); TDD - дуплексная передача с временным разделением (Time Division Duplex); D-AMPS - стандарт сотовой связи на основе технологии TDMA (Digital Advanced Mobile Phone Service)

Однако метод TDMA не реализует всех возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур адаптивного распределения каналов. Преимущество в этом отношении имеет метод CDMA (Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.

В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в свою оче­редь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с цифровыми шумоподобными сигналами и с методами многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, теория которого была предложена в на­шей стране Л. Е. Варакиным. Многие специалисты в сфере телекоммуникаций полагают, что стандарт сотовой связи с кодовым разделением каналов CDMA в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию цифровым стандартам.

Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами — защи­щенность канала связи от перехвата (intercepting),помех (jamming)и подслушивания (covertness).Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использована для Вооруженных Сил США, и лишь совсем недавно американская компания Qualcomm на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (cdmaOne) и передала его для коммерческого использования.

Основные направления внедрения и использования CDMA — это наземные фиксированные беспроводные телефонные сети (стандарт cdmaOne WLL), сотовые мобильные системы связи и спутниковые системы связи. Наибольшего рыночного успеха добились разработчики именно этих сетей. В сетях сотовой связи внедрение CDMA сопряжено с определенными техническими трудностя­ми. При быстром перемещении подвижного абонента (скорость автомобиля бо­лее 100 км/ч) происходит потеря сигнала из-за появления ошибок в сети вслед­ствие недостаточного быстродействия процессоров, обрабатывающих сигнал.

В методе CDMA большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот (не менее 1 МГц). 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. Вещание абонентов накладывается друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме.

Основные принципы метода - расширение спектра за счет модуляции источника псевдослучайного шума (ПСП) в сочетании с кодовым разделением физических каналов - определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

На самом деле, в отличие от других цифровых систем, которые делят отведенный диапазон на узкие каналы по частичному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широко­полосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу. Центральными понятиями метода многостанционного доступа с кодовым раз­делением каналов в реализации компании Qualcomm являются: расширение спек­тра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), коди­рование no Уолшу (Walsh Coding) и управление мощностью.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. Так, например, низкочастотный сигнал может быть передан с помощью амплитудной модуляции (AM) в полосе частот, ширина которой в 2 раза превосходит полосу частот этого сигнала. Другие виды модуляции, - такие, как частотная модуляция (ЧМ) с ма­лой девиацией и однополосная модуляция (AM), - позволяют осуществить пере­дачу информации в полосе частот, сравнимой с полосой частот информационно­го сигнала. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц рас­пределяют в полосе частот, ширина которой может составлять несколько мегагерц. Последнее осуществляется путем двойной модуляции несущей передавае­мым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.

Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, оп­ределяемая как произведение ширины F спектра сигнала на его период Т.

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с ин­формационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется.

Метод широкополосной передачи разработал К. Е. Шеннон, 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» малое количество ошибок при передаче достигается увеличением ширины полосы частот, отводимой для передачи информации.

Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность пeред модуляцией несущей частоты F_o для получения широкополосного шумоподобного сигнала ШПС (демонстрационный лист 2). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N битов длительностью τ₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

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

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. При распространении в радиоканале сигнал 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 стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональ­ные коды Уолша, это — одни из немногих ортогональных кодов, которые можно использовать для кодирования и последующего объединения ряда информаци­онных сигналов. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

(2.1)

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна лю­бой другой строке или строке, полученной с помощью операции логического отри­цания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сиг­нала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический 0, за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от базовой стан­ции к абонентскому терминалу) для разделения пользователей. В системах, исполь­зующих стандарт IS-95, все абонентские станции работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников базовой станции квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весь­ма чувствительны к эффекту «далеко-близко». Для максимизации абонентской ем­кости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых базовой стан­цией сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская ем­кость системы. На демонстрационном листе 3 приведена упрощенная структурная схема, поясняю­щая принцип работы системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается с несущей, спектр которой предваритель­но расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума (ПСП).

Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумопо-добный сигнал излучается передающей антенной.

На вход приемника поступают: полезный сигнал, фоновый шум и помехи (от соседних базовых станций и от подвижных станций других абонентов). После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в подвижной станции используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиоканале или сигналов, передаваемых различными базовыми станциями.

В системах, основанных на других методах доступа, необходимо планировать распределение частотного ресурса между соседними сотами, с тем, чтобы предотвратить взаимное влияние сигналов соседних ячеек. В системах, использующих стандарт CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех сотах сети. Такое 100 %-ное использование доступного частотного ресурса — один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. В системах, использующих методы доступа с временным или частотным разделением каналов, абонентская емкость соты жестко ограничена и определяется количеством доступных каналов связи или временных интервалов. В противоположность этому системы стандарта CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеются 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних сот.

Эти показатели взаимосвязаны, и нельзя одновременно достичь максималь­ных значений каждого из них. Приходится искать компромисс. Такая взаимо­связь является достоинством системы, поскольку дает возможность гибкого про­ектирования сети. Например, в густонаселенных районах можно принести в жертву площадь радиопокрытия, увеличив количество абонентов, а на окраи­нах, за счет снижения этого количества, увеличить площадь зоны обслуживания (качество речи в обоих случаях можно сохранить одинаковым). В реальных сис­темах сотовой подвижной связи речь идет о 25-35 абонентах на одну базовую станцию. В системах фиксированного абонентского радиодоступа их больше (около 45 абонентов). Во время испытаний в г. Алматы, где развернута сеть беспроводной местной связи CDMA WLL, а не сотовая сеть CDMA, на расстоя­нии 8 км от базовой станции нормально функционировали 56 абонентских тер­миналов.

В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на БС и использование принципа «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи), оперативное изменение числа задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически реализовать предельно малое допустимое отношение сигнал/помеха, т.е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. Это технические особенности CDMA обеспечивают высокие характеристики метода. С другой стороны, их реализация достаточно сложна.

В методе нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же полоса частот.

Если, в терминах разработки Qualcomm, под CDMA отведена полоса более широкая, чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23 МГц используется во всех ячейках с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты - аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7 - ячеечном кластере методов FDMA и TDMA).

В методе CDMA реализуется «мягкая передача обслуживания». Когда ПС приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух БС (рабочей ячейки и одной из смежных) становятся соизмеримыми по уровню, по команде с ЦК через БС смежной ячейки организуется второй канал связи с той же ПС; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. ПС принимает сигналы одновременно от двух БС, используя технические возможности рейк - приемника.

Так продолжается до тех пор, пока ПС не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй БС не станет существенно сильнее сигнала от первой.

После этого канал связи через первую БС закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается.

Метод CDMA требует точной синхронизации БС системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате ССС оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации. Высокая помехоустойчивость CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических каналов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход от FDMA к TDMA увеличивает число физических каналов в три раза, а при полускоростном кодировании в шесть раз, получается, что переход от TDMA к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов.

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: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации БС, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

Дата добавления: 2014-11-08