Читайте также:
|
ГЛАВА 2
МНОГОСТАНЦИОННЫЙ ДОСТУП В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Принципы многостанционного доступа в системах мобильной радиосвязи
Одной из основных проблем построения систем мобильной радиосвязи является решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Число каналов базовых станций ограничено. По назначению эти каналы могут быть служебными и трафиковыми, по которым передаются команды и информация.
К служебным относятся каналы, обеспечивающие поддержку функционирования абонентской сети и назначение каналов трафика подвижным абонентам на этапе вхождения в связь.
Трафиковые каналы предназначены для передачи информации и команд, обеспечивающих процессы ведения связи с требуемым качеством и восстановления связи (хэндовер) при перемещениях подвижных абонентов по зоне обслуживания.
Задачей многостанционного доступа (уплотнения, мультиплексирования) является разделение между абонентскими станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.
По способам предоставления системного ресурса абонентам систем мобильной радиосвязи могут иметь место следующие варианты многостанционного доступа [8]:
q с пространственным разделением каналов;
q с частотным разделением каналов;
q с временным разделением каналов;
q с кодовым разделением каналов.
Многостанционный доступ с пространственным разделением каналов (Space Division Multiple Access, SDMA) — это метод доступа, при котором вся зона обслуживания разбивается на множество узких областей, охватываемых отдельными лучами диаграмм направленности антенн. Связь между абонентами, работающими в разных зонах, осуществляется за счет межлучевой коммутации. При этом каждая абонентская станция может вести передачу только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения. Еще недавно данный метод считался малоэффективным — до тех пор, пока не получили развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон отдельных передатчиков. С появлением аппаратуры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на основе секторных антенн (или антенн с перестраиваемой диаграммой направленности), данный метод получил широкое распространение.
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access, FDMA) характерен тем, что каждая абонентская станция работает на строго определенной частоте, благодаря чему множество устройств могут вести передачу данных на одной территории. Исторически это наиболее ранний метод уплотнения каналов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи. Характерной особенностью многостанционного доступа с частотным разделением каналов является наличие защитных полос между соседними каналами, что уменьшает количество возможных каналов и, соответственно, спектральную эффективность системы. Ширина полосы канала зависит от требуемого качества передачи информации. Главным недостатком этого метода является неоправданное расходование частотных ресурсов, поскольку требуется выделение отдельной частоты для каждой абонентской станции.
Многостанционный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA) — это метод доступа, при котором все абоненты передают свои сообщения на одной несущей частоте, но в разные, как правило циклически повторяющиеся, интервалы времени при жестких требованиях к синхронизации процесса передачи. Таким образом, абонентской станции в течение фиксированных интервалов времени предоставляется вся пропускная способность канала. Основная единица времени называется кадром (frame). Каждый кадр разделен на фиксированное количество временных интервалов (slot). Максимально возможное количество одновременно обслуживаемых абонентов равно количеству временных интервалов в кадре. Обычно количество абонентов меньше, т.к. часть временных интервалов используются для передачи сигналов управления, контроля и сихронизации. Поэтому кадры часто организуются в структуры более высокого порядка (мультикадры, суперкадры и т.д.). Недостатком многостанционного доступа с временным разделением каналов является то, что если канал не используется для передачи в выделенный ему временной интервал, другие каналы не могут передавать данные в это время. Тем не менее подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Так, устройствам с высоким трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.
Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех. Временное уплотнение возможно только для цифрового сигнала. Метод TDMA требует наличия защитных временных промежутков между блоками данных, занимающих соседние временные интервалы. Это обусловлено конечным временем включения оборудования и прохождения сигнала по радиоканалу. В реальных системах часто используется комбинация методов FDMA и TDMA. В этих системах рабочая полоса частот делится на частотные каналы, которые уплотняются по времени.
Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA) основан на использовании сигналов с расширенным спектром и одновременной передачей большого числа сигналов в общей полосе частот. Их разделение осуществляется по виду кодовых последовательностей, поступающих от каждого абонента. При этом все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте.
При использовании CDMA каждый бит исходного потока данных заменяется на CDMA-символ, или кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32 или 64 элементов («чипов»). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы взаимная корреляция двух любых CDMA-кодов была минимальна. В приемнике известен CDMА-код передатчика, сигналы которого он должен принимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. В специальном устройстве (корреляторе) производится операция свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнала с известным ему CDMA-кодом. Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что символ 0 или 1 является принятым. При этом сигналы других передатчиков с другими CDMA-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов) средняя мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с суммарной средней мощностью шума. Используя CDMA-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей, добиваются, в определенном смысле, сходства CDMA-сигналов со случайным шумом. Такие кодовые последовательности и, соответственно, модулированные ими сигналы называют шумоподобными. При передаче посредством шумоподобных сигналов спектр исходного сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра посредством прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Наиболее сильная сторона данного метода заключается в повышенной помехозащищенности и скрытности передачи данных, т.к. не зная кода, трудно обнаружить присутствие сигнала. Кроме того, количество возможных сигналов оказывается значительно большим по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код.
Теоретически метод CDMA позволяет выделять информацию одного пользователя до тех пор, пока используемые коды взаимно ортогональны. Эффект многолучевости распространения радиоволн приводит к потере ортогональности сигналов на входе приемника, что приводит к снижению качества приема информации.
Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации работы передатчика и приемника для гарантированного приема сообщений.
Уплотнение с кодовым разделением часто совмещается с частотным либо временным методами. В наиболее «чистом» виде метод кодового уплотнения реализуется в случае DSSS. Однако используются также и другие методы расширения спектра – посредством частотных и временных скачков (Frequency/Time Hoping Spread Spectrum, FHSS/THSS).
В случае расширения спектра посредством частотных скачков в заданной частотной полосе F одновременно работает несколько передатчиков, каждый в узкой полосе, во много раз меньшей F. Центральная частота каждого передатчика в ходе работы скачкообразно изменяется по закону, задаваемому уникальной для него кодовой последовательностью. Приемник знает эту кодовую последовательность и перестраивает частоту приема синхронно с передатчиком. Кодовые последовательности выбирают так, чтобы минимизировать вероятность одновременной работы двух передатчиков на одной и той же частоте. Данный метод в ряде случаев оказывается весьма эффективным и применяется, в частности, в такой популярной сегодня технологии, как Bluetooth.
Для многих систем сотовой связи характерен обмен информацией в обоих направлениях, что требует дуплексного канала связи. Дуплексная передача, когда весь выделенный системе частотный спектр делится между двумя противоположными направлениями, называется дуплексной передачей с частотным разделением (Frequency Division Duplex –FDD). В том случае, если весь частотный диапазон используется для передачи информации в обоих направлениях, а передача в различных направлениях разнесена по времени, осуществляется дуплексная передача с временным разделением (Time Division Duplex –TDD). Дуплексная передача с частотным или временным разделением используется в комбинации с описанными выше методами многостанционного доступа.
Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 112 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |