TDM/TDMA с фиксированным распределением временных интервалов

 

Простейшая схема TDM/TDMA именуется TDM/TDMA с фиксированным распределени­ем. При использовании такой схемы, М временных интервалов, составляющих кадр, зара­нее распределены между источниками сигнала на достаточно длительный промежуток времени. На рисунке 5 в виде блок-схемы показана работа такой системы.

Операция уплот­нения состоит в предоставлении каждому источнику возможности использовать один или более интервалов. Разуплотнение — это распознавание интервалов с последующим рас­пределением данных между соответствующими пользователями. Два коммутирующих ключа на рисунке 5 должны быть синхронизированы та­ким образом, чтобы сообщение, соответствующее источнику 1, попадало на выход канала 1 и т.д.

Само по себе сообщение в общем случае состоит из начальной комбинации битов (preamble) и собственно информационной части. Начальная комбинация обычно состоит из элементов, которые отвечают за синхронизацию, адресацию и защиту от ошибок.

 

 

Рисунок 5. TDM с фиксированным распределением

 

Схема TDM/TDMA с фиксированным распределением является чрезвычайно эф­фективной, когда требования пользователя можно предвидеть, а поток данных значи­телен (т.е. временные интервалы практически всегда заполнены). В случае же пульси­рующего или случайного потока данных указанный метод себя не оправдывает. Рас­смотрим простой пример, представленный на рисунке 6.

 

 

Рисунок 6. TDM с фиксированным распределением и система с коммутацией пакетов: а) схема активности пользователей; б) TDM с фиксированным распределением; в) коммутация пакетов с временным разделением (концентрация)

 

Здесь кадр составляют четыре интервала, каждый из которых закреплен за пользователями А, В, С и D. На рисунке 6,а изображены схемы активности четырех пользователей. На протяжении первого интервала передачи кадра пользователь С не отправляет данных, пользователь В не передает данных в течение второго интервала, а А — в течение третьего. В случае использования TDMA с фиксированным распределением все интервалы кадра распределены заранее. Если "владелец" интервала не передает данных в течение указан­ного промежутка времени, данный интервал не используется. На рисунке 6,б показан по­ток данных и неиспользованные интервалы. Если требования пользователей непредска­зуемы, как в приведенном выше примере, то должны применяться более эффективные ме­тоды с использованием динамического распределения интервалов. Таких методов существует несколько — применение систем с коммутацией пакетов, статистических муль­типлексоров или концентраторов. Данные системы позволяют достигнуть результата, изо­браженного на рисунке 6,в, где пропускная способность системы остается постоянной благодаря использованию всех доступных временных интервалов.

Уплотнение (СDM)/множественный доступ с кодовым разделением(СDMА).

 

Рассмотренные выше системы уплотнения для обеспечения многоканальной передачи требу­ют для нормальной работы той или иной синхронизации: точ­ного совпадения спектра сигнала с полосой пропускания при частотном разделении каналов; точного совпадения времен­ных интервалов передачи сигналов отдельных каналов при временном разделении каналов.

В ряде случаев осуществить точную синхронизацию зат­руднительно. С подобными ситуациями приходится сталки­ваться, например, при организации оперативной связи между подвижными объектами (автомобилями, самолетами). Такая задача возникает при организации оперативной связи с ис­пользованием искусственных спутников Земли в качестве рет­рансляторов. Во всех этих случаях могут быть использованы системы асинхронной многоканальной связи, когда сигналы всех абонентов передаются в общей полосе частот, а каналы не синхронизированы между собой во времени. Поскольку в таких системах за каналами не закреплены ни частотные по­лосы, ни временные интервалы и время работы каждого ка­нала произвольно, то такие системы называют системами со свободным доступом к линии связи или системами с не­закрепленными каналами.

В системах со свободным доступом каждому каналу (абоненту) присваивается определенная форма сигнала, кото­рая и является отличительным признаком, "адресом" данного абонента. В отличие от обычного разделения по форме, где условие ортогональности сигналов выполняется лишь тогда, когда тактовые интервалы всех каналов жестко синхронизи­рованы, для возможности полного линейного разделения сиг­налов в системах со свободным доступом ортогональность или линейная независимость должны сохраняться при любых вре­менных сдвигах сигналов. Иными словами, автокорреля­ционные функции сигналов должны содержать один значительный максимум (пик), а взаимно корреляционные функции в любой момент времени - иметь су­щественно меньшую величину. Строго говоря, это возможно только в том случае, когда сигналы S_k(t) представляют собой белый шум, т. е. имеют неограниченную ширину спектра и бесконечную дисперсию; для реальных сигналов оно невыполнимо. Вместе с тем можно сформировать такие сигналы, для которых эти требования выполняются приближенно в том смысле, что скалярные произведения сигналов при любом сдвиге по времени много меньше энергии элементарного сигнала. Такие сигналы можно назвать почти ортогональными. По своим свойствам почти ортогональные сигналы приближаются к бе­лому шуму, поэтому их часто называют шумоподобными: их корреляционные функции и спектры плотности мощности близки к аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы не являются случайными, они отно­сятся к классу сложных сигналов, база которых Б = ∆f_э* τ₀»1.

Наиболее распространенным примером технической реа­лизации почти ортогональных шумоподобных сигналов могут служить определенным образом сформированные псевдослу­чайные последовательности дискретных, в частности, двоич­ных радиоимпульсов. База сигналов при этом определяется числом импульсов в последовательности. Каждому каналу при­сваивается одна из множества почти ортогональных двоич­ных последовательностей, которая служит "адресом" канала. Это приводит к названию "асинхронные адресные систе­мы связи" (ААСС).

Важным достоинством ААСС является то, что нет необ­ходимости в центральной коммутационной станции; все або­ненты имеют прямой доступ друг к другу без частотной пере­стройки приемных и передающих устройств (рисунок 7).

Здесь достаточно набрать "адрес" вызываемого абонента, т. е. изме­нить "форму" импульсной адресной последовательности.

В системах с закрепленными каналами (частотное и вре­менное уплотнение каналов) добавление хотя бы одного ново­го абонента оказывается возможным лишь при исключении одного из имевшихся в системе. Значительно проще эта зада­ча решается в системах ААСС. Здесь вследствие свободного доступа к линии связи могут вести передачу любые N_a ак­тивных абонентов из общего числа N абонентов системы пе­редачи информации. При определении числа N_a нужно учитывать, что вследствие неполной ортогональности сигналов в ААСС неизбежны переходные помехи ("шумы не ортогональности"), уровень которых растет по мере увеличения N_a. По­этому число одновременно работающих абонентов должно быть ограничено. Допустимое значение N_a возрастает по мере уве­личения базы сигнала.

 

Рисунок 7. Структурная схема многоканальной асинхронно-адресной системы связи

 

В зависимости от времени активности абонентов (т. е. от доли времени, занимаемого к- мканалом для передачи сооб­щений) можно организовать, например 1000-канальную сис­тему связи, в которой одновременно ведут передачу любые 50 абонентов из тысячи. В таких системах легко реализуются резервы пропускной способности, возникающие за счет мало­активных абонентов. Изучив статистику сообщений, переда­ваемых по каждому каналу, можно установить допустимое число каналов в системе N, при котором обеспечивается нор­мальная работа N_a активных каналов.

В настоящее время усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с заданными автокорреляционными и вза­имно корреляционными свойствами. В качестве адресных сиг­налов используются последовательности Баркера, линейные рекуррентные М-последовательности и т. д. Один из способов формирования шумоподобных сигналов для асинхронно-ад­ресных систем связи состоит в использовании частотно-вре­менной матрицы. Уже отмечалось, что в системах с ортого­нальными сигналами энергия каждого сигнала отделяется от энергии других сигналов. Это положение становится наибо­лее отчетливым, если обратиться к частотно-временным ди­аграммам системы связи при частотном разделении (рисунок 8,а) и при временном разделении каналов (рисунок 8,6).

Здесь каждому каналу отводится определенная область частотно-временного пространства; положение площадки мож­но рассматривать как "адрес" абонента. Двоичную информацию в последовательность можно за­ложить, меняя один из параметров элементарного радиоим­пульса. Эти адресные наборы импульсов составляются на ос­нове их представления в виде частотно-временной матрицы, которая была представлена ранее, к ним предъявляются обычные требования хоро­ших автокорреляционных функций и малых значений взаим­ной корреляции.

 

 

Рисунок 8. Принципы частотного (а) и временного (б) разделения каналов

 

Изменение временного положения импульсов и различие в их частотах позволяют сравнительно простыми техническими средствами получить несколько тысяч частот­но-временных колебаний (адресов). Разумеется, не все ком­бинации частотно-временной матрицы используют в качестве адресных сигналов; среди них встречаются и такие, которые не обладают необходимыми корреляционными свойствами. Сигналы частотно-временной матрицы являются разновидно­стью сигналов, различающихся по форме, их можно разде­лить согласованными фильтрами или корреляторами.

Отметим в заключение, что в технической литературе имеются описания большого числа различных систем связи со свободным доступом. Наиболее характерными из них яв­ляются системы на 1000—1500 каналов с 50—100 активными абонентами.

ПРИМЕРЫ

- частотное разделение каналов реализовано в аналоговой аппаратуре первичного уплотнения типа К-60 и вторичного уплотнения типа ТТ

- временное разделение каналов реализовано в аппаратуре цифровой передачи типа ИКМ -30, 60 и т.д, SONET

- кодовое разделение каналов реализовано в сотовой связи американской фирмой Qualcomm. В, частности, ею создана Cеть CDMA - 2000, которая является усовершенствованной в смысле скорости передачи данных сетью стандарта IS-95. Центральными понятиями стандарта cdma2000 в реализации компании Qualcomm являются расширение спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), кодирование по Уолшу (Walsh Coding) и управление мощностью. cdma2000 предоставляет широкий спектр традиционных услуг.

 

ВОПРОС ТОЛЬКО ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 210405.65 Радиосвязь, радиовещание и телевидение. Поясните особенности построения сигнально-кодовых конструкций при передаче информации в каналах с замираниями.

 

• Перемежение

Какие бы совершенные коды с исправлением ошибок не использовались в каналах с замираниями, они не могут гарантировать высокой достоверности приема. Основная причина — резкое снижение корректирующих способностей кодов при появлении в канале пакетов ошибок, вызванных сильными помехами и замираниями. Попытки создания специальных кодов, способных исправлять подобные серии ошибок, предпринимались неоднократно (коды Хагельбаргера, Файера и т.п.), однако из-за огромной вычислительной сложности, экспоненциально возрастающей с увеличением длины пакета ошибок, они не нашли практического применения.

Из этой ситуации был найден достаточно неожиданный и простой выход: выполнение операции декодирования в два этапа позволяет почти полностью избавиться от помех. На первом этапе производится декорреляция пакетов ошибок, в результате которой они преобразуются в группу случайных (обычно одиночных) ошибок. На втором этапе сигнал обрабатывается с помощью классических методов борьбы со случайными ошибками (сверточные коды, турбокоды), что приводит к их полному подавлению.

Для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок служит процедура перемежения. Она состоит в перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции. Перестановка позволяет так разнести рядом стоящие символы, чтобы они оказались разделены группой других символов, передаваемых в том же блоке данных. Данная операция не вносит избыточности, а только изменяет порядок следования символов или бит. Однако чем больше глубина перемежения (т.е. максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы входной последовательности), тем больше задержка.

Поясним идею перемежения на примере многошагового перемежителя (MIL, Multi-Stage Interliving). Принцип его работы достаточно прост. Исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L=[NxM], где N — число символов в строк, а M — число столбцов. Операция блочного перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. В результате порядок следования символов в выходной последовательности будет изменен, например k-я строка матрицы будет выглядеть как {k, M+k, 2M+k,...(N-1)(M+k)}. Из приведенной записи видно, что два любых соседних символа входной последовательности будут разнесены в радиоканале на M-1 символ.

Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы (т.е. глубина перемежения) определяется как d=TM (где T — длительность символа). Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются сверточным кодом.

В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала.

Различают внешнее и внутреннее перемежение. Внутреннее перемежение обычно осуществляется в пределах одного кадра, внешнее — в пределах интервала из нескольких кадров (обычно размером от 10 до 80 мс).

Кодирующие цепочки

· Применение сложных сигналов в ряде случаев позволяет ре­шить задачу ослабления влияния интерференции и замираний при многолучевом распространении в каналах со случай­ными параметрами более успешно.

Рассмотрим рисунок 1, на котором показаны огибающие одной посылки сложного сигнала, пришедшей по трем разным лучам.

 

 

Рисунок 1.

Полагаем, что замирания являются общими и за время, равное длительности посылки τ₀, амплитуда и начальная фаза элементов сигнала не меняются.

Оптимальная обработка посылки сложного сигнала коррелято­рами или согласованными фильтрами дает выходное напряжение, вид которого совпадает с корреляционной функцией этой посылки. Выходные напряжения, соответствующие одной и той же посылке и разным лучам, показаны на рисунке 1,б. Длительность основного лепестка этого напряжения приблизительно равна величине

=

Если база сигнала значительна (Б_c»1), то τ_вых <τ₀ и, следова­тельно, в результате обработки посылки происходит ее «сжатие» по времени. Нетрудно видеть, что выходные напряжения разделяются друг от друга несмотря на то, что на входе посылки от разных лучей перекрываются. Так как огибающие посылки, пришедшей по разным лучам S_xi, S_x2, S_xs, случайны, то случайны и выходные напряжения U_x1 U_x2, U_x3.

Оптимальная обработка посылок представляет собой линейную операцию, поэтому закон распределения выходных напряжений оста­ется таким же, как и у огибающих. Если выходные напряжения обработать далее схемой, показанной на рисунке 2,а, то на ее вы­ходе образуется последовательность импульсов со случайными ам­плитудами (рисунок 2,б), среди которых будет импульс с амплитудой U_xp.

Поскольку этот импульс представляет собой результат сло­жения трех импульсов со случайными амплитудами U_x1, U_x2 и U_x3, закон распределения величины U_xр изменится по сравнению с рас­пределениями случайных величин U_x1, U_x2 и U_x3. В частности, если величины U_x1, U_x2 и U_x3 подчиняются распределению Релея, то распределение U_xр определяется композицией этих распределений и, следовательно, замирания величин U_xp менее глубоки, чем за­мирания случайных величин U_x1, U_x2 и U_x3. Нетрудно видеть, что указанная процедура эквивалентна разнесенному приему с линей­ным сложением трех ветвей.

Так как время запаздывания лучей и разность хода между ними случайны, то в общем случае необходимо применять линию с временем задержки равным времени многолучевого растяжения сигнала, а отводы брать через интервалы, равные минимальному времени запаздывания, которое определяется при экспериментальных исследованиях свойств конкретного канала. Таким образом, применение сложных сигналов позволяет раз­делить перекрывающиеся сигналы, приходящие по разным лучам. Это дает возможность эффективно использовать энергию сигналов от отдельных лучей и существенно ослабить влияние замираний, обусловленных эффектом многолучевого распространения.

 

Рисунок 2.