Организация множественного доступа и дуплексного режима связи

ОРГАНИЗАЦИЯ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА И ДУПЛЕКСНОГО РЕЖИМА СВЯЗИ

Понятие множественного доступа подразумевает совокуп­ность мер по обеспечению возможности параллельной работы мно­гих пользователей в рамках частотно-временного ресурса, выде­ленного данной системе. Отождествляя каждого абонента с некоторым физическим каналом, можно сказать, что конкретная технология множественного доступа есть способ распределения ограниченного частотно-временного ресурса между каналами. Пусть S_i(t) - сигнал, с помощью которого реализуется /-й канал связи, / = 1,2,...,К, где К- полное число каналов системы. Придерживаясь линейной модели физической среды распространения, игнорируя несущественные в данном контексте эффекты многолучевости и считая сопутствующий шум n(t) аддитивным, колебание, наблю­даемое приемной стороной, можно представить в форме

где a_i и ĩ_i ,- соответственно затухание и задержка /-го сигнала на трассе распространения. Каждый из сигналов, входящих в первое слагаемое этого выражения, содержит специфическое сообще­ние, передаваемое /-м пользователем (или адресованное ему). Задача приемной стороны состоит в выделении сообщения кон­кретного абонента, причем сторонние сигналы при этом выступа­ют в роли мешающих.

Как известно, для линейной селекции любого компонента суперпозиции сигналов с устранением влияния остальных компо­нентов необходима и достаточна линейная независимость всех сигналов [28]. Ортогональные сигналы, являющиеся линейно не­зависимыми и определяемые равенством, где Ej - энергия /-го сигнала; T_p и Δf_p - соответственно временной и частотный ресурс, отводимый системе, S^_i(f) спектр /-го сигнала, разделяются без взаимных помех обычным корреляци­онным приемником [20]. Ортогональность канальных сигналов может быть обеспечена за счет их частотного или временного разноса, либо подходящего кодирования. В соответствии с этим установилась и классификация методов множественного доступа.

Множественный доступ

Множественный доступ

Множественный доступ

С кодовым разделением каналов

Варианты реализации кодового разделения

В основе множественного доступа с кодовым разделением (МДКР или CDMA, см. § 2.1) лежит ориентация на широкополос­ную (spread spectrum) идеологию построения систем передачи информации, предусматривающую сознательное и многократное расширение полосы передаваемого сообщения по сравнению с той, которая характерна для традиционных узкополосных сис­тем. Искусственное расширение спектра в подобных системах, как правило, реализуется одним из двух основных способов:

• прямое расширение - direct sequence spread spectrum (DSSS);

• скачкообразное изменение несущей частоты – frequency hop spread spectrum (FHSS).

В первом варианте информационное сообщение манипули­рует псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из элементов (чипов) длительности Т_с, причем длительность чипа многократно (в N раз) меньше длительности T_b передаваемого информационного бита или символа (посылки, см. § 4.1):

Величина N непосредственно характеризует степень рас­ширения полосы по сравнению с полосой первичного сообщения и потому называется коэффициентом расширения спектра (в анг­лоязычных текстах spreading factor или processing gain).

Упомянутая манипуляция ПСП c(t) передаваемым потоком Данных D(t) обычно реализуется их простым перемножением (см. рис. 5.3, а). Диаграммы рис. 5.3, 6-г иллюстрируют содержа­ние процедуры прямого расширения для примера двоичной передачи и бинарной ПСП. На рис. 5.3, в показана периодическая бинарная ПСП, чей период, содержащий N = 8 чипов, совпадает с длительностью одной посылки сообщения (в общем случае пе­риод ПСП может быть произвольным, в частности, значительно большим длительности информационной посылки; более того, ПСП вообще может быть апериодической). Результат прямого расширения очевиден (рис. 5.3, г): если информационная посыл­ка несет нулевой бит (положительная полярность D(t)_} рис. 5.3, б), на выходе перемножителя присутствует первона­чальная версия ПСП. При передаче посылкой значения 1 текуще­го бита полярность ПСП меняется на противоположную. Сигнал после перемножителя подается на стандартный модулятор не­сущей (БФМ, КФМ и т.д.).

Как можно видеть, процедура прямого расширения спектра не ухудшает помехоустойчивости двоичной передачи в гауссовском канале, оставляя противоположными сигналы, отвечающие значениям 0 и 1 передаваемого бита.

При использовании второго способа расширения спектра каждый символ информационного сообщения должен переда­ваться с помощью набора дискретных частот, задаваемого опре­деленной последовательностью. Подробное описание FHSS тех­нологии расширения спектра можно найти в [29].

В существующих и разрабатываемых на перспективу сис­темах сотовой связи преимущественно применяется прямое рас­ширение спектра, реализуемое либо в синхронном, либо в асин­хронном варианте. Различия этих двух модификаций DSSS весь­ма значительны. Первая может быть применена тогда, когда есть возможность синхронизировать между собой все индивидуаль­ные адресные последовательности (сигнатуры), присвоенные отдельным абонентам так, чтобы на приемной стороне сигналы разных абонентов не имели взаимных временных сдвигов. По­добная ситуация характерна для линии "вниз" ССМС (от БС к МС), поскольку сигналы БС, посланные разным МС строго од­новременно, приходят на отдельную МС по одной и той же трас­се, т.е. без взаимных задержек.

В линии "вверх" обеспечение синхронизма сигналов разных МС, принимаемых БС, хотя и не отрицается теоретически, довольно затруднительно и не всегда технологически оправданно из-за случайного расположения МС относительно БС в пределах

соты и, следовательно, случайных взаимных задержек сигналов¹. Для подобных ситуаций характерно применение асинхронной версии DSSS, не предполагающей взаимной временной привязки сигнатур индивидуальных абонентов.

Преимущества CDMA по отношению к FDMA и TDMA можно условно разбить на две группы. Первую из них составляют те, которые отличают любые широкополосные (spread spectrum) сис­темы: высокая помехоустойчивость к сосредоточенным и широ­кополосным помехам (в том числе преднамеренным), возмож­ность эффективной работы в условиях многолучевого распро­странения, широкий диапазон доступных мер криптозащиты, вы­сокая точность измерения частотно-временных параметров, хо­рошая электромагнитная совместимость с системами радиосвязи и вещания и др. Вторая группа непосредственно связана с аспек­тами множественного доступа: большая абонентская емкость на соту (сектор), "мягкий" характер снижения качества связи при возрастании интенсивности трафика, простота реализации режи­ма "мягкой" эстафетной передачи. Рассмотрим подробнее вопрос об оценке возможного числа пользователей в системах с кодовым разделением.

ОРГАНИЗАЦИЯ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА И ДУПЛЕКСНОГО РЕЖИМА СВЯЗИ

Понятие множественного доступа подразумевает совокуп­ность мер по обеспечению возможности параллельной работы мно­гих пользователей в рамках частотно-временного ресурса, выде­ленного данной системе. Отождествляя каждого абонента с некоторым физическим каналом, можно сказать, что конкретная технология множественного доступа есть способ распределения ограниченного частотно-временного ресурса между каналами. Пусть S_i(t) - сигнал, с помощью которого реализуется /-й канал связи, / = 1,2,...,К, где К- полное число каналов системы. Придерживаясь линейной модели физической среды распространения, игнорируя несущественные в данном контексте эффекты многолучевости и считая сопутствующий шум n(t) аддитивным, колебание, наблю­даемое приемной стороной, можно представить в форме

где a_i и ĩ_i ,- соответственно затухание и задержка /-го сигнала на трассе распространения. Каждый из сигналов, входящих в первое слагаемое этого выражения, содержит специфическое сообще­ние, передаваемое /-м пользователем (или адресованное ему). Задача приемной стороны состоит в выделении сообщения кон­кретного абонента, причем сторонние сигналы при этом выступа­ют в роли мешающих.

Как известно, для линейной селекции любого компонента суперпозиции сигналов с устранением влияния остальных компо­нентов необходима и достаточна линейная независимость всех сигналов [28]. Ортогональные сигналы, являющиеся линейно не­зависимыми и определяемые равенством, где Ej - энергия /-го сигнала; T_p и Δf_p - соответственно временной и частотный ресурс, отводимый системе, S^_i(f) спектр /-го сигнала, разделяются без взаимных помех обычным корреляци­онным приемником [20]. Ортогональность канальных сигналов может быть обеспечена за счет их частотного или временного разноса, либо подходящего кодирования. В соответствии с этим установилась и классификация методов множественного доступа.

Множественный доступ