Анализ методов уплотнения и распределения каналов

 

Методы разделения каналов

 

В системах радиодоступа, как и во всех системах радиосвязи, остро стоит вопрос эффективного использования доступных ресурсов, в частности, выделенной полосы частот ∆F, пропускной способности сети, энергетических, материальных и финансовых ресурсов. Как ни странно, все перечисленные ресурсы взаимозависимы и определяются техническими характеристиками оборудования систем радиодоступа. Важнейшую роль в обеспечении эффективности доступных радиоресурсов играют методы их распределения между всеми абонентскими станциями, входящими в систему. Под радиоресурсом понимают доступные для передачи полосы частот и временные интервалы.

Основными способами распределения радиоресурса являются частотное разделение, временное разделение, кодовое разделение, пространственное разделение, поляризационное разделение и разделение, использующее их комбинации.

Эффективность методов разделения каналов оценивают количеством одновременно действующих абонентов N_a и степенью использования пропускной способности

 

 (1)

 

где с - пропускная способность БС при N_a =1; с_i - пропускная способность i-й АС.

Частотное разделение каналов. При частотном разделении каналов (FDMA) пользователи распределяются по доступному диапазону, число частот постоянно, т.е. за каждой абонентской станцией закрепляется свой частотный канал. В полосе частот могут одновременно передавать сигналы несколько АС с разносом по частоте (рис. 3)

 

Рисунок 3. Принцип частотного разделения каналов

 

Число пользователей на одну базовую станцию (сектор) рассчитывается как

 

 (2)

 

где ∆f_k - полоса частот, занимаемая полезным сигналом, нормируется по уровню -20 дБ от максимального значения спектральной плотности; ∆f₃ - защитный интервал, служащий для снижения уровня помех но соседнему каналу до допустимого значения.

Эффективность использования полосы частот, т.е. увеличение числа одновременно действующих абонентов при фиксированной скорости передачи в абонентском канале может быть повышена за счет совершенствования методов модуляции и уменьшения благодаря этому необходимой полосы частот для одного канала. Например, переход от сигналом BRSК к сигналам GMSK с ВТ = 0,5 дает выигрыш в несколько раз. Однако существуют принципиальные ограничения по уменьшению занимаемой полосы частот. Основное преимущество технологии FDMA - простота оборудования, например по отношению к TDMA. При использовании FDMA не требуется синхронизация между каналами, так как каждый канал независим от остальных.

Наиболее важное ограничение FDMA - невозможность увеличения количества абонентских станций больше чем N_аб .

Временное уплотнение (ТDМА). Тот же радиоресурс можно распределить между АС, выделяя каждой из них всю полосу частот на ограниченный интервал времени Т_к. Между интервалами Т_к присутствуют защитные интервалы Т₃, которые служат для снижения до допустимого уровня помех от соседнего временного канала (рис. 4, а).

 

Рисунок 4. Принцип временного (а) и частотно-временного (б) разделения каналов

 

Общее число абонентов для TDMA схемы определяется выражением

 

N_аб=T/(T_к+T₃) (3)

 

Комбинированный частотно-временной способБолее общим способом разделения каналов является комбинированный частотно-временной способ(рис. 4, б). В этой ситуации АС может передавать информацию только в выделенной ему полосе частот и в пределах его интервала времени(DECT).

Способы FDMA и TDMA обеспечивают одинаковую скорость передачи при равном числе АС. Задержка передачи для FDMA равна задержке распространения Т_р радиоволны от АС к БС, а для TDMA - к задержке распространения добавляется время ожидания передачиТ_ож:

 

(4)

 

Ортогональное частотное разделение. Второе дыхание методов частотного разделения каналов открылось в связи с появлением ортогонального частотного разделения (OFDMА), которое позволяет реализовать потенциальные характеристики за счет ортогональности подканалов. По своим характеристикам метод OFDMA аналогичен методам CDMA.

Метод кодового разделения каналов (CDMA) представляется практическим приложением сигналов с расширенным спектром.(3 раздел)

Дальнейшее повышение эффективности применения частотно-территориального ресурса связано с повторным использованием частот благодаря методам пространственного и поляризационного разделения каналов (SDMA и PDMA), которые реализуются за счет свойств антенных систем

Пространственные методы разделения каналов.Пространственные методы разделения каналов реализуют направленные свойства антенн и их способность раздельного приема сигналов, действующих в общей полосе частот в одно и то же время при приходе с разных направлений (рис. 7).

 

Рисунок 5. Принцип пространственного разделения каналов

 

Направление прихода сигнала θ_i определяет амплитудно-фазовое распределение Ь_с(θ_i) на поверхности антенны. Отклик на принимаемый сигнал отражается выражением

 

J = ∫_Lb_c(θi)b_A(θ)dL, (9)

 

где L - поверхность антенны; b_А(θ) - амплитудно-фазовое распределение антенны. Если функции b_с(θ_i) и ортогональны, то J= 0. Поэтому принят будет только сигнал, АФР которого согласовано с АФР антенны.

Традиционные антенные системы позволяют переиспользовать частоты (разделять каналы по направлению прихода) посредством направленных антенн, разделяя круговую зону обслуживания на К секторов с шириной диаграммы направленности ∆θ = 360°/К..

Дальнейшее применение и развитие методов пространственного разделения каналов основано на способах адаптивной пространственно-временной обработки сигналов. Адаптивные методы позволяют подстраивать характеристики антенных систем так, чтобы обеспечить максимальную эффективность использования радиоресурса. Результаты исследований но проектам MIMO (много входов много выходов). BLAST показывают, что возможно увеличение суммарной пропускной способности пропорционально числу элементов антенной системы. Применение адаптивных антенн дает дополнительные преимущества, такие как борьба с замираниями, улучшение энергетики радиолинии, снижение уровня помех и обеспечение требуемого уровня ЭМС, устранение влияния мешающих сигналов от других сетей и РЭС, функционирующих в полосе частот сети радиодоступа и др.

Разделение каналов по поляризации.Разделение каналов по поляризации (PDMA) использует две ортогональные поляризации сигналов, например, вертикальную и горизонтальную, либо круговые с противоположными направлениями вращения. Поэтому PDMA позволяет разделить не более двух каналов по поляризации в общем случае не ортогональных за счет адаптивных методов поляризационной обработки.

В общем случае максимальный эффект дают комбинированные методы разделения каналов, использующие все физические признаки радиосигналов, такие как частота, время, пространство и поляризация.