Тема: Множественный доступ с кодовым разделением

Как и в случае FHSS, кодирование методом DSSS позволяет мультиплексиро­вать несколько каналов в одном диапазоне. Техника такого мультиплексирова­ния называется множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA). Она широко используется в сотовых сетях.

Техника CDMA может использоваться совместно с кодированием методом FHSS, однако на практике она чаще применяется в беспроводной сети с методом DSSS.

Каждый узел сети, работающий по методу CDMA, посылает данные в разделяе­мую среду в те моменты времени, когда это ему нужно, то есть синхронизация между узлами отсутствует. Идея CDMA заключается в том, что каждый узел сети использует собственное значение расширяющей последовательности. Эти значе­ния выбираются так, чтобы принимающий узел, который знает значение расши­ряющей последовательности передающего узла, мог выделить данные передаю­щего узла из суммарного сигнала, образующегося в результате одновременной передачи информации несколькими узлами.

 

Для того чтобы такую операцию демультиплексирования можно было выпол­нить, значения расширяющей последовательности выбираются определенным образом. Поясним идею CDMA на примере.

Пусть в сети работает четыре узла: А, В, С и D. Каждый узел использует такие значения расширяющей последовательности:

А: О О О О

В: 0 1 0 1

С: 0 0 1 1

D: 0 1 1 О

Предположим также, что при передаче единиц и нулей расширяющей последо­вательности (то есть уже преобразованного исходного кода) используются сиг­налы, которые являются аддитивными и инверсными. Инверсность означает, что двоичная единица кодируется, например, синусоидой с амплитудой +А, а двоич­ный ноль — синусоидой с амплитудой -А. Из условия аддитивности следует, что если фазы этих амплитуд совпадут, то при одновременной передаче единицы и нуля мы получим нулевой уровень сигнала. Для упрощения записи расширяю­щей последовательности обозначим синусоиду с положительной амплитудой значением +1, а синусоиду с отрицательной амплитудой — значением -1. Для простоты допустим также, что все узлы CDMA-сети синхронизированы.

Таким образом, при передаче единицы исходного кода 4 узла передают в среду такие последовательности:

А: -1 -1 -1 -1 В: -1 +1 -1 +1 С: -1 +1 +1 D: -1 +1 +1 -1

При передаче нуля исходного кода сигналы расширяющей последовательности инвертируются.

Пусть теперь каждый из 4 узлов независимо от других передает в сеть один бит исходной информации: узел А — 1, узел В — 0, узел С — 0, узел D — 1.

В среде S сети наблюдается такая последовательность сигналов:

А: -1 -1 -1 -1

В: +1 -1 +1 -1

С: +1 +1 -1 -1

D: -1 +1 +1 -1

В соответствии со свойством аддитивности получаем:

S: 0 0 0 -4

Если, например, некоторый узел Е хочет принимать информацию от узла А, то он должен использовать свой демодулятор CDMA, задав ему в качестве парамет­ра значение расширяющей последовательности узла А.

Демодулятор CDMA работает следующим образом. Он последовательно склады­вает все четыре суммарных сигнала Sj, принятые в течение каждого такта работы.

При этом сигнал Sj принятый в такте, на котором код расширения станции А ра­вен +1, учитывается в сумме со своим знаком, а сигнал, принятый в такте, на котором код расширения станции А равен -1, добавляется в сумму с противопо­ложным знаком. Другими словами, демодулятор выполняет операцию скаляр­ного умножения вектора принятых сигналов на вектор значения расширяющей последовательности нужной станции:

S х А = (0 0 0 -4) х (-1 -1 -1 -1) = 4.

Для того чтобы узнать, какой бит послала станция А, осталось нормализовать результат, то есть разделить его на количество станций сети: 4/4=1.

Если бы станция хотела принимать информацию от станции В, то ей нужно было бы при демодуляции использовать код расширения станции В (-1+1-1+1):

S х В = (0 0 0 -4) х (-1 +1 -1 +1) = -4.

После нормализации мы получаем сигнал -1, который соответствует двоичному нулю исходной информации станции В.

Особенность расширяющих последовательностей, используемых в CDMA, со­стоит в том, что они являются взаимно ортогональными. Это значит, что если их рассматривать как векторы, то при попарном умножении они дают нулевой ре­зультат, например, взаимно ортогональными являются векторы координат про­странства: (1 0 0), (0 1 0) и (0 0 1). Однако помимо взаимной ортогональности нужно, чтобы такие векторы были ортогональны с инверсиями членов набора векторов (так как инверсии применяются для кодирования нулей исходной ин­формации).

Мы объяснили только основную идею CDMA, предельно упростив ситуацию. На практике CDMA является весьма сложной технологией, которая оперирует не условными значениями +1 и -1, а модулированными сигналами, например сигналами BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а сигналы, которые приходят от удаленных на различные расстояния от прием­ника узлов, имеют разную мощность. Проблема синхронизации приемника и пе­редатчика решается за счет передачи длинной последовательности определенно­го кода, называемого пилотным сигналом. Для того же, чтобы мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в CDMA применя­ются специальные процедуры управления мощностью.

Выводы

Беспроводная связь делится на мобильную и фиксированную. Для организации мобильной связи беспроводная среда является единственной альтернативой. Фиксированная беспроводная связь обеспечивает доступ к узлам сети, расположенным в пределах небольшой территории, например здания.

Каждый узел беспроводной линии связи оснащается антенной, которая одновременно являет­ся передатчиком и приемником электромагнитных волн.

Электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях или же в пределах оп­ределенного сектора. Тип распространения зависит от типа антенны.

Беспроводные системы передачи данных делятся на четыре группы в зависимости от исполь­зуемого диапазона электромагнитного спектра: широковещательные (радио-) системы, мик­роволновые системы, системы инфракрасных волн, системы видимого света.

Из-за отражения, дифракции и рассеивания электромагнитных волн возникает многолучевое распространение одного и того же сигнала. Это приводит к межсимвольной интерференции и многолучевому замиранию.

Передача данных в диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые получили название ISM, не требует лицензирования, если мощность передатчика не превышает 1 Ватт.

Беспроводные двухточечные линии связи используются для создания радиорелейных линий, соединения зданий, а также двух компьютеров.

Беспроводные линии связи с одним источником и несколькими приемниками строятся на ос­нове базовой станции. Такие линии используются в мобильных сотовых сетях, а также в систе­мах фиксированного доступа.

Топология с несколькими источниками и недколькими приемниками характерна для беспро­водных локальных сетей.

В системах спутниковой связи используются три группы спутников: геостационарный, средне- орбитальный и низкоорбитальный.

Для кодирования дискретной информации беспроводные системы используют манипуляцию (FSK и PSK), модуляцию с несколькими несущими частотами (OFDM) и методы расширения спектра (FHSS и DSSS).

В методах расширения спектра для представления информации используется широкий диапа­зон частот, это уменьшает влияние на сигналы узкополосных шумов.

На основе методов FHSS и DSSS можно мультиплексировать несколько каналов в одном диа­пазоне частот. Такая техника мультиплексирования называется множественным доступом с ко­довым разделением (CDMA).