Методы многостанционного доступа

Основная идея внедрения принципа сотовой сети состояла в преодолении ограничений пропускной способности, однако этот принцип не помогает снять ограничение пропускной способности внутри каждой соты при одновременных вызовах. С точки зрения использования диапазона радиочастот чрезвычайно важно знать, как радиоресурсы распределяются между одновременными вызовами. Контроль радиоресурсов стал одной из наиболее важных характеристик любой мобильной сети, обслуживающей большое количество абонентов. Для решения проблемы распределения радиоресурса при множестве одновременных вызовов были разработаны методы многостанционного доступа. Основной принцип любой схемы многостанционного доступа заключается в том, чтобы решить, как распределить имеющейся диапазон частот. И снова основные проблемы, с которыми сталкиваются решения многостанционного доступа, касаются внутренних характеристик радиосистем: ограничение ширины полосы частот, многолучевое замирание, взаимные помехи пользователей сети, в которой используется сотовый принцип построения и повторное использование частот. Эффективное использование частот означает, что в пределах установленных параметров должно быть максимальное количество одновременных пользователей фиксированной ширины полосы. Для решения этой задачи были разработаны различные методы многостанционного доступа. В аналоговых сотовых сетях широко используется метод многостанционного доступа с разделением каналов по частоте — МДЧР, при котором каждый абонент использует свою собственную частоту или канал, либо их набор, как показано на рис. 3.10. Если рассматривать количество возможных радиосоединений, это означает, что одной частоте соответствует один пользователь и один канал (1 частота = 1 абонент = 1 канал). Для данного метода многостанционного доступа характерно неэффективное использование частотного ресурса мобильной системы связи общего пользования. Поэтому уже на раннем этапе развития систем радиосвязи был разработан более эффективный способ использования частотного ресурса. Этот метод, позволяющий повысить пропускную способность системы, называется многостанционным доступом с временным разделением каналов МДВР. Это наиболее распространенный метод многостанционного доступа, который использовался в системах сотовой связи 2-го поколения, таких как GSM. Кроме того, широко используются цифровые системы передачи на основе МДВР. Возможно, наиболее известной из них является система передачи ИКМ на основе требований Рекомендации МСЭ-Т G.703. В системе GSM пользователи определённой частоты делят её использование во времени: каждый пользователь имеет промежуток времени (временной интервал) для различных операций. Как показано на рис. 3.11, эти временные интервалы часто повторяются, что создает впечатление непрерывной передачи. Такая система позволяет одновременно обслужить несколько пользователей — столько, сколько имеется временных интервалов. В GSM одна и та же частота одновременно используется восемью абонентами.

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов МДКР представляет ещё один метод многостанционного доступа, используемый для тех же целей, что и МДЧР и МДВР. Однако он решает ту же проблему, используя совершенно другой принцип разделения частотного диапазона. Метод МДКР (CDMA) основан на использовании расширения спектра сигналов, и, возможно, представляет одну из самых сложных схем, которые когда-либо использовались в различных мобильных системах, в частности, в UMTS. На рис. З.12 показан принцип распределения радиоресурсов в системе МДКР. В отличие от схем МДЧР и МДВР в МДКР (CDMA) радиоресурс распределён по кодам. Таким образом, все одновременные пользователи могут занять одну и ту же полосу в одно и тоже время. Каждому пользователю присваивается код/коды, отличающиеся числом транзакций, и эти коды используются для разделения сот, каналов и абонентов. Все абоненты одновременно используют одну и ту же полосу частот, и, следовательно, в отличие от систем МДВР и МДЧР, разделение на временные или частотные интервалы отсутствует:

• Если скорость передачи данных источника невысокая, то спектр сигнала может быть хорошо расширен, а требуемая мощность передачи будет малая. Этот случай обозначен на рис. 3.12 более тонким слоем.

• Если скорость передачи данных источника высокая, то сигнал уже не может быть так же хорошо расширен и, таким образом, требуемая мощность передачи будет более высокой. Этот случай обозначен на рис. 3.12 более толстым слоем.

В отличие от методов многостанционного доступа с ограниченной полосой частот, таких как МДЧР и МДВР, которые из-за высокой степени повторного использования частот подвержены главным образом внутриканальным влияниям, в системах CDMA наиболее опасный тип помехи представляют взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях. Одна из основных причин заключается в том, что взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях возрастают из-за накопления суммарной мощности сигналов одновременно работающих в одной соте пользователей, а качество работы каждого отдельного пользователя при этом ухудшается. В зависимости от типа расширяющего сигнала, используемого для модуляции, метод МДКР (CDMA) может быть разбит на следующие группы:

• МДКР с прямым расширением спектра — DS-CDMA;

• МДКР со скачкообразной перестройкой частоты (частотный скачок) ? FH-CDMA;

• МДКР с перестройкой во времени (временной скачок)— TH-CDMA;

• МДКР с гибридной модуляцией — HM-CDMA;

• МДКР с несколькими поднесущими — MC-CDMA.

В схеме с прямым расширением спектра (DS-CDMA) сигнал данных на передающей стороне (например, мобильной или базовой станции) скремблируется псевдослучайной последовательностью ПСП, присвоенной пользователю для расширения сигнала с требуемой скоростью чип-кодирования и защищенностью. В приёмнике (мобильная или базовая станция) исходный сигнал выделяется с помощью точно такой же расширяющей кодовой последовательности. Предполагается, что в результате каждый бит сигнала будет расширен по всей ширине полосы частот радиоканала. Именно поэтому в отличие от узкополосных сотовых систем помеха может генерироваться во всех направлениях, как показано на рис. 3.13.

Коэффициент повторного использования частот в системе DS-CDMA равен единице, т. е. все пользователи для передачи своей информации одновременно используют общую частотную полосу. Преимуществом DS-CDMA является устойчивость к замираниям при многолучевом распространении сигнала. Действительно, в системах, основанных на методе МДВР, таких как GSM, аналогичное преимущество достигается при использовании метода скачкообразного изменения частоты, который можно сравнить со схемой расширения спектра. Но в случае совместного использования частотного спектра система более чем МДВР и МДЧР, уязвима к воздействию взаимных помех, создаваемых при работе нескольких пользователей. Как показано на рис. 3.14, при «частотном скачке» FH-CDMA изменение несущей частоты в процессе передачи сигнала расширяет используемый диапазон частот. Таким образом, если в течение определенного периода времени несущая частота остается неизменной, а затем скачкообразно перестраивается на другую частоту по правилу расширяющей кодовойпоследовательности, то это приводит к расширению спектра сигнала. В зависимости от скорости скачкообразной перестройки частоты несущего сигнала FH-CDMA подразделяется на две группы: метод быстрой скачкообразной перестройки частоты и метод медленного скачкообразного изменения частоты. При модуляции с быстрой скачкообразной перестройкой частоты период перестройки частоты обычно больше, чем длительность передачи символа, в то время как при медленной перестройке частоты период перестройки обычно меньше длительности передачи символа. Некоторые важные процедуры CDMA, например управление мощностью, намного легче реализовать и выполнить при FH-CDMA, чем при DS-CDMA. Это отчасти связано с применением частотного разделения в том варианте метода FH-CDMA, который используется в сотовой связи. Однако реализация быстрой скачкообразной перестройки частоты в FH-CDMA является более сложной задачей. В схеме «временного скачка» TH-CDMA переданный сигнал делится на кадры, которые далее делятся на временные интервалы. В процессе передачи пакета данных происходят скачки кадров по правилу, задаваемому кодовой последовательностью. При этом главная цель — выбрать такую кодовую последовательность, чтобы свести к минимуму одновременную передачу сигналов на одной частоте. Самой важной идеей такого подхода является объединение достоинств описанных ранее методов и создание удобных схем для большинства конкретных приложений. Комбинирование описанных схем CDMA даст различные гибридные схемы, такие как DS/FH, DS/ТН/ FH/TH и DS/FH/TH.

Метод с несколькими поднесущими (MC-CDMA) в отличие DS-CDMA использует в полосе частот не одну, а несколько несущих частот (см. рис. 3.15). Поэтому передатчик MC-CDMA, по существу, расширяет исходные сигналы на различных поднесущих, используя различные полосы частот с указанием расширяющей кодовой последовательности в запросе частоты. Схемы MC-CDMA подразделяются на две основные группы. Методы одной группы расширяют поток данных, используя заданный расширяющий код, а затем модулируют его на различных поднесущих, в то время как методы другой группы в основном аналогичны DS-CDMA. В дополнение к широко распространённым методам многостанционного доступа, описанным ранее, в области связи недавно возник интерес к многостанционному доступу с ортогональным разделением частот (OFDMA). Как показано на рис. 3.1.6, при использовании метода OFDMA за различными одновременными пользователями закрепляются отдельные тональные сигналы или группы сигналов. Поскольку совместно используемая полоса частот основана на ортогональном разделении тональных сигналов, то эффективность использования ширины полосы частот может быть повышена. Количество выделенных тональных сигналов может динамично подстраиваться в соответствии с количеством передаваемых данных. Метод OFDMA может использовать различные схемы скачкообразной перестройки в сочетании с временным разделением каналов. При объединении со скачкообразной перестройкой частоты, он может легко реализовать преимущества, обеспечиваемые методом расширенного спектра.