Технологии разделения ресурсов связи

1. Технологии разделения ресурсов связи

1
Технологии разделения ресурсов связи
Ресурс связи (РС) представляет время и ширину полосы, доступные для
передачи сигнала в определенной системе.
Для создания эффективной ТКС необходимо спланировать распределение РС
между пользователями системы, чтобы время/частота использовались
максимально эффективно. Результатом такого планирования должен быть
равноправный доступ пользователей к ресурсу.
Существует три основных способа распределения РС:
1. частотное разделение (FD);
2. временное разделение (TD);
3. кодовое разделение (СD).
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

2. Уплотнение и множественный доступ

2
Уплотнение и множественный доступ
Уплотнение – технология,
позволяющая одновременно передавать несколько
информационных каналов
(использовать ресурс связи
одновременно группой
пользователей).
Множественный доступ
(МД) - совокупность мер по
обеспечению возможности
параллельной работы
многих пользователей в
рамках частотновременного ресурса,
выделенного
телекоммуникационной
системе.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

3. Ортогональность сигналов

3
Ортогональность сигналов
Ключевой момент для всех схем уплотнения и МД: РС используется
различными сигналами, при этом их интерференция не создает
неуправляемых взаимных помех. Такая ситуация достигается путем
использования ортогональных сигналов.
Сигналы xi(t), i=1,2, …, являются ортогональными, если во временной области
выполняется условие:
K при i j
xi (t ) x j (t )dt 0 при i j
f5
Полоса частот 3
Частота
где К – ненулевая константа. Подобным
образом сигналы ортогональны, если в
частотной области выполняется
условие:
K при i j
X
(
f
)
X
(
f
)
df
j
i
0 при i j
Еремеев О.И.
Защитная полоса
Полоса частот 2
f2
f1
Защитная полоса
Полоса частот 1
f0
где функции Хi(f) являются Фурьеобразами сигналов xi(t).
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
f4
f3
Время
22.06.2017

4. Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

4
Множественный доступ с частотным
разделением (FDMA)
Распределение по каналам, для которых выполняется ортогональность
сигналов в частотной области называется уплотнением сигнала с
частотным разделением (FDM, Frequency Division Multiplexing) или
множественный доступ с частотным разделением (МДЧР, FDMA,
Frequency Division Multiple Access).
РС может одновременно содержать
несколько сигналов, разнесенных в
спектре по различным полосам частот.
Области спектра, находящиеся между
используемыми диапазонами, называют
защитными полосами частот (ЗПС).
f5
Полоса частот 3
Частота
Для данного метода РС можно
представить в виде данной частотновременной зависимости.
f4
f3
Защитная полоса
Полоса частот 2
f2
f1
Защитная полоса
Полоса частот 1
f0
Время
ЗПС играют роль буфера, что позволяет снизить интерференцию между
соседними (по частоте) каналами.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

5. FDMA. Модулирование сигнала

5
FDMA.
Модулирование сигнала
Для переноса спектра исходного сигнала в более высокий диапазон частот
используется смешивание (модуляция) информационного сигнала и
гармонического сигнала фиксированной высокой частоты.
Если два входных сигнала описываются синусоидами с частотами fA и fБ, их
смесь или перемножение дает частоты fA+Б и fА-Б:
cos A cos Б
1
cos( A Б ) cos( A Б )
2
Входной немодулированный
голосовой спектр
|X(f)|
Пример модуляции
телефонным сигналом (3003400 Гц) синусоидального
сигнала с частотой 20 кГц.
-3400
-300
300
Выход
x(t)
(300-3400 кГц)
Смеситель
cos 2pif0t
(f0=20 кГц)
Частота,
3400 Гц
Выходной двухполосный спектр
|X(f)|
НБП
ВБП
16600 19700
20300
23400
Частота,
Гц
20000
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

6. FDMA. Множественный доступ

6
FDMA.
Множественный доступ
В результате смешивания спектр смещается в сторону более высоких частот по
сравнению с немодулированным спектром. Такой спектр называют
двухполосным, так как информация находится в двух различных диапазонах
частот – нижней боковой полосе (НБП) и верхней БП. Так как данные в БП
одинаковы, то можно использовать только одну из них.
Канал 1
300-3400 кГц
Голосовые каналы
модулируют сигналы с
различными частотами
несущих и сохраняются лишь
НБП. Суммарный выходной
сигнал представляет собой
сумму трех сигналов и
находится в диапазоне 8,619,7 кГц.
Смеситель 1
16,6-19,7 кГц
20 кГц
Канал 2
300-3400 кГц
Смеситель 2
16 кГц
Канал 3
300-3400 кГц
Смеситель 3
Выход
12,6-15,7 кГц
8,6
19,7 кГц
8,6-11,7 кГц
12 кГц
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

7. Множественный доступ с временным разделением (TDMA)

7
Множественный доступ с временным
разделением (TDMA)
Распределение по каналам, для которых выполняется ортогональность
сигналов во временной области называется уплотнением сигнала с
временным разделением (TDM, Time Division Multiplexing) или
множественный доступ с временным разделением (МДВР, TDMA, Time
Division Multiple Access).
Временной
интервал 2
Защитный временной интервал
Временной
интервал 1
Защитный временной интервал
Промежутки времени, разделяющие
используемые интервалы, называются
защитными интервалами (буфер между
сигналами).
Частота
РС может быть распределен путем
предоставления каждому из сигналов (или
пользователей) всего спектра в течение
небольшого отрезка времени, называемого
временным интервалом.
f1
Временной
интервал 3
f0
Время
В системах связи весь временной ресурс принято разбивать на интервалы,
которые называются кадрами. Каждый кадр делится на временные
интервалы, которые могут быть распределены между пользователями.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

8. TDMA с фиксированным и динамическим распределением

8
TDMA с фиксированным и динамическим
распределением
При использовании схемы с фиксированным разделением М временных
интервалов, составляющих кадр, заранее распределены между источниками
сигнала на достаточно длительный промежуток времени.
Кадр k
1
2
Кадр k+1
i
M
1
2
i
M
Время
i – i-й источник и получатель
Начальная
комбинация
битов
Состав сообщения:
Один
временной
интервал
- начальная комбинация битов (преамбула),
обычно состоит из элементов, которые
отвечают за синхронизацию, адресацию и
защиту от ошибок;
- информационная часть.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

9. TDMA с фиксированным и динамическим распределением

9
TDMA с фиксированным и динамическим
распределением
Схема TDMA с фиксированным разделением является чрезвычайно
эффективной, когда требования пользователя можно предвидеть, а поток
данных значителен (т.е. временные интервалы практически всегда заполнены),
но не оправдывает себя в случае случайного потока данных.
Вкл.
А
Выкл.
Номер кадра
2
3
1
А1
А2
А1
В1
D1
А2
C2
D2
B3
Вкл.
В
C3
D3
Время
В1
В3
Время
Неиспользованные
временные интервалы
Время
Выкл.
Вкл.
С
С2
С3
А1
В1
D1
А2
C2
Вкл.
D
D1
Выкл.
D2
B3
C3
D3
Время
Выкл.
D2
Дополнительные доступные
временные интервалы
D3
Время
Если требования пользователей непредсказуемы, то применяются методы с
использованием динамического распределения интервалов, которые
позволяют задействовать все доступные временные интервалы.
Существует несколько методов: системы с коммутацией пакетов,
статистические мультиплексоры или концентраторы.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

10. Комбинированный FDMA/TDMA

10
Комбинированный FDMA/TDMA
Комбинированный множественный доступ (FDMA/TDMА) - более общий
способ управления РС, позволяющий распределять частотные диапазоны на
заранее определенный период времени.
- Полоса частот Δf равномерно
распределяется на М частей.
- Каждый из кадров разбивается
на N интервалов длительностью
T/N.
Полоса частот Δf
- Ось времени делится на кадры
продолжительностью Т.
Временной
диапазон
- Каждый пользователь может
передавать данные, когда
начинается его интервал
времени, на протяжении которого
он может использовать
выделенную полосу частот.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Частотный
диапазон
T
Кадр
Еремеев О.И.
T
Кадр
22.06.2017

11. Множественный доступ в стандарте GSM

11
Множественный доступ в стандарте GSM
Системы GSM работают в диапазоне около 900 МГц, разбитом на два
поддиапазона шириной по 25 МГц : 890..915 МГц (от АС к БС) и 935..960 МГц (от
БС к АС) - используется организация дуплексной связи с частотным
разделением (FDD).
Каждый частотный поддиапазон
разбит на 124 частотных канала.
Ширина полосы каждого частотного
канала - 200 кГц.
Речевой канал системы GSM
использует пару частотных каналов
с результирующим разносом 45
МГц.
Наличие разноса препятствует
появлению переходных помех
между направлениями приема и
передачи.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

12. Множественный доступ в стандарте GSM

12
Множественный доступ в стандарте GSM
В каждом частотном канале данные передаются в 8 канальных интервалах (КИ),
т.е. используется временное разделение каналов.
Восемь КИ объединяются в цикл, а 26 циклов - в повторяющийся циклически
сверхцикл длительностью 120 мс.
Длительность КИ составляет около 600 мкс.
Конкретное портативное устройство ведет передачу сигнала базовой станции в
одном из КИ.
В течении остальных КИ передача не ведется (передатчик "молчит").
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

13. Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA)

13
Множественный доступ с кодовым
разделением (CDMA)
CDMA (МДКР) является практическим приложением методов расширения
спектра, которые можно разделить на две основные категории:
- Расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты (на рис.).
- Расширение спектра методом прямой последовательности (ПП).
Полоса 3
База сигнала - это произведение
эффективного значения длительности
сигнала и ширины его спектра:
Сигнал
3
Сигнал
1
Сигнал
3
Полоса 2
Методы расширения спектра актуальны
при передаче информации через канал с
сильными линейными искажениями (за
счет расширения спектра, приводящего к
увеличению базы сигнала).
Частота
Сигнал
2
Сигнал
3
Сигнал
2
Полоса 1
В методах расширения спектра полоса
частот, используемая для передачи
сигнала, намного шире минимальной,
необходимой для передачи данных.
Сигнал
1
Сигнал
2
Сигнал
1
Интервал 1
Интервал 2
Интервал 3
Время
B = Δt · Δf
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

14. Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA)

14
Множественный доступ с кодовым
разделением (CDMA)
Система связи называется системой с расширением спектра в случаях, если:
1. используемая полоса частот значительно шире минимальной, необходимой
для передачи данных;
2. расширение спектра производится с помощью так называемого
расширяющего (или кодового) сигнала, который не зависит от передаваемой
информации;
3. восстановление исходных данных приемником осуществляется путем
сопоставления полученного сигнала и синхронизированной копии
расширяющего сигнала («сужение спектра»).
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

15. CDMA. Расширение спектра на основе прямой последовательности

15
В данном методе исходная битовая
последовательность передаваемого
сигнала перемножается с импульсами
псевдослучайной последовательности
(ПСП).
Импульсы ПСП имеют вид
прямоугольных импульсов одинаковой
амплитуды и длительностью, много
меньшей длительности бита
передаваемого сообщения.
Импульсы ПСП короче битовых, поэтому их спектр много шире спектра
битовых посылок. В результате перемножения получается импульсный сигнал с
широким спектром.
Моменты появления импульсов ПСП определяются псевдослучайным законом,
известным и на передающей, и на приемной сторонах.
Далее этим сигналом модулируют гармонический сигнал несущей частоты и
получают радиосигнал с расширенным спектром.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

16. CDMA. Расширение спектра на основе прямой последовательности

16
Нежелательный
сигнал
Информационный
сигнал, x(t)
Скорость передачи, R
Восстановленный
информационный
сигнал
Ширина полосы
расширенного
сигнала, WSS ≈ RCH
Сигнал кода
расширения, g(t).
Скорость передачи
элементарных
сигналов, RCH
Фильтр
Ширина
полосы ≈ R
Сигнал кода
расширения, g(t).
Скорость передачи
элементарных
сигналов, RCH
В основе метода расширения спектра на основе ПП лежит операция свертки
в частотной области, которая соответствует перемножению функций во
временной области.
x(t)g(t) ↔ X(ω) *G(ω)
X ( ) G ( )
X ( )G( )d
1
1
1
Если информационный сигнал является узкополосным (по сравнению с
расширяющим сигналом), произведение x(t)g(t) будет приблизительно равно
ширине полосы расширяющего сигнала.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017

17. CDMA. Расширение спектра на основе прямой последовательности

17
В демодуляторе полученный сигнал умножается на синхронизированную
копию расширяющего сигнала g(t), в результате чего получается суженный
сигнал. Для отсеивания побочных высокочастотных компонентов используется
фильтр с шириной полосы R. Любой нежелательный сигнал, полученный
приемником, будет расширен путем умножения на g(t), также как передатчик
расширяет исходный сигнал.
Особенности схемы:
1. однократное умножение на
g(t) приводит к расширению
диапазона сигнала;
2. повторное умножение и
последующее фильтрование
восстанавливают исходный
сигнал;
3. исходный сигнал умножается
дважды, тогда как помеха
умножается только один раз.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
X(f)
GSS(f)
WSS
W
До расширения
После расширения
X(f)
GSS(f)
WSS
W
После расширения
WSS
Подавление после
сужения
Еремеев О.И.
22.06.2017

18. CDMA. Расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты

18
CDMA. Расширение спектра методом
скачкообразной перестройки частоты
В методе расширения спектра скачками по частоте спектр одного канала
узкополосный, но его положение в пределах выделенного диапазона частот
меняется по псевдослучайному закону путем скачкообразного изменения
частоты несущей.
При использовании диапазона многими пользователями каждый ведет
передачу/прием в пределах узкополосного канала, но в разные моменты
времени на разных частотах несущей. Смена частот несущих у всех
пользователей производится синхронно. В результате по псевдослучайному
закону окажется заполненным весь выделенный диапазон.
Модулятор
Канал
Модулятор
(перестройка
частоты)
Σ
Приемник
Демодулятор
(перестройка
частоты)
Демодулятор
Данные
Данные
Передатчик
Интерференция
Генератор
псевдошумовой
последовательности
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Генератор
псевдошумовой
последовательности
Еремеев О.И.
22.06.2017

19. CDMA. Расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты

19
CDMA. Расширение спектра методом
скачкообразной перестройки частоты
Систему можно рассматривать как двухэтапный процесс модуляции:
1. Модуляция информацией
2. Модуляция перестройкой частоты.
Частота несущей является псевдослучайной (псевдослучайные коды
ортогональны друг другу).
При каждом скачке генератор псевдослучайного сигнала передает синтезатору
частот частотное слово (последовательность элементарных сигналов).
Минусы:
• Системы с медленной перестройкой частоты – это вероятность случайного
появления мощных пакетов ошибок;
• с быстрой перестройкой частоты - дорогие высокоскоростные синтезаторы;
• с ПП - все хорошо, только существуют ограничения на расширение спектра,
а также порой значительная цена.
Плюсы: Преимущества МДКР перед МДЧР и МДВР – конфиденциальность,
отсутствие каналов с замираниями, сопротивление подавлению.
Национальный Аэрокосмический Университет «ХАИ»
Еремеев О.И.
22.06.2017