4. Ущільнення з кодовим поділом

Ущільнення з кодовим поділом (Code Division Multiplexing, CDM) ґрунтується на тимчасове призначення кожному каналу (кожному РЕМ, абоненту) свого автентичного коду, забезпечує можливість вибіркової адресації, і дозволяє багатьом користувачам, розташованих в одній зоні, використовувати одні й ті ж смуги радіочастот , не створюючи радіоперешкод один одному (рис. 1, д). З фізичної точки зору використання методу CDM базується на застосуванні принципу ортогональності кодів, тобто високого рівня автокореляції коду і низького рівня кореляції кодів (або одного і того ж коду) навіть при невеликих відхилень фази.

Простий реалізацією методу CDM є схема множинного доступу з розширенням, яка реалізована за принципом Aloha (SAMA, Spread Aloha Multiple Access), і являє собою комбінацію схем CDMA і TDMA. Особливістю зазначеної схеми, в якій кілька передавачів синхронізуються і працюють на одній частоті і використовують один код, є застосування сигналів з розширеним спектром, що забезпечує можливість їх поділу (після стиснення) на приймальній стороні за рахунок різниці фаз чіпових послідовностей. Поширеним застосуванням методу CDM є метод множинного доступу з кодовим поділом (CDMA, Code Division Multiple Access), який реалізований в системах зв'язку UMTS і cdma2000, і отримав розширене використання в системах супутникового зв'язку Ellipso і Omnitracs. Застосування методу CDMA для систем стільникового зв'язку має кілька переваг перед іншими методами (FDMA і TDMA), зокрема:

1. Частотне рознесення. Завдяки розташуванню сигналів, які передаються в широкій смузі частот, спотворення передачі сигналів на певній частоті (наприклад, через впливу шуму чи селективне завмирання) в меншій мірі впливає на сам сигнал.

2. Зменшення негативних ефектів багатопроменевого розповсюдження. Крім здатності сигналів DSSS, що використовуються в CDMA, протидіяти багатопроменевого поширення за рахунок частотного рознесення, коди, вживані для CDMA, мають дуже низький рівень кореляції. Тому сигнал, що надходить із затримкою більше, ніж тривалість одного елементарного інтервалу, не схильний інтерферференціі з домінуючим сигналом, як це має місце в інших середовищах багатопроменевого поширення.

3. Конфіденційність. Завдяки тому, що розширений спектр створюється шляхом застосування шумоподібних сигналів, коли кожному користувачеві надається "власний" код, такою схемою властива конфіденційність.

4. Поступове зниження ефективності функціонування системи. На відміну від систем, заснованих на застосуванні методів FDMA або TDMA, при яких в мережі може одночасно звертатися тільки фіксована (обмежена) кількість користувачів, у разі використання CDMA і збільшення при цьому кількості користувачів, які отримали одночасний доступ до мережі, одночасно підвищується і рівень шумів , що призводить до зростання частоти появи помилок. Таким чином, система наближається до моменту появи неприпустимої якості зв'язку поступово.

До основних недоліків методу CDMA відносяться:

1. У разі неточної синхронізації роботи терміналів рухливих користувачів, сигнали, що надходять від різних абонентів, що не будуть точно вирівняні щодо меж кодів. В результаті чого сигнали, в яких використані різні розширені послідовності, що не будуть ортогональними, що може призвести до появи деякої взаємної кореляції між ними. Це принципово відрізняє даний метод від методів FDMA і TDMA, в яких присутні захисні тимчасові або частотні інтервали, що забезпечує хоча б наближену, ортогональность.

2. Проблема розташування. Сигнали, що надходять від найближчих до базової станції мобільних терміналів, затухають менше ніж сигнали, що надходять від віддалених абонентів. У разі відсутності якої-небудь ортогональності передані дані з віддаленого мобільного терміналу дуже важко відновити. Тому в системах, заснованих на застосуванні методу CDMA, використовується регулювання рівня потужності радіовипромінювання.

3) М'яке перемикання. Для забезпечення плавного перемикання обслуговування мобільного терміналу від однієї базової станції до іншої потрібно попереднє встановлення зв'язку з цією базовою станцією без припинення зв'язку з першою станцією (так звана "м'яка естафетна передача" або "м'який хендовер", soft handover).

Ще один метод ущільнення ґрунтується на застосуванні поділу каналів з поляризацією (PDMA, Polarization Division Multiple Access), для чого використовуються сигнали двох ортогональних поляризацій, наприклад, з вертикальної і горизонтальної або з круговими, які мають протилежні напрямки обертання. Тому метод PDMA дозволяє розділити по поляризацією не більше двох каналів (в загальному випадку з не ортогональними сигналами) за рахунок застосування адаптивних методів поляризаційного обробки.

Порівняння методів SDMA, FDMA, TDMA і CDMA.

Вище були наведені основні принципи, на яких ґрунтується застосування різних методів доступу до середовища передачі даних (телекомунікаційних мереж).

Однак на практиці в реальних системах ці методи завжди використовуються в комбінаціях один з одним. Результати порівняльного аналізу механізмів застосування методів SDMA, TDMA, FDMA і CDMA наведені в табл.1.

Найважливіше обмеження застосування методу FDMA - це неможливість обслуговування кількості абонентських станцій більшою, ніж NFDMA

(відповідно до формули (1)).

  При використанні комбінованого частотно-часового образу

(з виділенням кожному абоненту смуги частот в обмежений інтервал часу Тк із захисним інтервалом Тз) загальна кількість абонентів мережі зв'язку TDMA, які можуть бути обслужені протягом часу Т, визначається виразом

(2)

На рис. 1, зображено умовне розподіл каналів у разі спільного застосування методів ущільнення FDMA і TDMA.

До однієї з типових відноситься комбінація SDMA / FDMA / TDMA, яка отримала широке використання в системах рухомого зв'язку

1S-54, GSM, DECT, PHS, PACS, Iridium, ICO. Об'єднана схема на базі застосування SDMA і CDMA реалізована в системах Globalstar і IS-95. Кожна з розглянутих схем має свої переваги і недоліки.

Схема CSMA ефективна в разі малої завантаження.

Таблиця 1 - Порівняння механізмів застосування методів SDMA, TDMA, FDMA і CDMA

Критерії	SDMA	TDMA	FDMA	CDMA
Основний принцип дії	Поділ простору на стільники, сектора	Поділ часу передачі на інтервали, що не перекриваються	Поділ смуги частот на ділянки, які не перекриваються	Розширення спектру з використанням ортогональних кодів
Термінали	В одному соте (секторі) активний тільки один термінал	Усі термінали використовують одну частоту протягом коротких інтервалів часу	Кожен термінал працює на власній частоті, не заважаючи іншим	Усі термінали працюють одночасно без взаємного впливу
Поділ сигналів	Застосування окремих стільників і спрямованих антен	Потрібна тимчасова синхронізація	фільтрація частот	Застосування кодів і спеціальних приймачів
Переваги	Проста схема з можливістю збільшення кількості абонентів	Гнучка цифрова схема	Проста і стійка до впливу перешкод схема	Гнучка схема не вимагає планування, спрощене перемикання базових станцій
Недоліки	Недостатньо гнучка схема. Необхідні фіксовані антени	Потрібні захисні інтервали. трудність синхронізації	Недостатня гнучкість. Обмежений частотний ресурс	Складні приймачі. Потрібен контроль потужності передавачів
Примітка	Схема ефективна тільки в комбінації зі схемами TDMA, FDMA або CDMA	Стандартна схема для стаціонарних мереж, для мобільних використовується з комбінацією FDMA / SDMA	Поєднується зі схемами TDMA (схема FHSS) і SDMA	Складність реалізації. Інтегрується зі схемами TDMA / FDMA

Схема МАСА вирішує проблему "прихованих" терміналів, а схема опитуванням забезпечує фіксовану пропускну здатність. У стандарті

IEEE 802.11 об'єднані всі три схеми.

Схема CDMA в порівнянні з іншими має значні переваги з точки зору перемикання і плавної зміни ємності сот, а в поєднанні з методами FDMA і TDMA може використовуватися з метою збільшення ємності сот. Гнучка ємність систем, що базуються на застосуванні методу CDMA, означає, що в разі поступового збільшення кількості абонентів у певному соте жорсткого обмеження за їх кількістю не існує. У системах, заснованих на застосуванні методів FDMA і TDMA, таке обмеження є - у разі відсутності в системі вільних тимчасових інтервалів або частот доступ абонентів до системи припиняється. У системах, побудованих на базі CDMA, при підключенні нового абонента розміри сота зменшуються, що призводить до зростання рівня шуму, але при цьому абонентові надається доступ до мережі.

Лекція 6. Методи розширення спектру

Питання лекції:

1. Розширення спектру з використаних прямої послідовності

2. Розширення спектру зі стрибкоподібною зміною частоти

Ведення

Розширення спектру представляє собою метод модуляції, за яким:

- ширина спектра сигналу, що передається, значний більша за мінімальну ширину спектра, яка фактично потрібна для передавання даних;

- метод розширення спектра не залежиться від методу модуляції даних.

Найпоширенішого застосування набули 3 різновиди розширення спектра, які описані в Рекомендації ITU-R SM.1055 та в, а саме:

• з використанням прямої послідовності;

• зі стрибкоподібною зміною частоти;

• з поєднанням зазначених вище методів прямої послідовності та стрибкоподібної зміни частоти (FH/DS, Frequency Hopping/Direct Spread).