2.4.4. Методы множественного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В ССС существует три варианта множественного доступа: с частотным, с временным и с кодовым разделением каналов [55].

Множественный доступ с частотным разделением FDMA

В методе FDMA каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Д/(частотный канал). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сото­вой связи, при этом полоса частот А/составляет 10-30 кГц. Основной недостаток метода FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответст­венно повысить емкость системы сотовой связи.

Множественный доступ с временным разделением ТDМА

В методе TDMA каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определен­ные промежутки времени.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала Д/= 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число ФК воз­растает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы

Однако метод TDMA не реализует всех возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Преимущество в этом отношении имеет метод CDMA.

Множественный доступ с кодовым разделением CDMA

В методе СDМА большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновремен­но использует общую относительно широкую полосу частот (не менее 1 МГц). Каналы тра­фика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не су­ществует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Вещание абонентов накладывается друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы. Как и ТDМА, метод СDМА может быть реализован только в цифровой форме.

Основные принципы метода - расширение спектра за счет модуляции ПСП в сочета­нии с кодовым разделением физических каналов - определяют и общие достоинства метода СDМА: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолуче­вого распространения, высокую емкость системы.

В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на БС и ис­пользование принципа «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи), оперативное изменение числа задействованных кана­лов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически реализовать предельно малое допустимое отношение сигнал/помеха, т.е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. Это технические особенности CDMA обеспечивают высокие характеристики метода. С другой стороны, их реализация достаточно сложна.

В методе нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же поло­са частот. Если, в терминах разработки Qualcomm, под СDМА отведена полоса более широкая, чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23 МГц использует­ся во всех ячейках с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в каче­стве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке кана­лов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7-ячеечном кластере методов FDMA и ТDМА).В методе CDMA реализуется «мягкая передача обслуживания». Когда ПС приближает­ся к границе ячейки, т.е. сигналы от двух БС (рабочей ячейки и одной из смежных) становятся соизмеримыми по уровню, по команде с ЦК через БС смежной ячейки организуется второй канал связи с той же ПС; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. ПС принимает сигналы одновременно от двух БС, используя технические возможности рейк-приемника. Так продолжается до тех пор, пока ПС не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй БС не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал свя­зи через первую БС закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается.

Метод CDMA требует точной синхронизации БС системы. Это может быть реализова­но, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате ССС оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфи­денциальности передаваемой информации. Высокая помехоустойчивость CDMA и распреде­ление энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью и хорошо рабо­тает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрыт­ностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслужива­ния», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических ре­шений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации БС, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических кана­лов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход от FDMA к TDMA увеличивает число физи­ческих каналов в три раза, а при полускоростном кодировании в шесть раз, получается, что пе­реход от TDMA к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов.

Однако фактически возможно более сильное влияние помех в CDMA, чем принима­лось в расчетах, а также в некоторых ситуациях может возникнуть необходимость более плотного расположения БС. Эти факторы ведут к снижению емкости системы. Кроме того, метод TDMA имеет дополнительные возможности: скачки по частоте (предусмотренные, в частности, стандартом GSM), которые, в сочетании с прерывистым излучением (отработкой «речевой активности») и оперативной регулировкой мощности излучения, смягчают влияние релеевских замираний и снижают средний уровень помех, т.е. позволяют реализовать боль­шие значения коэффициента повторного использования частот. К той же цели ведет и ис­пользование адаптивного распределения каналов, в том числе в сотовых сетях иерархической структуры; в отношении построения последних TDMA имеет преимущества по сравнению с CDMA. В результате методы CDMA и TDMA оказываются примерно сопоставимыми по обеспечиваемой ими емкости.