Сравнение систем множественного доступа (FDMA, TDMA, СDMА)

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования 

«Сибирский  государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ГОУ  ВПО «СибГУТИ») 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

Дисциплина: Организация производства на предприятиях связи

Тема: Сравнение систем множественного доступа (FDMA, TDMA, СDMА). 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                                                                                                                                                                   Выполнил: студент группы ЭДВ- 95

                                                                                           Мосягин Д.А. 

                                                                                                                                                                                                Проверил:______________________ 
 

Новосибирск 2011 г.

Содержание 

Введение 

  Понятие множественного доступа связано  с организацией совместного использования  ограниченного участка спектра  многими пользователями. В стандартах сотовой связи существует три варианта множественного доступа: с частотным (FDMA), с временным (TDMA) и с кодовым (CDMA) разделением каналов.

  В нашей  работе мы рассмотрим основные принципы и характеристики стандартов с различными способами  разделения каналов и попытаемся их сравнить опираясь на достоинства и недостатки каждого.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Технология  множественного доступа  с частотным разделением  каналов (FDMA) 
 

  FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ  с частотным разделением. Это  один из самых распространенных  методов множественного доступа, применяемых не только в сотовой связи, но и в других системах радиосвязи. Сам термин "множественный доступ" предусматривает разделение общего ресурса линии связи между информационными источниками. Принцип FDMA заключается в том, что весь частотный спектр разделяется между пользователями на равные или не равные частотные полосы. Причем каналы могут быть как симметричными в обоих направлениях, так и ассиметричными. Источники информации могут использовать выделенный им частотный ресурс неограниченно по времени, но при этом не должны создавать помехи соседним каналам. Чтобы избежать переходных помех вводят специальный защитный частотный интервал между соседними каналами. Это так называемая полоса расфильтровки. Она не используется для передачи информации и поэтому снижает общую пропускную способность имеющегося канала связи. 

Рис. 1 - Множественный доступ с частотным разделением. 

Метод FDMA используется как в аналоговых системах связи, так и в цифровых обычно на ряду вместе с другими методами множественного доступа TDMA и CDMA. В сотовой связи FDMA применяется во всех стандартах: NMT (Nordic Mobile Telephone), GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), LTE (Long Term Evolution), Mobile WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Такое широкое распространение FDMA в первую очередь обусловлено тем, что все системы сотовой связи используют радио соединение на участке между мобильной станцией и базовой, а частота – это самый важный и ценный ресурс такого соединения. Дело в том, что в отличии от проводных соединений, доступ к которым имеют лишь абоненты данной сети, в радио соединениях доступ к эфиру имеют одновременно несколько абонентов/операторов/систем сотовой связи и они не могут работать на одной частоте в одной точке пространства. В связи с этим появляется необходимость в разделении всего имеющегося ресурса на частотные полосы.

  FDMA часто  применяется в совокупности с  другими методами разделения  каналов. В GSM частотный метод  разделения применяется вместе с TDMA. Весь частотный диапазон разделяется на последовательно пронумерованные частотные симметричные в обоих направлениях полосы, каждый шириной 200 кГц. В свою очередь каждый частотный канал разделяется на 8 таймслотов, в которых уже и передается информация абонентов и системы. Между частотными каналами используется полоса расфильтровки для того, чтобы избежать переходных помех. В стандарте UMTS также используется FDMA вместе с CDMA. Однако в этом случае используют гораздо более широкие частотные каналы и меньшие полосы расфильтровки за счет меньшего уровня излучаемой мощности.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Технология  множественного доступа  с временным разделением каналов (TDMA) 

  TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ  с временным разделением. Это один из трех основных методов множественного доступа, т.е. способов разделения общего ресурса канала связи между участниками информационного обмена. TDMA широко применяется в стандартах второго поколения сотовой связи таких как, например, GSM.

Рис. 2 - Множественный доступ с временным разделением.

  Основной  принцип TDMA заключается в том, что  имеющийся ресурс разделяется между  участниками информационного обмена на циклически повторяющиеся промежутки времени. Промежутки времени получили название "таймслот" (timeslot, TS). При этом абонент может использовать всю ширину пропускания канала, но только в определенные временные отрезки. В такой ситуации главное, чтобы сигналы соседних таймслотов не накладывались друг на друга. Это может быть вызвано как слишком высокой мощностью передачи, так и помехами в канале, несовершенством используемого оборудования. Чтобы избежать подобных межслотовых помех часто вводят специальный защитный временной интервал. Таким образом, если часть энергии одного передатчика просочится за пределы отведенного ему таймслота, то она будет оказывать воздействие лишь на не несущий информацию защитный интервал. Введение такого интервала снижает общую пропускную способность канала связи, но необходимо для поддержания заданных характеристик качества обслуживания.

Рис. 3 - Защитные интервалы в цикле TDMA.

  Метод TDMA нашел широкое распространение  после появления цифровых систем передачи, в частности PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy - плезиохронная цифровая иерархия) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия). TDMA больше подходит для передачи цифрового потока, нежели FDMA, т.к. для его передачи как раз характерны особенности TDMA: широкополосность и небольшое время передачи.

  В стандарте  GSM одновременно используются TDMA и FDMA. Также TDMA на ряду с другими методами множественного доступа используется в стандартах UMTS и LTE.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Технология  множественного доступа  с кодовым разделением каналов (СDMA) 

  CDMA (Code Division Multiple Access) – метод множественного  доступа с кодовым разделением.  Этот метод отличается от двух  других наиболее распространенных  методов разделения каналов FDMA и TDMA тем, что коды в отличие  от времени и частоты не являются явным ресурсом канала связи. Несмотря на сложность реализации данный метод используется в радиосвязи уже довольно давно, т.к. обладает очень заманчивыми преимуществами, которых не имеют другие методы множественного доступа.

Рис. 4 - Принцип организации CDMA.

  Принцип CDMA заключается в том, что каждому  источнику информации назначается  индивидуальный код, при помощи которого он кодирует передаваемое сообщение. Приемник информации также знает этот код и его задача в том, чтобы выделить закодированное сообщение нужного отправителя из всего потока других сообщений. В этом и заключается вся сложность, т.к. коды должны быть как можно меньше похожи друг на друга, даже при временном смещении сообщений. На математическом языке свойство "похожести" называется корреляцией. Таким образом, закодированные сообщения должны обладать как можно меньшей корреляцией. Этим свойством обладают ортогональные коды, взаимное скалярное произведение которых равно 0. На практике удается получить не полностью ортогональные коды, а почти ортогональные. Это означает, что ортогональное произведение стремится к 0, но не достигает его, чего вполне достаточно для устойчивой работы системы, но, в свою очередь, накладывает определенные ограничения. В теории если бы можно было сгенерировать бесконечное число полностью ортогональных кодов, то в одном канале связи смогут одновременно работать бесконечное число абонентов. Из-за неполной ортогональности кодов сигналы различных источников могут создавать помехи друг на друга. Причем чем выше мощности сигналов, тем ощутимее может оказаться влияние. Поэтому число одновременно работающих абонентов и максимально возможная передаваемая мощность в системе с CDMA ограничены.

  Метод CDMA используется в основном в системах радиодоступа, т.к. в проводных системах его нецелесообразно использовать из-за высокой сложности и стоимости  приемо-передающих устройств. В сотовой связи принцип CDMA нашел применение в стандартах 2G и 3G. В частности стандарт CDMA-2000 включает этот метод множественного доступа на участке между базовой станцией (BTS) и мобильным оборудованием (MS). В UMTS используется модифицированный метод – WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access – широкополосный метод множественного доступа с кодовым разделением), главное отличие которого от CDMA заключается в том, что сигнал перед передачей в радиоэфир дополнительно расширяется. Это в свою очередь, позволяет добиться лучшей помехустойчивости, безопасности и снижения потребляемой мощности.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краткое сравнение технологий

  Любая сотовая  сеть строится по достаточно простому принципу: центр управления - базовые  станции - абонентские терминалы. Естественно, что каждый оператор сотовой связи стремится к максимальному наполнению своей сети абонентами. Отсюда возникает проблема обеспечения множественного доступа (multiple access) к базовой станции, для чего ее общий ресурс, а, попросту говоря, лицензированный диапазон частот, делится на определенное количество каналов, к которым и получают доступ пользователи. Естественно, что в одно и то же время один канал может использоваться только одним абонентом.

Сравним методы множественного доступа на примере диаграмм:

Исторически первыми  появились методы множественного доступа, основанные на разделении каналов по частоте. В этом случае, каждый канал занимает строго определенную полосу частот в закрепленном за сотой частотном диапазоне, и какое-либо совместное использование одной полосы частот несколькими абонентами невозможно.

  Упомянув  о невозможности совместного использования одной полосы частот несколькими абонентами в границах одной соты, мы не можем не задаться вопросами: какова стандартная ширина таких каналов и, соответственно, сколько их умещается в частотном диапазоне одной соты? Практика показывает, что общий диапазон частот, отведенный для конкретной сотовой сети, достаточно разделить на семь, чтобы обеспечить "разнесение" по частотам соседних ячеек сети (см. Рис.6). Таким образом, можно повторно использовать одни и те же частоты в неграничащих друг с другом сотах, а, значит, практически неограниченно расширять сеть даже в условиях ограниченного диапазона частот.

  Из Рис. 6 хорошо видно, что большей, по сравнению с FDMA, емкости сети можно достичь с помощью одного из многочисленных методов множественного доступа с временным разделением каналов. В TDMA используется интересная особенность работы базовой станции, заключающаяся в том, что на определенной частоте базовая станция какую-то часть времени работает на одного абонента, какую-то - на другого, и так далее. Перерывы связи между этими временными интервалами достаточно малы, чтобы не восприниматься человеческим ухом, однако достаточны велики, чтобы обеспечивать беспроблемную работу нескольких абонентов в одной полосе частот. Понятно, что под каналами в TDMA понимаются уже не эти полосы частот, а временные интервалы, в которых и передается в оцифрованном и сжатом виде информация. Всем нам теперь хорошо известный GSM  и есть не что иное, как один многочисленных стандартов TDMA.

  В случае с CDMA все ячейки работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

  Кроме преимущества CDMA относительно ёмкости есть и ёще ряд важных отличительных черт в пользу стандарта CDMA: