Лекции по Широкополосным сигналам и системам   

5. Роль широкополосных сигналов в системах с множественным доступом

5.6. Асинхронное кодовое разделение в сотовых сетях

            В рамках сотовой философии пространственное затухание радиоволн проявляет свое позитивное качество, открывая путь к многократному использованию одних и тех же физических каналов (например, частотных полос при FDMA или временных слотов при TDMA) разными передатчиками, если взаимное удаление последних достаточно для приемлемого снижения уровня сигнала каждого в зонах покрытия остальных. Повсеместно принято аппроксимировать индивидуальную ячейку сотовой сети правильным шестиугольником, так что рисунок сети напоминает медовые соты (см. рисунок), объясняя названия и самой сети, и ее ячеек.


            Большая емкость системы, реализующей при сотовой топологии асинхронный вариант CDMA по сравнению с FDMA (как и TDMA), объясняется тем фактом, что в сетях с FDMA каждая ячейка может использовать только достаточно небольшую часть общей полосы . Действительно, пусть в пределах одной конкретной ячейки выделены  частотных (физических) пользовательских каналов. Указанные частотные каналы не могут быть использованы  в  соседних ячейках.

В противном случае на приемник базовой станции (BS1) данной ячейки будут воздействовать помехи, создаваемые мобильной станцией (MS3), которая обслуживается соседней базовой станцией (BS2) (см. ранее приведенный рисунок). Другими словами, наборы частот всех сот вокруг любой конкретной ячейки должны отличаться от множества частот, используемого центральной сотой. Таким образом, возникает конфигурация, называемая кластером, в пределах которой повторное использование множества частот запрещено. Регулярная шестиугольная структура сот, в которой распределение частот между ячейками удовлетворяет вышеприведенному условию, может существовать только при некоторых определенных размерах кластера. Наиболее типичным является 7-сотовый кластер, фрагмент топологии которого представлен на рисунке предыдущего слайда. Следовательно, лишь седьмая часть общего числа физических каналов (частот), допускаемых полным частотно–временным ресурсом  системы, может использоваться отдельной ячейкой. Отсюда следует оценка максимального числа пользователей на одну соту в системах с FDMA или TDMA в предположении асинхронной работы, характерной для канала вверх:

.

            Рассмотрим теперь канал «вверх» CDMA сотовой системы, в которой все ячейки используют одну и ту же частотную полосу без дробления спектрального ресурса между ними. Другими словами, сигнатуры всех сот, включая соседние, занимают одну и ту же спектральную полосу  и кластер состоит из единственной ячейки. Ясно, что приемник БС некоторой конкретной соты будет принимать помехи множественного доступа не только от абонентов своей соты, но и от МС, обслуживаемых сторонними базовыми станциями.

            В любой асинхронной CDMA системе для нейтрализации эффекта «близкий-далекий», характеризующего возможность подавления или маскирования (вследствие ограниченности динамического диапазона приемника) сильным сигналом пользователя, расположенного вблизи от BS, слабого сигнала от удаленной MS, жизненно важна точная регулировка мощности. Будем считать, что в пределах ячейки, обслуживаемой BS1 (см. предыдущий рисунок), мощность сигнала, принимаемого базовой станцией от любой мобильной, поддерживается постоянной и равной . Тогда приемник, настроенный на сигнал мобильной станции MS1, будет испытывать мешающее воздействие как от внутренних пользователей (т.е. станции MS2), так и внешних (обслуживаемых другой базовой станцией), т.е. MS3. Если обозначить число пользователей, приходящееся на одну ячейку, снова через , то помехи множественного доступа, обусловленные внутренними пользователями, будут характеризоваться спектральной плотностью мощности (поскольку широкополосная природа помех будет восприниматься как аддитивный шум), равной

.

            Оценим теперь мощность  «внешнего» сигнала на входе приемника BS1. Используя обозначения, приведенные на предшествующем рисунке, и полагая экспоненту ослабления мощности от расстояния в модели Окамуры–Хаты, равной , получаем

,

где учтен тот факт, что мощность сигнала MS3 на входе приемника BS2 поддерживается равной .

            Полагая, что любое положение MS3 внутри соты покрытия BS2 равновероятно, и аппроксимируя шестиугольную ячейку кругом радиуса , можно найти значение , усредненное по всем возможным позициям MS3:

.

            Вычисление данного интеграла приводит к следующему результату

.

            Как видно, среднее значение мощности принятого сигнала от MS соседней соты, более чем в 20 раз меньше мощности «собственной» для данной BS мобильной станции. Можно предположить, что помехи множественного доступа от удаленных ячеек будут во много раз меньше, чем от соседних. Поэтому, спектральная плотность мощности межсотовых помех  может быть оценена только с учетом помех от первого слоя из шести ближайших ячеек:

,

так что полная (учитывающая как внешние, так и внутренние ПМД) спектральная плотность мощности помехи будет

.

            Этот результат допускает дальнейшую ревизию для «чистой» телефонии, поскольку каждый из участников диалога делает паузы, тратя какое-то время на прослушивание и обдумывание. Очевидно, что на время таких пауз передатчик молчащей стороны можно выключить или, по крайней мере, значительно снизить его мощность, что стандартах с CDMA способствует снижению уровня ПМД и, следовательно, потенциальному увеличению числа пользователей, обслуживаемых одной сотой.

            За типичное значение фактора речевой активности, т.е. доли общей продолжительности разговора, в течение которого участник соединения активен, часто принимается . Соответственно, взвешивание средней спектральной мощности ПМД этим коэффициентом трансформирует полученное выше соотношение следующим образом

.

            В результате «предельное» отношение сигнал-помеха становится равным

.

            При прежнем условном отношении сигнал-(помеха+шум), равном 7 дБ, максимальное число пользователей, приходящееся на одну ячейку, будет

.

            Оценка, даваемая этим неравенством, примерно шестикратно превышает емкость соты c FDMA при одном и том же частотно-временном ресурсе. Таким образом, потенциально асинхронный вариант CDMA заметно выигрывает в абонентской емкости соты в сравнении с более традиционными ортогональными схемами множественного доступа на основе FDMA и TDMA.

            Интересной чертой систем с асинхронным кодовым разделением, иногда причисляемой к достоинствам, является «мягкий» характер отказов в обслуживании. Во всех реальных многопользовательских системах физические каналы (поднесущие частоты в FDMA, временные слоты в TDMA или сигнатуры в CDMA) не закрепляются за потребителями раз и навсегда. Вместо этого сеть сама управляет совокупностью каналов трафика и выделяет пользователю один из них только тогда, когда от него поступит заявка на соединение. В системах с FDMA или TDMA число физических каналов жестко фиксировано и время от времени может произойти отказ в обслуживании (жесткая блокировка), т.е. игнорирование сетью пользовательского запроса по причине занятости всех каналов трафика.

            Иные сценарии характерны для сетей CDMA. Во-первых, если число уже активных абонентов равно условно-номинальному, вновь поступившую заявку, тем не менее, можно удовлетворить, присвоив входящему пользователю сигнатуру, отличную от уже занятых. Это приведет к некоторому (обычно, небольшому) уменьшению отношения сигнал-(шум+помеха), и, следовательно, качества обслуживания всех активных пользователей. Таким образом, вместо прямого отказа происходит «мягкая блокировка».

            Материалы главы дают основание резюмировать, что широкополосная философия является гибким и эффективным средством в реализации множественного доступа, а сотовые сети связи дают весьма благодатную почву для наиболее убедительного проявления преимуществ CDMA.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.