11.1.1. Уплотнение/множественный доступ с частотным разделением
11.1.1.1. Использование уплотнения с частотным разделением в телефонной связи
11.1.1.2. Множественный доступ с частотным разделением в спутниковых системах
11.1.2. Уплотнение/множественный доступ с временным разделением
11.1.2.1. TDM/TDMA c фиксированным распределением временных интервалов
11.1.3. Распределение ресурса связи по каналам
11.1.4. Сравнение производительности FDMA и TDMA
11.1.5. Множественный доступ с кодовым разделением
11.1.6. Множественный доступ с поляризационным и пространственным разделением
Существует три основных способа увеличения пропускной способности (общей скорости передачи данных) ресурса связи. Первый состоит в увеличении эффективной изотропно-излучаемой мощности (effective isotropic radiated power — EIRP) передатчика или в снижении потерь системы, что в любом случае приведет к увеличению отношения Eb/N0. Второй способ — это увеличение ширины полосы канала. Третий способ заключается в повышении эффективности распределения ресурса связи. Одна из возможных реализаций этого способа — множественный доступ. Пример: спутниковый транспондер, который должен эффективно распределить ограниченный ресурс связи между большим количеством пользователей, обменивающихся цифровой информацией. При этом пользователи могут требовать различных скоростей передачи данных и иметь разные рабочие циклы. Основные способы распределения ресурса связи приводятся ниже (рис. 11.1, под заголовком уплотнение/множественный доступ).
1. Частотное разделение (frequency division — FD). Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.
2. Временное разделение (time division — TD). Пользователям выделяются периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.
3. Кодовое разделение (code division — CD). Выделяются определенные элементы набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.
4. Пространственное разделение (space division — SD), или многолучевое многократное использование частоты. С помощью точечных лучевых антенн радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны. Данный метод допускает многократное использование одного частотного диапазона.
5. Поляризационное разделение (polarization division — PD), или двойное поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортогональная поляризация, что позволяет использовать один частотный диапазон.
Рис. 11.1. Основные преобразования цифровой связи
Ключевым моментом во всех схемах уплотнения и множественного доступа является то, что при использовании ресурса различными сигналами интерференция не дает неуправляемых взаимных помех, которые делают невозможным процесс обнаружения. Интерференция допустима до тех пор, пока сигналы одного канала незначительно увеличивают вероятность появления ошибок в другом канале. Избежать взаимных помех между разными пользователями позволяет использование в разныл каналах ортогональных сигналов. Сигналы xi(f), где i = 1, 2,..., являются ортогональными, если во временной области выполняется условие:
(11.1)
где К — ненулевая константа. Подобным образом сигналы ортогональны, если в частотной области выполняется условие:
(11.2)
где функции Xi(f) являются Фурье-образами сигналов Xi(t). Распределение по каналам, характеризующееся ортогональными волнами, для которых выполняется условие (11.1), называют уплотнением с временным разделением (time-division multiplexing — TDM) или множественным доступом с временным разделением (time-division multiple access — TDMA). Распределение по каналам, характеризующееся ортогональными волнами, для которых выполняется условие (11.2), называют уплотнением с частотным разделением (frequency-division multiplexing — FDM) или множественным доступом с частотным разделением (frequency-division multiple access — FDMA).
11.1.1. Уплотнение/множественный доступ с частотным разделением
11.1.1.1. Использование уплотнения с частотным разделением в телефонной связи
На заре создания телефонной связи для каждой магистральной телефонной линии, соединяющей междугородные телефонные центры, было необходимо устанавливать два провода. Как видно из рис. 11.2, небо над крупными городами становилось все темнее по мере развития телефонной связи. Важное открытие в области телефонной связи в начале XX века — уплотнение с частотным разделением (frequency-division multiplexing — FDM) — позволило передавать несколько телефонных сигналов по одному проводу, а следовательно, изменить методы телефонной передачи.
Ресурс связи представлен на рис. 11.3 в виде частотно-временной зависимости. Спектральное распределение по каналам является примером технологии FDM или FDMA. Здесь распределение сигналов или пользователей по диапазону частот является долгосрочным или постоянным. Ресурс связи может одновременно содержать несколько сигналов, разнесенных в спектре. Первый частотный диапазон содержит сигналы, которые используют промежуток частот между f0 и f1 второй — между f2 и f3 и т.д. Области спектра, находящиеся между используемыми диапазонами, называют защитными полосами частот. Защитные полосы выполняют роль буфера, что позволяет снизить интерференцию между соседними (по частоте) каналами.
Рис. 11.2. На заре создания телефонной связи для каждой магистральной телефонной линии было необходимо устанавливать два провода
Может возникнуть вопрос: как преобразовать немодулированный сигнал так, чтобы он использовал более высокий диапазон частот? Ответ: при помощи наложения или смешивания (модуляции) информационного сигнала и синусоидального сигнала фиксированной частоты.
Если два модулируемых входящих сигнала описываются синусоидами с частотами fА и fB, их смешение или перемножение дает частоты fА+В и fА-В. Процесс модуляции описывается следующим тригонометрическим равенством.
(И.З)
На рис. 11.4, а показано модулирование типичного голосового телефонного сигнала x(t) (частоты немодулированного сигнала принадлежат диапазону 300-3400 Гц) синусоидальным сигналом с частотой 20 кГц. Двусторонний спектр немодулированного сигнала, |Х(f)|, показан на рис. 11.4, а. Может ли смеситель сигналов быть линейным устройством? Нет. Выходной сигнал линейного устройства будет иметь те же составляющие частоты, что и входной сигнал. Различие может быть лишь в амплитуде и/или фазе.
Рис.11.3. Управление частотным разделением
Рис. 11.4. Смешивание сигналов: а) процесс смешивания, б) выходной спектр смесителя, в) нижняя боковая полоса, г) верхняя боковая полоса.
На рис. 11.4, 6 представлен односторонний спектр |X(f-f0)| на выходе смесителя. В результате смешивания, описанного в уравнении (11.3), спектр смещается в сторону
более высоких частот, по сравнению с немодулированным спектром, и центрирован теперь на частоте 20 кГц. Данный спектр называют двухполосным (double-sideband — DSB), поскольку информация находится в двух различных диапазонах частот. На рис. 11.4, в показана нижняя боковая полоса (lower sideband — LSB), которой принадлежат частоты 16 600-19 700 Гц. Иногда нижнюю боковую полосу называют инвертированной боковой полосой, поскольку частотные составляющие этой полосы расположены в обратном порядке, по сравнению с немодулированным сигналом. Подобным образом фильтрование может использоваться для выделения верхней боковой полосы (upper sideband — USB), которой, как показано на рис. 11.4, г, принадлежат частоты 20 300-23 400 Гц. Данную боковую полосу иногда называют прямой, поскольку частотные составляющие этой полосы расположены в том же порядке, что и в немодулированном сигнале. Обе боковые полосы спектра DSB содержат одну и ту же информацию. Таким образом, для восстановления исходных данных немодулированного сигнала необходима лишь одна боковая полоса — верхняя или нижняя.
На рис. 11.5 приведен простейший пример технологии FDM. В данном случае реализована схема с тремя каналами передачи речи. В канале 1 голосовой сигнал из диапазона 300-3 400 Гц модулируется сигналом с частотой 20 кГц. В каналах 2 и 3 аналогичный голосовой сигнал модулируется сигналами с частотами 16 и 12 кГц. В приведенном примере сохраняются лишь нижние боковые полосы. Результатом смешивания и фильтрации (для удаления верхних боковых полос) являются сдвинутые по частоте сигналы, показанные на рис. 11.5. Суммарный выходной сигнал есть суммой трех сигналов и принадлежит диапазону 8,6-19,7 кГц.
Рис. 11.5. Простейший пример FDM. Три сдвинутых по частоте канала передачи речи.
На рис. 11.6 представлены два наиболее низких уровня иерархии уплотнения телефонных каналов-с использованием FDM. Первый уровень состоит из группы 12 каналов, модулируемых поднесущими с частотами из диапазона 60-108 кГц. Второй уровень, состоящий из пяти групп (60 каналов), называют супергруппой. Супергруппа модулируется поднесущими с частотами из диапазона 312-552 кГц. Уплотненные каналы теперь рассматриваются как составной сигнал, который может передаваться по кабелю или модулироваться несущей с целью последующей радиопередачи.
Рис. 11.6. Схема модулирования типичной схемы уплотнения с частотным разделение.
11.1.1.2. Множественный доступ с частотным разделением в спутниковых системах
Большинство спутников связи расположено на геостационарной или геосинхронной орбите. Это означает, что спутник находится на круговой орбите, лежащей в плоскости земного экватора. При этом спутник находится на такой высоте над уровнем моря (приблизительно 35 830 км), на которой период его обращения вокруг Земли равен периоду вращения самой Земли. Поскольку при наблюдении с Земли такие объекты кажутся неподвижными, три спутника, расположенных через 120° друг от друга, позволяют охватить территорию всего земного шара (за исключением, полярных областей). Большинство спутниковых систем связи используют нерегенеративные ретрансляторы или транспондеры. Нерегенеративный означает, что сигналы "земля-спутник" усиливаются, сдвигаются по частоте и ретранслируются на Землю без обработки сигнала, демодуляции или повторной модуляции. Наиболее широко используемым диапазоном в коммерческих системах спутниковой связи является так называемая полоса С (C-band). В данном диапазоне для передачи сигнала "земля-спутник" применяется несущая частота 6 ГГц и частота 4 ГГц передачи сигнала "спутник-земля". Согласно международным соглашениям, для систем передачи в полосе С разрешено использовать любой спутник, работающий в спектральном диапазоне шириной в 500 МГц. В большинстве случаев такой спутник имеет 12 транспондеров с шириной полосы 36 МГц каждый. Наиболее распространенные транспондеры работают в режиме FDM/FM/FDMA (уплотнение с частотным разделением, частотная модуляция, множественный доступ с частотным разделением). Рассмотрим составляющие указанного режима.
1. FDM. Сигналы, подобные телефонным, имеющие одиночную боковую полосу шириной 4 кГц, обрабатываются с использованием FDM, в результате чего формируется составной многоканальный сигнал.
2. FM. Составной сигнал модулируется несущей и передается на спутник.
3. FDMA. Поддиапазоны полосы транспондера (36 МГц) могут распределяться между различными пользователями. Каждому пользователю выделяется определенная полоса, на которой он получает доступ к транспондеру.
Таким образом, составные каналы FDM модулируются (FM), после чего информация передается на спутник, будучи распределенной по различным полосам в соответствии с системой FDMA. Основным преимуществом технологии FDMA, в сравнении с TDMA, является простота. Каналы FDMA не требуют синхронизации или централизованного распределения времени. Каждый из каналов независим от остальных. Позднее будут рассмотрены преимущества TDMA в сравнении с FDMA.
11.1.2. Уплотнение/множественный доступ с временным разделением
На рис. 11.3 показано совместное использование ресурса связи, выполняемое посредством распределения частотных диапазонов. На рис. 11.7 тот же ресурс связи распределен путем предоставления каждому из М сигналов (или пользователей) всего спектра в течение небольшого отрезка времени, называемого временным интервалом (time slot). Промежутки времени, разделяющие используемые интервалы, называются защитными интервалами (guard time). Защитный интервал создает некоторую временную неопределенность между соседними сигналами и выступает в роли буфера, снижая тем самым интерференцию. На рис. 11.8 приведен пример использования технологии TDMA в спутниковой связи. Время разбито на интервалы, называемые кадрами (frame). Каждый кадр делится на временные интервалы, которые могут быть распределены между пользователями. Общая структура кадров периодически повторяется, так что передача данных по схеме TDMA — это один или более временных интервалов, которые периодически повторяются на протяжении каждого кадра. Каждая наземная передающая станция транслирует информацию в виде пакетов таким образом, чтобы они поступали на спутник в соответствии с установленным расписанием. После принятия транспондером такие пакеты ретранслируются на Землю вместе с информацией от других передающих станций. Принимающая станция обнаруживает и разуплотняет уплотненные данные соответствующего пакета, после чего информация поступает к соответствующим пользователям.
11.1.2.1. TDM/TDMA c фиксированным распределением временных. интервалов
Простейшая схема TDM/TDMA именуется TDM/TDMA с фиксированным распределением. При использовании такой схемы М временных интервалов, составляющих кадр, заранее распределены между источниками сигнала на достаточно длительный промежуток времени. На рис. 11.9 в виде блок-схемы показана работа такой системы. Операция уплотнения состоит в лредоставлении каждому источнику возможности использовать один или более интервалов. Разуплотнение — это распознавание интервалов с последующим распределением данных между соответствующими пользователями.
Рис. 11.7. Уплотнение с временным разделением
рис.11.8. Типичная конфигурация DTMA.
Два коммутирующих ключа на рис. 11.9 должны быть синхронизированы таким образом, чтобы сообщение, соответствующее источнику 1, попадало на выход канала 1 и т.д. Само по себе сообщение в общем случае состоит из начальной комбинации битов (preamble) и собственно информационной части. Начальная комбинация обычно состоит из элементов, которые отвечают за синхронизацию, адресацию и защиту от ошибок.
Схема TDM/TDMA с фиксированным распределением является чрезвычайно эффективной, когда требования пользователя можно предвидеть, а поток данных значителен (т.е. временные интервалы практически всегда заполнены). В случае же пульсирующего или случайного потока данных указанный метод себя не оправдывает. Рассмотрим простой пример, представленный на рис. 11.10. Здесь кадр составляют четыре интервала, каждый из которых закреплен за пользователями А, В, С и D. На рис. 11.10, а изображены схемы активности четырех пользователей.
Рис. 11.9. DTM с фиксированным распределением
На протяжении первого интервала передачи кадра пользователь С не отправляет данных, пользователь В не передает данных в течение второго интервала, а А — в течение третьего. В случае использования ТDМА с фиксированным распределением все интервалы кадра распределены заранее. Если "владелец" интервала не передает данных в течение указанного промежутка времени, данный интервал не используется. На рис. 11.10, б показан поток данных и неиспользованные интервалы. Если требования пользователей непредсказуемы, как в приведенном выше примере, то должны применяться более эффективные методы с использованием динамического распределения интервалов. Таких методов существует несколько — применение систем с коммутацией пакетов, статистических мультиплексоров или концентраторов. Данные системы позволяют достигнуть результата, изображенного на рис. 11.10, в, где пропускная способность системы остается постоянной благодаря использованию всех доступных временных интервалов.
Рис. 11.10. TDM с фиксированным распределением и система с коммутацией пакетов: а) схема пользователей, б) TDM с фиксированным распределением, в) коммутация пакетов с временным разделением (концентрация)
11.1.3. Распределение ресурса связи по каналам
На рис. 11.3 приводилось распределение ресурса связи по спектральным диапазонам, а на рис. 11.7 был приведен пример его распределения по временным интервалам. На рис. 11.11 представлен более общий способ управления ресурсом связи, позволяющий распределять частотные диапазоны на заранее определенный период времени. Такую систему множественного доступа называют комбинированной FDMA/TDMA. Для изучения распределения частотных диапазонов рассмотрим случай равномерного пропорционального распределения полосы шириной W между М группами (или классами) пользователей. Подобным образом частотный диапазон будем считать разбитым на полосы шириной WIM Гц, которые будут постоянно доступны соответствующим группам. Аналогично для изучения распределения временных интервалов ось времени разбивается на интервалы продолжительностью Т. В свою очередь, каждый из кадров разбивается на N интервалов продолжительностью T/N каждый. Предположим, что активность пользователей синхронизирована во времени и распределенные интервалы периодично расположены в кадрах. Каждый пользователь может передавать данные, когда начинается его интервал времени, а также на протяжении данного интервала пользователь может использовать выделенную полосу частот. Временной интервал однозначно задается как m-й интервал кадра п. Обратившись к рис. 11.11, можно описать интервал (n, т) следующим образом.
Рис.11.11. Ресурс связи: временно-частотное распределение по каналам временной интервал
(11.4)
Длительность кадра п, Т,— это интервал [пТ, (n+1)T]. Как видно из рис. 11.11, область сигнала является пересечением временного интервала (п, m) и частотного диапазона (j). Предположим, что система модуляции/кодирования выбрана таким образом, что полная полоса W ресурса связи может поддерживать скорость передачи данных R бит/с. Для любого частотного диапазона, содержащего полосу W/M Гц, соответствующая скорость передачи данных будет составлять R/M бит/с. Технология FDMA позволяет использовать М диапазонов с шириной полосы 1/М, a TDMA — полный диапазон частот для каждого из N интервалов времени, при этом длительность каждого интервала составит 1/N длительности кадра.
11.1.4. Сравнение производительности FDMA и TDMA
11.1.4.1. Скорость передачи данных FDMA и TDMA
На рис. 11.12 представлены основные различия систем FDMA и ТDМА для ресурса связи, поддерживающего скорость передачи данных R бит/с. На рис. 11.12, а полоса системы разделена на М ортогональных полос частот. Следовательно, все М источников σ (1 < т < М) могут одновременно производить передачу данных со скоростью R/M бит/с каждый. На рис. 11.12, 6 показан кадр, разбитый на М ортогональных временных интервалов. Таким образом, каждый из М источников передает данные со скоростью R бит/с, что в М раз больше скорости передачи от пользователя FDMA за время (1/М). В обоих случаях источник σm передает информацию со средней скоростью R/M бит/с.
Рис. 11.12 Сравнительное представление технологий FDMA/TDMA: а) FDMA: частота делится на М ортогональных частотных диапазонов, б) TDMA: время разделено на М ортогональных интервалов (один пакет на интервал времени).
Пусть информация, передаваемая каждым источником на рис. 11.12, собирается в b-битовые группы или пакеты. В случае FDMA b-битовые пакеты передаются за Т секунд по каждому из М непересекающихся каналов. Таким образом, полная скорость передачи данных может быть представлена в следующем виде.
(11.5)
При использовании TDMA каждым источником за T/M секунд передается b бит. Следовательно, требуемая скорость передачи данных равна следующему.
(11.6)
Поскольку уравнения (11.5) и (11.6) идентичны, можно сделать следующий вывод.
(11.7)
Следовательно, обе системы требуют одинаковой скорости передачи данных — R бит/с.
11.1.4.2. Задержка сообщений в системах FDMA и TDMA
Исходя из предыдущих разделов, можно сделать вывод, что, несмотря на некоторые различия, FDMA и TDMA не отличаются по производительности. Однако различие становится очевидным, если в качестве единицы измерения производительности используется средняя задержка пакета. Показано [1, 2], что ТDМА значительно превосходит FDMA по данному параметру, т.е. среднее время задержки пакета при использовании первой схемы меньше, чем при использовании последней.
Как и ранее, предположим, что при FDMA диапазон частот системы разбит на М ортогональных полос; при использовании ТDМА кадр разделен на М ортогональных временных интервалов. Для анализа времени задержки сообщения рассмотрим простейший случай детерминистических источников данных. Предположим, что ресурс связи используется на 100%. Тогда все частотные диапазоны при FDMA и все временные интервалы при ТDМА будут заполнены пакетами данных. Для простоты будем считать, что отсутствуют дополнительные издержки, связанные с защитными полосами или интервалами. В таком случае время задержки сообщения можно выразить следующим образом.
(11.8)
Здесь w — среднее время ожидания пакета (до передачи), τ— время передачи пакета. При FDMA каждый пакет пересылается в течение Т секунд; передача пакета для технологии FDMA будет следующей.
(11.9)
При использовании TDMA каждый пакет пересылается в течение временного интервала T/M секунд. С помощью уравнения (11.7) время передачи пакета можно выразить следующим образом.
(11.10)
Поскольку каналы FDMA доступны постоянно, а пакеты пересылаются непосредственно после создания, время ожидания wFD составляет следующее.
(11.11)
На рис. 11.13 сравниваются потоки данных для схем FDMA и ТDМА. Как показано на рис. 11.13, а, при использовании ТDМА временные интервалы пользователей начинаются в разных точках кадра протяженностью Т секунд. Пакет Smk начинает отправляться по прошествии (т - 1)T/M секунд 
после создания пакета. Таким образом, для TDMA среднее время ожидания пакета перед отправкой составит следующее.
(11.12)
Рис.11.13. Разделение по каналам связи: а)TDMA; б) FDMA.
Максимальное время ожидания пакета перед отправкой составляет (M-1)T/M секунд. В соответствии с уравнением (11.12), среднее время задержки пакета равно l/2(M— 1)(T/M) = (T/2)(1-1/М).
Для сравнения среднего времени задержки DFD и DTD при использовании FDMA и TDMA, соответственно, подставим уравнения (11.9) и (11.11) в (11.8) и уравнения (11.10) и (11.12) в (11.8). В результате получим следующее.
(11.13)
(11.14)
С помощью уравнения (11.7) формулу (11.14) можно записать в следующем виде.
(11.15)
Результат свидетельствует о том, что FDMA значительно уступает TDMA по времени задержки сообщения. Несмотря на то, что уравнение (11.5) строго справедливо для детерминистического источника данных, малые задержки передачи сообщений для TDMA сохраняются для любого независимого процесса получения данных [1,2].
11.1.5. Множественный доступ с кодовым разделением
В случае FDMA (рис. 11.3) плоскость ресурса связи была разделена на горизонтальные отрезки, соответствующие частотным диапазонам. Та же плоскость на рис. 11.7 была разбита по вертикали на временные интервалы TDMA. Эти два подхода являются наиболее распространенными в приложениях множественного доступа. На рис. 11.14 приводится иллюстрация метода множественного доступа, являющегося результатом совмещения FDMA и ТDМА. Этот метод называется множественным доступом с кодовым разделением (code-division multiple access — CDMA). CDMA является практическим приложением методов расширения спектра (spread-spectrum — SS), которые можно разделить на две основные категории: расширение спектра методом прямой последовательности (direct sequence — DS) и расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping — FH). В данной главе будет рассмотрена схема CDMA с перестройкой частоты (FH-CDMA), описание схемы множественного доступа с кодовым разделением методом прямой последовательности приводится в главе 12.
Простейший пример CDMA с перестройкой частоты, кратковременное распределение частотного диапазона для различных источников сигнала, изображен на рис. 11.14. В каждом из коротких временных интервалов происходит перераспределение частотных диапазонов. Как показано на рисунке, в течение интервала 1 сигнал 1 использует диапазон 1, сигналы 2 и 3 — диапазоны 2 и 3. Во время интервала 2 сигнал 1 "перескакивает" в диапазон 3, сигнал 2 — в диапазон 1, сигнал 3 — в диапазон 2 и т.д. Таким образом, ресурс связи используется полностью, причем диапазоны пользователей перераспределяются в каждый последующий момент времени. Каждому пользователю присваивается псевдошумовой (pseudonoise — PN) код, который указывает последовательность перестройки частоты. Псевдошумовые коды ортогональны друг другу. Более подробно шумовые коды будут рассмотрены в разделе 12.2. На рис. 11.14 представлена существенно упрощенная модель схемы CDMA с перестройкой частоты, поскольку в приведенном примере из требований симметрии вытекает, что каждый сигнал изменяет частоту синхронно со всеми остальными сигналами. Однако в действительности этого не происходит. Одним из преимуществ схемы CDMA в сравнении с TDMA является то, что группы пользователей не нуждаются в синхронизации (синхронизироваться должны только передатчики и приемники каждой группы).
Рис.11.14. Уплотнение с кодовым разделением
На блок-схеме, представленной на рис. 11.15, показан процесс модуляции с использованием перестройки частоты. Во время каждого изменения частоты генератор псевдошумовой последовательности направляет кодовую последовательность на устройство скачкообразной перестройки частоты. Данное устройство выдает одну из допустимых для скачка частот. Допустим, что используется M-арная частотная манипуляция (M-ary frequency shift keying — MFSK). При обычной системе MSFK данные модулируют несущую волну с фиксированной частотой. В случае MFSK с перестройкой частоты (FH-MFSK) частота несущей скачет по всему диапазону частот. FH-модуляцию на рис. 11.15 можно рассматривать как процесс, состоящий из двух этапов: модуляции данных и модуляции перестройки частоты. Указанные действия могут быть совмещены — в этом случае модулятор на основе псевдошумового кода и собственно данных генерирует тон передачи. Подробно системы с перестройкой частоты рассматриваются в разделе 12.4.
Может возникнуть вопрос: если схемы FDMA и TDMA достаточно эффективны при распределении ресурса связи, какой смысл в использовании смешанного метода? Ответом могут служить уникальные преимущества СDМА.
1. Конфиденциальность. Если код группы пользователей известен лишь разрешенным членам этой группы, СDМА обеспечивает конфиденциальность связи, поскольку несанкционированные лица, не имеющие кода, не могут получить доступ к передаваемой информации.
2. Каналы с замираниями. Если для определенной части используемого спектра характерно замирание, сигналы в данной части будут ослабленными. При использовании схемы FDMA пользователь данной части спектра может испытывать постоянные затруднения со связью. При схеме FH-CDMA пользователь будет испытывать аналогичные проблемы только при изменении частоты в соответствующую часть спектра. Таким образом, возможные проблемы со связью равномерно распределяются между всеми пользователями.
Рис. 11.15. Процесс модуляции схемы FH-CDMA
3. Сопротивляемость подавлению. В течение времени между изменениями частоты полоса сигнала идентична полосе обычной схемы MFSK, т.е. обычно равна минимальной ширине полосы, достаточной для передачи символа MFSK. В то же время в течение нескольких временных интервалов система совершает скачки в диапазоне частот, ширина которого намного превышает ширину полосы данных. Такое использование полосы называется расширением спектра. Расширение спектра и вытекающая из него сопротивляемость подавлению подробно описаны в главе 12.
4. Гибкость. Наиболее важным преимуществом CDMA, по сравнению с ТDМА, является отсутствие необходимости синхронизации одновременно передающих устройств. Разные передачи не влияют на ортогональность процессов передачи с различными кодами. Данное утверждение станет понятнее при подробном описании в главе 12 автокорреляционных и взаимно корреляционных свойств кодов.
11.1.6. Множественный доступ с поляризационным и пространственным разделением
На рис. 11.16, а показано, как спутник INTELSAT FVA использует метод множественного доступа с пространственным разделением (space-division multiple access — SDMA), также называемый многолучевым многократным использованием частоты. INTELSAT IVA применяет двулучевую принимающую антенну, которая передает сигнал на два приемника. Это позволяет осуществлять одновременный доступ к спутнику из двух разных точек на Земле. Полосы частот, выделенные двум таким пользователям, одинаковы, поскольку сигналы этих пользователей разнесены в пространстве. Вообще, е таких случаях полосу называют многократно используемой.
На рис. 11.16, б показано применение спутником COMSTAR 1 множественного доступа с поляризационным разделением (polarization-division multiple access — PDMA), который также называют двойным поляризационным многократным использованием частоты.
Рис. 11.16. SDMA и PDMA: а) INTELSAT VIA; б)COMSTAR 1; в) INTELSAT V (атлантическое покрытие)
В данном случае используются раздельные антенны с разными поляризациями, каждая из которых соотнесена со своим приемником. Это позволяет получить одновременный доступ к спутнику пользователям, находящимся на небольшом расстоянии друг от друга. Каждая из передающих антенн на Земле должна быть поляризована в соответствии с антенной спутника. (Обычно наземная станция оснащается антенной с двойной поляризацией). Полосы частот, используемые двумя антеннами, могут быть идентичными, поскольку они поляризованы ортогонально друг другу. Как и при SDMA, полосу частот PDMA называют многократно используемой. На рис. 11.16, в показано одновременное использование спутником INTELSAT V схем SDMA и PDMA. В данном случае покрытие спутника делится на две части: восточное и западное. Используется пара зональных лучей; каждый из которых частично пересекается с лучом полушария. Зональные лучи и лучи полушария взаимно ортогональны. Следовательно, в данном случае имеем, четырехкратное использование спектра.