ГЛАВА 15. СИСТЕМЫ СВЯЗИ СО МНОГИМИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯМИ

Наша трактовка систем связи до сих пор была сфокусирована на единственную линию связи, включающую передатчик и приёмник. В этой главе внимание уделяется многим пользователям и многим линиям связи. Мы исследуем различные пути, посредством которых многие пользователи получают доступ в общий канал для передачи информации. Методы множественного доступа, которые описываются в этой главе, образуют основу для современных и будущих проводных и беспроводных сетей связи, таких как сети космической связи, сети сотовой и мобильной связи и сетей подводной акустической связи.

15.1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА

Полезно различать несколько типов систем связи со многими пользователями. Один тип – это система множественного доступа, в которой большое число пользователей занимает общий канал связи для передачи информации к приёмнику. Такая система изображена на рис. 15.1.1.

Рис. 15.1.1 Система с множественным доступом

Общий канал может быть средой в космической системе связи, или кабелем, к которому присоединен ряд терминалов, которые имеют доступ к центральному компьютеру, или некоторая полоса частот в радиоспектре, которая используется многими пользователями для связи с радиоприёмником. Для примера, в мобильной сотовой системе связи пользователями являются мобильные передатчики в некоторой частной соте системы, а приёмник находится на базовой станции частной соты.

Второй тип системы связи со многими пользователями является сеть вещания, в которой отдельный передатчик передает информацию многим приёмникам, как показано на рис. 15.1.2. Различные виды вещательных систем включают общий радиоканал и системы телевизионного вещания, как и в космических системах.

Рис. 15.1.2. Сеть вещания

Множественный доступ и сети вещания образуют, вероятно, наиболее общую систему связи со многими пользователями.

Третий тип системы со многими пользователями – это сети накопления-передачи, как показано на рис. 15.1.3. Четвертым типом являются двусторонние (дуплексные) системы связи, показанные на рис. 15.1.4.

Рис. 15.1.3. Сеть сбора и передачи информации со спутниковыми ретрансляторами

Рис. 15.1.4. Двусторонний канал связи

В этой главе мы сконцентрируем внимание на методы множественного доступа для связи со многими пользователями. В общем, имеется несколько различных путей, посредством которых многие пользователи могут посылать информацию через канал связи на приёмник. Один простой метод сводится к разделению доступной полосы частот канала на определенное число  неперекрываемых частотных подканалов, как показано на рис.15.1.5, и назначению подканала каждому пользователю по его требованию. Этот метод в общем называется множественный доступ с частотным разделением [МДЧР-FDMA], и он обычно используется в непроводных каналах, чтобы разместить многих пользователей передачи речи и данных.

Рис. 15.1.5. Разбиение канала на непрерывающиеся частотные полосы

Другой метод для создания многих подканалов для множественного доступа сводится к . делению длительности , называемой рамочной (каркасной) длительностью, на, скажем, N неперекрывающихся интервалов, каждый длительностью . Каждому пользователю, который желает передать информацию, выделяется частный временной интервал внутри каждого каркаса. Этот метод множественного доступа назван множественным доступом с временным разделением [МДВР-TDMA] и он часто используется при передаче данных и речи.

Мы видим, что в FDMA и TDMA каналы принципиально подразделяются на независимые подканалы, выделяемые отдельным пользователям. В этом смысле методы синтеза систем связи, которые мы описали для единственного пользователя системы, непосредственно применимы и не возникают новые проблемы в обстановке множественного доступа, исключая дополнительной задачи закрепления пользователей к возможным каналам.

Интересная проблема возникает, когда данные пользователей, поступая в сеть, образуют по своей природе вспышки. Другими словами, информация, переданная от одного пользователя, отделяется периодами, когда передачи информации от этого пользователя нет, причём периоды молчания могут быть дольше периода передачи. Так обычно обстоят дела с пользователями различных терминалов компьютерной сети связи, которая содержит центральный компьютер. В определенной степени это также имеет место в мобильных сотовых системах связи, передающих оцифрованный голос, поскольку для сигналов речи типично наличие длинных пауз.

В обстановке, когда передача от различных пользователей образует вспышки, низкоскоростной цикл FDMA и TDMA может быть неэффективным, поскольку определенный процент предоставляемых частотных и временных интервалов не переносят информацию. В конечном счёте, неэффективный синтез систем множественного доступа ограничивает число одновременных пользователей для канала.

Альтернативой FDMA и TDMA заключается в том, чтобы позволить больше чем одному пользователю владеть совместно каналом или подканалом путем использования прямых последовательностей (ПП) широкополосных сигналов. В этом методе каждому пользователю присваивается уникальная кодовая последовательность или адресная последовательность (последовательность подписи), которая позволяет пользователю рассеять информационный сигнал по выделенной полосе частот. Сигналы различных пользователей разделяются на приёме посредством взаимной корреляции принимаемого сигнала с адресной последовательностью каждого из пользователей. Синтезируя эти кодовые последовательности с относительно малыми взаимными корреляциями, можно минимизировать переходную помеху, возникающую при демодуляции сигналов, принимаемых от множества передатчиков. Этот метод множественного доступа назван множественным доступом с кодовым разделением [МДКР-CDMA].

В CDMA пользователи поступают в канал случайным образом. Следовательно, передаваемые сигналы от многих пользователей полностью перекрываются во времени и частоте. Демодуляция и разделение этих сигналов на приёме облегчается тем фактом, что каждый сигнал рассеян по частоте посредством псевдослучайной кодовой последовательности. CDMA называют множественным доступом с рассеянным спектром [МДРС-SSMA].

Альтернатива CDMA – случайный доступ без рассеяния сигнала по спектру. В этом случае, когда два пользователя пытаются использовать общий канал одновременно, их передачи сталкиваются и интерферируют друг с другом. Если это случается, информация теряется и должна быть снова передана. Чтобы обсудить возникающие ситуации, следует устанавливать протоколы для повторных передач (ретрансляции) сообщений, которые сталкиваются.  Протокол для расписания прохождения сталкивающихся сообщений описывается ниже.