Корольов / Теория связи

тролировать наличие передачи информации другими корреспондентами. В случае отсутствия передачи данных незанятые временные промежутки имеются для передачи своей информации. В случае столкновения пользователи задерживают передачу пакетов на интервал времени ∆t . В настоящее время существуют две разновидности протокола: настойчивый и ненастойчивый. Различие заключается в том, что в первом случае пользователи подвижных объектов, обнаруживая столкновения, начинают передачу сразу, а при втором через определенный интервал времени.

Протоколы фиксированного закрепления ресурса канала обеспечивают статическое распределение ресурса канала между пользователями. Наиболее типичными представителями протоколов данного типа являются многостанционный доступ с частотным разделением (FDMA), многостанционный доступ с временным разделением (TDMA), многостанционный доступ с кодовым разде-

лением (CDMA).

Фиксированное закрепление ресурса канала не может обеспечить динамически изменяющиеся требования пользователей сети, т.е. имеет жесткое управление.

Методы назначения ресурса по требованию позволяют избавиться от недостатков, присущих вышеперечисленным методам, но предполагают подробную и четкую информацию о требованиях пользователей сети.

По природе процессов принятия решения методы назначения ресурса по требованию подразделяют на централизованные и распределенные.

Централизованные методы назначения ресурса по требованию, характеризуются наличием запросов на передачу со стороны терминалов источника сообщения. Принятие решения о предоставлении ресурса осуществляется центральной станцией.

Соответствующие протоколы отличаются наличием жестко закрепленных за каждым подвижным объектом каналов резервирования и наличием центральной станции управления. Протоколы характеризуются высоким значением коэффициента использования пропускной способности базовой станции, одна-

341

ко критичны к нарушениям функционирования системы управления.

По способу резервирования, определяющему действия центральной станции пользователей сети, существует два метода назначения ресурса по требованию с централизованным управлением.

Распределенные методы назначения ресурса по требованию отличаются тем, что все пользователи производят одни и те же операции, не прибегая к помощи центральной станции, и используют дополнительную служебную информацию, которой обмениваются друг с другом. Все алгоритмы с распределенным управлением требуют обмена управляющей информацией между пользователями. Протоколы характеризуются жестким закреплением каналов резервирования за подвижным объектом. При этом на каждом объекте имеется таблица закрепления запросных каналов, следовательно, любой подвижный объект в любой момент времени имеет информацию о состоянии всей сети.

Комбинированные методы представляют собой комбинации предыдущих методов распределения ресурса, и реализуют стратегии, в которых выбор метода является адаптивным для различных пользователей с целью получения характеристик используемого ресурса канала, близких к оптимальным. В качестве критерия оптимальности, как правило, принимается коэффициент использования пропускной способности канала. На основе протоколов данного типа осуществляется подстройка параметров под конкретную обстановку в сети.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов распределения ресурса обладает достоинствами и недостатками. На практике целесообразно иметь всю совокупность методов и осуществлять адаптивный переход от одного метода к другому при определенных изменениях рабочих условий.

8.1.2. Постановка задачи объединения и разделения сигналов

Передача сообщений с малой вероятностью ошибок возможна в случае, когда пропускная способность канала связи C превышает производительность источника H′ [6, 20, 39]:

342

H ′(x)=VИ H (x); VИ – скорость передачи символов; H (x) – энтропия источника, т.е. среднее количество информации, приходящееся на один символ.

Производительность источников сообщений, как правило, значительно меньше пропускной способности существующих каналов связи. Это позволило повысить эффективность использования канала путем передачи по нему сообщений нескольких источников. Такое использование канала называют уплотнением.

Очевидно, при мультиплексировании (объединении и разделении) канала должно выполняться условие:

Рис. 8.4. Многоканальная система передачи сообщений

Пусть M источников посылают сообщения x1 , x2 ,..., xM . Задача объедине-

ния сигналов подразумевает преобразование совокупности в групповой сигнал S∑ (t). Групповой сигнал проходит по уплотняемому каналу и на устрой-

ство разделения поступает в смеси с аддитивной помехой

Задача устройства разделения состоит в разделении группового сигнала

343

U∑ (t) и преобразовании его в совокупность сообщений

Для этого необходимо осуществить выбор системы функций {Si } таким образом, чтобы обеспечить восстановление xi из yi по принятому групповому сигналу U∑ (t).

Чтобы исключить возможные влияния индивидуальных сигналов друг на друга, обычно они выбираются взаимно ортогональными, т.е. для любой пары сигналов Si , S j , i ≠ j должно выполняться одно из условий [5, 6, 20]

T∫2Si (ω,Θ,t) S j (ω,Θ,t)dt =0 ,

−T 2

где T – длительность элемента сигнала; ω – частота сигнала; Θ - пространственный угол наблюдения сигнала.

Пути решения задачи объединения и разделения сигналов

Устройство разделения должно определить, какой символ сообщения передавался каким источником. Для того, чтобы групповой сигнал мог переносить информацию о сообщениях всех M источников, необходимо, чтобы число различимых реализаций группового сигнала mΣ на каждом отрезке времени бы-

ло не меньше числа всех возможных состояний совокупности M источников на этом отрезке. Для дискретных источников с одинаковым объемом алфавита m = 2 , необходимое число реализаций группового сигнала составляет mΣ ≥ mM = 2M . Системы уплотнения, основанные на данном принципе, относятся к системам комбинационного типа.

Комбинационные системы уплотнения применяются для многоканальной системы передачи дискретных сообщений. В этих системах ни групповой сигнал ни его отдельные параметры не могут считаться суммой индивидуальных сигналов. Групповой сигнал определяется совокупностью сочетаний символов в индивидуальных каналах. Структурная схема системы разделения группового сигнала комбинационного типа показана на рис. 8.5.

344

повых реализаций m равно сумме реализаций каждого индивидуального сигнала. Для двоичных сигналов число ветвей в общей решающей схеме m = 2 M ,. Поэтому даже при кратностях уплотнения, измеряемых сотнями и тысячами, решающая схема остается технически осуществимой.

8.1.3. Энергетическая и спектральная цена уплотнения

Для сопоставления различных систем уплотнения по их помехоустойчивости и эффективности использования полосы частот, вводятся понятия энергетической и спектральной цены уплотнения.

Любая система уплотнения требует увеличения мощности группового сигнала, чтобы обеспечить заданную верность приема индивидуальных сообщений. Энергетической ценой уплотнения называют отношение [6, 39]

η(M )= P∑ ,

P1

где P∑ – мощность группового сигнала; P1 – мощность индивидуального сиг-

нала. Энергетическая цена уплотнения показывает, во сколько раз требуется увеличить среднюю мощность группового сигнала, чтобы при данной системе уплотнения и заданной верности передавать М сообщений вместо одного.

В раздельной системе уплотнения с ортогональными индивидуальными сигналами влияние индивидуальных сигналов друг на друга отсутствует, по-

этому η(M )= P∑ = M . При других методах уплотнения энергетическая цена мо-

P1

жет оказаться большей или меньшей числа передаваемых сообщений М .

Для количественной оценки эффективности использования полосы частот уплотненного канала вводится понятие спектральной цены уплотнения [6, 39]:

β(M )= ∆f∑ ,

∆f1

где ∆f∑ – ширина спектра группового сигнала; ∆f1 – ширина спектра индивиду-

ального сигнала. В большинстве систем уплотнения спектр группового сигнала занимает более широкую полосу частот, чем при передаче одного сообщения. Сравнение полос должно производиться при одинаковых условиях, например одинаковом основании кода, методе модуляции, длительности элемента груп-

346

пового сигнала.

8.2. Частотное разделение каналов

Практика построения современных телекоммуникационных систем и сетей показывает, что наиболее дорогостоящими звеньями трактов передачи являются линии связи (кабельные, волоконно-оптические, радиосвязи, радиорелейные и др.). Поскольку экономически нецелесообразно использовать дорогостоящую линию связи для передачи информации единственной пары абонентов (от источника к получателю сообщений и обратно при дуплексной связи), то возникает задача построения многоканальных систем передачи, обеспечивающих передачу большого числа сообщений различных источников информации по общей линии связи. Многоканальные системы так же, как и одноканальные, могут быть аналоговыми и цифровыми.

8.2.1. Принцип частотного объединения и разделения каналов

При частотном разделении каналов для передачи данных различных источников сообщений используются определенные поддиапазоны частот. Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с частотным разделением каналов (ЧРК) представлена на рис. 8.7. [5, 6, 21, 39]

Рис. 8.7. Функциональная схема СЭС с ЧРК

Основные этапы образования спектра A∑ (f ) группового сигнала показаны на рис.8.8. Пусть в СЭС осуществляется одновременная работа N корреспондентов. В соответствии с передаваемыми сообщениями первичные сигналы от источников сообщений, имеющие энергетические спектры

347

модулируют поднесущие частоты fk каждого канала.

AN (F ) AN (f )

Рис. 8.8. Формирование группового спектра при ЧРК

Наиболее распространенный при ЧРК вариант - однополосная амплитудная модуляция. Полученные на выходе полосовых фильтров ка-

нальные сигналы суммируются, и их совокупность A∑ (f ) поступает на группо-

вой модулятор. Здесь спектр A∑ (f ) с помощью колебания несущей частоты fн

переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т. е. групповой сигнал преобразуется в так называемый линейный сигнал, передаваемый по линии связи – кабелю, радио, радиорелейной, спутниковой линии связи. При этом может использоваться любой вид модуляции. На приемном конце осуществляется вся совокупность обратных преобразований. Групповым демодулятором линейный сигнал преобразуется в групповой, из которого с помощью фильтров выделяются канальные сигналы. С помощью детекторов канальные сигналы преобразуются в ПЭС поступающие к получателям.

8.2.2. Групповой сигнал, его структура и характеристики

В многоканальных радиосистемах передачи с ЧРК обычно используют аппаратуру объединения и разделения каналов, применяемую в проводных системах. Это обеспечивает простоту сопряжения тех и других систем и отражает общую тенденцию к унификации оборудования на сетях связи. Для унифика-

348

ции аналоговых многоканальных систем за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с полосой частот 300...3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала. Многоканальные аналоговые системы формируются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. Для снижения переходных помех вводятся защитные частотные интервалы ∆fзащ =0,9кГц. Таким образом на один канал ТЧ выделяется полоса частот 4кГц.

В частотной области реальный групповой сигнал (рис. 8.8) характеризуется следующими параметрами:

шириной полосы частот группового сигнала ∆F ; нижней Fmin и верхней Fmax граничными частотами;

числом каналов N ;

эффективно передаваемыми полосами частот каналов ∆Fk ;

значениями средних частот каналов на оси частот Fk ;

значениями поднесущих частот fk ;

защитными полосами частот между каналами ∆fзащ .

Построение многоканальных систем подчиняется иерархическому принципу. В табл. 8.1 представлены основные характеристики иерархии частотного объединения каналов.

Многоканальный (групповой) сигнал имеет сложную структуру, которая зависит от общего количества каналов, числа работающих в данный момент ка-

349

налов, затуханий абонентских линий, индивидуальных особенностей абонентов. Кроме того, часть каналов ТЧ используется не для передачи речевых сигналов, а для вторичного уплотнения (тональный телеграф), передачи бинарной информации и т.п.; периодически по каналам посылаются сигналы вызова. Поэтому величины средней и пиковой мощности группового сигнала и его пик– фактора зависят от числа каналов и непостоянны во времени, что во многом определяет качество функционирования группового тракта. Так, например, если пиковые напряжения группового сигнала выходят за пределы линейных участков амплитудных характеристик групповых усилителей, модуляционной характеристики передатчика, демодуляционной характеристики приемника, то в этих элементах тракта возникает режим перегрузки, вызывающий искажения сигналов и переходные помехи.

При проектировании и разработке многоканальных систем передачи информации возникает необходимость количественной оценки параметров групповых сообщений на различных ступенях преобразования, в частности, сигналов на входе линейного тракта. Эти параметры определяются соответствующими частотными, информационными и энергетическими характеристиками. Первые две группы характеристик и связанные с ними параметры могут находиться в системах с ЧРК на основе принципа «пропорционального роста». Так, например, сопоставляя сообщения, получающиеся в результате объединения 12 и 60 каналов ТЧ, можно утверждать, что сообщение вторичной группы по сравнению с сообщением первичной группы занимает в 5 раз более широкую полосу, и соответственно его максимальная информационная нагрузка в 5 раз выше, чем у сообщения первичной группы. Это является следствием того, что спектры сообщений в соседних каналах не перекрываются, а источники сообщений считаются однородными по своим параметрам.

Упомянутый принцип «пропорционального роста» нельзя распространить на энергетические характеристики, такие как мгновенная мощность группового сообщения, его пик - фактор, динамический диапазон и др. Это связано со следующими особенностями многоканальных систем с ЧРК:

350