ПТСМС / Tema_4
.pdfТема 4. Уплотнение каналов с пространственным, частотным, временным и кодовым разделением.
Уплотнение является фундаментальным механизмом не только в системах связи, но и в практике повседневной жизни. Уплотнение позволяет нескольким пользователям совместно использовать некоторую среду, сводя взаимные помехи к минимуму. В качестве примера из повседневной жизни можно рассмотреть автомагистраль с несколькими полосами движения. Много пользователей (водителей автомобилей) используют одну и ту же среду (автомагистраль) почти без помех (аварий). Это оказывается возможным благодаря созданию нескольких полос движения (уплотнению с пространственным разделением). Кроме того, различные автомобили могут использовать одну и ту же среду (полосу) в разные моменты времени (уплотнение с временным разделением).
Уплотнение с пространственным разделением
В случае беспроводных коммуникаций уплотнение может проводиться в четырех измерениях: в пространстве, во времени, по частоте и по коду. Задача уплотнения – выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и код с минимумом взаимных помех и одновременно с максимальным использованием среды. Термин "канал связи" обозначает здесь лишь сочетание передатчика и приемника, которым необходимо обмениваться данными между собой.
При уплотнении с пространственным разделением каналов (Space Division Multiplexing, SDM) каждому каналу ki выделяется область пространства, ограниченная зоной помех (рис. 4.1). Для предотвращения взаимного влияния соседних каналов друг на друга организуют защитные интервалы – пространство между зонами помех.
При беспроводной передаче схема SDM подразумевает использование отдельных передатчиков для каждого канала связи и достаточно большие расстояния между передатчиками. Данная схема уплотнения используется, например, для радиостанций FM-диапазона, у которых зона передачи ограничена каким-то одним регионом. Поэтому многие радиостанции во всем мире могут работать на одной частоте без взаимных помех.
Рис. 4.1. Уплотнение с пространственным разделением (SDM)
Уплотнение с частотным разделением
В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing FDМ) доступная полоса частот разбивается на несколько неперекрывающихся полос частот (рис. 4.2), после чего каждому каналу ki выделяется собственная полоса. Для предотвращения влияния соседних каналов друг на друга между ними организуются защитные интервалы – полоса частот между соседними частотными каналами.
Данная схема используется радиостанциями, работающими в одном регионе. При этом каждая радиостанция имеет собственную частоту, а приемник необходимо настроить на частоту нужного передатчика.
Рис 4.2. Уплотнение с частотным разделением (FDM)
Уплотнение с временным разделением
При уплотнении с временным разделением (Time Division Multiplexing, TDM) каналу ki на определенное время предоставляется вся
полоса частот, т.е. все передатчики используют одинаковую частоту, но в различные промежутки времени (рис. 4.3). Эти промежутки времени, в течение которых среду используют различные передатчики, опять же разделены защитными интервалами – интервалами времени между двумя передачами. Перекрытие двух передач во времени называется помехами совмещенного канала. Чтобы исключить такие помехи, необходима точная синхронизация различных передатчиков. Приемник должен быть настроен на определенную частоту и синхронизирован с определенным передатчиком.
Рис. 4.3. Уплотнение с временным разделением (TDM)
Схемы уплотнения с частотным и временным разделением можно объединить. В этом случае каналу ki, выделяется определенная полоса частот на некоторый промежуток времени (рис. 4.4). Здесь защитные интервалы необходимы и во временном и частотном измерениях.
Рис. 4.4. Объединение частотного и временного уплотнения
Уплотнение с кодовым разделением
При использовании уплотнения с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM) (рис. 4.5) передача на всех каналах ki ведется одновременно на одной частоте. Разделение здесь достигается с помощью
присвоения каждому каналу некоторого "кода". Для обеспечения защитных интервалов используются коды находящиеся в кодовом пространстве на определенном расстоянии между собой, например, ортогональные коды.
Рис. 4.5. Уплотнение с кодовым разделением (CDM).
В качестве примера схемы СDМ из повседневной жизни можно взять вечеринку, на которой собрались люди из разных стран. Участники вечеринки устанавливают каналы связи, т.е. разговаривают друг с другом, используя одинаковый диапазон частот (в зависимости от голоса, это может быть 300 – 6000 Гц) в одно и то же время. Когда все разговаривают на одном языке, необходимо пространственное разделение (т.е. разбиение на группы, разговаривающие с "ограниченной мощностью передачи"). Однако, если использовать другой код, т.е. другой язык, человек может "настроиться" на него и отличать разговоры на этом языке от всех остальных разговоров (которые будут проявляться в виде фонового шума). Этот пример также поясняет, почему защищенность передачи является неотъемлемой чертой технологии кодового разделения: сигналы можно получать, но они будут бесполезными, если неизвестен язык. С использованием секретного кода (языка) установление безопасного канала возможно и во "враждебном" окружении. (На обычной вечеринке это может привести к недоразумениям.) В нашем примере также могут потребоваться определенные защитные интервалы. В частности, одновременное использование шведского и норвежского языков может не сработать, так как они слишком близки между собой. Однако, например, шведский и
финский языки настолько "ортогональны", что подобные каналы связи легко можно будет разделить.
Главным достоинством схемы СDМ, важным для беспроводной передачи, является хорошая защита от помех и прослушивания. Хотя отдельным каналам все же необходимо присваивать различные коды, тем не менее, кодовое пространство просто огромно по сравнению с частотным пространством. Поэтому присвоение индивидуального кода каждому передатчику обычно не приводит к проблемам. Главный недостаток этой схемы – относительно высокая сложность приемников. Приемник должен знать код и отделять канал с нужными данными от фонового шума, состоящего из остальных сигналов и шума окружающей среды. Кроме того, для правильного декодирования необходима точная синхронизация передатчика и приемника.