Tehnici de baza de acces multiplu
In cadrul sistemelor celulare terestre radio mobile, tehnicile de acces multiplu permit multor utilizatori sa imparta, in cel mai eficient mod, posibilitatile limitate ale unui spectru radio. In functie de alocarea canalului vocal catre utilizatorii sistemului, accesul multiplu poate fi clasificat in trei categorii, dupa cum urmeaza:
a) Pre-asignare. In astfel de sisteme, utilizatorului ii este alocat in mod permanent (asignat) un canal vocal, chiar daca acesta este folosit sau nu.
b) Asignare la cerere. In
acest caz, utilizatorului ii este alocat un canal vocal la comanda (la cerere)
dintr-un grup de canale disponibile. Dupa ce convorbirea s -a terminat, canalul
este "returnat" sistemului, acelasi canal fiind apoi disponibil pentru alti
utilizatori.
c) Acces aleator. In sistemele cu acces aleator, utilizatorii sistemului incearca sa acceseze canalele in mod aleator, fara a tine seama de sistem. Sunt posibile in acest caz "ciocniri" intre utilizatorii concomitenti care incearca sa acceseze acelasi canal. Canalele sunt returnate sistemului atunci cand convorbirea s-a incheiat.
Pre-asignarea este ineficienta la utilizarea in sistemele celulare, cu toate ca unele canale trebuie sa fie pre-asignate serviciilor de urgenta din cadrul sistemului. Cea mai eficienta este asignarea la cerere si este folosita in mod frecvent in sistemele celulare actuale. Accesul aleator este o posibilitate, dar frecventa "ciocnirilor" devine inacceptabil de mare in timpul orelor de trafic maxim. In realitate, unele sisteme folosesc accesul aleator ca parte a arhitecturii accesului la cerere cu scopul de a accesa un canal disponibil de catre utilizatori.
In functie de separarile semnalelor, exista trei tehnici de baza de acces multiplu:
- acces multiplu cu divizarea frecventelor (FDMA)
- acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)
- acces multiplu cu divizarea codului (CDMA)
1. Accesul multiplu cu divizarea frecventelor (FDMA)
Acest tip de acces a fost implementat in primele sisteme mobile si se caracterizeaza prin faptul ca un canal radio poate fi folosit, la un moment dat, de un singur utilizator. Astfel, daca un utilizator ce doreste realizarea unei convorbiri primeste canalul i, un alt utilizator va putea realiza o convorbire pe acelasi canal i numai dupa ce primul elibereaza canalul. Presupunand n utilizatori ce desfasoara convorbiri simultan in sistem, o posibila alocare a canalelor radio in sistemele cu acces simplu este prezentata in figura 4.
In acest caz, exista posibilitatea ca doi utilizatori, apropiati ca distanta, sa utilizeze simultan canale vecine in frecventa, ceea ce produce fenomenul numit interferenta de canal adiacent. Pentru minimizarea acestui tip de interferenta este necesara existenta unei distante in frecventa intre canale (banda de garda sau banda de separatie).
Cu ajutorul tehnicii FDMA, utilizatorii impart spectrul radio in domenii de frecventa. Acest lucru se realizeaza prin divizarea intregii latimi de banda disponibila sistemului in sub-benzi de frecvente inguste (canale vocale), dupa cum se ilustreaza in figura a. Spatierea canalelor este dictata de tehnica de modulatie utilizata; de exemplu ea este de 5 KHz pentru SSB si 25 sau 30 KHz pentru FM. Fiecare dintre canalele vocale este alocat numai unuia dintre utilizatorii concomitenti pe durata comunicatiei. FDMA este mai adecvata pentru sisteme de modulatie analogica, cum ar fi FM, AM si SSB. Aceste sisteme de modulatie folosesc tehnica FDMA combinata cu duplexarea frecventei.
Avantajele FDMA:
a) Nu exista indoieli in ceea ce priveste fezabilitatea sa.
b) Tehnologie bine conceputa si sigura.
c) Tehnologie flexibila.
d) Nu necesita egalizarea canalelor.
Dezavantajele FDMA:
a) Complexitatea statiei de baza si necesitatea unui duplexor la statia
mobila.
b) Cerinte de stabilitate pentru frecventele purtatoare, in particular, pentru spatierile de canal inguste, cum sunt cele utilizate in SSB.
c) Protectia impotriva unui fading major este dificil de realizat, in special pentru mobilele ce se deplaseaza cu viteza redusa.
d) Numarul de comunicatii simultane este redus deoarece, la un moment dat, o purtatoare poate suporta o singura convorbire;
e)
Existenta benzii de separatie, produce o micsorare a numarului de canale radio
din sistem.
Primul dezavantaj face inacceptabila aceasta tehnica de acces la mediu, in conditiile necesitatii obtinerii de sisteme de capacitati ridicate.
Fig. 5. Tehnici de baza de acces multiplu: a) FDMA; b) WB-TDMA; c) NB-TDMA; d) CDMA
2. Acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)
Ideea de baza a acestui tip de acces este multiplexarea in timp, pe o aceeasi frecventa radio, a doua sau mai multe comunicatii. Pe fiecare canal, timpul este decupat in sloturi de durata T. Un numar de M sloturi formeaza un cadru TDMA (unde M este o valoare dependenta de implementare). Fiecare utilizator mobil poate utiliza pe acelasi canal unul sau mai multe sloturi. Reluand exemplul din paragraful precedent, pentru m < M, cei m utilizatori vor putea folosi aceeasi purtatoare radio.
Cu tehnica TDMA, utilizatorii din sistem impart spectrul radio in domeniul timpului. Aceasta se realizeaza prin alocarea unei fractiuni de timp unuia si numai unuia dintre utilizatorii concomitenti pentru intreaga durata a comunicatiei. Pe durata acestei fractiuni de timp, utilizatorul are acces la intreaga banda de frecventa disponibila sistemului. Acest caz se refera la TDMA de banda larga (WB-TDMA, fig.b). Alternativ, in TDMA de banda ingusta (NB-TDMA), utilizatorului i se permite accesul numai la o parte din banda de frecventa disponibila sistemului, dupa cum se prezinta in fig. c. In cadrul NB-TDMA, spatierea canalelor este marita pentru a se permite divizarea timpului intre putini utilizatori, dar ramane sub latimea de banda coerenta. In cazul WB-TDMA, oricum, spatierea canalelor este mult deasupra latimii de banda coerenta. Tehnicile TDMA se preteaza mult mai bine sistemelor digitale.
Avantajele NB-TDMA:
a) Tehnologie bine conceputa.
b) Cerintele pentru stabilitatea oscilatorului sunt mult mai putin stringente in raport cu FDMA.
c) Este posibil sa se evite filtrele duplex la statiile mobile prin selectarea de fractiuni de timp diferite, atat pentru transmisie cat si pentru receptie.
d) Codarea se poate implementa usor.
Dezavantajele NB-TDMA:
a) Sunt posibile unele probleme de egalizare .
b) Este necesara sincronizarea dintre mobil si statiile de baza, ceea ce poate fi o problema serioasa pentru vecinatatea mobilului.
c) Necesitatea unor durate mai mari pentru timpul de preambul si timpul de siguranta poate avea un impact semnificativ asupra eficientei spectrului.
Avantajele WB-TDMA:
a) Diversitatea inerenta a frecventelor datorata fading-ului multiplu.
b) Se pot evita filtrele duplex in statia mobila prin selectarea de fractiuni de timp diferite pentru transmisie si receptie.
Dezavantajele WB-TDMA:
a) Tehnologie mai putin elaborata decat cea folosita in sistemele cu NB-TDMA.
b) O problema de egalizare dificila care necesita un sistem eficient de egalizare.
c) Este necesara sincronizarea dintre mobil si statiile de baza, ceea ce poate fi o problema serioasa in cazul vecinatatii mobilului.
d) Necesita largi benzi continue de frecventa, care nu pot fi disponibile intotdeauna si oriunde.
e)
E
ste necesara o procesare de mare viteza.
f) Necesita un control al puterii pentru a preintampina efectul
aproape-departe in care puterea de la un utilizator situat aproape de statia de
baza ar putea acoperi in cadrul aceleiasi celule utilizatorii indepartati.
g) Necesitatea unor timpi de preambul si de siguranta poate avea un impact semnificativ asupra eficientei spectrului.
Fig. 6. Utilizarea spectrului in sisteme cu acces multiplu
3. Accesul multiplu cu divizarea codului (CDMA)
In ultimii 15 ani, CDMA a inregistrat un ritm rapid de crestere, devenind o tehnologie extrem de sofisticata. Derivata initial din nevoia de securitate a comunicatiilor, CDMA a fost dezvoltata comercial incepand cu mijlocul anilor 1980 de catre una din cele mai avansate companii de telecomunicatii din lume, Qualcomm Inc., cu sediul in San Diego, California.
CDMA este acronimul de la Code Division Multiple Acces si este una dintre asa numitele tehnologii cu "spectru dispersat" (spread spectrum), un grup de tehnici digitale de comunicatie bazate pe folosirea undelor electromagnetice intr-un spectru de lungime de unda mult mai mare decat ar fi necesar semnalului original. Aceasta ultima caracteristica permite aplicatii care au nevoie de largimi de banda mari - precum Internetul de mare viteza - si reduce interferentele si zgomotul. Mesajele sunt divizate in pachete, fiecarui pachet fiindu-i atribuit un anumit cod. Mesajul este transmis, apoi decodat si reasamblat la receptor. Exista peste 4.4 mii de miliarde de combinatii posibile (coduri). Sistemul este responsabil nu doar pentru primele doua cuvinte din numele CDMA, ci si pentru caracteristicile exceptionale de securitate ale tehnologiei. Caracterul de banda larga al CDMA face si mai dificila spargerea barierelor de securitate.
Celelalte doua cuvinte din CDMA accentueaza o alta trasatura importanta a acestei tehnologii. Ca si alte multe tehnologii de comunicatii, CDMA permite un numar mare de utilizatori sa foloseasca aceeasi gama limitata de canale radio. Totusi spre deosebire de alte tehnologii de acces multiplu - TDMA (in care nimeni nu poate accesa canalul / intervalul de timp, pana cand apelul respectiv fie sa terminat, fie a fost mutat pe alt canal), CDMA are cu totul alta abordare. Utilizatorul nu este diferentiat printr-o frecventa separata sau printr-un anumit canal/interval de timp, ci de un cod digital unic (asa numitul pseudo-Random Code Sequence) comun telefonului mobil si statiei de baza. Toti utilizatorii folosesc simultan acelasi segment al spectrului radio. Diversele mesaje nu se amesteca, intrucat fiecare pachet de date are atasat propriul cod, asemenea unei amprente. Acest mod de utilizare al spectrului radio aduce doua mari avantaje tehnologiei CDMA. Unul este eficienta spectrala foarte ridicata, care duce la capacitati de aproape 10 ori mai mari comparativ cu tehnologiile analogice si de 4-5 ori comparativ cu TDMA. Celalalt este legat de puterea redusa necesara transmitatorului, cu efecte imediate precum durata de viata mai lunga pentru baterie sau timp de convorbire mai lung, precum si telefoane mai compacte mai usoare.
In Romania reteaua digitala CDMA opereaza in banda 450Mhz. Avand aceasta frecventa o statie acopera teoretic o arie de 4 si respectiv de 16 ori mai mare decat statiile care opereaza in benzile de frecventa de 900MHz, respectiv 1800 MHz. Cu alte cuvinte reteaua necesita de 4, si respectiv 16 ori mai putine statii, ceea ce reduce considerabil costurile de operare. In plus tehnologia CDMA foloseste transmisiuni de date in mod pachetizat (HSPSD), iar consumatorul este taxat exact pentru cantitatea de informatii transferata, si nu pentru timpul petrecut in retea. Acesti doi factori se combina pentru a permite operatorului sa ofere acoperire superioara si calitate deosebita serviciilor la un pret accesibil.
Aceasta tehnica a fost denumita si acces multiplu cu spectru distribuit (SSMA). In cadrul tehnicilor cu spectrul distribuit, semnalul transmis este plasat pe un domeniu larg de frecventa, in realitate mult mai larg decat latimea de banda minima necesara pentru a transmite informatiile. De fapt, cu tehnica CDMA, fiecarui utilizator din sistem i se asigneaza un set unic de forme de unda timp-frecventa care este guvernat de un cod unic pseudoaleator al utilizatorului. Astfel, fiecare utilizator poate accesa domeniul timp-frecventa, in orice moment, intr-o maniera unica, in concordanta cu codul sau unic si propriu (fig. d). Aceste coduri de utilizator au fost astfel proiectate incat valorile pentru intercorelatii sunt mentinute la un nivel scazut iar interferenta interutilizatori este mentinuta la un nivel scazut si acceptabil. Exista diferite moduri prin care utilizatorul poate exploata domeniul timp-frecventa, si aceasta depinde de metoda de spectru distribuit utilizata de tehnica CDMA. Tehnicile posibile de spectru distribuit sunt prezentate in literatura si pot fi rezumate astfel:
(a) Secventa directa(DS). Aceasta este cunoscuta ca pseudo-zgomot (PN), caz in care purtatoarea este modulata de catre o secventa de cod digital a carei rata de bit (se refera la o rata de "cip" pentru a putea face o distinctie) este mult mai mare decat latimea de banda a semnalului de informatie. In forma sa cea mai simpla, purtatoarea este comutata intre doua faze, la 180 º, in functie de frecventa codului binar (forma binara pseudoaleatoare). Receptorul urmareste inversarile de faza pseudoaleatoare folosind o replica memorata a secventei de cod.
(b) Salt de frecventa (FH). In cadrul acestei tehnici, frecventele purtatoare, ale emitatorului si ale receptorului, sunt schimbate la intervale regulate. Aceasta schimbare de frecventa este dictata de o secventa de cod care determina ordinea utilizarii frecventei. De fapt, nu este nimic mai mult decat FSK, cu exceptia faptului ca setul de frecvente ales este mult largit. Este convenabil sa clasificam sistemele FH ca fiind rapide sau lente. In cazul saltului de frecventa rapid (FFH), viteza de salt depaseste in mod semnificativ viteza informatiei. In cazul saltului de frecventa lent (SFH), viteza de salt este comparabila cu sau este chiar mai mica decat viteza informatiei.
(c) Salt in domeniul timpului(TH). In cadrul acestei tehnici, o secventa de cod dicteaza temporizarea transmisiei. Secventa timpilor de transmisie este memorata in receptor si este folosita pentru urmarirea transmisiei, iar in rest se ignora canalul. Saltul in domeniul timpului nu si-a gasit aplicatii largi, cu exceptia sectorului militar.
(d) "Ciripit" sau impuls FM. In cadrul acestei abordari, frecventa purtatoare a unui impuls transmis este variata continuu (sau baleiata) pe o banda larga in decursul unei perioade de timp.
(e) Forme hibride. Combinatiile hibride ale tehnicilor de mai sus sunt pe deplin realizabile.
Cele mai utilizate forme de tehnici hibride de spectru distribuit sunt:
- salt de frecventa si secventa directa (FH-DS);
- salt de timp si frecventa (TFH);
- salt de timp si secventa directa (TH-DS).
Aceasta tehnica a fost aplicata in retele de telefonie mobila din SUA, Coreea de Sud (Hyunday), China, Romania (reteaua Zapp) etc.
Avantajele CDMA:
a) Protectie la interferentele intentionate si neintentionate de banda ingusta.
b) Protectie la fading-ul care se produce datorita diversitatii inerente a frecventelor caracteristice pentru FH/CDMA.
c) Orice utilizator poate accesa sistemul in orice moment fara a astepta un canal liber.
d) Nu exista nici o limitare stringenta in ceea ce priveste utilizatorii activi simultan. In cazul in care numarul utilizatorilor activi creste peste valoarea luata in considerare, rezultatul va fi o degradare a performantelor pentru toti utilizatorii mai degraba decat o interzicere a accesului.
e) Deoarece fiecare utilizator pastreaza setul sau unic de semnal in mod permanent, nu exista nici o comutare de canal sau schimbari de adresa, chiar daca utilizatorul se muta din cadrul unei celule in alta.
f) Serviciile de necesitate pot fi integrate in sistem - chiar si in cazul supraincarcarii sistemului - fara a se asigna un canal anume sau interzicand accesul altor utilizatori la sistem.
g) Coexistenta in cadrul aceleiasi benzi de frecventa, cum ar fi cazul sistemelor conventionale cu banda ingusta, este posibila daca nu este solicitata capacitatea globala a sistemelor CDMA.
h) Securitatea convorbirii (permite o codare eficienta impotriva ascultatorilor ocazionali, deoarece fiecarui utilizator potential ii este asignat un cod unic) - operand pe baza a aproximativ 4,4 mii de miliarde de coduri, tehnologia CDMA elimina teoretic interceptarea, clonarea sau orice alt tip de frauda. Aceasta caracteristica importanta a sistemului cat si accesul securizat la Internet face posibila operarea de tranzactii bancare sau de alta natura direct de pe telefonul mobil si in conditii de securitate maxima. Se pot trimite prin intermediul telefonului documente folosind serviciul de fax sau e-mail, fara risc.
i) Nu exista nici un interes industrial care sa complice standardizarea.
j) Calitate deosebita a sunetului si a convorbirii - tehnologia CDMA elimina zgomotele de fond, convorbirile suprapuse si interferentele, oferind o calitate exceptionala a sunetului, respectiv eliminarea intreruperilor convorbirilor si a apelurilor nepreluate. Atat zgomotele de fond electronice (cele generate de computere, statii de radio-TV etc.), cat si cele acustice sunt eliminate prin folosirea unui filtru care corespunde frecventelor obisnuite ale vocii umane. Datorita acestei metode, zgomotele de fond ai interferentele sunt excluse din convorbiri.
k) Transmisiuni de date de 153,6kbps - retelele CDMA 2000 includ protocoale IP standard pentru pachete de date in mod pachetizat (HSPSD) la viteze foarte mari (153,6kbps). Toate terminalele folosite au incorporate din constructie un modem de mare viteza si un browser pentru Internet (Microsoft Mobile Explorer 3.0), ceea ce le ofera capacitatea de a accesa servicii Internet. De asemenea, terminalul suporta rularea de aplicatii client in regim securizat (SSL/HTTPS), prin intermediul browser-ului.
l) Mai putine apeluri intrerupte - metoda "soft handoff" de transfer al convorbirilor intre celule, specifica tehnologiei CDMA, minimizeaza riscul perturbarii convorbirilor sau al intreruperii sesiunilor pentru transfer de date. In reteaua CDMA un apel poate fi preluat de mai multe antene in acelasi timp, spre deosebire de alte tehnologii, in care utilizatorul este deconectat de la o antena inainte de a fi preluat de urmatoarea.
m) Timp de convorbire mai mare si viata indelungata pentru baterie - atunci cand se efectueaza un apel sistemul CDMA se asigura ca fiecare telefon mobil emite la puterea minima necesara pentru o transmisie de calitate.
n) Capacitate mai mare a retelei - tehnologia CDMA ofera cea mai mare capacitate utilizatorilor prin folosirea simultana a acelorasi benzi de frecventa. Prin folosirea tehnologiei cu spectru imprastiat, CDMA are o capacitate de 10-20 de ori mai mare decat echipamentele analogice si de 4-5 ori mai mare decat alte sisteme digitale.
Dezavantajele CDMA:
a) Este necesar un hardware complex si costisitor. Acest lucru se datoreaza necesitatii unui sintetizator rapid de salt de frecventa, unei voci digitizate, unor procesoare rapide etc.
b) Este esential un control dinamic al puterii emitatorului mobil in sensul minimizarii efectului aproape-departe.
c) Nu este posibila o detectie coerenta completa in cazul unei vecinatati a mobilului afectata de fading. Mai mult chiar, este necesara sincronizarea la nivel de "cip" ceea ce este foarte dificil de realizat.
d) Proiectarea unui numar mare de coduri ortogonale (sau aproape ortogonale) unice si individuale pentru mii de utilizatori necesita o munca enorma. Pierderea ortogonalitatii rezulta in cazul interferentei inter-utilizator care va afecta atat eficienta cat si calitatea sistemului.
e) Accesul liber al utilizatorului la canale poate eventual sa produca prabusirea sistemului prin atingerea unui stadiu in care calitatea serviciului este inacceptabila pentru toti utilizatorii. In acest caz, poate fi necesara adoptarea unei strategii de blocare a apelurilor sau fortarea terminarii comunicatiilor.
f) Nu exista nici o experienta practica in cazul sistemelor celulare terestre radio mobile.
g) Exista unele indoieli in ceea ce priveste eficienta spectrala - aceasta situatie urmeaza a fi investigata.
