Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Рис. 2.21. Частотное уплотнение: а — исходные спектры сигналов; б — спектры, сдвинутые по частоте; в — уплотненный канал

Эта схема много лет использовалась для мультиплексирования звонков в телефонной сети, но теперь предпочтение отдается мультиплексированию по времени. Однако FDM продолжает использоваться в телефонных сетях, а также в сотовых, наземных радио и спутниковых сетях на более высоком уровне разбиения.

При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области. Таким образом, сигналы от каждой поднесущей простираются в смежные. Однако, как видно на рис. 2.22, частотная характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль. Поднесущая поэтому может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних. Чтобы это работало, необходим защитный интервал времени, чтобы повторить часть символьных сигналов во времени так, чтобы у них была желаемая частотная характеристика. Однако эти служебные издержки намного меньше, чем при большом количестве защитных полос.

Идея OFDM существовала уже давно, но только в прошлое десятилетие она была широко принята, после того как стало возможно осуществить OFDM эффективно с точки зрения преобразований Фурье цифровых данных по всем поднесущим (вместо того, чтобы отдельно модулировать каждую поднесущую). OFDM используется в 802.11, кабельных сетях и сетях линии электропередачи. Запланировано ее применение в сотовых системах четвертого поколения. Обычно один высокоскоростной поток цифровой информации разделен на многие потоки с низкой скоростью, которые передаются на поднесущие параллельно. Это разделение значимо, потому что с дефектами канала легче справиться на уровне поднесущих; некоторые поднесущие могут быть очень ухудшены и исключены в пользу поднесущих, которые принимаются хорошо.

Рис. 2.22.Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM)

2.5.4. Мультиплексирование с разделением времени

Альтернатива FDM — TDM( Time Division Multiplexing, Мультиплексирование с разделением времени, временное уплотнение). Здесь пользователи сменяются (по кругу), каждый периодически получая всю полосу пропускания на небольшой отрезок времени. Пример трех потоков, мультиплексированных с помощью TDM, показан на рис. 2.23. Биты от каждого входного потока взяты в фиксированный временной слоти выведены в совокупный поток. Этот поток движется с суммарной скоростью отдельных потоков. Для этого потоки должны быть синхронизированы по времени. Маленькие защитные интервалы, аналогичные защитной полосе частот, могут быть добавлены, чтобы компенсировать небольшие отклонения синхронизации.

Рис. 2.23.Мультиплексирование с разделением времени (TDM)

TDM широко используется в телефонных сетях и сетях сотовой связи. Чтобы избежать путаницы, давайте отметим, что это очень отличается от альтернативного метода STDM( Мультиплексирование со статистическим временным разделением). Слово «статистическое» указывает, что отдельные потоки поступают в мультиплексный поток не по фиксированному распорядку, а согласно статистике их запросов. STDM — это другое название для пакетной коммутации.

2.5.5. CDM — кодовое разделение каналов

Третий вид мультиплексирования, которое работает совершенно иначе, чем FDM и TDM, — это CDM( Мультиплексирование с кодовым разделением, кодовое разделение каналов). Оно является формой коммуникации распределенного спектра,

в которой узкополосный сигнал распределяется по более широкому диапазону частот. Это делает его более терпимым к помехам, а также позволяет нескольким сигналам от различных пользователей совместно использовать общий диапазон частот. Поскольку мультиплексирование с кодовым разделением главным образом используется для этой последней цели, его обычно называют CDMA( Code Division Multiple Access, множественный доступ с кодовым разделением).

В CDMA каждая станция может при передаче все время пользоваться полным спектром частот. Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения теории кодирования. Прежде чем разбирать алгоритм работы, рассмотрим следующую аналогию. Представьте себе зал ожидания в аэропорту. Множество пар оживленно беседуют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда все пары людей говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, при которой люди говорят на разной высоте звука: одни на высокой, другие низкой, так что все ведут свои разговоры одновременно, но независимо от других. Для CDMA лучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все говорят одновременно, но каждая пара говорящих использует свой язык общения. Франкоговорящие промывают косточки всем остальным, воспринимая чужие разговоры как шум. Таким образом, ключевой идеей CDMA является выделение полезного сигнала при игнорировании всего остального. Далее следует слегка упрощенное описание технологии CDMA.

В CDMA каждый битовый интервал разбивается на m коротких периодов, называемых элементарными сигналами, или чипами( chip). Обычно в битовом интервале помещаются 64 или 128 элементарных сигналов. В нашем примере мы будем допускать, что битовый интервал содержит только 8 элементарных сигналов на бит, для упрощения. Каждой станции соответствует уникальный m-битный код, называющийся элементарной последовательностью. Из педагогических соображений удобнее использовать биполярную запись в виде последовательности -1 и +1. В скобках будем показывать элементарные последовательности.

Чтобы передать один бит, станция посылает свою элементарную последовательность. Чтобы передать бит со значением 0, нужно отправить вместо элементарной последовательности ее дополнение (все единицы последовательности меняются на нули, а все нули — на единицы). Никакие другие комбинации передавать не разрешается. Таким образом, если m = 8 и если станции A соответствует последовательность (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1), она может послать бит «1», передав элементарную последовательность, а бит «0», передав (+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1). Здесь посылаются настоящие сигналы с такими уровнями напряжения, но нам достаточно думать о них как о последовательностях чисел.