Применение нескольких методов доступа для максимальной эффективности канала

Что такое технологии множественного доступа?

Методы множественного доступа формируют основу современных беспроводных и проводных систем связи. Они позволяют нескольким пользователям или устройствам совместно использовать конечный коммуникационный ресурс, такой как радиочастотный диапазон или проводная линия передачи, без разрушительных помех. Поскольку глобальный трафик данных продолжает экспоненциальный рост, обусловленный потоковым видео, облачными сервисами и Интернетом вещей (IoT), необходимость выжимать максимальную эффективность из каждого герца спектра никогда не была больше. Эффективный множественный доступ напрямую влияет на спектральную эффективность, емкость пользователя, задержку и общую пропускную способность сети.

Проще говоря, метод множественного доступа определяет, как разделяемая среда делится между претендентами. Разделение может происходить в частотной области, временной области, кодовой области, пространственной области или любой их комбинации. Каждый домен дает отдельное семейство протоколов, от классического многократного доступа с частотным разделением (FDMA) до передового неортогонального множественного доступа (NOMA), используемого в 5G New Radio. Выбор правильной техники - или оркестровка методов - является фундаментальным решением по проектированию системы, которое определяет, сколько подписчиков может обслуживать базовая станция, насколько надежно они общаются и сколько энергии потребляет сеть.

Основные типы технологий множественного доступа

Хотя существует множество запатентованных и гибридных методов доступа, большинство современных систем полагаются на несколько хорошо зарекомендовавших себя семей.Понимание их механики, преимуществ и компромиссов имеет важное значение для любого сетевого инженера или системного архитектора.

Многократный доступ с частотным разделением (FDMA)

FDMA — самый старый и концептуально простой метод. Доступная полоса частот разделена на более узкие поддиапазоны, каждый из которых назначается одному пользователю на время вызова или сеанса. Передатчик пользователя занимает эту поддиапазон непрерывно, в то время как приемники используют фильтры полосового пропуска для изоляции желаемого сигнала. FDMA используется в аналоговых системах, таких как AMPS (Advanced Mobile Phone System) и по-прежнему присутствует в цифровых спутниковых каналах и некоторых каналах Wi-Fi.

Основным преимуществом FDMA является его низкая сложность и минимальная интерференция между пользователями, когда полосы защиты достаточны. Однако он страдает от плохой спектральной эффективности, если пользователи простаивают, потому что назначенная полоса пропускания не может быть повторно использована другими в периоды тишины. Кроме того, требуется строгое планирование частоты, чтобы избежать помех смежных каналов, что растрачивает спектр на полосы защиты. Один только FDMA редко бывает достаточным для современных сетей высокой емкости, но он часто служит компонентом в гибридных схемах.

Многократный доступ с временным разделением (TDMA)

TDMA делит канал на повторяющиеся кадры, каждый из которых подразделяется на временные интервалы. Каждый пользователь получает эксклюзивный слот для передачи своих данных. Этот метод имеет основополагающее значение для Глобальной системы мобильной связи (GSM), спутниковых систем, таких как Iridium, и многих промышленных радиостандартов. Рамка TDMA обычно содержит серию слотов, причем каждый слот несет в себе всплеск данных от конкретного пользователя.

TDMA улучшает использование полосы пропускания по сравнению с чистым FDMA, потому что один частотный канал может поддерживать несколько пользователей. Он также упрощает цифровое планирование и позволяет гибко распределять продолжительности слотов. Однако TDMA требует жесткой синхронизации между всеми пользователями, чтобы избежать перекрывающихся передач, а время охраны между слотами потребляет некоторые накладные расходы. Когда у пользователя мало возможностей для передачи, слот остается пустым - форма неэффективности, которую могут смягчить статистические методы мультиплексирования (например, доступ на основе пакетов).

Многократный доступ к кодовому разделению (CDMA)

CDMA представляет собой сдвиг парадигмы: вместо разделения пользователей по частоте или времени, он позволяет всем пользователям передавать одновременно по всему спектральному диапазону, но сигнал каждого пользователя кодируется уникальным распространяющимся кодом.В приемнике желаемый сигнал восстанавливается путем корреляции с соответствующим кодом, в то время как сигналы с разными кодами появляются как низкоуровневый шум. CDMA является основой стандартов IS-95 (cdmaOne) и 3G UMTS.

Ключевые преимущества CDMA включают устойчивость к многолучевому затуханию, присущую безопасность (поскольку коды являются псевдослучайными) и способность поддерживать мягкие передачи. Это также обеспечивает естественную грациозную деградацию: по мере того, как все больше пользователей присоединяются, шум поднимается, и отношение сигнала к шуму (SNR) каждого пользователя уменьшается медленно, а не жесткое ограничение на мощность. Основным недостатком является необходимость точного управления мощностью; в противном случае, близкий пользователь может перегрузить удаленный (проблема «ближайшего расстояния»). Кроме того, приемники CDMA требуют сложных вычислений корреляции, которые исторически делали их более энергоемкими, чем приемники TDMA или FDMA.

Многократный доступ к ортогональному частотному дивизиону (OFDMA)

OFDMA — многопользовательская версия многоуровневого ортогонального частотного дивизиона (OFDM). Широкополосный канал разделен на множество ортогональных поднесущих. Подмножества этих поднесущих распределяются между разными пользователями, часто адаптивно на интервал времени передачи. Этот метод является ядром физических слоев 4G LTE и 5G NR. OFDMA сочетает в себе преимущества FDMA (разделение частотных доменов) с гибкостью TDMA (планирование временных доменов).

OFDMA превосходит в обработке частотно-селективного затухания: назначая поднесущим, которые испытывают благоприятные условия канала для каждого пользователя, планировщик может достичь почти оптимальной пропускной способности. Он также поддерживает мелкозернистые блоки ресурсов, что позволяет очень эффективно распределять для взрывного трафика. Основными затратами являются необходимость циклических префиксов для борьбы с интерсимвольными помехами, чувствительность к смещению частоты несущей и высокое отношение мощности пик-к-среднему (PAPR), которое предъявляет требования к линейности усилителя.

Многоразовый доступ к пространственному отделу (SDMA)

С появлением нескольких антенных решеток (MIMO) пространственное разделение множественного доступа стало практичным. SDMA использует пространственное измерение, используя формирование луча для направления отдельных лучей к различным пользователям. Несколько пользователей могут обслуживаться на одном и том же ресурсе с частотой времени, если их пространственные сигнатуры достаточно отделимы. SDMA является ключевым фактором для массивных MIMO в базовых станциях 5G, где десятки или сотни антенных элементов позволяют точно фокусировать энергию.

Увеличение пропускной способности SDMA является мультипликативным: при идеальном знании канала суммарная скорость может увеличиваться линейно с количеством антенн. Однако SDMA требует точной информации о состоянии канала в передатчике (CSIT), которую сложно получить при высоких скоростях пользователя. Она также требует сложной обработки сигналов и координации через несколько антенн, увеличивая аппаратные и вычислительные накладные расходы.

Факторы, определяющие эффективность канала

Эффективность канала не является единой метрикой; она охватывает спектральную эффективность (биты в секунду на герц), энергоэффективность (биты на джоуль), задержку, справедливость среди пользователей и способность поддерживать различные шаблоны трафика.

Внедрение множественного доступа для максимальной эффективности: практические стратегии

В реальных сетях нет универсально оптимальной методики множественного доступа. Инженеры объединяют несколько методик и дополняют их передовыми алгоритмами планирования для создания надежной и эффективной системы. В коммерческих развертываниях широко применяются следующие подходы.

Гибридные схемы доступа

Наиболее успешными сотовыми стандартами являются гибриды. LTE использует OFDMA на нисходящей линии связи и SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) на восходящей линии связи для уменьшения PAPR. В OFDMA ресурсные блоки дополнительно делятся во времени (каждый подкадр 1 мс) и частоте (12 поднесущих на блок), эффективно сочетая FDMA и TDMA. CDMA также использовался в сочетании с TDMA в ранних стандартах 3G (например, WCDMA включает временные интервалы на код). Гибридные схемы позволяют дизайнерам использовать сильные стороны каждой техники, компенсируя слабые стороны.

Адаптивное распределение ресурсов

Статическое назначение ресурсов (например, фиксированные полосы частот для каждого пользователя) является крайне неэффективным. Современные системы используют динамические планировщики, которые распределяют временные частотные пространственные ресурсы на основе мгновенных условий канала, очередей трафика и требований к качеству обслуживания (QoS). Например, планировщик LTE обновляет назначения блоков ресурсов каждые 1 мс, используя показатели качества канала, сообщаемые пользовательским оборудованием. Аналогично, 5G NR поддерживает планирование мини-слотов для сверхнадежных коммуникаций с низкой задержкой (URLLC). Адаптивное распределение максимизирует пропускную способность, предоставляя больше ресурсов пользователям с благоприятными каналами, обеспечивая при этом справедливость через пропорциональную справедливость или планирование максимума.

Координированный мультипойнт (CoMP) и управление помехами

Даже лучшая схема множественного доступа не может решить интерференцию между ячейками в одиночку. Методы CoMP координируют передачи через несколько базовых станций так, что сигналы от соседних ячеек либо усиливают желаемый сигнал (совместная передача), либо избегают столкновений (избегание помех). Это особенно эффективно в системах OFDMA, где помехи могут быть выровнены во времени и частоте. В CDMA мягкая передача выполняет аналогичную роль, позволяя пользователю подключаться к нескольким базовым станциям одновременно.

Спектральное разделение и когнитивное радио

Многократный доступ не ограничивается лицензионными полосами. В нелицензионном спектре (например, Wi-Fi, Bluetooth) используются протоколы на основе споров, такие как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Это не традиционные детерминированные методы доступа, но подпадают под зонтик совместного использования каналов. Когнитивное радио расширяет эту идею, позволяя вторичным пользователям оппортунистически получать доступ к дырам спектра без ущерба для первичных пользователей. Такой динамический доступ может значительно улучшить общее спектральное использование по всей полосе радиочастотного спектра.

Передовые и будущие технологии доступа

По мере развития беспроводных сетей в направлении 6G и за его пределами исследователи изучают новые парадигмы множественного доступа, которые нарушают ограничение ортогональности и повышают эффективность.

Неортогональный множественный доступ (NOMA)

NOMA намеренно позволяет нескольким пользователям совместно использовать один и тот же ресурс с разной частотой и мощностью. Приемник выполняет последовательное отмену помех (SIC) для декодирования сначала более сильного сигнала, вычитания его, а затем декодирования более слабого. Это может обеспечить значительный прирост пропускной способности, особенно в сценариях сотового центра и сотового края. NOMA уже является частью спецификаций 3GPP Release 16 и 17 для 5G (Multi-User Superposition Transmission, MUST). Компромисс заключается в повышенной сложности приемника и необходимости точной оценки канала.

Бесплатный и разреженный код множественного доступа (SCMA)

Для массовых коммуникаций машинного типа (mMTC) традиционный грантовый доступ (запрос ресурса, ожидание гранта, затем передача) создает слишком большие накладные расходы. Без Гранта схемы позволяют устройствам передавать данные сразу с использованием предварительно сконфигурированных ресурсов. SCMA - это форма кодового домена NOMA, где пользователи отображают свои биты на разреженные кодовые книги; приемник использует алгоритмы передачи сообщений для разделения наложенных сигналов. Этот метод может поддерживать высокую перегрузку (более активных пользователей, чем элементы ресурса) при сохранении низкой задержки.

Многократный доступ с разницей в скорости (RSMA)

RSMA — это более свежее предложение, которое обобщает обычный множественный доступ, разделяя сообщение каждого пользователя на общие и частные части. Обычная часть декодируется всеми пользователями, в то время как частная часть декодируется только предполагаемым получателем. Этот подход обеспечивает надежность при несовершенных знаниях канала и может превзойти NOMA в сценариях с ограничением помех. RSMA активно исследуется для 6G и спутниковой связи.

Реальные приложения в разных отраслях

Методы множественного доступа не ограничиваются мобильными телефонами. Их принципы применяются в широком спектре технологий, каждая из которых имеет уникальные цели оптимизации.

Заключение

Максимальная эффективность канала с помощью методов множественного доступа является многомерной задачей, которая затрагивает почти каждый уровень проектирования сети. От классического FDMA и TDMA до сложных OFDMA, NOMA и SDMA современных систем 5G, каждая техника предлагает уникальные компромиссы по сложности, помехостойкости и гранулярности ресурсов. Успешная реализация редко опирается на один метод; вместо этого инженеры объединяют и адаптируют эти схемы к шаблонам трафика, среде распространения и требованиям качества обслуживания целевого приложения. Поскольку отрасль продвигается к 6G с терагерцовыми частотами и экстремальной уплотнением, следующее поколение методов множественного доступа, вероятно, построенных на скорости разделения, без грантов передачи и совместного восприятия связи, будет иметь решающее значение для раскрытия полного потенциала электромагнитного спектра. Понимание основ множественного доступа остается важным навыком для любого профессионала, работающего в телекоммуникациях, сетевой инженерии или дизайне беспроводной системы.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к серии спецификаций 3GPP по процедурам физического уровня (TS 38.214 для NR) или IEEE Communications Surveys & Учебные статьи по NOMA и RSMA. Отчет ITU-R M.2375-0 о технической осуществимости IMT-2020 также предоставляет авторитетный обзор требований к множественному доступу для передовых мобильных систем.