Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 46
Текст из файла (страница 46)
В OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) полоса каналаразделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например,с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместев частотной области. Таким образом, сигналы от каждой поднесущей простираютсяв смежные. Однако, как видно на рис. 2.22, частотная характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль.
Поднесущаяпоэтому может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних.Чтобы это работало, необходим защитный интервал времени, чтобы повторить частьсимвольных 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 былашироко принята, после того как стало возможно осуществить OFDM эффективнос точки зрения преобразований Фурье цифровых данных по всем поднесущим (вместо того, чтобы отдельно модулировать каждую поднесущую).
OFDM используетсяв 802.11, кабельных сетях и сетях линии электропередачи. Запланировано ее применение в сотовых системах четвертого поколения. Обычно один высокоскоростной2.5. Цифровая модуляция и мультиплексирование 155поток цифровой информации разделен на многие потоки с низкой скоростью, которые передаются на поднесущие параллельно. Это разделение значимо, потому чтос дефектами канала легче справиться на уровне поднесущих; некоторые поднесущиемогут быть очень ухудшены и исключены в пользу поднесущих, которые принимаютсяхорошо.ff1f2f3f5f4Рис.
2.22. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM)2.5.4. Мультиплексированиес разделением времениАльтернатива FDM — TDM (Time Division Multiplexing, Мультиплексированиес разделением времени, временное уплотнение). Здесь пользователи сменяются (покругу), каждый периодически получая всю полосу пропускания на небольшой отрезоквремени. Пример трех потоков, мультиплексированных с помощью TDM, показанна рис. 2.23. Биты от каждого входного потока взяты в фиксированный временнойслот и выведены в совокупный поток.
Этот поток движется с суммарной скоростьюотдельных потоков. Для этого потоки должны быть синхронизированы по времени.Маленькие защитные интервалы, аналогичные защитной полосе частот, могут бытьдобавлены, чтобы компенсировать небольшие отклонения синхронизации.1221321323Рис. 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 методаSTDM (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.156 Глава 2. Физический уровень2.5.5.
CDM — кодовое разделение каналовТретий вид мультиплексирования, которое работает совершенно иначе, чем FDMи 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 отразличных пользователей совместно использовать общий диапазон частот. Посколькумультиплексирование с кодовым разделением главным образом используется дляэтой 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 полнымспектром частот.
Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения теории кодирования. Прежде чем разбирать алгоритм работы, рассмотримследующую аналогию. Представьте себе зал ожидания в аэропорту. Множество пароживленно беседуют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда всепары людей говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, прикоторой люди говорят на разной высоте звука: одни на высокой, другие низкой, такчто все ведут свои разговоры одновременно, но независимо от других.
Для CDMAлучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все говорят одновременно, нокаждая пара говорящих использует свой язык общения. Франкоговорящие промываюткосточки всем остальным, воспринимая чужие разговоры как шум. Таким образом,ключевой идеей CDMA является выделение полезного сигнала при игнорированиивсего 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 интервалепомещаются 64 или 128 элементарных сигналов. В нашем примере мы будем допускать, что битовый интервал содержит только 8 элементарных сигналов на бит, дляупрощения. Каждой станции соответствует уникальный m-битный код, называющийсяэлементарной последовательностью.
Из педагогических соображений удобнее использовать биполярную запись в виде последовательности –1 и +1. В скобках будемпоказывать элементарные последовательности.Чтобы передать один бит, станция посылает свою элементарную последовательность. Чтобы передать бит со значением 0, нужно отправить вместо элементарнойпоследовательности ее дополнение (все единицы последовательности меняются нанули, 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 элементарнуюпоследовательность, а бит «0», передав (+1 +1 +1 –1 –1 +1 –1 –1). Здесь посылаютсянастоящие сигналы с такими уровнями напряжения, но нам достаточно думать о нихкак о последовательностях чисел.Увеличить количество информации, которое необходимо передавать (чтобы скорость составила b бит/с, нужно отправлять mb элементарных сигналов в секунду),можно только за счет увеличения в m раз пропускной способности.
Таким образом,для CDMA нужна в m раз большая пропускная способность, чем для станции не2.5. Цифровая модуляция и мультиплексирование 157применяющей CDMA (предполагая, что никаких изменений в методах модуляциии кодирования не производилось). Если имеется полоса шириной 1 МГц, на которойработают 100 станций, то при частотном уплотнении каждая из них получила бы свои10 кГц и работала бы со скоростью 10 Кбит/с (предположим, используется 1 бит/Гц).При CDMA каждая станция использует всю ширину диапазона (1 МГц), так что скорость передачи элементарных сигналов достигает сотни и «размазывает» пропускнуюспособность станции 10 Кбит/с на все каналы.На рис. 2.24, a и б мы покажем элементарные последовательности четырех станцийи сигналы, которыми они представляются.Каждая станция имеет собственную уникальную элементарную последовательность.
Обозначим символом S вектор длины m для станции S, а символом S — дополнение S. Все элементарные последовательности попарно ортогональны. Мы имеемв виду, что нормированное скалярное произведение двух различных элементарныхпоследовательностей S и T (пишется S • T ) равно 0. Известно, как генерировать такиепоследовательности с помощью метода, известного как коды Уолша. Используя математическую запись, можно выразить вышесказанное таким образом:S•T !1 m" S T = 0.m i =1 i i(2.3)Попросту говоря, сколько всего пар, столько и разных пар. Это свойство ортогональности мы строго докажем чуть позже.
Обратите внимание: если S • T = 0, тои S • T также равно 0. Нормированное скалярное произведение любой элементарнойпоследовательности на саму себя равно 1:S•S =1 m 21 m1 mSS=S=!!! (±1)2 = 1.m i =1 i i m i =1 im i =1Это действительно так, поскольку каждое из m слагаемых суммы равно 1, поэтомувся сумма равна m. Обратите также внимание на то, что S • S = –1.Рис.
2.24. Последовательность: а — двоичные элементарные последовательностидля четырех станций; б — биполярные элементарные двоичные последовательности;в — шесть примеров передачи; г — восстановление сигнала станции C158 Глава 2. Физический уровеньВ течение каждого битового интервала станция может либо передавать 1, посылаясвою элементарную последовательность, либо передавать 0, посылая дополнениек последовательности, либо может молчать и ничего не передавать. Предположим, чтовсе станции синхронизировались во времени, то есть все последовательности началипередаваться в один и тот же момент.Когда две или более станции пытаются осуществить одновременную передачу, ихбиполярные сигналы линейно складываются.
Например, если при передаче одногоэлементарного сигнала три станции послали +1, а одна послала –1, то в результате получится +2. Можно рассматривать это как сложение напряжений: три станции имеютна выходе +1 В, а одна имеет на выходе –1 В. В результате сложения получаем +2 В.На рис. 2.24, в изображено шесть примеров передачи, в которой одновременно принимают участие одна или несколько станций. В первом примере С передает единичныйбит, поэтому мы просто получаем элементарную последовательность этой станции.Во втором примере и B и C передают единичные биты, в результате чего мы получаемсумму их биполярных последовательностей, а именно:(– 1 – 1 + 1 – 1 + 1 + 1 + 1 – 1) + (– 1 + 1 – 1 + 1 + 1 + 1 – 1 – 1) == (0 –2 0 0 0 + 2 + 2 0 –2).Чтобы восстановить исходный битовый поток каждой из станций, приемник должен заранее знать элементарные последовательности всех передатчиков, с которымион работает.
Восстановление осуществляется путем вычисления нормированногоскалярного произведения принятой последовательности (то есть линейной суммы сигналов всех станций) и элементарной последовательности той станции, чей исходныйсигнал восстанавливается. Если принята элементарная последовательность S и приемник пытается понять, что передала станция с элементарной последовательностью C,то производится вычисление нормированного скалярного произведения S • C.Чтобы понять, как это все работает, давайте представим себе эти две станции, A и C.Пусть обе передают единичный бит в то время, как станция B передает нулевой бит.Приемник получает сумму сигналов, которая равна: S = A + B + C, и вычисляет произведение:S • C = (A + B + C) • C = A • C + B • C + C • C = 0 + 0 + 1 =1.Первые два слагаемых равны нулю, потому что все пары элементарных последовательностей тщательно подбирались такими, чтобы они были ортогональными,см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
