TEHNIKE VIESTRUKOG PRISTUPA U MOBILNIM CELULARNIM SISTEMIMA

TEHNIKE VIESTRUKOG PRISTUPARadio-frekvencijski spektar je ogranieni prirodni resurs.Ekspanzija beinih komunikacija svakim danom namee potrebu za mobilnim radio sistemima to veeg kapaciteta.Izazov: U ogranienom opsegu uestanosti omoguiti kvalitetan servis to veem broju korisnika!Ideja: Viestruko korienje raspoloivog spektraViestruki pristup omoguava da vie korisnika istovremeno koristi raspoloivi spektar celularnog sistema.

TEHNIKE VIESTRUKOG PRISTUPAPostoje tri (tradicionalna) koncepta viestrukog pristupaFrekvencijski multipleks (Frequency Division Multiple Access - FDMA)Vremenski multipleks (Time Division Multiple Access - TDMA)Kodni multipleks (Code Division Multiple Access - CDMA)U poslednje vreme istrauju se tehnike prenosa posredstvom viestrukih nosilaca (Multicarrier) primer OFDMA. Kombinacija MC modulacije i CDMA tehnike se namee kao reenje za realizaciju viestrukog pristupa kod multimedijalnih irokopojasnih beinih sistema.

TEHNIKE VIESTRUKOG PRISTUPA

Koncept razdvajanja korisnika kod FDMA

F D M A

Viestruki pristup na bazi frekvencijske raspodele kanala (FDMA) je najjednostavnija tehnika koja omoguava viestruko iskorienje raspoloivog spektraKod ove tehnike korisnici su razdvojeni u frekvencijskom domenu, na nain to svaki korisnik sa baznom stanicom komunicira na razliitoj frekvenciji (kanalu)Korisnici se jedan od drugog razdvajaju upotrebom filtara propusnika opega uestanosti iji je propusni opseg jednak irini pojedinanog kanala.

F D M ARaspoloivi opseg irine B, koji je dodeljen odreenom radio sistemu, deli se na N nepreklapajuih podopsega (kanala) irine Bch, izmeu kojih se ostavlja mali zatitni opseg (Bguard)Broj kanala, N, u raspoloivom frekvencijskokm opsegu irine, B moe se odrediti na osnovu relacije:

F D M AKada korisnik generie poziv prema baznoj stanici, bazna stanica korisniku dodeljuje jedan od slobodnih kanala koji taj korisnik koristi na "ekskluzivnoj osnovi.Isti kanal ne moe biti dodeljen ni jednom drugom korisniku u istoj ili susednoj eliji.Kada korisnik u toku razgovora pree u susednu eliju, njemu se automatski dodeljuje jedan slobodan kanal u novoj eliji.Ako se uz FDMA koristi FDD (FDMA/FDD) tada je raspoloivi opseg sistema podeljen na dva jednaka podopsega, koji slue za uplik, odnosno downlink komunikaciju. Svakom korisniku se dodeljuje jedan par (dva) kanala (za direktni i povratni smer)Kako se i za prijem i za predaju koristi ista antena, neophodno je koristiti duplekser za razdvajanje emitovanog i primljenog signala.

Advanced Mobile Phone System (AMPS)FDMA tehnika se uglavnom koristi kod analognih mobilnih radio sistema, a najpoznatiji celularni sistem koji se zasniva na ovoj tehnici je Advanced Mobile Phone System (AMPS)

TDMAViestruki pristup na bazi vremenske raspodele kanala je zasnovan na konceptu da korisnici zauzimaju resurse samo u odreenim vremenskim intervalima. Vremenski interval namenjen odreenom korisniku se naziva vremenski slot. Vremenski slotovi su istog trajanja i ponavljaju se u pravilnim intervalima. TDMA omoguava da razliiti korisnici koriste celokupan raspoloivi frekvencijski opseg, ali ne istovremeno. Kada postoji vie korisnika oni koriste razliito alocirane vremenske slotove u istom frekvencijskom kanalu. Bazna stanica kontinualno vri prebacivanje sa jednog na drugog korisnika unutar kanala.

Koncept razdvajanja korisnika kod TDMA

Viestruki pristup na bazi vremenske raspodele (TDMA) omoguava korisnicima pristup celom opsegu uestanosti, koji se dodeljuje na vremenskoj bazi.Svaki korisnik koristi itav opseg u toku kratkog vremenskog intervala koji se naziva slot. Ostali korisnici imaju pristup istom kanalu, ali u razliitim, njima dodeljenim, slotovima.TDMA se moe koristiti kao nain za poveanje kapaciteta za dati opseg uestanosti time to se svaka frekvencija deli na vremenske slotove (kombinacija FDMA/TDMA)

T D M A

Princip komunikacije mobilni terminal-bazna stanica kod TDMA sistema

Broj kanala u TDMA celularnom sistemuBroj kanala, N, u TDMA sistemu moe se odrediti prema sledeoj jednaini:

B- ukupna irina spektra koji se koristi za prenos korisnikih signalaBg irina zatitnih opsega na krajevima propusnog opsega,Bc irina frekvencijskog opsega koji se koristi za prenos vremenskog rama sa m kanala

TDMA/FDMATDMA se esto koristi u kombinaciji sa FDMA konceptom (TDMA/FDMA)Raspoloivi opseg se deli na vie frekvencijskih kanala kojima, na principu vremenske raspodele, pristupa odreeni broj korisnika.U susednim elijama koriste se razliite frekvencije nosilaca, dok je isti kanal mogue ponovo koristiti samo u dovoljno udaljenim elijama kako bi se smanjio uticaj isto-kanalske interferencijeNa ovom principu rade najpoznatiji celularni radio sistemi druge generacije (2G) kao to su:General System for Mobile Communications (GSM)Nord American Digital Cellular System (NADC)JapaneseDigital Cellular System (JDC)

Primeri i karakteristike nekih celularnih sistema sa TDMA/FDMA pristupom

CDMA (Code Division Multiple Access) viestruki pristup na bazi kodne raspodele kanala se zasniva na tehnici proirenog spektra (Spread Spectrum) i predstavlja najnoviju tehniku pristupa kod celularnih sistema. Tehnike sa proirenim spektrom baziraju se na proirenju opsega uestanosti u kojem se vri prenos signala. Svakom korisniku omoguava se da u svakom vremenskom trenutku koristi sve raspoloive frekvencije u datom sistemu. Svi korisniki signali meusobno se preklapaju u vremenu i po frekvencijama, a njihovo razdvajanje se vri na bazi posebnog koda koji se dodeljuje svakom korisniku. Kod CDMA iskorienost spektra se viestruko poboljava. Praktino poveanje kapaciteta sistema od 2 do 5 puta u poreenju sa TDMA. CDMA Prednosti u odnosu na FDMA i TDMA:Otpornost na uticaj interferencije i multipath efekatOtpornost na uticaj fedingaTajnost prenosa

Koncept razdvajanja korisnika kod CDMATimeMultipleksiranje korisnika se ostvaruje kodnim multipleksom tako to se svakom korisniku dodeljuje kod. Na osnovu tog koda se iri spektar.

Spread Spectrum (SS)CDMA se naziva i tehnika prenosa signala sa proirenim spektrom (SS). Spektar korisnog signala je znatno ui od ukupno raspoloivog spektra, i vri se irenje (spreading) spektra korisnog signala Faktor irenja SF (spreading factor) se definie kao odnos irine frekvencijskog opsega u kojem se vri prenos Bss i osnovnog frekvencijskog opsega B (u kom je sadrana informacija) : SF=BSS/BPostoji vie tipova CDMA tehnike, koji se meusobno razlikuju po nainu irenja spektra. Najznaajnija je DS-CDMA (Direct Sequence CDMA), koja se koristi u UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) mreama.

DS-CDMA (Direct Sequence CDMA)Kod ove tehnike spektar signala se iri mnoenjem sa sekvencom dodeljenog ortogonalnog koda. Svakom korisniku dodeljuje se jedinstveni pseudosluajni kod (PSS) odreene duine (sastavljen od odreenog broja bita)Kada se prenosi binarna 1, tada se emituje jedinstven kodKada se prenosi binarna 0, emituje se inverzni kod.Bite nakon kodovanja nazivamo ipovi (chip)Duina emitovane sekvence bita broj ipova koji se emituje umesto jednog bita odgovara faktoru irenja, tako da je protok ipova SF puta vei od bitskog protoka informacionog sadraja.Prednostveliki kapaciteti pri prenosu, skalabilnost, i otpornost na uskopojasne interferencije.NedostatakVelika kompleksnost sistema.

DS-CDMA (Direct Sequence CDMA)

FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA)Koncept prenosa proirenim spektrom sa frekvencijskim skakanjem podrazumeva promenu frekvencije nosioca prema pseudo-sluajnoj emi (hopping sekvenca).FH-CDMA moe se posmatrati kao kombinacija FDMA i TDMA. U svakoj od elija koristi se niz radio frekvencija koje korisnici i bazna stanica koriste u odreenim vremenskim slotovima. Odmah po isteku vremenskog slota, bazna stanica ili korisnik menja uestanost na kojoj emituje signal. Tako se ostvaruje sistem u kome korisnici i bazne stanice menjaju uestanost emitovanja po unapred definisanim redosledima odreenim pseudosluajnim sekvencama (kodom). Jedna od najvanijih prednosti tehnike frekvencijskog skakanja jeste relativna imunost na feding. Takoe, s obzirom na kompleksnost FH-CDMA sistema, problem (zatite) tajnosti prenoenog sadraja i ometanja (namernog ili nenamernog) je manje znaajan, s obzirom na to da bi bio potreban sloen sistem kojim bi se ometao rad ovakvog sistema. Tehnika sluajnog frekvencijskog skakanja (Frequency Hopping FH) esto se koristi za poveanje kapaciteta celularnih sistema sa TDMA pristupom

FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA)

Broj korisnika u CDMA celularnom sistemuOdreivanje kapaciteta CDMA sistema je vrlo komplikovano i zahteva usvajanje odreenih pretpostavki i pojednostavljenja. Kapacitet zavisi od nivoa prihvatljive interferencije, dakle nije fiziki limitiran.

U sluaju kada je broj korisnika u sistemu jednak N i ako je snaga signala razliitih korisnika na mestu prijema ista i jednaka S tada je odnos signal/um jednak

Pored odnosa SNR veoma vaan parametar kod digitalnih komunikacionih sistema je i odnos signal/um po jednom bitu, odnosno odnos Eb/No

gde je

Eb- energija po bitu

N snaga uma u opsegu irine 1Hz

R brzina prenosa u bit/s

W- irina propusnog opsega sistema

Ako se u obzir uzme i termiki um, tada prethodna jednaina postaje

gde je

oznaena SGSS termikom uma.

Broj korisnika koji istovremeno mogu da pristupe sistemu dat je jednainom:

W/R se naziva procesno pojaanje.

_1209286596.unknown

_1209286918.unknown

_1209286985.unknown

_1209286825.unknown

_1209286419.unknown

Broj korisnika u CDMA celularnom sistemu

Podelom elije na sektore i primenom kontrole aktivnosti govora mogue je dalje poveati kapacitet CDMA sistema. Ako sa Ns obeleimo broj korisnika u jednom sektoru , a sa

faktor aktivnosti govora, tada je odnos signal/um jednak:

Kada je broj korisnika u sistemu veliki i kada performanse sistema yavise uglavnom od smetnje, a ne i od uma tada je broj korisnika koji mogu istovremeno da pristupe sistemu jednak

_1209287587.unknown

_1209287604.unknown

_1209287125.unknown

Disanje elija (Cell breathing)U CDMA sistemima veliina elije zavisi od trenutnog saobraajnog optereenja (broja korisnika) u elijiDodatni saobraaj (novi korisnik) se manifestuje kao um (interferencija) ostalim korisnicimaAko je um veoma veliki, korisnici se odbacuju iz elije

Prednosti i nedostaci kodnog multipleksiranjaPrednosti:Efikasno korienje spektraNije potrebna sinhronizacijaDobra zatita od interferencija i smetnjiNedostaci:Smanjenje binarnih protoka pri poveanju broja korisnikaKompleksnija regeneracija signala

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)OFDMA - tehnika viestrukog pristupa na bazi frekvencijske raspodele sa meusobno ortogonalnim nosiocima Viestruki pristup kod OFDMA se ostvaruje dodelom grupe podnosilaca individualnim korisnicima (grupe podnosilaca mogu biti dinamiki alocirane razliitim korisnicima). Osnovne prednosti OFDMA tehnike:Efikasno reava problem multipath propagacije (interferencije), visoka spektralna efikasnost.

Multipleksiranje saobraaja vri se dodelom strukture vremensko-frekvencijskih slotova svakom korisniku (u zavisnosti od brzine prenosa podataka).

DUPLEKSNI NAINI PRENOSAPored viestrukog pristupa, potrebno je korisnicima omoguiti da razmenjuju informacije u oba smera istovremeno. Ovakav tip veze naziva se dupleks. Dupleks se moe postii razdvajanjem direkrnog i povratnog kanala u frekvencijskom ili vremenskom domenu, pa shodno tome razlikujemo 2 naina dupleksiranja:Frequency Division Duplexing (FDD)

Time Division Duplexing (TDD)

Frequency Division Duplexing (FDD)Svaki korisnik za komunikaciju sa baznom stanicom koristi dva odvojena frekvencijska kanala.Direktni kanal se koristi za prenos od bazne stanice prema mobilnoj jedinici (downlink), dok povratni kanal slui za prenos od mobilne jedinice prema baznoj stanici (uplink)Za sve korisnike, separacija izmeu direktnog i povratnog kanala je ista.

Frequency Division Duplexing (FDD)FDD frekvencijski opsezi su pomereni, a frekvencijski opseg koji se koristi za povratni link je uvek na nioj frekvenciji. Razlog lei u injenici da je sa aspekta pokrivanja uvek kritiniji povratni link zbog manje raspoloive snage zraenja mobilne stanice u poreenju sa raspoloivom snagom zraenja bazne stanice. Kako su uslovi propagacije radio talasa povoljniji na niim frekvencijama (manje je slabljenje), povratni link je realizovan na nioj frekvenciji.

Time Division Duplexing (TDD)Direktni i povratni kanal su razdvojeni u vremenuAko je vremenski razmak izmeu vremenskog slota u direktnoj, odnosno povratnoj vezi dovoljno mali (manji od 300 ms), ljudsko uho e imati oseaj kao da se slanje i prijem odvija simultano.TDD omoguava komunikaciju u oba smera na istoj frekvenciji.

direktni kanal(downlink)

povratni kanal(uplink)

vreme

Viestruki pristup i dupleksni nain prenosa kod GSM standardaU GSM-u se koristi hibridni FDMA/TDMA pristup kod koga je raspoloivi frekvencijski opseg podeljen u kanale irine 200 kHz (FDMA), pri emu je svaki kanal dodatno podeljen na 8 vremesnkih slotova (TDMA). GSM radi u frekvencijskom (FDD) dupleksu, to znai da su odvojeno definisani frekvencijski opsezi koji se koriste za povratni i direktni link. GSM 900 ima 124 raspoloiva kanala, odnosno uzimajui u obzir frekvencijski dupleks, postoje 124 dupleksna para kanala. Svakoj baznoj stanici se dodeljuje jedan ili vie parova frekvencija za svaku eliju, u zavisnosti od potrebe za kapacitetom posmatrane elije.

CDMA koristi sasvim razliit pristup u odnosu na TDMA. CDMA nakon digitaliziranja podataka, prourije ih (spreads it out) po celom dostupnom propusnom opsegu. Vei broj poziva se preklapa (overload) medjusobno po kanalu pri emu se svakom pozivu dodeljuje jedinstvena kdna sekvenca.CDMA predstavlja oblik proirenog spektra, to znai da se podaci alju u manjim paketima uz pomo veeg broja dostupnih frekvencija koje stoje na raspolaganju u datom trenutku u specificiranom frekventnom opsegu.Svi korisnici predaju u istom irokopojasnom (wide-band) delu spektra. Svaki korisniki signal se raspodeljuje u okviru celokupnog opsega pomou jedinstvenog kda za proirenje (unique spreading code). Na prijemnpoj strani isti jedinstveni kd se koristi za vraanje signala u prvobitnu formu. S obzirom da CDMA sistem treba tano vremenski da markira svaki deo signala, on obavetava GPS sistem o ovim promenama. U odnosu na AMPS, kod CDMA, od 8 do 10 nezavisnih poziva se moe ostvariti preko istog kanala. CDMA tehnologija je osnova za Interim standard 95 (IS-95) koji radi u frekventnim opsezima od 800 i 1900 MHz.U idealnom sluaju TDMA i CDMA tehnike su transparentne jedna drugoj. U praksi snaniji CDMA signali premoavaju prag uma TDMA prijemnika, dok snaniji TDMA signali mogu da uzrokuju preoptereenje i lo rad kod CDMA prijemnika.