Tehnici de Acces Multiplu în Sisteme Wireless

1. Introducere

În ultimele decade comunicaţiile digitale au cunoscut o creştere rapidă.

Posibilităţile care au fost oferite de telecomunicaţii cum ar fi serviciile de voce de bază, emailul, accesul la internet, transferul de fişiere, serviciile multimedia au schimbat modul de viaţă al oamenilor.

Datorită cererii de servicii de comunicaţie fără fir în continuă creştere acestea s-au dezvoltat continuu. Cerinţele stringente de capacitate ale sistemelor de comunicaţii sunt puse în legătură cu numărul de utilizatori care pot fi deserviţi simultan sau altfel spus cât de multă informaţie este posibil a fi transferată.

Tehnica prin care este împărţit un canal de comunicaţii comun între utilizatori multipli poartă numele de acces multiplu.

Problema care trebuie rezolvată este: cum se poate realiza conectarea unui grup de

staţii de sol cu componenţă variabilă la acelaşi satelit astfel încât să se optimizeze:

• Capacitatea de comunicaţie a satelitului şi capacităţile de interconectare;

• Spectrul disponibil;

• Puterea disponibilă pe satelit;

• Flexibilitatea;

• Adaptabilitatea la varietatea de semnale vehiculate;

• Costurile;

• Posibilităţile utilizatorilor de a se adapta la sistem

Optimizarea tuturor aspectelor nu este posibilă, este necesar un compromis. Pentru ca mai mulţi utilizatori să poată folosi simultan resursele de comunicaţii trebuie stabilit un mod în care aceste resurse să fie alocate fiecărui utilizator în parte.

Fig. 1.1 Sistem de aces multiplu

Aşa cum se observă un număr mare de utilizatori împart un canal de comunicaţie comun în scopul de a-şi transmite informaţiile la un receptor. De exemplu canalul comun poate fi o bandă de frecvenţă din spectrul radio pe care utilizatorii multiplii o utilizează pentru a comunica cu receptorul radio. Într-un sistem de comunicaţie avem o cantitate fixă de resurse, de spectru, pe care acesta trebuie să o gestioneze în mod corespunzător astfel încât toţi abonaţii să poată fi găzduiţi de sistem.

Un protocol de acces multiplu (multiple access protocol- MAP) stabileşte metode pentru a putea împărţii resursele comune. In cazul sistemelor de comunicaţii, resursele trebuie împărţite în comunicaţii pe canale. In absenţa unui astfel de protocol, probleme se produc dacă mai mult de un user incearcă să acceseze canalul în acelaşi timp. Bineînţeles, unul singur poate evita nevoia de un MAP, dacă fiecare user are resursele lui. Oricum, există doua motive foarte bune pentru a folosi resursele intre utilizatori : resursele pot fi greu de găsit sau scumpe şi cel de-al doilea motiv, poate aparea nevoia ca un utilizator sa comunice cu alţi utilizatori.

Protocoalele de acces multiplu aparţin stratului al doilea din nivelul de referinţă OSI, stratul data link, a cărui sarcină include accesul mediu, multiplexarea diferitelor stream-uri de date, corectarea erorilor apărute, sincronizarea şi implementarea conexiunilor point-to-point sau point-to-multipoint.

Fig.1. 2 Evoluţia protocoalelor de acces multiplu (MAP)

Sistemele de comunicaţii radio prezintă un interes deosebit atât datorită costurilor de instalare mici, în comparaţie cu cele din reţelele cablate, cât şi datorită faptului că permit comunicaţii cu ajutorul unor terminale fixe sau mobile. Cu alte cuvinte, sunt ieftine şi flexibile. Transmiterea la mare distanta a informatiei audio, video sau a datelor se face de cele mai multe ori cu ajutorul undelor radio. Acestea reprezinta un segment al undelor electromagnetice si au ca principale caracteristici frecventa (f) si lungimea de unda (l). Frecvenţa folosită este cuprinsă între 100 kHz şi câteva zeci de GHz. Lungimea de undă l =c/f, unde c este viteza de propagare a luminii c=300.000 km/s. Astfel, pentru o frecvenţă de 100 MHz, l =3m. Undele electromagnetice reprezintă de fapt doar suportul informaţiei şi fac legătura între antena emitatorului şi antena receptorului.

Pentru o mai bună înţelegere vom folosi următoarele formule:

• purtătoare u(t)=Um coswot unde (frecvenţa fo=wo/2p);

• informaţie v(t)=Vm cosWt unde (frecvenţa F=W/2p).

În sistemele de comunicaţii mobile, una din cerinţele impuse sistemului este aceea ca utilizatorul (staţia mobilă) să poată transmite mesaje către staţia de bază chiar şi în timp ce primeşte mesaje de la aceasta. Această tehnică se numeşte transmisie duplex. Transmisia duplex cu diviziune în frecvenţă (FDD - Frequency Division Duplexing) oferă două benzi de frecvenţă pentru fiecare utilizator, iar transmisia duplex cu diviziune în timp (TDD - Time Division Duplexing) utilizează sloturi temporale diferite pentru legătura ascendentă (inversă) şi pentru legătura descendentă (directă). Legătura ascendentă (uplink) reprezintă comunicaţia de la staţia mobilă spre cea de bază, iar legătura descendentă (downlink) reprezintă comunicaţia de la staţia de bază spre cea mobilă. Sistemele de comunicaţii mobile pot fi de bandã îngustã sau de bandã largã, în funcţie de raportul dintre banda ocupată de un utilizator şi banda de coerenţă a canalului de transmisiune (care reprezintă domeniul de frecvenţe în interiorul căruia amplitudinile a două componente cosinusoidale, pe frecvenţe diferite, sunt dependente intre ele).

Sistemele de comunicaţii mobile de bandã îngustã ( narrowband) sunt acele sisteme în care banda utilizată de un canal (utilizator) este mai mică sau aproximativ egală cu banda de coerenţă a canalului de comunicaţii(termenul de bandă îngustă este utilizat pentru a evidentia relaţia dintre lărgimea de bandă a unui canal radio individual şi banda lui de coerenţă predictibilă ). În acest caz spectrul frecvenţelor radio este împărţit într-un număr cât mai mare de canale de bandă îngustă, fiecare utilizator putând folosi un astfel de canal. Tehnicile de acces multiplu ce pot fi folosite în sistemele de bandă îngustă sunt accesul multiplu cu diviziune în frecvenţă (FDMA - Frequency Division Multiple Access) şi cel cu diviziune in timp (TDMA – Time Division Multiple Access).

Sistemele de comunicaţii mobile de bandã largã sunt acele sisteme în care banda utilizată de un canal (utilizator) este mult mai largă decât banda de coerenţă a canalului de comunicaţii. În acest fel fadingul datorat propagării pe căi multiple nu afectează atât de sever semnalul recepţionat, iar. atenuările selective în frecvenţă vor afecta numai o parte din componentele spectrale ale semnalului transmis Tehnicile de acces multiplu folosite în sistemele de comunicaţii de bandă largă sunt accesul multiplu cu diviziune în timp (TDMA - Time Division Multiple Access) şi accesul multiplu cu diviziune în cod (CDMA - Code Division Multiple Access). Una dintre problemele pe care le ridică radiocomunicaţiile este folosirea în comun a aceluiaşi canal radio de către numeroşi utilizatori. Trebuie asigurată interconectivitatea oricăror utilizatori în cadrul sistemului. Deoarece mai mulţi utilizatori doresc să transmită în acelaşi moment, se impun reguli privind modul în care capacitatea canalului este alocată utilizatorilor. Aceste reguli constituie protocoalele de acces multiplu.