1

Viacnásobný prístup

Joe MontanaIT 488 - Jeseň 2003

preklad: D. Kraus, apr.2010

2

Program

• Koncept viacnásobného prístupu

• FDMA

• TDMA

• CDMA

• On Board spracovanie

3

Koncept viacnásobného prístupu

4

Viacnásobný prístup - 1

Problém:Ako rozdelíme jeden transpondér medzi viacero pozemných staníc?

Satelitný transpondér

f1 f2

Je to problém optimalizácie

5

Viacnásobný prístup - 2Čo všetko treba optimalizovať:

Satelitná kapacita (príjmová položka)Využitie spektra (problém koordinácie)Prepojenosť (problém pokrytia viacerých uzemí)Flexibilita (problém kolísania odberu)Adaptabilita (problém zmiešanej prevádzky)Úspech u užívateľov (problém podielu na trhu)Výkon satelituNáklady

Veľmi, veľmi, ojedinele jednoduché optimum; skoro vždy kompromisné riešenie

6

Ako oddelíte jednotlivých užívateľov?

Označenie signálu jedinečným spôsobom na vysielači

Jedinečný frekvenčný slot FDMAJedinečný časový slot

TDMAJedinečný kód CDMA

Rozpoznanie jedinečnú črtu každého signálu na prijímači

7

Rozpoznávanie kanálov?FDMA

Pásmový filter vyberá signál v správnom frekvenčnom slote

TDMADe-multiplexer “zachytáva” signál v správnom časovom slote

CDMADe-rozširovač a de-hopper vyberá signál so správnym kódom

Pri kódovní priamym násobením rozprestierajúcou sekvenciou

S preskakovaním frekvencie (freq.hopping)

8

Viacnásobný prístup - 3A

Fig. 6.1 (vrchná časť) v texte

9

MULTIPLE ACCESS - 3B

Fig. 6.1 (spodná časť) v texte

10

Viacnásobný prístup - 4Ak je časť zdroja (frekvencia, čas, kód) pridelená vopred, volá sa to pred-pridelený (?) viacnásobný prístup alebo fixný viacnásobný prístupAk je rozsah zdroja pridelený podľa podmienok prevádzky - dynamickým spôsobom – ide o viacnásobný prístup na základe požiadavky - DAMA (DEMAND ASSIGNED MULTIPLE ACCESS)

11

FDMA

12

FDMAZdieľanie frekvencie

Čas je spoločný pre všetky signály

Vytvorenie frekvenčného plánu podľa kapacitných požiadaviek užívateľaNahrávací plán transpondéra pre minimalizáciu IM produktov

Nahrávací plán transpondéra

13

FDMA TRANSPONDER LOADING PLAN

Poskytnutá šírka pásma transpondéra zvyčajne od 27 do 72 MHz

Štyri stredne veľké FM signály

Jeden veľký a štyri malé digitálne signály

Dôležité na vypočítanie intermodulačných produktov

14

INTERMODULATION

IntermoduláciaKeď je dva alebo viac signálov prítomných v kanáli, tieto signály sa môžu spolu zmiešať a vytvoriť určité nechcené produkty S tromi signálmi, 1, 2 a 3, prítomnými v kanáli, IM produkty môžu byť druhého, tretieho,štvrtého stupňa (rádu), atď. stupeň IM

produktov

15

Rád IM produktovProdukty 2.rádu: 1 + 2, 2 + 3, 1 + 3

3.rád: 1 + 2 + 3o, 21 - 2, 22 - 1..

Zvyčajne iba IM produkty nepárnych rádov sa nachádzajú v priepustnom pásme kanála.Amplitúda IM produktov klesá so stúpajúcim rádomIba IM produkty 3.rádu sú väčšinou dôležité 3-IM produkty sú veľmi citlivé na malé

signálové zmeny. Preto IM šum sa môže zmeniť prudko s parametrom „výstupný odstup“

zosilňovača

výstupný odstup – „output back-off“(OBO): pomer medzi výstupným saturačným výkonom zosilňovača a priemerným výkonom výstupného signálu

16

Príklad na IM Máme dva 10 MHz signály na frekv. 6,01 GHz a 6,02 GHz v strede 72 MHz transpondéra2-IM produkt je na frekvencii 12.03 GHz3-IM produkty sú na frekvenciách [2(6.01) - 6.02] = 6.00 and [2(6.02) - 6.01] = 6.03 GHz

3-IM produkty

17

Obmedzenia prístupu FDMAIntermódy spôsobujú zlyhanie C/NSpätná väzba je potrebná na redukciu IMČasti pásma nemôžu byť použité kvôli IMVýkon transpondéra sa rozdelí medzi viaceré nosnéVýkonové vyrovnávanie musí byť spravené opatrneFrekvencie sa naviažu na cesty

Podľa vzory podľa zemských analógových telekomov, a tak nie celkom použiteľné pre satelitné “prenosové”

kapacity

18

TDMA

19

TDMA

Zdieľanie časuFrekvencia je spoločná pre všetky signály

Vytvorenie časového plánu podľa kapacitných požiadaviek užívateľaVeľké systémové časové plány môžu byť zložité a náročné na zmenu

Impulzový časový plán (jedná sa o rádioimpulzy – bursty) (Burst time plane)

20

Impulzový časový plán

časČasový rámec pre impulzový

časový plán

#1 #2 #3 #N

Užívatelia vlastnia učitý podiel podľa impulzívneho časového plánu

poznámka: (1) ochranné časy medzi impulzmi

(2) Dĺžka impulzu šírka prideleného pásma

21

TDMA - 1Koncept:

Každá pozemná stanica prenáša IN sekvenciuPrenos burstov prichádza do satelitu z mnohých pozemných staníc správnym sôsobom a v správnom poradí

22

TDMA - 2

Pozn.: realizácia správneho načasovania použitím Referenčného prenosu

bursty

23

TDMA - 3 Rámec

“Pre-amble”

„ Pred začatím“

“Trafikový výbuch”

Pre-amble poskytuje synchronizáciu v každom trafikovom výbuchu

signalizujúc informácie (e/s tx, e/s rx, atď.), a dáta

slovo burst sa nepreklada (znamena skupinu impulzov)traffic = prevádzka

24

TDMA - 4

Načasovanie je dosiahnutéorganizovaním TDMA prenosov do rámcovkaždá e/s vysiela raz za rámec tak, že jej výbuch začína opúšťať satelit v špecifickom časovom intervale pred (alebo po) začatí referenčného výbuchu

Minimálna dĺžka rámca je 125 s125 s 1 hlasový kanál na 8 kHz

25

TDMA - 5Referenčné výbuchy a pre-amble sú systémom pridané a neprinášajú žiadny ziskTrafikové bity prinášajú ziskPotreba minimalizácie systémovej réžie nákladov ?Komplikovaný kompromis medzi s počtom hlasov (alebo dát), bitovou rýchlosťou, počtom burstov, atď

26

TDMA - 6

V

T

NPR

n F

Počet hlasových

kanálov

Rýchlosť bitového prenosu

Rýchlosť bitového prenosu pre jeden hlasový kanál

Počet výbuchov v jednom rámci

Počet bitov v každom „pre-amle“

Rámcová perióda

Pre INTELSATR = 120 Mbit/s a

TF = 2 ms Žiadny prídavok na ochranný čas

27

TDMA - 7

PROBLÉMDoba oneskorenia ku GEO satelitom je 120 msTDMA Rámcová dĺžka je 125 s až 2 msNa ceste k satelitu môže v každom okamihu existovať až 1000 rámcov

V systéme TDMA je teda rozhodujúce (na)časovanie

28

DLHÉ TDMA RÁMCENa zredukovanie hlavičiek použite dlhšie rámce

125 s rámec: 1 slovo/rámec500 s rámec: 4 slová/rámec2000 s rámec: 16 slov/rámec

2000 s = 2 ms = INTELSAT TDMA štandard

POZNÁMKA: 1 slovo je 8-bitová vzorka digitalizovanej reči, a “terestriálny kanál” so 64 kbit/s

8 kHz × 8 bitov = 64 kbit/s

29

TDMA PRÍKLAD - 1Šírka pásma transpondéra =36 MHzBitová rýchlosť (QPSK) 60 Mbit/s = 60 bitov/s4 stanice zdieľajú transpondér pri používaní TDMA; 125 s rámce„Predpona“ = 240 bitov„Ochranný interval“ = 1.6 s

Za predpokladu že sme nepomiešali symboliku

30

TDMA PRÍKLAD - 2

#1 #2 #3 #4

RÁMEC= 125 s

predpona 240 bitov= 4 s @ 60 bitov/ s

Prevádzka: N bitovpovedzme = T s

Ochranný interv. 96 bitov = 1.6 s Najprv: nakreslite

Časovo obnovovací diagram

aby ste získali predstavu o spôsobe, akým je rámec

zostavený

31

TDMA PRÍKLAD - 3S TDMA PRÍKLADOM

(a) Aká je kapacita transpondéra pokiaľ ide o 64 kbit/s rečové kanály?(b) Koľko kanálov dokáže vysielať každá pozemská stanica?

ODPOVEĎ(a) V rámci 125 s sú štyri vysielajúce pozemné stanice, takže máme

32

TDMA PRÍKLAD - 4

125 s rámec znamená125 = (44 s) + (41.6 s) + (4T s)

4 pozemné stanice, 4 s predpona; 1,6 s ochr.interval, T s prevádzkové bity

Teda T = (125 - 16 - 6.4)/4 = 25.65 s60 Mbit/s 60 bits/s, teda 25.65 s = 1539 bitovpreto kanály/pozemná stanica= 1539/8 = 192(.375)

8 bitov/slovo pre hlasový kanál

33

TDMA PRÍKLAD - 5(a) Aká je kapacita transpondéra, pokiaľ ide o 64 kbit/s rečové kanály?

Odpoveď: 768 (64 kbit/s) hlasových kanálov

(b) Koľko kanálov dokáže vysielať každá pozemná stanica?

Odpoveď: 192 (64 kbit/s) hlasových kanálov

34

TDMA PRÍKLAD - 6

Čo by sa stalo v predošlom príklade ak použijeme 2 ms dĺžku rámca systému INTELSAT?2 ms = 2 000 s = 44 + 41.6 + 4T

Preto T = 494,4 sa pretože je 60 bitov/s (60 Mbit/s), vyšlo nám T 29 664 bitov

Nezabúdajme, máme 128 bitov pre satelitný kanál

35

TDMA PRÍKLAD - 7So 128 bitmi pre satelitný kanál mámepočet kanálov/prístup = 29 664/128

= 231(.75)Kapacita sa zvýšila v dôsledku menšej hlavičky

125 s rámec 192 kanálov/prístup2 ms rámec 231 kanálov/prístup

36

TDMA SYNCHRONIZÁCIAOdštartovanie vyžaduje starostlivosť!!Potreba nájsť správny rozsah pre satelit

Slučka (pošle PN sekvenciu)Použitie načasovania informácie z riadiacej pozemnej stanice

Vzdialenosť satelitu sa nepretržite meníPozemná stanica musí monitorovať pozíciu burstu vo vnútri rámca PO CELÚ DOBU

37

TDMA ZHRNUTIE - 1VÝHODY

Žiadne intermodulačné produkty (keď je plne obsadený transpondér)Prevádzka možná aj pri nasýtenom transpondériDobrý pre dátaS flexibilným synchronizačným termínovým plánom sa kapacita pripojenia bude optimalizovať

38

TDMA ZHRNUTIE - 2

NEVÝHODYZložitosťVysoká nárazová (maximálna možná) rýchlosť – burst rateMusí sa udržiavať synchronizácia

39

CDMA

40

CDMA - 1ZDIEĽANÝ ČAS AJ FREKVENCIE

ODDELENIE SIGNÁLOV JE POMOCOU JEDINEČNÝCH KÓDOV

KAŽDÉMU POUŽÍVAŤEĽOVI JE PRIDELENÝ KÓD

STANICA 1 KÓD 1STANICA 2 KÓD 2

PRÍJMAČ VYHĽADÁVA KÓDYKÓDOVACIA RÝCHLOSŤ>> DÁTOVÁ RÝCHLOSŤ

41

CDMA - 2SYSTÉMOVÝ OPERÁTOR - ALEBO JEDNOTLIVÉ PÁRY POUŽÍVATEĽOV - PRIDELIA UNIKÁTNE ROZPRESTIERAJÚCE ALEBO PRESKOKOVÉ KÓDY KAŽDEJ DUPLEXNEJ LINKECDMA JE RIEŠENÍM PRE VÁŽNE RUŠENÉ PROSTREDIE, ZVYČAJNE SO STRATAMI KAPACITY POROVNATEĽNÝMI S TDMA A FDMA

42

CDMA - 3

TRANSPONDÉROVÉ PÁSMO

Výkon

Používatelia#1, #2, #3 a #4

Používateľ #N

43

KÓDOVO DELENÝ VIACNÁSOBNÝ PRÍSTUP - CDMA

VŠETCI POUŽÍVATELIA ZDIEĽAJÚ ROVNAKÝ ČAS A FREKVENCIUSIGNÁLY SÚ ODDELENÉ POMOCOU JEDINEČNÉHO KÓDU

Kódy musia byť "ortogonálne" tak, aby používateľ A nereagoval na kód určený pre používateľa BKódy sú zvyčajne veľmi dlhé: PN- sekvencia, Gold- alebo Kasami kódy

44

CDMA - 1CDMA MÔŽE BYŤ JEDEN Z TROCH TYPOV

Priama sekvencia (rozprestreté spektrum)• Zaberá celú šírku pásma po celú dobu

Frekvenčné „skákanie“ (prepínanie) -hopping• Pár frekvencií (jedna pre "1" a jedna pre "0")

skočí cez plnú šírku pásma náhodne

Hybrid tvorený priamo rozprestierajúcou pseudonáhodnou sekvenciou a frekvenčným skákaním

Sústredíme sa na „Priamu sekvenciu“

45

DIRECT SEQUENCE CDMA - 1

Násobenie informačného toku (dát) PN kódom s vysokou rýchlosťou Používa dva kódy: jeden pre "1" a jeden pre "0"1 dátový bit veľa “Čipov” napr. 2.4 kbit/s 1 Mbit/s

„Rozprestierajúci faktor" je 400, môžeme ho uvažovať ako

kódovací zisk

Čipová rýchlosť je v podstate kódová

rýchlosť od sekvencie PN

generátora

46

DIRECT SEKVENCE CDMA - 2

Úzkopásmové dátaÚzkopásmové dáta “rozprestreté”

po celej šírke pásma

Pridané ďalšie rozprestreté signály; kanál je zaplnený

mnohým signálmi podobnými šumu

Inverzný proces (opačný k rozprestieraniu spektra) vyberie

požadovaný kanál zo šumu.

47

DIRECT SEQUENCE CDMA - 2

Obrázok 6.16 v texte

Každý prichádzajúci bit sa vynásobí PN

sekvenciou

Rozširovaciasekvencia

Prichádzajúci tok bitov

Modulátor

Odchádzajúci rozširujúci tok bitov

Rozširovacia PN sekvencia

48

DIRECT SEQUENCE CDMA - 3

Rozdeľovacia sekvencia

Obrázok 6.18 v texte

Prichádzajúci tok bitov násobený

synchronizovanou kópiou PN sekvencie

Prichádzajúci rozprestreý tok bitov

Modulátor

Obnovený tok bitov

‘despreading’ PN sekvencia

49

CDMA SPEKTRUM

PLOCHÉ – zvyčajne nižšie ako šumKód musí byť komprimovaný (rozdeľujúci), aby zdvihol signál nad šumPrijímač sa musí synchronizovať s kódom sekvencie, ktorý je nižší ako šumVyžaduje použitie korelátora, generátora a ..... trpezlivosť

Ostatní používatelia v kanáli vyzerajú rovnako ako šum

Zaberie to chvíľu “ale dostaví sa to”

50

CDMA APLIKÁCIE

VOJSKOAnti-rušivé (Anti-Jam... AJ)Nízka pravdepodobnosť odpočúvania (Low Probability of Intercept - LPI)

KOMERČNÉVSATs (vďaka širokému pokrytiu – široký zväzok)GPSMikrovlnné celulárne systémy

51

On Board Processing - Spracovanie na satelite

52

POŽIADAVKY na satelit - 1

LEO SYSTÉMPrispôsobiť sa rýchlemu pohybu satelitu, ktorý spôsobuje• rýchle zmeny v dĺžke trasy (čas príchodu

a problémy s vyrovnávaním výkonu)• rýchle zmeny v uhle viditeľnosti

(problémy s prostredím s viaccestným šírením a blokovaním signálu)

• rýchle zmeny v Dopplerovom rozšírení (rozšírené spektrum)

53

POŽIADAVKY na satelit - 2GEO SYSTÉM

Prispôsobiť sa dlhšej trase k satelitu, ktorá spôsobuje• vysoké strat prenosom (nízke EIRP a/alebo

kapacitný problém)• Dlhé oneskorenie (protokolový problém

vyžadujúci emuláciu, alebo “spoofing ” procedúra)

• Veľká stopa satelitnej antény (problém pri frekvenčnom opakovaní)Oba systémy GEO a LEO teraz využívajú

rozsiahle OBB technologické prístupy

54

OBP (OnBoard Processing) PRÍSTUPYPrijímanie agregovaného vzostupného kanála (-ov)Rozpoznanie každého (úzkopásmového) vzostupného signáluSpracovanie každého vzostupného signálu tak, že

odstraňuje chybyčíta adresy

Prebaľovanie signálov do veľkého TDM tokuVysielanie TDM toku

MF-TDMA prístup sa javí ako “schodná cesta“

55

MF-TDMA INTERNET S/C

A B C D E

In-bound, downlink TDM stream to the hub

Hub

In-bound, uplink MF-TDMA VSAT bursts

Zostupný TDM tok na hub

Prichádzajúce vzostupné TDM VSAT zhluky

56

MF-TDMA VÝHODY

Relatívne úzkopásmová vzostupná linkaDetekcia signálu na satelite umožňuje

Vykonať kontrolu U/L výkonuPalubné smerovanie prevádzkyDetekciu a opravu chýb v u/l signáloch

TDM downlink umožňuje pomerne jednoduché zachytenie požadovaných signálov vracajúcich sa na terminál