Принципы многоканальной связи и распределения информации в телекоммуникационных системах

1.

кафедра информационнотелекоммуникационных систем и технологий
Дисциплина Анализ информационной
безопасности телекоммуникационных систем
Тема 5 Принципы многоканальной связи и распределения
информации в телекоммуникационных системах
профессор
Белов Сергей Павлович
1

2.

ЦЕЛЬЮ темы является - изучение принципов построения
многоканальных инфокоммуникационных систем. Исходя из
этого, рассматриваются различные методы распределения
частотно-временных ресурсов (ЧВР) каналов передачи
информации. Особое внимание уделяется принципам
построения многоканальных инфокоммуникационных систем,
использующих кодовое и комбинационное уплотнение.
Анализируются принципы и особенности построения систем
передачи информации с множественным доступом.
ЗАДАЧИ лекции:
1 изложение основных подходов к распределению частотновременных ресурсов каналов передачи информации при
кодовом и комбинационном их уплотнении.
Литература
1. Белов, С.П., Жиляков, Е.Г. Анализ информационной безопасности
телекоммуникационных
систем:
Учебно-методический
комплекс. : http://pegas.bsu.edu.ru/course/view.php?id=8360
Белгород, 2015 год.

3.

Уплотнение/множественный доступ с кодовым разделением
Рассмотренные в предыдущей лекции системы уплотнения для обеспечения
многоканальной передачи требуют для нормальной работы той или иной
синхронизации: точного совпадения спектра сигнала с полосой пропускания при
частотном разделении каналов; точного совпадения временных интервалов передачи
сигналов отдельных каналов при временном разделении каналов.
В ряде случаев осуществить точную синхронизацию затруднительно. С подобными
ситуациями приходится сталкиваться, например, при организации оперативной связи
между подвижными объектами (автомобилями, самолетами). Такая задача возникает
при организации оперативной связи с ис-пользованием искусственных спутников
Земли в качестве ретрансляторов. Во всех этих случаях могут быть использованы
системы асинхронной многоканальной связи, когда сигналы всех абонентов
передаются в общей полосе частот, а каналы не синхронизированы между собой во
времени. Поскольку в таких системах за каналами не закреплены ни частотные
полосы, ни временные интервалы и время работы каждого канала произвольно, то
такие системы называют системами со свободным доступом к линии связи или
системами с незакрепленными каналами. В системах со свободным доступом каждому
каналу (абоненту) присваивается определенная форма сигнала, которая и является
отличительным признаком, "адресом" данного абонента. В отличие от обычного
разделения по форме, где условие ортогональности сигналов выполняется лишь
тогда, когда тактовые интервалы всех каналов жестко синхронизированы, для
возможности полного линейного разделения сигналов в системах со свободным
доступом ортогональность или линейная независимость должны сохраняться при
любых временных сдвигах сигналов. Иными словами, автокорреляционные функции
сигналов должны содержать один значительный максимум (пик), а взаимно
корреляционные функции в любой момент времени - иметь существенно меньшую
величину.

4.

Строго говоря, это возможно только в том случае, когда сигналы Sk(t) представляют
собой белый шум, т. е. имеют неограниченную ширину спектра и бесконечную
дисперсию; для реальных сигналов оно невыполнимо. Вместе с тем можно
сформировать такие сигналы, для которых эти требования выполняются приближенно в
том смысле, что скалярные произведения сигналов при любом сдвиге по времени много
меньше энергии элементарного сигнала.
Такие сигналы можно назвать почти ортогональными. По своим свойствам почти
ортогональные сигналы приближаются к белому шуму, поэтому их часто называют
шумоподобными: их корреляционные функции и спектры плотности мощности близки к
аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы не являются
случайными, они относятся к классу сложных сигналов, база которых Б = ∆fэ* τ0 »1.
Наиболее
распространенным
примером
технической
реализации
почти
ортогональных шумоподобных сигналов могут служить определенным образом
сформированные псевдослучайные последовательности дискретных, в частности,
двоичных радиоимпульсов. База сигналов при этом определяется числом импульсов в
последовательности. Каждому каналу присваивается одна из множества почти
ортогональных двоичных последовательностей, которая служит "адресом" канала. Это
приводит к названию "асинхронные адресные системы связи" (ААСС).
Важным достоинством ААСС является то, что нет необходимости в центральной
коммутационной станции; все абоненты имеют прямой доступ друг к другу без
частотной перестройки приемных и передающих устройств (рисунок 1).
Здесь достаточно набрать "адрес" вызываемого абонента, т. е. изменить "форму"
импульсной адресной последовательности.
В системах с закрепленными каналами (частотное и временное уплотнение каналов)
добавление хотя бы одного нового абонента оказывается возможным лишь при
исключении одного из имевшихся в системе. Значительно проще эта задача решается в
системах ААСС.

5.

Рисунок 1
Здесь вследствие свободного доступа к линии связи могут вести передачу любые Na
активных абонентов из общего числа N абонентов системы передачи информации. При
определении числа Na нужно учитывать, что вследствие неполной ортогональности
сигналов в ААСС неизбежны переходные помехи ("шумы не ортогональности"), уровень
которых растет по мере увеличения Na. Поэтому число одновременно работающих
абонентов должно быть ограничено. Допустимое значение Na возрастает по мере
увеличения базы сигнала. В зависимости от времени активности абонентов (т. е. от доли
времени, занимаемого к-м каналом для передачи сообщений) можно организовать,
например 1000-канальную систему связи, в которой одновременно ведут передачу любые
50 абонентов из тысячи. В таких системах легко реализуются резервы пропускной
способности, возникающие за счет малоактивных абонентов. Изучив статистику
сообщений, передаваемых по каждому каналу, можно установить допустимое число
каналов в системе N, при котором обеспечивается нормальная работа Na активных
каналов.

6.

В настоящее время усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с
заданными автокорреляционными и взаимно корреляционными свойствами. В качестве
адресных сигналов используются последовательности Баркера, линейные рекуррентные
М-последовательности и т. д. Один из способов формирования шумоподобных сигналов
для асинхронно-адресных систем связи состоит в использовании частотно-временной
матрицы. Уже отмечалось, что в системах с ортогональными сигналами энергия каждого
сигнала отделяется от энергии других сигналов. Это положение становится наиболее
отчетливым, если обратиться к частотно-временным диаграммам системы связи при
частотном разделении (рисунок 2,а) и при временном разделении каналов (рисунок 2,б).
Рисунок 2. Принципы частотного (а) и временного (б) разделения каналов
Здесь каждому каналу отводится определенная область частотно-временного
пространства; положение площадки можно рассматривать как "адрес" абонента.
Двоичную информацию в последовательность можно заложить, меняя один из
параметров элементарного радиоимпульса. Эти адресные наборы импульсов
составляются на основе их представления в виде частотно-временной матрицы, которая
была представлена ранее, к ним предъявляются обычные требования хороших
автокорреляционных функций и малых значений взаимной корреляции.

7.

Изменение временного положения импульсов и различие в их частотах позволяют
сравнительно простыми техническими средствами получить несколько тысяч частотновременных колебаний (адресов). Разумеется, не все комбинации частотно-временной
матрицы используют в качестве адресных сигналов; среди них встречаются и такие,
которые не обладают необходимыми корреляционными свойствами. Сигналы частотновременной матрицы являются разновидностью сигналов, различающихся по форме, их
можно разделить согласованными фильтрами или корреляторами.
Отметим в заключение, что в технической литературе имеются описания большого
числа различных систем связи со свободным доступом. Наиболее характерными из них
являются системы на 1000—1500 каналов с 50—100 активными абонентами.
Уплотнение/множественный доступ с комбинационным разделением
При многоканальной передаче дискретной информации используется также
комбинационный способ формирования группового сигнала. Сущность этого способа
состоит в следующем. Пусть необходимо организовать передачу N независимых
дискретных сообщений по общему групповому тракту. Если элемент i-гo сообщения
может принимать одно из тi возможных значений (i = 1,2,...,N), то общее число значений,
которое может принимать элемент N-канального источника, объединяющего исходные N
N
источников, будет равно:
M mi
i 1
При одинаковых значениях тi =т имеем:
Таким образом, при комбинационном уплотнении каждое сочетание канальных
N
сообщений отображается элементом группового сообщения с основанием кода М= m ,
т.е. можно одновременно передавать информацию от N индивидуальных источников,
работающих с основанием кода m. Если, в частности, m = 2 (двоичные коды), а число
каналов N = 2, то групповое сообщение br может принимать четыре возможных
значения, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц в обоих каналах,
при N = 3 число различных комбинаций будет равно М = 8 и т. д.

8.

Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел br, определяющих номер
комбинации. Эти числа могут передаваться посредством сигналов дискретной
модуляции любого вида. Разделение сигналов br, основанное на различии в комбинациях
сигналов разных каналов, называется комбинационным. Структурная схема
многоканальной системы с комбинационным (кодовым) разделением (уплотнением)
представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема многоканальной системы с комбинационным
уплотнением
Здесь первичные сообщения b1(t),b2(t),... bN(t) от N источников поступают на вход
кодера, выполняющего функции устройства объединения каналов (УОК). Полученное
групповое сообщение br(t) преобразуется с помощью группового модулятора М в
групповой сигнал ur(t), поступающий в групповой тракт. На приемной стороне после
демодуляции и декодирования формируются канальные сообщения, соответствующие N
первичным сообщениям.
Типичным примером комбинационного уплотнения является система двукратной
частотной модуляции (ДЧМ), в которой для передачи четырех комбинаций сигналов двух
источников (каналов) используют четыре различия частоты: f1, f2, f3, f4. При двукратной
фазовой модуляции (ДФМ) каждой комбинации сообщений 1-го и 2-го источника
соответствует определенное значение фазы группового сигнала.

9.

Сравнение системы с ДЧМ с обычной двухканальной ЧМ-системой с частотным
разделением каналов показывает, что обе системы занимают практически одинаковую
полосу частот, однако мощность сигнала, требуемая для обеспечения заданной
вероятности ошибки при ДЧМ, почти вдвое меньше. Существенно меньше оказывается
и пиковая мощность при ДЧМ. Поэтому в системах с ограниченной энергетикой
комбинационное уплотнение по методу ДЧМ находит широкое применение.
Аналогично можно формировать сигналы комбинационного уплотнения для большого
числа каналов: многократную частотную модуляцию (МЧМ), многократную
относительную фазовую модуляцию (МОФМ) и др. При МЧМ получаем многочастотные
сигналы, а при МФМ-многофазные. Вместе с тем можно модулировать одновременно
несколько параметров переносчика, например, амплитуду и частоту, частоту и фазу и
др.
В последнее время большой интерес проявляется к сигналам амплитудно-фазовой
модуляции (АФМ), которые можно реализовать схемой квадратурной модуляции. В
системах АФМ в течение интервала передачи одного элементарного сигнала его фаза и
амплитуда принимают значения, выбранные из ряда возможных дискретных значений
амплитуд и фаз. Каждая комбинация значений амплитуды и фазы отображает один из
многопозиционных сигналов группового сигнала с основанием кода M=2N. Сигналы
АФМ можно формировать, например, путем многоуровневой амплитудной и фазовой
модуляции двух квадратурных (сдвинутых по фазе на π/2) колебаний несущей частоты.
В последние годы успешно развивается теория сигнально-кодовых конструкций (СКК),
направленная на повышение скорости передачи и помехоустойчивости при
существенных ограничениях на энергетику и занимаемую полосу частот.

10.

Пропускная способность многоканальных СПИ с кодовым разделением адресов
Предельная пропускная способность СПИ с равномерной АЧХ и линейной ФЧХ в пределах
полосы пропускания тракта передачи при наличии стационарного гауссовского шума со
средней мощностью Рш и сигналов со средней мощностью Рс определяется по формуле
Шеннона:
(1)
При многоканальной передаче, как уже отмечалось, возникают специфические
переходные помехи между каналами, обусловленные не идеальностью разделяющих
устройств на приемной стороне и устройств формирования сигналов на передающей
стороне, линейными и нелинейными искажениями в групповом тракте передачи. Качество
многоканальной системы с точки зрения переходных помех можно охарактеризовать
величиной затухания Аik (дБ) между влияющим i -м каналом и подверженным влиянию kым каналом:
(2)
Аik= log(Рi / Рik)
где Pi и Pik — мощности на входе влияющего и выходе подверженного влиянию каналов.
Затухание Аik называют также защищенностью канала от переходных помех. При
большом числе каналов можно считать, что плотность вероятности помех
подчиняется нормальному закону, а спектральная плотность мощности является
равномерной. Иначе говоря, результирующую помеху, обусловленную действием
шумов и переходных помех, можно считать гауссовской и квазибелой. В
соответствии с (2) для мощности помех, наводимых i-м каналом на выходе k-гo
канала, имеем:
а общая мощность переходных помех:
(3)

11.

где
- коэффициент взаимных переходных помех между каналами.
Если формулу Шеннона (1) переписать с учетом действия переходных помех (3), то:
(4)
Поскольку обычно Рш « μ*Рс то для пропускной способности многоканальной системы
передачи информации можно записать:
(5)
Из (5) следует, что переходные помехи ограничивают пропускную способность
многоканальной системы. Расчеты показывают, что при μ « 0.01 (Аik>20дБ) увеличение
мощности сигнала Рс приводит к повышению пропускной способности, если Рш/Рс>μ. При
дальнейшем увеличении мощности сигнала пропускная способность практически не
возрастает и определяется соотношением (5). Практика проектирования аппаратуры
многоканальной связи показывает, что для снижения уровня взаимных помех в системах
с частотным разделением каналов приходится вводить защитные интервалы между
каналами, занимающие до 20% общей полосы пропускания системы передачи
информации.
Инфокоммуникационные системы множественного доступа и архитектура
Информация об использовании времени, частоты и кодовых функций, необходимая
пользователям для сообщения между собой с помощью спутника, содержится в протоколе
или алгоритме множественного доступа (multiple access algorithm — МАА). Система
множественного доступа является объединением аппаратного и программного
обеспечения, поддерживающим МАА. Основная задача такой системы — своевременное,
упорядоченное и эффективное предоставление пользователю услуг связи.

12.

На рисунке 4 приводится несколько основных архитектур ССС множественного доступа.
В условных обозначениях представлены символы, используемые для наземных
станций, имеющих или не имеющих контроллер МАА.
На рисунке 4,а показана система, в которой одна из наземных станций определяется как
основная (контроллер). На данной станции размещают компьютер, реагирующий на
запросы на обслуживание, приходящие от всех остальных пользователей. Отметим, что
пользовательский запрос влечет за собой передачу данных от контроллера к спутнику и
обратно. Реакция контроллера приводит к другой передаче с использованием спутника.
Рисунок 4. Архитектура спутниковой системы множественного доступа:
а) управление осуществляет одна наземная станция;
б) управление распределено между всеми наземными станциями;
в) управление осуществляет спутник

13.

Информационный поток в системах множественного доступа
На рисунке 5 представлена блок-схема потока данных между МАА, или контроллером, и
наземной станцией связи; нумерация пунктов в приведенном ниже списке соответствует
нумерации на рисунке.
Рисунок 5. Информационный поток в системах множественного доступа
Как указывалось выше, за управление может отвечать спутник или одна наземная станция;
также управление может быть распределено между всеми наземными станциями. Передача
данных происходит в следующем порядке.
1. Распределение по каналам. Данный термин относится к распределению информации
(например, каналы 1-N могут быть предоставлены пользователю X, а каналы (N + 1) – М пользователю Y). Данная информация изменяется редко и может распространяться между
наземными станциями без использования системы связи, например, посредством
информационного бюллетеня.
2. Состояние сети. Этот термин связан с состоянием ресурса связи. Наземная станция получает
указания относительно доступности ресурса связи, а также о том, как следует использовать
время, частоту, кодовые позиции ресурса для передачи запроса на обслуживание.

14.

3. Запрос на обслуживание. Станция передает запрос (запросы) на обслуживание
(например, на выделение ресурса для передачи m сегментов сообщения).
4. При получении запроса (запросов) на обслуживание контроллер передает станции
расписание, в соответствии с которым данные должны распределяться в ресурсе связи.
5. Станция передает данные в соответствии с указанным расписанием.
Множественный доступ с предоставлением каналов по требованию
Системы множественного доступа, позволяющие передающей станции периодически
получать доступ к каналу независимо от реальных потребностей, называются системами
с фиксированным распределением. Существуют также системы с динамическим
распределением, которые предоставляют доступ к каналу только при соответствующем
запросе передающей станции. Их именуют системами множественного доступа с предоставлением каналов по требованию (demand-assignment multiple access — DAMA). Если
передача данных станцией связи ведется нерегулярно или скачкообразно, схема DAMA
может быть значительно эффективнее схемы фиксированного распределения.
Полезность схемы DAMA объясняется тем, что фактическая потребность в ресурсах
редко совпадает с максимальным спросом. Если пропускная способность системы равна
общему максимальному спросу, а обмен данными производится нерегулярно, большую
часть времени возможности системы будут использоваться не полностью. В то же время
система с более низкой пропускной способностью, использующая буферизацию и схему
DAMA, может успешно поддерживать скачкообразный процесс обмена данными, хотя в
этом случае все же возможны некоторые задержки передачи данных. На рисунке 6
обобщаются основные различия между системой с фиксированным распределением,
пропускная способность которой равна сумме требований всех пользователей, и
динамической системой, пропускная способность которой определяется средними
требованиями пользователей.

15.

Рисунок 6
Вопросы для повторения
1.
Изложите особенности построения многоканальной асинхронно-адресной
системы связи
2.
Изложите принципы построения многоканальных систем связи с
комбинационным уплотнением
3.
Какое влияние на пропускную способность канала связи оказывают
внутрисистемные помехи при кодовом разделении абонентов
4.
Объясните принципы построения систем связи с множественным доступом и
их архитектуру
5.
Изложите особенности реализации систем множественного доступа с
фиксированным и динамическим распределением ресурсов связи