Принципы многоканальной связи и распределения информации в телекоммуникационных системах (тема 5)

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.
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.

Под ресурсом инфокоммуникационных систем понимают время и ширину полосы,
доступные для передачи сигнала в определенной системе. Графически ресурс связи
можно изобразить на двухмерном графике, где ось абсцисс представляет время, а
ось ординат — частоту. Для создания эффективной инфокоммуникационной системы
необходимо спланировать распределение ресурса между ее пользователями так,
чтобы время/частота использовались максимально эффективно. Результатом такого
планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу.
С проблемой совместного использования ресурса инфокоммуникационных систем
связаны термины "уплотнение" и "множественный доступ". Разница между этими
понятиями минимальна. При использовании термина уплотнение требования
пользователя к совместному использованию ЧВР постоянны либо (в большинстве
случаев) изменяются незначительно. Распределение ресурса выполняется априорно,
а совместное использование ресурса обычно привязывается к локальному
устройству (к примеру, монтажной плате). Применение множественного доступа, как
правило, требует удаленного совместного использования ресурса как, например, в
случае спутниковой связи. При динамической схеме множественного доступа
контроллер системы должен учитывать потребности каждого пользователя ресурса
связи. Время, необходимое для передачи соответствующей управляющей
информации, устанавливает верхний предел эффективного использования ресурса
связи.
Прежде чем приступить к рассмотрению непосредственно способов распределения
ЧВР отметим, что существует три основных способа увеличения общей скорости
передачи данных в инфокоммуникационных системах.

4.

Первый состоит в увеличении эффективной изотропно-излучаемой мощности
передатчика или снижении потерь системы, что в любом случае приведет к увеличению
отношения сигнал/шум. Второй способ — это увеличение ширины полосы канала.
Третий способ заключается в повышении эффективности распределения ЧВР. Одна из
возможных реализаций этого способа — множественный доступ. Пример: спутниковый
ретранслятор, который должен эффективно распределить ограниченный ЧВР между
большим количеством пользователей, обменивающихся цифровой информацией. При
этом пользователи могут требовать различных скоростей передачи данных и иметь
разные рабочие циклы.
Основные способы распределения ресурса связи приводятся ниже:
1. Частотное разделение (frequency division— FD). Распределяются определенные
под диапазоны используемой полосы частот.
2. Временное разделение (time division — TD). Пользователям выделяются
периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям
предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа
пользователей к ресурсу определяется динамически.
3. Кодовое разделение (code division — CD). Выделяются определенные элементы
набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов,
каждый из которых использует весь диапазон частот.
4. Пространственное разделение (space division — SD), или многолучевое
многократное использование частоты. С помощью точечных лучевых антенн
радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны. Данный метод допускает
многократное использование одного частотного диапазона.
5. Поляризационное разделение (polarization division — PD), или двойное
поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов
применяется ортогональная поляризация, что позволяет использовать один частотный
диапазон.

5.

Ключевым моментом во всех схемах уплотнения и множественного доступа
является то, что при использовании ресурса различными сигналами интерференция не
дает неуправляемых взаимных помех, которые делают невозможным процесс
детектирования. Интерференция допустима до тех пор, пока сигналы одного канала
незначительно увеличивают вероятность появления ошибок в другом канале. Избежать
взаимных помех между разными пользователями позволяет использование в разных
каналах ортогональных сигналов. Распределение по каналам, характеризующееся
ортогональными сигналами, для которых выполняется условие ортогональности во
временной области, называют уплотнением с временным разделением (time-division
multiplexing — TDM) или множественным доступом с временным разделением (timedivision multiple access — TDMA). Распределение по каналам, характеризующееся
ортогональными спектрами, для которых выполняется условие ортогональности в
частотной области, называют уплотнением с частотным разделением (frequency-division
multiplexing — FDM) или множественным доступом с частотным разделением (frequencydivision multiple access — FDMA).
Используя данные способы распределения ресурсов осуществляют построение
многоканальных систем связи. Практика построения современных систем передачи
информации показывает, что наиболее дорогостоящими звеньями трактов передачи
являются линии связи (кабельные, волоконно-оптические, сотовой мобильной
радиосвязи, радиорелейной и спутниковой связи и т. д.).
Поскольку экономически нецелесообразно использовать дорогостоящую линию
связи для передачи информации единственной паре абонентов, то возникает
необходимость построения многоканальных систем передачи, обеспечивающих
передачу большого числа сообщений различных источников информации по общей
линии связи. Многоканальная передача возможна в тех случаях, когда пропускная
способность линии С не меньше суммарной производительности источников
N
информации:
- производительность k-ого источника, N- число
С> Rик
независимых источников информации.
k 1

6.

Общий принцип построения системы многоканальной передачи поясняется с
помощью структурной схемы, представленной на рисунке 1. В этой системе первичные
сигналы каждого источника b1(t), b2(t),…,bi(t),…,bN(t) с помощью индивидуальных
передатчиков (модуляторов) M1, M2,…,Mi ,…,MN преобразуются в соответствующие
сигналы u1(t), u2(t),…,ui(t),…,uN(t). Совокупность канальных сигналов на выходе
устройства объединения (∑ ) образует групповой сигнал ur(t), связанный с сигналами ui(t)
оператором объединения : ur(t) = {ui(t)}. В случае раздельной системы уплотнения это
объединение сводится к обычному суммированию:
иr(t) = ui (t ).
i
Рисунок 1. Структурная схема многоканальной системы передачи информации

7.

Наконец, с учетом частотного диапазона направляющей системы (линии связи) сигнал
иr(t) с помощью группового передатчика М преобразуется в линейный сигнал uл(t),
который и поступает в линию связи (ЛС). Сначала будем считать, что помеха в канале
отсутствует, а канал не вносит искажения в сигнал, т. е. принимаемый линейный сигнал
sл(t) = К·uI(t), где К — коэффициент передачи канала, который можно считать равным
единице. Тогда на приемном конце линии связи (ЛС) линейный сигнал sл(t) с помощью
группового приемника Пр может быть вновь преобразован в групповой сигнал sr(t) =
К·uI(t). Канальными, или индивидуальными, приемниками Пр1,Пр2, ..,ПрN. из группового
сигнала выделяются соответствующие канальные сигналы si(t) = Кui(t), (i = 1,..., N),
которые
посредством
детектирования
преобразуются
в
предназначенные
индивидуальным получателям сигналы
Канальные передатчики вместе с устройствами объединения образуют аппаратуру
объединения (уплотнения) каналов АОК.
Групповой передатчик, линия связи ЛС и групповой приемник Пр. составляют групповой
тракт передачи, который вместе с аппаратурой объединения и разделения каналов
составляет систему многоканальной связи.
Индивидуальные приемники Прi системы наряду с выполнением обычной операции
преобразования канальных сигналов si(t) в соответствующие первичные сигналы
должны обеспечить выделение сигналов si(t) из группового сигнала с допустимыми
искажениями. Аппаратуру индивидуальных приемников, обеспечивающую эту
операцию, называют аппаратурой разделения каналов (АРК).
Рассмотрение особенностей построения многоканальных инфокоммуникационных
систем начнем с систем, в которых используется частотное уплотнение. Эта технология
получила аббревиатуру FDM или FDMA. Здесь распределение сигналов или
пользователей по диапазону частот является долгосрочным или постоянным. Ресурс
связи может одновременно содержать несколько сигналов, разнесенных в спектре, как
показано на рисунке 2.

8.

Рисунок 2.
Функциональная схема многоканальной системы передачи сообщений с FDM
Обозначения: Мi-модулятор; Фi-полосовой фильтр; Σ- сумматор (мультиплексор);
ГМ-групповой модулятор; ЛС-линия связи; ГД-групповой демодулятор; Дi- демодулятор

9.

Схема формирования группового сигнала при FDM

10.

Множественный доступ с частотным разделением в спутниковых системах связи (ССС)
Большинство спутников связи расположено на геостационарной или геосинхронной
орбите. Это означает, что спутник находится на круговой орбите, лежащей в плоскости
земного экватора. При этом спутник находится на такой высоте над уровнем моря
(приблизительно 35 830 км), на которой период его обращения вокруг Земли равен
периоду вращения самой Земли. Поскольку при наблюдении с Земли такие объекты
кажутся неподвижными, три спутника, расположенных через 120° друг от друга,
позволяют охватить территорию всего земного шара (за исключением, полярных
областей). Большинство ССС используют нерегенеративные ретрансляторы или
транспондеры. Нерегенеративный ретранслятор означает, что сигналы "земля-спутник"
усиливаются, сдвигаются по частоте и ретранслируются на Землю без обработки
сигнала, демодуляции или повторной модуляции. Наиболее широко используемым
диапазоном в коммерческих ССС является так называемая полоса С (C-band). В данном
диапазоне для передачи сигнала "земля-спутник" применяется несущая частота 6 ГГц и
частота 4 ГГц передачи сигнала "спутник-земля". Согласно международным
соглашениям, для систем передачи в полосе С разрешено использовать любой спутник,
работающий в спектральном диапазоне шириной в 500 МГц. В большинстве случаев
такой спутник имеет 12 транспондеров с шириной полосы 36 МГц каждый. Наиболее
распространенные транспондеры работают в режиме FDM/FM/FDMA (уплотнение с
частотным разделением, частотная модуляция, множественный доступ с частотным
разделением). Рассмотрим составляющие указанного режима.
1.FDM. Сигналы, подобные телефонным, имеющие одиночную боковую полосу
шириной 4 кГц, обрабатываются с использованием FDM, в результате чего формируется
составной многоканальный сигнал.
2.FM. Составной сигнал модулируется несущей и передается на спутник.
3.FDMA.Поддиапазоны полосы транспондера (36 МГц) могут распределяться между
различными пользователями. Каждому пользователю выделяется определенная
полоса, на которой он получает доступ к транспондеру.

11.

Уплотнение/множественный доступ с временным разделением
На рисунке 2 показано совместное использование ресурса связи, выполняемое
посредством распределения частотных диапазонов. На рисунке 3 тот же ресурс связи
распределен путем предоставления каждому из М сигналов (или пользователей) всего
спектра в течение небольшого отрезка времени, называемого временным интервалом.
Рисунок 3. Уплотнение с временным разделением
Промежутки времени, разделяющие используемые интервалы, называются защитными
интервалами. Защитный интервал создает некоторую временную неопределенность
между соседними сигналами и выступает в роли буфера, снижая тем самым
интерференцию.
На рисунке 4 в виде блок-схемы показана такая система. Операция уплотнения состоит в
предоставлении каждому источнику возможности использовать один или более
интервалов. Разуплотнение — это распознавание интервалов с последующим
распределением данных между соответствующими пользователями. Два коммутирующих
ключа на рисунке 4 должны быть синхронизированы таким образом, чтобы сообщение,
соответствующее источнику 1, попадало на выход канала 1 и т.д.

12.

Рисунок 4.
Упрощенная
структурная схема многоканальной системы передачи сообщений с
временным уплотнением канала связи.
Обозначения: ИС – источник сообщений; ИМi - импульсный модулятор; ДМi- импульсный
демодулятор; ГМ – групповой модулятор; ГД – групповой демодулятор; ПС – получатель
сообщений.
Само по себе сообщение в общем случае состоит из начальной комбинации битов и
собственно информационной части. Начальная комбинация обычно состоит из
элементов, которые отвечают за синхронизацию, адресацию и защиту от ошибок.

13.

Параметры группового сигнала
Взаимное перекрытие импульсов
Сигналы при временном
уплотнении ресурсов
канала связи
Защитный интервал

14.

В спутниковой связи технология TDMA используется следующим образом.
Время разбивается на отрезки, называемые кадрами. Каждый кадр делится на
временные интервалы, которые могут быть распределены между пользователями.
Общая структура кадров периодически повторяется, так что передача данных по схеме
TDMA — это один или более временных интервалов, которые периодически повторяются
на протяжении каждого кадра. Каждая наземная передающая станция транслирует
информацию в виде пакетов таким образом, чтобы они поступали на спутник в
соответствии с установленным расписанием. После принятия транспондером такие
пакеты ретранслируются на Землю вместе с информацией от других передающих
станций. Принимающая станция детектирует и разуплотняет уплотненные данные
соответствующего пакета, после чего информация поступает к соответствующим
пользователям. Простейшая схема TDM/TDMA именуется TDM/TDMA с фиксированным
распределением. При использовании такой схемы, М временных интервалов,
составляющих кадр, заранее распределены между источниками сигнала на достаточно
длительный промежуток времени. На рисунке 5 в виде блок-схемы показана работа такой
системы.
Рисунок 5

15.

Схема TDM/TDMA с фиксированным распределением является чрезвычайно
эффективной, когда требования пользователя можно предвидеть, а поток данных
значителен (т.е. временные интервалы практически всегда заполнены). В случае же
пульсирующего или случайного потока данных указанный метод себя не оправдывает.
Рассмотрим простой пример, представленный на рисунке 6. Здесь кадр составляют
четыре интервала, каждый из которых закреплен за пользователями А, В, С и D. На
рисунке 6,а изображены схемы активности четырех пользователей. На протяжении
первого интервала передачи кадра пользователь С не отправляет данных, пользователь
В не передает данных в течение второго интервала, а А — в течение третьего. В случае
использования TDMA с фиксированным распределением все интервалы кадра
распределены заранее. Если "владелец" интервала не передает данных в течение
указанного промежутка времени, данный интервал не используется. На рисунке 6,б
показан поток данных и неиспользованные интервалы. Если требования пользователей
непредсказуемы, как в приведенном выше примере, то должны применяться более
эффективные методы с использованием динамического распределения интервалов.
Таких методов существует несколько — применение систем с коммутацией пакетов,
статистических мультиплексоров или концентраторов. Данные системы позволяют
достигнуть результата, изображенного на рисунке 6,в, где пропускная способность
системы остается постоянной благодаря использованию всех доступных временных
интервалов.

16.

Сравнительный анализ эффективности рассмотренных методов уплотнения ЧВР
каналов передачи информации
1) FDM, FD, FDMA
Основным преимуществом рассматриваемого метода являются минимальные по
сравнению со всеми другими методами уплотнения ЧВР каналов передачи информации
аппаратурные затраты на его реализацию
Однако серьезной проблемой при создании радиочастотной части аппаратуры
является устранение высокого уровня просачивания энергии за пределы выделенного
частотного интервала.
Одним из подходов, используемым в настоящее время для уменьшения влияния
внеполосных излучений на соседние каналы, является введение так называемых
защитных полос, однако для обеспечения требуемого уровня межканальной
интерференции, эффективность использования выделенного частотного ресурса
снижается до 30%.
Другим, более эффективным подходом, используемым в настоящее время для
уменьшения влияния внеполосных излучений на соседние каналы, является
применение для передачи информации сигнально-кодовых конструкций с высокой
спектральной эффективностью, некоторые классы которых были рассмотрены в
рамках чтения лекций.
2) TDM, TD, TDMA
Основным преимуществом рассматриваемого метода является использование всего
частотного ресурса каналов передачи информации
К недостаткам этого метода относится необходимость введения защитных полос для
уменьшения влияния межканальной интерференции во временной области на соседние
каналы, а также высокие требования, особенно при больших скоростях передачи
сообщений, к системе синхронизации.