بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تکنيک مالتي پلکسينگ SDMA،CDMA،TDMA، FDM A در مخابرات سيار
چکيده- در اين مقاله تکنيکهاي مالتي پلکسينگ در سيستم هاي ديجيتال نسل دوم (GSM) مورد بررسي قرار گرفت و مزايا و معايب آن ها ارائه گرديد و نتايج بررسي نشان داد که SDMA در ترکيب با FDMA ،TDMA و يا CDMA مفيد مي باشد.
واژه هاي کليدي : شبکه هاي GSM ، مدولاسيون طيف گسترده ، TDMA ،FDMA ،CDMA ،SDMA
١- مقدمه
سيــستم هــاي ديجيتــال نــسل ســوم pcs
نسل اول در سال هاي ١٩٧٠ تا ١٩٨٠ بر پايه تکنولوژي آنالوگ و استفاده از مفهوم سلولي پديد آمد. ايده اساسي در مخابرات سيار سلولي (MCS) استفاده مجدد از طيف فرکانسي در مناطقي است که به اندازه کافي از هم دور مي باشند.استفاده از مخابرات سيارسلولي موجب افزايش ظرفيت سيستم ، کاهش هزينه ، بهبود کيفيت سرويس و کاهش توان موردنياز شد. اولين سامانه مخابرات سلولي جهان در سال ١٩٨٣ در آمريکا با نام AMPS شروع به کار کرد؛ اين سامانه که آنالوگ بود به تدريج در اکثر مناطق جهان مورد استفاده قرار گرفت و از آن به عنوان نسل اول مخابرات سيار ياد مي شود. اين سيستم در باند فرکانسي ٨٠٠ تا٩٠٠ مگاهرتز کار مي کرد و داراي ٦٦٦ کانال دوطرفه با پهناي باند kHz ٣٠ و مدولاسيون FM آنالوگ بود. با افزايش بيش از حد تقاضا، سيستم هاي آنالوگ نسل اول قادر به تأمين ظرفيت 1 مورد نياز براي برخي مناطق شهري نبودند سيستم هاي نسل دوم در سال هاي ١٩٨٠ و ١٩٩٠ با استفاده از تکنولوژي ديجيتال تحقق يافت . شبکه هاي تلفن همراه GSM که در سال ١٩٩٠ در اروپا آغاز به کار کرد نسل دوم مخابرات سيار بودند. در اين شبکه ها زمان برقراري تماس با شبکه تا چندين ثانيه طول مي کشد و سرعت آن به Kbps٦٩ محدود است .
GSMاولين استاندارد MCS تمام ديجيتال در دنيا است . اين سيستم در ١٩٩٢ دراروپا به بهره برداري تجاري رسيد. در اين سيستم موبايل ها از فرکانس هاي ٨٩٠ تا ٩١٥مگاهرتز و ايستگاههاي پايه از فرکانس هاي ٩٣٥ تا ٩٦٠ مگاهرتز براي ارسال سيگنال استفاده مي کنند. پهناي باند هر کانال راديويي ٢٠٠ کيلو هرتز است که توسط ٨ کاربراستفاده مي شود. همچنين سرعت انتقال دادهها در EDGE يکي ديگر از شبکه هاي گسترش يافته GSM ، به kbps ٣٧٠ ارتقاء يافته است . به علت تقاضاي روزافزون براي سرويس هايMCS ، تکنولوژي هاي جديدي نظير CDMA براي بهبود بهره برداري از طيف فرکانسي پديد آمد. CDMA يکي از پيچيده ترين سيستم هاي بي سيم ديجيتال در دنياي امروز است .CDMA تمامي کاربران را درفرکانس هاي يکسان و زمان هاي يکسان با کدهاي مختلف مجزا مي کند. پهناي باند هرکانال ١.٢٣ مگاهرتز است . شبکه موبايل کشور ما نيز از نوع نسل دوم يعني GSM مي باشد .
شبکه هاي سلولي نسل دوم مانند GSM که فقط براي انتقال صوت مورد استفاده قرار مي گيرند ، ذاتا" داراي فناوري سوئيچ مداري هستند و شبکه هاي نسل ٢,٩ مانند GPRS ، مدل گسترش يافته شبکه هاي نسل دوم هستند که از فناوري سوئيچ مداري براي انتقال صوت و از سوئيچ بسته اي براي تبادل داده استفاده مي کنند. در بخش رابط هوايي سوئيچينگ مداري، در کل طول تماس، يک کانال ترافيکي کامل به مشترک اختصاص داده مي شود. اين در حالي است که در موارد ترافيک خوشه اي نظير اينترنت ، اين کار بسيار ناکارآمد است . ولي در سامانه هاي سوئيچينگ بسته اي، يک کانال تنها در زمان مورد نياز به کاربر اختصاص داده مي شود و بلافاصله بعد از هر ارسال بسته اي، آزاد مي گردد بنابراين کاربران مختلف مي توانند از يک کانال فيزيکي بطور مشترک استفاده کنند.در شکل ١ ساختار شبکه GSM نشان داده شده است .
شکل ١ : ساختار شبکه GSM
٢-١- فاکتور هاي يک شبکه GSM(سلولي ):
عواملي که در يک شبکه سلولي مطـرح مـي شـوند عبارتنـد از:هزينه نصب ايستگاهها- ظرفيت مورد نظر براي هر منطقـه -
کيفيت مکالمـه - درجـه کيفيـت سـرويس - نحـوه گـسترش سيستم - توزيع جمعيت - تعداد مشترکين هر محدوده- سـطح درآمد مردم در نواحي مختلف - سـطح منطقـه و ناهمواريهـاي موجود همه از مسائلي هستند که جهـت يـک شـبکه سـلولي مطرح مي شوند ترافيک :شبکه سلولي طوري طراحي شده است که هر مـشترک زودتر کانال را اشغال کند آن کانال تحت تـصرف آن مـشترک قرار مي گيرد(تا مدت زماني که قابل محاسبه باشد).اگر شـبکه تمـام کانالهــاي آن تــصرف شــده باشــد آن شــبکه مــشغول است (NETWORK BUSY).
استفاده بهينه جهت دسترسي به محدوده فرکانس :
براي استفاده از محدوده فرکانس روش هاي متفاوتي وجود دارد که عبارتند از:
( Time Divison Multiple Access): TDMA -2
سيستم TDMA طيف راديويي را بـه تعـدادي تـايم اسـلات تقسيم مي کند و در هر تايم اسلات تنها يک کاربر ميتواند عمل ارسال يا دريافت را انجام دهد. در اين روش هر ٨ تايم اسلات بر روي يک فرکانس مدوله (سوار) مي شـود و هـر تـايم اسـلات مسئول حمل اطلاعات صحبت يک مشترک مي باشد يعنـي بـا يک فرکانس و با ايجاد تاخير زماني اندک بين ٨ مشترک (بدون اينکه براي مشترکين قابل احساس باشـند).آنهـا را بـه خـوبي پوشش مي دهد. سيستمهاي TDMA داده را به روش buffer and burst ارسال مي کنند.بنابراين ارسال براي هر کاربر غير پيوسته خواهد بود. اين نکته خاطر نشان مي سازد که بر خلاف سيــستم FDMA کــه FM آنــالوگ را بکــار مــي گيــرد، در سيستمهاي TDMA مدولاسيون مي باشند.
Packet از مجموعه بيتهاي Preamble ، بيتهـاي اطلاعـاتي و بيتهاي Tail ساخته شده است . ارسالهاي کاربران مختلف داخل ساختار frame تکرار شونده ، قرار داده ميشوند. همانطور که ديده ميشود هر frame شـامل چنـدين تايم اسلات است .
شکل ٢
برخي ويژگيهاي سيستم TDMA عبارتست از
- هاي ديگر گوش بسپارد.
- TDMA زمانهاي متفاوتي را براي ارسال و دريافـت استفاده مي کند. از اينرو در سيستمهاي TDMA نيازي بـه وجـود duplexer نخواهـد بـود. حتـي در صـورت استفاده از FDD يک سـوئيچ بـه جـاي duplexer در دستگاه مشترک براي سوئيچ از فرستنده به گيرنده مورد نياز است .
- در TDMA زمانهاي محافظ تا حد امکان بايستي به حداقل رسانده شوند. اگر سيگنال ارسـالي در لبـه هـاي تايم اسلات ، خيلي تيز و سريع خوابانيده شود ، تا بـدين وسيله زمان محافظ کوتاهي بدست آيد ، طيـف ارسـالي گسترده شده و با کانالهاي مجاور تداخل خواهد کرد.
- به علت ارسالهاي burst ،overhead زيادي بـراي همزمان سازي در سيستم TDMA نيـاز اسـت . ارسـالهاي
TDMA زمان بندي شده است و اين امر ايجاب مي کند که گيرنده ها براي هر burst داده همزمان شوند. علاوه بر ايـن تايم اسلاتهاي حفاظت براي جدا کردن کاربران لازم است که TDMA يک فرکانس کرير خاص را بين چندين کـاربر بـه اشتراک مي گذارد و هر کاربر از تايم اسلاتهايي کـه هيچگونـه رويهم افتادگي ندارند ، استفاده مي کند. تعداد تايم اسلاتها در هر frame به چندين عامل مثل تکنيک مدولاسـيون ، پهنـاي باند در دسترس و ... وابسته است .
- ارسال داده براي کاربران يک سيـستم TDMA پيوسـته نيست و به صورت burst اتفاق مي افتد. اين امر به مصرف کـم باتري منجر مي گردد زيرا فرستنده کاربر ، هنگاميکه در حـال استفاده نيست ، ميتواند خاموش شود.
- به دليـل ارسـالهاي غيـر پيوسـته در TDMA ، فرآينـد handoff براي يک دستگاه مشترک بسيار ساده تـر اسـت از آنجا که ميتواند در طول تايم اسلاتهايي که بيکار است بـه BS اين امر بـه overhead هـاي بزرگتـر نـسبت بـه سيـستم FDMA منجر خواهد گرديد.
مزيت موجـود در سيـستم TDMA آن اسـت کـه امکـان اختصاص تعداد متفاوتي تايم اسلات به کـاربران مختلـف در اين سيستم وجود دارد .
٢-٢- کارآيي TDMA
بازدهي سيستم TDMA ، اندازه گيري درصـد داده ارسـال شده که حاوي اطلاعات است ، مي باشد. بازدهي يک فريم nf درصد بيتهايي از يک فريم که شامل داده ارسالي است ، مـي باشد. کارايي به شکل زير محاسبه خواهـد شـد. البتـه داده ارسالي ممکن است شامل بيتهاي کد کننده منبـع يـا کانـال باشد . بنابراين کارآيي واقعي و نهايي يک کاربر عموما" کمتر از nf خواهد بود. تعـداد بيتهـاي overhead در هـر فـريم عبارتند از :
Nr تعداد burst هاي مرجع در هر فريم ، Nt تعداد بيتهاي ترافيک در ه فـريم ، br تعـداد بيتهـاي overhead در هـر
burst مرجـع ، تعـداد بيتهـاي overhead بـراي هـر preamble در هر تايم اسـلات اسـت همچنـين تعـداد
بيتهاي معادل در هر فاصله زماني Guard اسـت . تعـداد کـل بيتهاي هر فريم ، br خواهد بود:
که Tf مدت زمان يک فريم و R بيـت ريـت کانـال اسـت و بازدهي فريم به صورت زير محاسبه مي شود:
تعداد کانال :
تعداد اسلاتها يا کانالهايي که ميتواند در يک سيستم TDMA فراهم شود، با حاصلضرب تعداد اسلاتهاي TDMA هر کانـال
در تعداد کانالهاي موجود ، محاسبه شده و عبارتست از :
m تعداد بيشينه کاربران TDMA اسـت کـه روي يـک کانال راديويي ميتوانند سرويس دهي شوند.
FDMA-3
در اين روش باند فرکانسي مربوط بـه موبايـل را تقـسيم بندي مي کنند و به هر کاربر يک باند فرکانسي يـا يـک کانال يکتا و منحصربفرد اختصاص داده ميـشود و بـدين ترتيب کانالهاي مورد نياز را بوجود مي آورند اين کانالهـا بنا به درخواست متقاضي سـرويس تعيـين ميـشوند در طول مکالمه هيچ کاربر ديگري نميتـوان بانـد فرکانـسي مورد نظر را اشغال کند. در سيستمهاي FDD يـک زوج فرکانس به عنوان کانال براي هـر کـاربر در نظـر گرفتـه ميشود که يک فرکانس به کانال مستقيم و فرکانس ديگر به کانال معکوس اختصاص داده ميشود. خصوصيات يـک سيستم FDMA به شرح زير است :
- کانال FDMA تنها حامل يک مدار تلفنـي در يـک زمان است .
- اگر يک کانال FDMA مورد استفاده قـرار نگيـرد ، بيکار باقي مانده و حتي براي افزايش ظرفيت هم نميتواند توسط ساير کاربران مورد استفاده قرار گيرد.
- پس از اختصاص يک کانال صوت BS ،MS به طـور همزمان و پيوسته به تبادل داده مي پردازند.
- دوره ارسال يک سـمبل بـسيار بزرگتـر از متوسـط تاخير انتشار است . اين نکته نشان مي دهد کـه تـداخل بين سمبلي بسيار کم بـوده و در سيـستمهاي TDMA بسيار کمتر است .
- از آنجا که FDMA يک ساختار ارسال پيوسته است ، در مقايــسه بــا TDMA بيتهــاي کمتــري بــراي Overhead (مثـل بيتهـاي همزمـان سـازي و بيتهـاي Framing ) نياز است .
- سيـستمهاي FDMA سـيار بـه واسـطه عملکـرد همزمان فرستنده و گيرنده از Duplexer اسـتفاده مـي کنند که منجر به افزايش هزينه دستگاههاي مـشترکين FDMA و BS ها ميشود.
اولــين سيــستم ســلولي آنــالوگ در ايالــت متحــده آمريکا(AMPS )مبتنـي بـر تکنيـک FDMA. FDD است .يک کاربر يک کانال را در طول يک مکالمه اشـغال مي کند. يک کانال در واقع دو کانال يک طرفه که با يـک فاصله فرکانسي MHZ ٤٥ از هم جدا شـده انـد ، مـي باشد. در پايان يک مکالمه يا در صورت وقوع Handoff کانال تخليه ميشود تـا مـشترک ديگـري بتوانـد از آن استفاده کند. در يک سيستم AMPS با اختـصاص يـک کانال منحصر به فرد به يک کـاربر ، چنـدين کـاربر بـه صورت همزمان ميتوانند سرويس داده شوند. سيگنالهاي صوت در کانال مستقيم از BS به MS و در کانال معکوس از MS به BS فرستاده ميشوند. تعداد کانالهايي کـه بـه طــور همزمــان در يــک سيــستم FDMA ميتواننــد پشتيباني شوند عبارتند از :
که در اين رابطه Bi کل طيف اختـصاص يافتـه ، Bguard باند محافظ اختصاص داده شـده بـه بانـدهاي طيـف و Bc پهناي باند کانال است .
TDD-3-1،FDD
اين روشـهاامکان اسـتفاده همزمـان تعـداد زيـادي از کاربران متحرک، ازپهناي باند راديويي را فراهم مي سازد اين عمل به منظور رسـيدن بـه کيفيـت بـالا در انتقـال اطلاعات بايـستي بـدون هيچگونـه نقـصي در عملکـرد سيستم صورت پذيرد. امکان صحبت کردن و شنيدن بـه طور همزمان که duplexing ناميده ميشود ، بـه کمـک تکنيکهاي موجود در حوزه زمـان و يـا فرکـانس
