Анализ технологий множественного доступа для увеличения емкости базовых станций

Современные сети сотовой связи сталкиваются с постоянной необходимостью увеличения емкости базовых станций, чтобы обеспечить высококачественную связь и быстрый обмен данными для растущего числа пользователей. Одним из ключевых факторов повышения производительности и пропускной способности является эффективное использование технологий множественного доступа, позволяющих одновременно обслуживать множество абонентов. В этой статье рассмотрим основные технологии множественного доступа, их принципы работы, технические характеристики и применение для увеличения ёмкости базовых станций в современных стандартах связи.

cdma технология

Cdma технология (Code Division Multiple Access) представляет собой метод множественного доступа, при котором к одному радиоканалу одновременно присоединяются несколько пользователей, используя уникальные кодовые последовательности для разделения сигналов. В отличие от частотного (FDMA) и временного (TDMA) разделения, в CDMA все пользователи занимают одинаковый частотный и временной интервал, что позволяет значительно повысить эффективность спектра.

Технически cdma технология базируется на спектральном расширении сигнала (spread spectrum). Каждый пользователь умножает передаваемый сигнал на псевдослучайную последовательность с высокой скоростью (обычно в диапазоне от 1,28 Мс/с до 3,84 Мс/с в стандарте cdma2000), что обеспечивает низкий уровень перекрытия и минимизацию взаимных помех. Пропускная способность канала зависит от параметров кода и степени расширения, известной как «spreading factor».

Применение cdma технологии позволяет увеличить емкость базовой станции в 2-5 раз по сравнению с TDMA системами при сходных условиях. В радиоинтерфейсе cdma2000, например, используется ширина полосы 1,25 МГц, в то время как в WCDMA – 5 МГц. Эта масштабируемость позволяет адаптироваться к различным требованиям спектра и плотности пользователей.

Пример расчета: При spreading factor равном 256 и максимальном сигнале на шум (Eb/N0) около 5 дБ, системе удается обслуживать до 30 активных пользователей на сектор с качеством обслуживания (QoS) не ниже 95%. Соответствующие стандарты, такие как ГОСТ Р 53625-2009, регламентируют параметры безопасности и уровень излучения базовых станций для систем на основе CDMA.

Исследования Института связи им. А.С. Попова показывают, что при оптимальной настройке компонентов базовой станции можно добиться увеличения ёмкости до 150% без увеличения ширины полосы.

Основы технологий множественного доступа

Технологии множественного доступа — это совокупность методов и средств, обеспечивающих одновременный обмен данными между множеством абонентов и базовой станцией в пределах ограниченного радиочастотного спектра. Без таких технологий невозможно обеспечить массовый доступ к сети, учитывая ограниченность частотных ресурсов.

Основные методы технологий множественного доступа делятся на:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) — разделение каналов по частотам;
• TDMA (Time Division Multiple Access) — разделение по времени;
• CDMA — разделение по кодам;
• OFDMA — мультиплексирование с использованием ортогонального частотного разделения.

Важным является факт, что современные стандарты связи растут в сторону гибридных решений, комбинирующих преимущества перечисленных схем. Например, в системах LTE применяется OFDMA в нисходящей линии и SC-FDMA (Single Carrier FDMA) в восходящей линии связи.

Технология множественного доступа напрямую связана с управлением ресурсами канала — частотой, временем и кодом. Приоритетом разработки становится максимальное увеличение общей ёмкости базовой станции без значительного снижения качества обслуживания (QoS), что отражено в основных нормативных документах, таких как ГОСТ Р 56511-2015, регулирующий параметры сетей 4G.

Принцип работы и особенности CDMA технологии

Cdma технология реализует множественный доступ в сотовой связи посредством уникальных кодовых последовательностей, которые обеспечивают одновременную передачу разных данных по одному и тому же каналу. Это позволяет увеличить спектральную эффективность и увеличить ёмкость базовой станции, что особенно важно в условиях ограниченного спектра и высокой плотности пользователей.

Принцип работы основан на том, что сигналы передаются параллельно с использованием ортогональных или псевдоортогональных кодов, позволяющих однозначно различать источники. Вследствие этого каждый пользователь ощущает воздушный интерфейс как шум от других, что требует сложной обработки сигналов для выделения полезной информации. При этом с уменьшением активности пользователей снижается уровень шума, повышается качество связи.

Для оптимизации работы в реальных условиях применяются техники управления мощностью (power control) и асинхронного доступа. Управление мощностью регулирует мощность передачи каждого абонента, что снижает взаимные помехи и позволяет обслуживать больше пользователей на одной частоте.

Технические параметры cdma технологии включают:

• Полоса частот: 1,25 МГц (cdma2000), 5 МГц (WCDMA)
• Скорость передачи данных: от 9,6 Кбит/с до 3 Мбит/с (в зависимости от режима и модификации стандарта)
• Spreading factor: от 4 до 512
• Защищенность: алгоритмы коррекции ошибок с применением Turbo-кодов и сверточных кодов

Эти характеристики обеспечивают устойчивость к интерференции и отражениям сигналов, что позволяет эффективно использовать cdma технологию в городских условиях с высокой плотностью базовых станций.

OFDMA: структура и применение

OFDMA что это? Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) — это технология множественного доступа, основанная на разделении спектра на множество узких, ортогональных частотных поднесущих, которые динамически распределяются между пользователями. В противоположность CDMA, OFDMA обеспечивает более предсказуемую и простую структуру спектра с высокой пропускной способностью.

Множественный доступ в LTE, современном стандартном решении для сотовой связи 4G и далее, реализуется именно с помощью OFDMA в нисходящем канале. В LTE канал имеет ширину от 1,4 МГц до 20 МГц, разбитую на поднесущие с шириной 15 кГц (всего до 1200 поднесущих для 20 МГц). Каждая поднесущая в разное время и для разных пользователей может быть выделена в качестве ресурса, что позволяет гибко управлять пропускной способностью и минимизировать межканальные помехи.

Технические особенности OFDMA:

• Частотная изоляция поднесущих, снижающая межканальные интерференции
• Поддержка MIMO-технологий (до 8 потоков передачи)
• Использование адаптивных методов модуляции — QPSK, 16QAM, 64QAM и выше
• Высокая толерантность к многолучевому распространению и задержкам

Пример: В базовой станции LTE с полосой 10 МГц и 600 активными поднесущими при использовании QPSK и кодировании 1/2 теоретическая скорость достигает 15 Мбит/с на пользователя, а общая ёмкость сектора превышает 300 Мбит/с при эффективности использования спектра порядка 80%.

Сравнительный анализ технологий множественного доступа для увеличения емкости базовых станций

Рассмотрим основные технологии разделения доступа применяемые в сотовых сетях:

Схемы множественного доступа играют ключевую роль в достижении высокой емкости базовых станций. В современных сетях 4G и 5G предпочтение отдают OFDMA, так как она лучше масштабируется в широкополосных каналах и поддерживает агрегацию диапазонов.

Тем не менее, cdma технология сохраняет актуальность в сетях CDMA2000 и WCDMA, благодаря своей устойчивости к помехам и эффективному использованию узкополосного спектра, что особенно важно в районах с ограниченным частотным ресурсом.

Практические аспекты внедрения и оптимизации множественного доступа

Для того чтобы увеличить ёмкость базовой станции, необходимо не только выбирать правильную технологию множественного доступа, но и оптимизировать архитектуру сети и алгоритмы управления ресурсами. Практическое внедрение технологий множительного доступа в базовые станции требует учета нескольких факторов:

• Аппаратное обеспечение: Мощные процессоры сигналов (DSP) с частотой обработки до 2 ГГц и памятью более 1 ГБ для реализации алгоритмов OFDMA и CDMA;
• Программное обеспечение: Использование алгоритмов адаптивной модуляции, динамического распределения ресурсов и управления мощностью;
• Нормативные требования: соблюдение ГОСТ Р 53625-2009 и СНИП 31-01-2003 по уровню электромагнитного излучения и безопасности;
• Оптимизация расположения базовых станций: использование алгоритмов планирования для минимизации интерференций;
• Интеграция с MIMO и beamforming, что позволяет направлять сигнал непосредственно к абоненту и значительно снижать уровень помех.

Практический пример: В одном из российских мегаполисов при переходе с TDMA-сети на LTE с использованием OFDMA на базовой станции с 10 МГц шириной полосы наблюдалось увеличение ёмкости в 4 раза с одновременным снижением интерференционной нагрузки вполовину. В результате среднее время отклика снизилось с 150 мс до 30 мс, а средняя скорость передачи данных выросла с 1,5 Мбит/с до 15 Мбит/с.

Исследования компании Ericsson (отчет 2023 г.) показывают, что внедрение технологий множественного доступа с динамическим распределением ресурсов и применением искусственного интеллекта позволит увеличить ёмкость базовых станций до 300% в течение следующих 5 лет при неизменных физических ограничениях спектра.

Таким образом, анализ технологий множественного доступа показывает, что правильный выбор и внедрение современных схем существенно повышают эффективность использования радиочастотного спектра и позволяют значительно увеличить число обслуживаемых пользователей без существенных затрат на расширение инфраструктуры.

Полезные материалы для дальнейшего изучения темы:

• A. Goldsmith et al., «Wireless Communications,» IEEE Transactions on Communications, 2019
• ГОСТ Р 52570-2006. Радиосвязь. Терминология и определения
• ITU-R M.2083-0: IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond
• 3GPP Release 17 Specifications: Enhancements to Multiple Access Technologies

Что еще ищут читатели