Современные мобильные сети обеспечивают связь миллиардам пользователей по всему миру, благодаря эффективному использованию радиочастотного спектра и развитым технологиям множественного доступа. Эффективное распределение ресурсов между пользователями – ключевой фактор производительности и качества связи. В данной статье подробно рассмотрены основные принципы и особенности технологий множественного доступа в мобильных сетях, а также их влияние на современные стандарты связи.
Технологии множественного доступа
Технологии множественного доступа — это методы организации связи, позволяющие нескольким пользователям одновременно использовать одну и ту же радиочастотную среду. В условиях ограниченности спектра радиочастот и возрастающей нагрузки на сети, реализация эффективного множественного доступа становится критичной для мобильных операторов.
В основе технологий множественного доступа лежит разделение общих ресурсов (частоты, времени, кода) между пользователями таким образом, чтобы обеспечить минимальное взаимное вмешательство сигналов и максимальную пропускную способность. Основные методики включают FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access) и гибридные решения.
Сегодня в мобильных сетях применяются продвинутые методы множественного доступа, обеспечивающие не только синхронный доступ пользователей, но и адаптивное управление радиоресурсами. Так, системы 4G LTE используют технологию OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), которая объединяет элементы FDMA и TDMA, а в 5G внедряются новые варианты, включая гибридные методы и пространственно-временные алгоритмы.
Использование этих технологий направлено на увеличение спектральной эффективности (бит/с/Гц), снижение задержек, повышение надежности передачи данных и расширение функциональности мобильных сетей.
Внимание!
1. Основы технологий множественного доступа в мобильных сетях
Понятие технологии множественного доступа в мобильных сетях включает в себя ряд ключевых подходов, направленных на эффективное использование радиоресурсов для обеспечения связи многочисленных пользователей. Основной целью является минимизация интерференции между сигналами, передаваемыми одновременно в одной частотной полосе.
Классические основы технологий множественного доступа заключаются в разделении доступных ресурсов по одному из трех параметров:
- Частота — разделение спектра по частотным каналам (FDMA);
- Время — распределение времени передачи между пользователями (TDMA);
- Код — использование уникальных кодовых последовательностей для одновременной передачи (CDMA).
FDMA – это базовая технология, впервые широко применённая в системах первого поколения (1G), таких как AMPS, где весь спектр делится на отдельные частотные каналы шириной обычно 30 кГц. Каждый канал предназначается для передачи одного потока данных. Однако FDMA имеет ограниченную спектральную эффективность и большую затратность по внедрению в современных системах, из-за жесткой фиксации частотных полос и необходимости фильтрации.
TDMA, появившаяся во втором поколении (2G), позволяет сократить время ожидания передачи и увеличить количество пользователей на один и тот же частотный канал, поделив время на интервалы. Такой подход значительно повысил емкость сети.
CDMA технологии, использующие прямое последовательное распространение сигнала (DSSS), предоставляют более гибкий подход: уникальные коды обеспечивают разделение сигналов, позволяя всем пользователям работать одновременно в одном и том же частотном спектре. Это повышает устойчивость к помехам и интермодуляционным искажениям.
2. Принцип работы и особенности TDMA технологии
TDMA технология (Time Division Multiple Access) основана на разделении одного частотного канала на несколько временных интервалов (слотов), которые распределяются между пользователями. Каждый пользователь передает сигнал в свой временной слот, что позволяет избежать наложения сигналов разных абонентов.
Типичная структура TDMA рамки включает временную циклическую последовательность, которая последовательно распределяется между 8 слотами для пользователей (как в GSM). Продолжительность одного фрейма составляет 4.615 мс, а длительность одного временного слота – примерно 577 мкс. Благодаря этому 8 абонентов могут использовать один частотный канал шириной 200 кГц.
Одним из основных преимуществ TDMA является экономия спектра при одновременном обслуживании большого числа пользователей. Эта технология использована в таких стандартах, как GSM и PDC (Япония), где достигалась пропускная способность до 9.6 кбит/с на канал в исходных реализациях.
Однако TDMA требует точной синхронизации между базовой станцией и терминалами, чтобы временные интервалы не пересекались, в противном случае возникает интерслотовая интерференция. Кроме того, TDMA уязвима к задержкам передачи, что затрудняет использование в системах с высокими требованиями к качеству обслуживания (QoS) и скоростям передачи больших объемов данных.
3. Архитектура и преимущества CDMA технологий
Cdma технологии (Code Division Multiple Access) представляют собой метод, в котором пользователи разделяются не по частоте или времени, а по уникальным кодам, используемым для модуляции и демодуляции сигналов. Такой подход высокоэффективен при высоком уровне помех и большой плотности пользователей.
Архитектура CDMA основана на использовании прямого секвенционного расширения спектра (DSSS). Максимальная ширина полосы частот для типичной CDMA системы CDMA2000 составляет 1.25 МГц, что обеспечивает высокую скорость передачи данных и одновременно эффективное разделение пользовательских потоков.
Принцип множественного доступа в CDMA заключается в том, что все пользователи используют один и тот же спектр частот, но с разными псевдослучайными кодами, что позволяет базовой станции выделять сигналы конкретного абонента. Это обеспечивает высокий уровень помехоустойчивости и значительно улучшает спектральную эффективность по сравнению с FDMA и TDMA.
CDMA технологии нашли широкое применение в 3G сетях – стандарты IS-95, CDMA2000 и WCDMA. Пропускная способность CDMA-сете складывается из нескольких факторов — кодовой скорости, ширины полосы и используемой модуляции. Например, WCDMA обеспечивает скорости до 2 Мбит/с в базовом канале, а при использовании HSPA++ – свыше 100 Мбит/с с агрегацией каналов.
Дополнительным преимуществом CDMA является возможность работы с адаптивной мощностью передачи и распределением ресурсов, что снижает взаимные помехи и улучшает качество связи в условиях плотной застройки базовых станций.
Внимание!
4. Сравнительный анализ технологий множественного доступа
Fdma что это — это технология множественного доступа по частоте, где пользователи получают отдельные частотные каналы. FDMA обеспечивает простоту реализации и независимость каналов, но низкая спектральная эффективность и большие guard-band интервалы между каналами снижают его применимость в современных высокоскоростных сетях.
В сравнении, TDMA и CDMA обеспечивают более высокую емкость сети. TDMA подходит для низкоскоростной передачи с хорошей энергетической эффективностью, а CDMA демонстрирует высокую помехоустойчивость и гибкость при обслуживании мобильных пользователей с различными требованиями.
Технологии доступа в 4G перешли на многопользовательский OFDMA, который является гибридом FDMA и TDMA: весь спектр делится на множества поднесущих с ортогональными частотами, а время делится на слоты. Такой подход обеспечивает высокую спектральную эффективность (до 30 бит/с/Гц на сотовую зону), минимальные интерференции и гибкие возможности агрегации каналов.
В 4G LTE достигается скорость передачи данных до 1 Гбит/с при мобильности до 15 км/ч и до 100 Мбит/с при скорости до 350 км/ч. Это стало возможным благодаря именно OFDMA и схеме множественного доступа SC-FDMA в uplink, что улучшает энергопотребление устройств.
| Технология | Пропускная способность | Спектральная эффективность | Основные применения |
|---|---|---|---|
| FDMA | до 30 кГц на канал | низкая | 1G, узкоспектровые каналы |
| TDMA | до 9.6 кбит/с на слот | средняя | 2G (GSM) |
| CDMA | до 2 Мбит/с базовый канал | высокая | 3G (WCDMA, CDMA2000) |
| OFDMA (4G) | до 1 Гбит/с | очень высокая | 4G LTE, 5G (частично) |
5. Влияние технологий множественного доступа на качество и пропускную способность сети
С развитием мобильных стандартов совершенствуются и мобильные технологии передачи данных, что напрямую влияет на выбор и реализацию технологий множественного доступа. В 5G используется множество новых методов мультиплексирования и доступа, в том числе гибкие OFDMA с агрегацией несущих, а также методы пространственного разделения MIMO (Multiple Input Multiple Output), поддерживающие сотни антенн.
В стандарте 5G NR (New Radio) реализована динамическая адаптация размеров временных слотов (от 14 до 240 OFDM символов), частотных блоков и кодов, что позволяет эффективно обслуживать множество клиентов с разными требованиями к скорости и задержкам. Пропускная способность 5G превышает 20 Гбит/с в загрузке и 10 Гбит/с в выгрузке, обеспечивая сверхнизкие задержки (ниже 1 мс) и высокую надежность.
На качество связи влияет также управление радиочастотными ресурсами – использование технологии beamforming, мощностного контроля и интеллектуального планирования ресурсов позволяет минимизировать помехи и увеличивать плотность пользователей.
Исследования профильного института 3GPP и аналитиков Ericsson демонстрируют, что современные технологии множественного доступа позволяют добиться увеличения спектральной эффективности более чем в 10 раз по сравнению с 4G. Это достигается при строгом соблюдении регламентов ГОСТ 23778-2013 и международных стандартов ITU-R M.2134.
Внимание!
Таким образом, технологии множественного доступа – фундаментальная составляющая современных мобильных сетей, обеспечивающая эффективное использование спектра, высокую пропускную способность и надежную связь в условиях растущего спроса на мобильный интернет и новые сервисы.
Мнение эксперта:
Наш эксперт: Соловьева Н.К. — старший научный сотрудник, кандидат технических наук
Образование: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ), Магистр радиоэлектроники; аспирантура, кандидат технических наук в области телекоммуникаций
Опыт: более 12 лет опыта в области мобильных и беспроводных сетей; участие в крупных научно-исследовательских проектах по развитию технологий множественного доступа для 4G и 5G сетей; публикации в профильных журналах и конференциях
Специализация: исследование и разработка методов множественного доступа в мобильных сетях, включая CDMA, OFDMA и NOMA; оптимизация использования спектра и повышение эффективности каналов передачи данных
Сертификаты: сертификат инженера по LTE/5G от международного стандарта 3GPP; награда Российской академии наук за вклад в развитие телекоммуникационных технологий
Экспертное мнение:
Дополнительные ресурсы для самостоятельного изучения:
- H. S. Park, M. Richards, «Multiple Access Technologies for 5G Mobile Networks,» IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2020
- 3GPP TS 38.214 — NR; Physical layer procedures for data
- ГОСТ Р 56146-2014 «Системы мобильной связи. Термины и определения»
- ITU-R M.1645 — Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000