ПР6 / Тема 06_Технологии мультиплексирования линий связи_
.pdf
Сетевой центр А
Генератор
Сетевой центр B
Генератор B
СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ TDM
|
Сетевой |
|
Сетевой |
|
центр C |
|
центр D |
|
Генерат |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генератор C |
Генератор D |
||
Данные между сетевыми центрами должны распространяться синхронно
Синхронизация сетевых процессов – это поддержание работы оборудования цифровых сетей на согласованной скорости, которая обеспечивает реализацию процессов передачи и приема данных в определенном порядке с допустимым сдвигом во времени.
Следует различать:
Генерат
тактовую синхронизацию. Она обеспечивает правильное чтение битов в канале связи за счет согласования частот тактовых генераторов на взаимодействующих сетевых центрах. К ошибкам приводят фазовые дрожания из-за нестабильности параметров генераторов и линий передачи, а также разной скорости распространения частотных составляющих сигналов;
цикловую синхронизацию. Она выделяет в цикловой структуре битового потока моменты начала сверхциклов, циклов (кадров) и каналов (временных слотов). В результате данные из каждого канала поступают в назначенные им приемные устройства, а сигналы управления – к соответствующим сетевым центрам. Способ реализации – в состав группового цифрового сигнала вводятся синхросигналы, которые отмечают начало цикла передачи. Кроме того, циклы входных данных записыва-
ются в буферы со скоростью передающего генератора, а считываются оттуда уже со скоростью приемного генератора. Переполнение буфера (проскальзывание – slip) приводит или к потери цикла, или к повторному приему цикла, но не нарушает цикловую синхронизацию.
сетевую синхронизацию. Она поддерживает точность и стабильность во времени всех тактовых генераторов сети. Способ реализации – создание сетей синхронизации (на базе ГЛОНАС).
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
21 |
РЕЖИМЫ СЕТЕВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ |
|
|
|
||||||||||||||||
Эти требования к режимам |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
синхронизации были |
||||
Синхронный режим является нормаль- |
|
|
|
|
|
установлены для |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ным режимом работы цифровой сети, при ко- |
|
|
|
|
|
|
|
|
традиционных цифровых |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
сетей. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
тором проскальзывания но- |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
сят только случайный харак- |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
В РФ не применяется |
|
|||||||||||||||||
тер. Этот режим обычно ис- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пользуется в пределах регио- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нов синхронизации, границы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которых совпадают с грани- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
цами национальных цифро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
вых сетей государств сред- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
них размеров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
имеет место, когда на цифровой сети независимо друг от друга работают два (или несколько) генераторов, точность установки частоты которых не хуже 1*10-11. В таком режиме с жесткими требованиями к синхронизации частоты работает первичная цифровая сеть SDH. Этого достаточно для реализации любых услуг, предоставляемых на ВСС РФ.
Плезиохронный режим работы возникает на цифровой сети, когда генератор ведомого узла полностью теряет возможность внешней принудительной синхронизации вследствие отказов как основного, так и всех резервных путей синхронизации, но способен автономно поддерживать точность установки частоты не хуже 1*10-9.
Мобильные сети поколения 3G и выше помимо частотной синхронизации на базовых станциях с точностью установки частоты не хуже 5*10-8 должны использовать и фазовую синхронизацию с нор-
мой в пределах от Δφ =1 мкс (WiMax, LTE), до Δφ =3 мкс (cdma2000). ЧЕМ СЛОЖНЕЕ СЕТЕВЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И УСЛУГИ, ТЕМ БОЛЕЕ ЖЕСТКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЮТСЯ К СИНХРОНИЗАЦИИ.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
22 |
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ TDM В СЕТЯХ GSM
GSM (Global System for Mobile communications) – глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по частоте и времени.
Частотное мультиплексирование. Передача сигналов от мобильной станции (МС) к базовой станции (БС) осуществляется в диапазоне 890-915 МГц, а БС к МС – в диапазоне 935-960 МГц. И прямой, и обратный диапазоны разбиты на 124 частотных канала с разносом между частотами 200 кГц.
Временное мультиплексирование. Каждый частотный канал используют 8 абонентов, передавая в режиме TDM 148-битовые кадры:
-информационные биты разделены на две порции по 57 бит каждая,
-последовательность Sync – это известная комбинация битов, уникальная для каждой ячейки, используемая для настройки параметров приемника по получаемому сигналу,
-в каждом канальном интервале передаются служебные сигналы синхронизации, управления и др., а также защитные биты, предохраняющие от наложения сигналов соседних каналов.
На режим TDM влияет время доставки данных между МС и БС, а оно, в свою очередь, зависит от расстояния между станциями. Для исключения попадания сигналов от мобильных станций, находящихся на разных расстояниях от БС, на общие временные интервалы, БС осуществляет временной сдвиг, зависящий от расстояния. При этом, также, регулируется мощность излучаемых сигналов.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
23 |
TDM В ПАССИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЯХ PON
Технология проводного доступа по пассивным оптическим сетям PON (passive optical network)
связывает многие абонентские узлы с одним сетевым центром, образуя соединение «точка-многоточ- ка» (P2MP – point-to-multipoint). Пассивность означает отсутствие в сети элементов, усиливающих сигнал в процессе его распространения в направлении от сетевого центра к абонентским узлам и обратно. Активные устройства имеют следующие названия и выполняют следующие функции:
терминал оптической линии OLT (Optical Line Terminal)
– располагается в сетевом центре, генерирует оптические сигналы и мультиплексирует трафик пользователей;
оптический сетевой терминал ONT (Optical Network Termination) – располагается в абонентском устройстве. Он может иметь практически любые интерфейсы для подключения терминалов пользователей по витой паре, по коаксиальному кабелю, по линии радиосвязи или по локальным сетям. Взаимодействуя с OLT, он выделяет из общего потока входные данные, направляемые к его пользователям.
В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие потоки данных.
Потоки данных от OLT ко всем ONT передаются на длине волны 1490 нм (или1550 нм) и каждый абонентский узел ONT, читая адресные поля, самостоятельно выделяет из этого общего широковещательного потока предназначенную только ему часть данных.
Потоки данных от всех ONT к OLT передаются на длине волны 1310 нм. Для разделения сигналов, поступающих от разных пользователей используется уплотнение TDM. Каждому активному ONT выделяется определенный временной домен, в течении которого он имеет возможность передавать все данные, накопленные за время занятости канала 1310 нм другими ONT. Здесь нет необходимости в передаче сигналов синхронизации и управления, поэтому нет циклов и сверхциклов.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
24 |
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
С соответствии с практикой внедрения мультиплексирования с кодовым разделением каналов его на-
зывают множественный доступ с кодовым разделением
tiple Access). В этой технологии все источники имеют право
передавать сообщения ОДНОВРЕМЕННО В ОДНОМ СПЕКТРЕ ЧАСТОТ.
При этом каждому источнику присваивается уникальный n- значный двоичный код и каждый интервал передачи бита разбивается на n временных периодов, называемых чипами (chip).
Чип-код каждого канала уникален и имеет длину 64, 128 или более бит. Это значит, что длина линейной кодовой комбинации увеличивается, а длительность одного элементарного
CDMA (Code Division Mul-
Пользователи одновременно работают на одной частоте
Разделение каналов осуществляется по чип-коду
сигнала (символа) уменьшается многократно. Единичное и нулевое значения бита данных источника передаются при помощи прямого и инверсного значений одного и того же чип-кода.
Чип-коды для разных источников должны быть попарно ортогональны. Тогда они не создают взаимных помех, не взаимодействуют друг с другом и могут передаваться по каналу одновременно. На приемной стороне методами теории кодирования из смеси ортогональных сигналов можно выделить любой из одновременно переданных сигналов, если только известен его чип-код.
Кодиро- Время вание
Чип-код K
…
Частота
Чип-код 1
Достоинства CDMA востребованы на сотовых сетях. К ним относятся высокая помехоустойчивость широкополосного сигнала к узкополосным помехам, энергетическая эффективность процесса передачи данных и защищенность от несанкционированного доступа к соединениям без знания индивидуальной кодовой последовательности канала.
К недостаткам можно отнести сложность оборудования и жесткие требования к синхронизации про-
цессов взаимодействия.
25
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи.
КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ И ОРТОГОНАЛЬНОСТЬ СИГНАЛОВ
Взаимная корреляционная функция (ВКФ) двух сигналов x(t) и y(t) описывает степень
+ |
сходства формы сигналов и их взаимное расположение во времени: |
|
x (t )y (t − )dt, |
|
|
Bxy ( ) = |
где t – время, τ – величина сдвига сигналов во времени. |
|
|
|
|
−
Чем больше похожи сигналы друг на друга, тем большее положительное значение имеет ВКФ. Если ВКФ имеет наибольшее абсолютное значение и отрицательный знак, то сигналы противоположны и x(t) = – y(t).
Сигналы, применяемые в CDMA, являются разновидностью дискретных сигналов. Они синхронизированы, являются периодическими и имеют два амплитудных значения 1 и –1. Для их разделения ва-
жен случай, когда Bxy(τ0) = 0 в фиксированной точке τ0, или Bxy(τ) ≈0 на всем периоде. Поэтому вы- |
|||||
числение ВКФ может осуществляться по формуле: |
|||||
|
|
|
n |
|
|
B |
xy |
= |
x y |
, |
, где xi и yi – это i-тыe элементы дискретных кодов X=(x1,…, xn) и Y=(y1,… yn). |
|
|
i i |
|
||
i=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Последовательности X=(-1, 1, -1, 1) и |
Последовательности X=(-1, 1, -1, 1) и |
||||||||||||||||
Y=(-1, 1, 1, -1) ортогональны, поскольку |
Y=(-1, 1, 1, 1) не ортогональны, поскольку |
||||||||||||||||
B = |
( |
−1 |
( |
−1 +1 1+ |
( |
−1 1+1 |
( |
−1 = 0. |
B |
xy |
= (−1) (−1)+1 1+ (−1) 1+1 1 = 2. |
||||||
xy |
) |
|
) |
) |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x2 = 1 |
|
|
x1 = 1 |
1-я посл. |
|
|
|
x2 = 1 |
|
x4 = 1 |
1-я посл. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
x1 = -1 |
|
|
x3 = -1 |
|
|
|
|
t |
x1 = -1 |
|
x3 = -1 |
|
t |
||||
|
|
y2 = 1 y3 = 1 |
|
|
2-я посл. |
|
|
|
y2 = 1 y3 = 1 y4 = 1 |
2-я посл. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
y1 = -1 |
|
|
|
|
y4 = -1 |
|
|
t |
y1 = -1 |
|
|
|
t |
||||
|
|
|
2 |
|
|
|
Вых. кор- |
|
|
|
2 |
|
2 |
Вых. кор- |
|||
1 |
|
|
0 |
|
0 |
релятора |
|
1 |
|
0 |
релятора |
||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
t |
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
|
|
|
|
|
|
26 |
||||||||||
ОБЩИЙ АЛГОРИТМ КОДОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
|
Кодирование |
|
|||
|
|
|
|
Все сигналы |
|
Данные |
|
|
|
||
|
|
|
|||
|
|
|
одновременно |
||
пользова- |
|
|
Чип-код 1 |
||
|
|
занимают весь |
|||
теля 1 |
|
|
|
||
|
|
|
частотный спектр |
||
|
|
|
|
||
Данные |
|
|
|
||
|
|
Чип-код 2 |
|||
|
|
|
|||
пользова- |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
теля 2 |
|
|
|
Кодирова- |
|
Уровень |
|||||
|
|||||
Данные |
|
|
|
ние |
|
пользова- |
Чип-код 3 |
|
|
теля 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Время |
|
|
|
Частота |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Все чип-коды |
|
|
|
|
Кодирование |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
попарно |
|
Декодирование |
|
|
|
|
||
ортогональны |
|
|
данных |
|
|
|
|
|
|
|
|
пользователя 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота
Время
При передаче сигналов от базовой к абонентским станциям выполняются следующие действия:
1)каждому из n информационных потоков, направляемым n пользователям, присваивается свой чип-код, попарно ортогональный с другими чип-кодами;
2)информационный поток
i-го пользователя кодируется i-м чип-кодом;
3) полученные сигналы складываются в суммирующем устройстве и отправляются в линию;
На приемной стороне абонентская станция:
1) получает свой чип-код;
2)синхронизирует сигнал из линии и периодический чип-код и направляет их на входы коррелятора;
3)вычисляет при помощи коррелятора взаимную корреляционную функцию этих сигналов;
4)по отклику на выходе коррелятора определяет значения бит своего информационного потока.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
27 |
ФУНКЦИИ УОЛША
В качестве ортогональных чип-кодов в системах CDMA применяют функции Уолша. Это семейство кодов, образующих ортогональную систему со значениями 1 и -1 на всей области определения. Группа из 2n функций Уолша образует матрицу Адамара, которая может быть сформирована рекурсивным методом с помощью построения блочных матриц по следующей общей формуле.
|
H |
|
n−1 |
H |
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
H n = |
|
|
|
|
|
: H = |
1 |
H = |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2 |
|
H n−1 |
−H n−1 |
|
1 |
|
2 |
1 |
-1 |
|
1 |
-1 |
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H4 = |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
-1 |
-1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Многократное повторение процедуры позволяет сформировать матрицу любого размера, для которой характерна
взаимная ортогональность по строкам и по столбцам.
Корреляция строки с самой собой дает число 2n . Если же
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 1 |
|
-1 1 |
-1 1 |
-1 |
|||
-1 |
1 |
1 |
-1 -1 1 |
1 |
-1 -1 |
||||
1 |
1 |
-1 -1 |
1 |
1 |
-1 -1 1 |
||||
H8 = |
1 |
1 |
1 |
1 |
-1 -1 -1 -1 |
||||
|
1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 |
||||||||
|
1 |
1 |
-1 -1 -1 -1 |
1 |
1 |
||||
|
1 |
-1 -1 |
1 |
-1 1 |
1 |
-1 |
|||
скоррелировать строку и ее инверсное представление, то
результат будет равен (–2n). Поэтому логический «0» можно передавать строкой матрицы, а логическую «1» – той же строкой, но с инверсией.
Свойства кодов Уолша сохраняются лишь в фиксированной точке τ0, т.е. при отсутствии временного сдвига между кодами. Поэтому такие коды можно использовать только в синхронных системах, когда есть возможность определить момент времени начала вычисления ВКФ.
Для синхронизации информационного блока и чип-кода используют псевдослучайные m-последова- тельности. Они имеют длину 2m–1, а пик автокорреляционной функции – при нулевом сдвиге. Наложение m-последовательности на информационный линейный сигнал позволяет вычислить начало информационного блока при приеме.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
28 |
|
ПРИМЕР
Поясним принцип CDMA на примере двух каналов. Предположим, что следует передать блок данных (1,1,0) или (1,1,-1) по каналу 1 и блок (0,1,0) или (-1,1,-1) по каналу 2. Чип-коды выберем из первой и второй строк матрицы Адамара H4: для канала 1 – (1,1,1,1), для канала 2 – (1,-1,1,-1).
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
Инф. блок 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
Чип-код 1 |
|
|
||||||||||||
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
Канал 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
-1 |
|
-1 |
-1 |
|
|
Кодирование в канале 1 (4 чипа на бит) |
|
|||||||||||
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
Канал 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
Канал 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
-1 |
-1 |
|
|
-1 |
|
-1 -1 |
|
|
-1 |
|
|
||
|
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Сумматор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
|
|
-2 |
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
Чип-код 1 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
Коррелятор 1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
-4 |
Блок 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
Декодирование суммарного сигнала в канале 1 |
||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
Инф. блок 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|
Чип-код 2 |
|
|
|
||||||
-1 |
-1 |
|
-1 |
-1 |
-1 |
|
-1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
|
1 |
Канал 2 |
|
|
|
||||||
-1 |
-1 |
|
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
|
|
|
Кодирование в канале 2 (4 чипа на бит) |
|||||||
Информационные блоки кодируются умножением информационных бит на чип-код. Для канала
1 получим: [(1,1,1,1); (1,1,1,1); (-1,-1,-1,-1)], а для канала 2 – [(-1,1,-1,1); (1,-1,1,-1); (-1,1,-1,1)].
После суммирования сигналов из двух каналов получаем: [(0,2,0,2); (2,0,2,0); (-2,0,-2,0)].
При декодировании суммарный сигнал поступает на вход корреляторов обоих каналов, где для каждого информационного бита вычисляется ВКФ с соответствующим чип-кодом. Применительно к каналу 1 на выходе коррелятора получим (4,4,-4). Откуда делаем вывод, что искомый блок данных канала 1 равен (1,1,-1)
или (1,1,0).
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
29 |
КОНТРОЛЬНОЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1.Доказать ортогональность кодов Уолша из матрицы Адамара H16 и неортогональность кода Уолша с любым другим кодом.
Каждому студенту под руководством старосты выбрать уникальную группу кодов.
2.Проиллюстрировать принцип CDMA на примере трех каналов, по которым передаются трехбитные блоки данных. Для уплотнения использовать три попарно ортогональных кода Уолша из матрицы Адамара H16, в том числе два, выбранные в п. 1.
Колбанёв М.О. Технологии мультиплексирования линий связи. |
30 |