Μάθηµα 9 ο : Συστήµατα πολλαπλής πρόσβασης

Μάθηµα 9 ο : Συστήµατα πολλαπλής πρόσβασης Στόχοι: Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει: Τι είναι οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης και ποια η ανάγκη χρήσης τους στις δορυφορικές επικοινωνίες Τις γενικές αρχές των βασικών τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης Τις τεχνικές σταθερής και κατ απαίτηση εκχώρησης δορυφορικών πόρων Οι σύγχρονες τάσεις στις τηλεπικοινωνίες οδηγούν στην ανάγκη διασύνδεσης, µέσω δορυφόρου, πολλών επίγειων σταθµών µε αµφίδροµες ζεύξεις. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να επιλυθούν τα παρακάτω προβλήµατα: α) Η πρόσβαση σ ένα σταθµό από µια οµάδα χρηστών. β) Η πρόσβαση σ ένα κοινό δορυφόρο από πολλούς επίγειους σταθµούς. Το πρώτο πρόβληµα λύνεται µε τις κλασικές τεχνικές πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας. Το δεύτερο µε τις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης. Μάθηµα 9 1

Πολλαπλή πρόσβαση (multiple access) Επίγειος σταθµός Επίγειος σταθµός Στις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης (multiple access techniques) ο δορυφορικός επαναλήπτης χειρίζεται ταυτόχρονα έναν αριθµό φερόντων, τα οποία κατανέµονται σε συγκεκριµένα κανάλια του. Το εύρος ζώνης συχνοτήτων των καναλιών αυτών είναι κλάσµα του συνολικού εύρους της ζώνης συχνοτήτων του επαναλήπτη. Ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο γίνεται αυτή η κατανοµή έχουµε τις ακόλουθες περιπτώσεις: α) Πολλαπλή πρόσβαση σε ένα συγκεκριµένο κανάλι του επαναλήπτη. β) Πολλαπλή πρόσβαση σε ένα δορυφορικό επαναλήπτη. Μάθηµα 9 2

Πρόσβαση σε ένα κανάλι του επαναλήπτη Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση συχνότητας (frequency division multiple access, FDMA) Στην FDMA κάθε ζεύξη απαιτεί µια υποζώνη συχνοτήτων από το συνολικό φάσµα του δορυφορικού επαναλήπτη. Αν υποθέσουµε ότι το εύρος ζώνης του τελευταίου είναι Β και το εύρος ζώνης που απαιτεί κάθε ζεύξη είναι b, τότε ο δορυφορκός επαναλήπτης µπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα n=b/b ζεύξεις. Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση συχνότητας (frequency division multiple access, ΤDMA) Στην περίπτωση αυτή, κάθε ζεύξη έχει στη διάθεσή της όλο το φάσµα συχνοτήτων (Β) του επαναλήπτη για συγκεκριµένη χρονική διάρκεια τ s (χρονοθυρίδα, timeslot) σε τακτά χρονικά διαστήµατα µε περίοδο Τ f (περίοδος πλαισίου). H διαδικασία αυτή απαιτεί µετάδοση κατά ριπές (burst mode transmission). Αν ο χρόνος είναι ίδιος για όλες τις ζεύξεις, τότε ο δορυφόρος µπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα n=t f /τ s ζεύξεις. Η ταυτότητα της κάθε ζεύξης προσδιορίζεται από τη θέση της αντίστοιχης χρονοθυρίδας µέσα στο πλαίσιο T f. Όλοι οι τύποι της FDMA απαιτούν συγχρονισµό των επίγειων σταθµών του δορυφορικού δικτύου. Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση κώδικα (code division multiple access, CDMA) Mε την τεχνική CDMA όλοι οι επίγειοι σταθµοί ενός δικτύου χρησιµοποιούν συνεχώς όλο το εύρος ζώνης συχνοτήτων του επαναλήπτη. Τα σήµατα τους υφίστανται κατάλληλη κωδικοποίηση (διαφορετική για κάθε φέρον), έτσι ώστε οι πληροφορίες που εκπέµπονται από κάποιο σταθµό να ανακτώνται από το δέκτη µετά από αναγνώριση του συγκεκριµένου κώδικα. Η τεχνική αυτή αναφέρεται επίσης ως πολλαπλή πρόσβαση διευρυµένου φάσµατος (spread spectrum multiple access, SSMA). Μάθηµα 9 3

B Τ f τ s Κανάλι 3 Κανάλι 4 b B... FDMA Χρόνος Τ f TDMA... Χρόνος Μάθηµα 9 4 Συχνότητα Συχνότητα Κανάλι 3 Κανάλι 4 Κανάλι 3 Κανάλι 4 Κανάλι 3 Κανάλι 4 Συχνότητα CDMA... Χρόνος Kώδικας

Πολλαπλή πρόσβαση στο δορυφορικό επαναλήπτη Η πολλαπλή πρόσβαση σε ένα συγκεκριµένο κανάλι επαναλήπτη (transponder) προϋποθέτει πολλαπλή πρόσβαση στο δορυφορικό επαναλήπτη. Η πολλαπλή πρόσβαση στο δορυφορικό επαναλήπτη επιτυγχάνεται µε τη µεταβολή της συχνότητας και της πόλωσης του φέροντος κύµατος. Για κάθε φέρον κύµα µε καθορισµένη πόλωση και συχνότητα, η πρόσβαση στον επαναλήπτη είναι πρόσβαση FDMA που συνδυάζεται µε πρόσβαση FDMA, TDMA ή CDMA σε κάθε κανάλι. FDMA FD/TDMA FD/CDMA FD/TD/CDMA TDMA CDMA TD/CDMA Υβριδικοί Υβριδικοί τρόποι τρόποι πολλαπλής πολλαπλής πρόσβασης πρόσβασης Μάθηµα 9 5

Σταθερή και δυναµική (κατ απαίτηση) εκχώρηση δορυφορικών πόρων Για κάθε τεχνική πολλαπλής πρόσβασης (FDMA, TDMA, CDMA) εκχωρείται µέρος των δορυφορικών πόρων σε κάθε επίγειο σταθµό του δικτύου. Η εκχώρηση αυτή µπορεί να είναι σταθερή (fixed) ή δυναµική (dynamic). Σταθερή εκχώρηση Σε κάθε επίγειο σταθµό του δικτύου διατίθενται συγκεκριµένοι δορυφορικοί πόροι, µε συνέπεια η ικανότητα διακίνησης πληροφορίας των σταθµών να είναι σταθερή. Ο παραπάνω τρόπος εκχώρησης χρησιµοποιείται ως επί το πλείστον σε τηλεπικοινωνιακά συστήµατα υψηλής ζήτησης, σε συστήµατα δηλαδή όπου όλοι οι χρήστες παρουσιάζουν υψηλή τηλεπικοινωνιακή δραστηριότητα. υναµική ή κατ απαίτηση εκχώρηση Στην περίπτωση αυτή, οι δορυφορικοι πόροι εκχωρούνται στους διάφορους επίγειους σταθµούς ανάλογα µε την αντίστοιχη τηλεπικοινωνιακή ζήτηση. Κατ αυτόν τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα να διατεθούν πόροι από σταθµούς µε µικρές απαιτήσεις σε σταθµούς που για κάποια χρονικά διαστήµατα δεν µπορούν να ικανοποιήσουν την τηλεπικοινωνιακή ζήτηση. Με τα συστήµατα δυναµικής εκχώρησης µπορεί να γίνει καλύτερη εκµετάλλευση του διαθέσιµου φάσµατος του καναλιού. Για να επιτευχθεί όµως αυτό απαιτούνται πολυπλοκότερα κυκλώµατα στους επίγειους σταθµούς. Μάθηµα 9 6

Έλεγχος της δυναµικής εκχώρησης Μια πολύ σηµαντική παράµετρος στο σχεδιασµό ενός συστήµατος δυναµικής εκχώρησης πόρων αποτελεί ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται ο έλεγχος της εκχώρησης. Ο έλεγχος αυτός µπορεί να γίνει µε τους δύο παρακάτω τρόπους: α) Κεντρικός έλεγχος της εκχώρησης Όλοι οι σταθµοί του δικτύου εκπέµπουν µηνύµατα εκχώρησης πόρων προς έναν κεντρικό σταθµό ελέγχου, και αυτός µε τη σειρά του καθορίζει την εκχώρηση των πόρων και ενηµερώνει σε τακτά χρονικά διαστήµατα όλους τους σταθµούς του δικτύου. Παραδείγµατα ενός συστήµατος ΤDMA κεντρικού ελέγχου της εκχώρησης αποτελούν τα συστήµατα TELECOM 1 και 2. β) Κατανεµηµένος έλεγχος της εκχώρησης Στην περίπτωση αυτή κάθε σταθµός διατηρεί µια βάση δεδοµένων για την κατάσταση του συνόλου των πόρων του δικτύου και επιλέγει κάποιο κανάλι (εφόσον είναι διαθέσιµο) όταν το χρειαστεί. Αυτή η βάση δεδοµένων ενηµερώνεται µέσω ενός κοινού καναλιού σηµατοδοσίας στο οποίο ο κάθε σταθµός εκπέµπει τις απαιτήσεις του. Παράδειγµα ενός συστήµατος FDMA κατανεµηµένου ελέγχου της εκχώρησης αποτελεί το σύστηµα SPADE. Μάθηµα 9 7

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ SPADE Χαρακτηριστικά των καναλιών επικοινωνίας Κωδικοποίηση καναλιού ιαµόρφωση Χωρητικότητα PCM QPSK 64 Kbps Εύρος ζώνης ανά κανάλι 38 KHz ιαχωρισµός καναλιών 45 KHz Σταθερότητα συχνότητας ±2 KHz (µε AFC) Μέγιστος αριθµός σφαλµάτων 10-4 Χαρακτηριστικά του κοινού καναλιού σηµατοδοσίας Τύπος πρόσβασης TDMA Χωρητικότητα ιαµόρφωση ιάρκεια πλαισίου 128 Kbps BPSK 50 ms ιάρκεια ριπής 1 ms Αριθµός προσβάσεων 50 Μέγιστος αριθµός σφαλµάτων 10-7 Μάθηµα 9 8

Τυχαία πολλαπλή πρόσβαση (time random multiple access, TRMA) H βασική αρχή της τεχνικής της τυχαίας πολλαπλής πρόσβασης είναι να επιτρέπει την εκποµπή, από τους επίγειους σταθµούς, ριπών µικρής διάρκειας, οι οποίες καταλαµβάνουν όλο ή µέρος τους εύρους ζώνης συχνοτήτων του καναλιού του επαναλήπτη, χωρίς να ακολουθείται κάποιο σχέδιο συγχρονισµένης εκποµπής των ριπών από όλους τους σταθµούς. Πρόκειται δηλαδή για τυχαία εκποµπή µε διαίρεση χρόνου. Λόγω έλλειψης συγχρονισµού µεταξύ των επίγειων σταθµών, υπάρχει η πιθανότητα ριπές από διαφορετικούς σταθµούς να φθάνουν στο δορυφόρο την ίδια χρονική στιγµή µε αποτέλεσµα πολλές φορές να µην είναι εφικτή η ανάκτηση των πληροφοριών που µεταφέρουν. Σα συνέπεια της παραπάνω σύγκρουσης απαιτείται επανεκποµπή των ριπών. Πρωτόκολλα τυχαίας πολλαπλής πρόσβασης ALOHA Πρόκειται για ένα ολοκληρωτικά ασύγχρονο πρωτόκολλο. Οι ριπές δεδοµένων εκπέµπονται από κάθε σταθµό χωρίς περιορισµό όσον αφορά το χρόνο εκποµπής. S-ALOHA Σύµφωνα µε το πρωτόκολλο αυτό, οι ριπές εκπέµπονται σε συγκεκριµένα χρονικά διαστήµατα που καθορίζονται από ένα κοινό ρολόϊ. Αυτό έχει σα συνέπεια τον υποδιπλασιασµό της πιθανότητας σύγκρουσης ριπών σε σχέση µε το προηγούµενο πρωτόκολλο R-ALOHA, R-TDMA, C-PODA Μάθηµα 9 9