Cap. 1 TEHNICI DE ACCES MULTIPLU Sisteme CDMA

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplexModalitatea n care SB i SM comunic ntre ele = transmisiune duplex.legtura dintre staia de baz i staia mobil poart numele de legtur descendent sau direct (downlink n terminologia european, respectiv forward link n terminologia american);legtura dintre staia de mobil i cea de baz poart numele de legtur ascendent sau invers (uplink n terminologia european, respectiv reverse link n terminologia american).Duplexarea se poate realiza in timp sau in frecventa (fig.1.1)

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplex

SB

SM

f1 leg. ascendenta

f2 leg. descendenta

leg. ... leg.

asc ... desc.

SM

SB

(f

(t

(a)

(b)

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplexTransmisiunea duplex cu diviziune n frecven (FDD) ofer dou benzi de frecven diferite pentru fiecare utilizator, una pentru legtura ascendent i alta pentru cea descendent. orice canal duplex este format din dou canale simplex, fiecare fiind transmis pe alt frecven purttoare i n alt band de frecvene. att staiile mobile ct i cea de baz trebuie s fie echipate cu dou antene (cte una pentru fiecare legtur) sau o anten i un duplexor (format dintr-un sistem de filtre de radiofrecven care protejeaz receptorul de interferenele provenite din canalele adiacente) ceea ce permite transmiterea i recepia simultan a mesajelor pe cele dou canale.separaia de frecven dintre canalul asociat legturii ascendente i cel asociat legturii descendente este o constant a sistemului i nu depinde de tipul de canal utilizat.

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplexAplicaii se folosete n comunicaiile analogice sau cele digitale, unde datele nu pot fi organizate sub forma de pachete;Avantaje: permite legtura permanent i simultan ntre SB i SMDezavantaje : trebuie realizat un control foarte riguros al puterii att pentru sistemul de interes ct i pentru alte sisteme care co-exist n aceeai regiune geografic, pentru a evita apariia interferenelor.separarea frecvenelor celor dou legturi trebuie aleas foarte judicios, astfel nct s evite apariia interferenei inter-canal (cross-talk);este costisitoare din cauza aparaturii de radiofrecven folosite (duplexoarele, transcieverele i antenele staiilor de baz i a celor mobile).

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplexTransmisiunea duplex cu diviziune n timp (TDD) utilizeaz aceeai frecven purttoare i band de frecvene att pentru legtura ascendent ct i pentru cea descendent,organizeaz datele sub form de pachete i utilizeaz sloturi temporale diferite pentru legtura ascendent i descendent. Dac diferena de timp dintre sloturile alocate celor dou legturi este relativ mic, transmisia i recepia datelor apare simultan din punct de vedere al utilizatorului. Acest tip de transmisiune duplex se preteaz sistemelor de comunicaie digitale.Aplicaii se folosete n special n comunicaiile digitale, unde datele pot fi separate in sloturi

1.1. Moduri de realizare a transmisiunilor duplexAvantaje:elimin necesitatea separrii n frecven a legturilor ascendent i descendent, existnd o frecven unic de transmisiune a celor dou canale. Deoarece separaia acestora se face n domeniul timp, transmisiunea nu poate fi niciodat duplex n adevratul sens al cuvntului, deoarece ntotdeauna exist o ntrziere a rspunsului fa de mesajul transmis.Dezavantaje - trebuie realizat o sincronizare perfect din punct de vedere temporal a emitorului i receptorului, n caz contrar aprnd fenomenul de interferena inter-canal.

1.2.Modalitati clasice de realizare a accesului multiplu in counicatiile mobileProblema: mai muli utilizatori s poat transmite i recepiona simultan semnale de la una sau mai multe staii de baz. trei tehnici fundamentale: tehnica de acces multiplu cu diviziune n frecven (FDMA); tehnica de acces multiplu cu diviziune n timp (TDMA);tehnica de acces multiplu cu diviziune n cod (CDMA).Sistemele de comunicaii mobile pot fi de band ngust sau de band larg funcie de raportul dintre banda ocupat de un utilizator i banda de coeren a canalului de transmisiune (care reprezint domeniul de frecvene n interiorul cruia amplitudinile a dou componente cosinusoidale, pe frecvene diferite, sunt corelate ntre ele).

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngustSistemele de band ngust banda utilizat de un canal (utilizator) este mai mic sau aproximativ egal cu banda de coeren a canalului de comunicaii. spectrul frecvenelor radio este mprit ntr-un numr ct mai mare de canale de band ngust, fiecare utilizator putnd folosi un astfel de canal.Tehnica de acces multiplu folosit: FDMA sau TDMA. Sistemele FDMA de band ngust, fiecrui utilizator i este alocat o frecven purttoare i o band de frecvene, pe care o utilizeaz individual pe toat durata transmisiuni duplexarea: FDD (FDMA/FDD).

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngust

SB

SM1

fM (BM)

f2 (B2)

SMM

SM2

f1 (B1)

f1

f2

fM

B1

B2

BM

f

BG

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngustDezavantaje FDMA de band ngust : necesitatea realizrii unei alocri ct mai judicioase a benzilor de frecven ocupate i a puterilor disipate n afara benzii de ctre fiecare utilizator;trebuie prevzute un numr de benzi de gard ntre utilizatorii adiaceni, pentru a minimiza interferenele ntre canale (cross-talk).

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngustSistemele TDMA de band ngust toi utilizatorii folosesc un singur canal de comunicaii, fiecare din ei avnd alocat un slot temporal n mod ciclic. Aceast tehnic este ilustrat n figura 1.3. pot opera din punctul de vedere al comunicaiei duplex att cu diviziune n frecven (TDMA / FDD) ct i cu diviziune n timp (TDMA / TDD). sistemele TDMA / FDD - utilizeaz dou frecvene diferite, una pentru legtura ascendent, cealalt pentru legtura descendent.

1.2. Modalitati clasice de realizare a accesului multiplu in comunicatiile mobilesistemele TDMA / TDD utilizeaz aceeai frecven purttoare i aceeai band de frecvene pentru ambele legturi, transmisia realizndu-se ntr-o direcie sau cealalt la momente temporale diferite. Din acest motiv transmisia de tip TDD este cvasi-simultan, deoarece atunci cnd se face transmisia datelor ntr-o anumit direcie presupune inhibarea transmisiei pe direcia opus. Dac rata de transmisie este suficient de mare, timpul n care una dintre direcii este inhibat este neglijabil, aproape insesizabil n timpul unei comunicaii vocale.

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngust

SB

SM1

date

SM1

date

SMM

date

SM2

SMM

Tcadru

.....

Tslot

f, B

1.2.1. Sistemele de comunicaii mobile de band ngustComparaie ntre sistemele TDMA / FDD i TDMA / TDD: din punct de vedere spectral, banda ocupat de cele doua sisteme este aceeai: astfel, n timp ce sistemul FDD utilizeaz dou benzi de frecven separate ntre ele, sistemul TDD utilizeaz o singur band de lrgime dubl;deoarece banda folosit n cazul sistemelor TDD este dubl fat de cea folosit n sistemele FDD, filtrele de radiofrecven ale emitorului i receptorului sunt de band mai larg, deci mai uor de implementatn cazul sistemului TDD duplexorul se realizeaz cu un simplu comutator de radiofrecven, care conecteaz antena emitorului sau receptorului n funcie de direcia fluxului de date. Aceast structur este mult mai puin complicat dect n cazul transmisiunii FDD.

1.2.2. Sistemele de comunicaii mobile de band largSistemele de comunicaii de band larg = acele sisteme n care banda utilizat de un canal (utilizator) este mult mai larg dect banda de coeren a canalului de comunicaii.fadingul datorat propagrii pe ci multiple nu afecteaz att de sever semnalul recepionat,atenurile selective n frecven vor afecta numai o parte din componentele spectrale ale semnalului transmis, efectul su fiind puternic redus.

1.2.2. Sistemele de comunicaii mobile de band largn sistemele de band larg mai muli utilizatori folosesc n comun acelai canal de comunicaii n acelai timp, separarea ntre acetia efectundu-se prin intermediul unui cod individual, alocat fiecrui utilizator, dintr-un set de coduri ortogonale sisteme cu acces multiplu cu diviziune n cod (CDMA). n funcie de modul n care codul de mprtiere acioneaz asupra datelor transmise exist trei tipuri de sisteme cu spectru mprtiat:sisteme cu spectru mprtiat de tip secven direct (Direct Sequence DS-CDMA) la care modularea datelor se face prin nmulire direct cu codul; aceast tehnic este cel mai des utilizat n sistemele de comunicaie mobile de generaia a 3a, datorit n special simplitii sale tehnologice.

1.2.2. Sistemele de comunicaii mobile de band largsisteme cu spectru mprtiat de tip salt de frecven (Frequency Hopping FH-CDMA) la care frecvena purttoare se modific n funcie de secvena de cod; aceasta tehnic este utilizat n special n comunicaiile militare sau care necesit nivel ridicat de securitate, deoarece echipamentele ce trebuiesc utilizate sunt n general costisitoare.sisteme cu spectru mprtiat cu tip salt n timp (Time Hopping TH-CDMA) care utilizeaz impulsuri purttoare de durat mult mai mic dect intervalul de timp alocat pentru transmiterea lui, poziia acestui impuls n interiorul intervalului fiind dictat de codul pseudoaleator. Aceast tehnic, combinat cu modularea impulsurilor n poziie (Pulse Position Modulation - PPM) au dus la dezvoltarea unei tehnici de comunicaie de band ultra larg (Ultra Wide Band communications - UWB) care este acum dezvoltat n faz experimental pentru un numr de aplicaii radar, de poziionare, sau chiar reele de comunicaii mobile de arie redus pentru aplicaii indoor.

1.2.2. Sistemele de comunicaii mobile de band largAlte tipuri: comunicaia de date n pachete (Packet Radio), care deriv din tehnica fundamental de tip TDMA, precum i accesul multiplu cu diviziune n spaiu (Space Division Multiple Access SDMA), bazat pe capacitatea de separare spaial a zonelor de propagare.

1.2.2. Sistemele de comunicaii mobile de band larg

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMA Tehnica FDMA aloca fiecrui utilizator cte un canal (n spe o frecven purttoare i o band de frecvene), la cererea acestuia. Pe toat durata convorbirii, acest canal este folosit de utilizatorul cruia i-a fost alocat i numai de acesta. ntr-un sistem de coordonate timp frecven cod, alocarea canalelor ntr-un sistem FDMA poate fi reprezentat ca n figura 1.4.

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMAFig. 1.4. Alocarea canalelor n sistemele FDMA

Canal # 1

Canal # 2

Canal # 3

Canal # N

cod

timp

frecventa

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMAPrincipalele caracteristici ale sistemelor FDMA sunt:fiecare canal FDMA este folosit la un moment dat de un singur utilizator;dac utilizatorul cruia i-a fost alocat canalul face o pauz n convorbire, canalul este neutilizat dar nu poate fi alocat altui utilizator pentru a permite creterea capacitii sistemului; dup ce un anumit canal este alocat unui utilizator, att staia de baz ct i cea mobil pot transmite mesaje simultan i continuu;banda unui canal FDMA este relativ redus, fiind egal cu banda necesar unui utilizator individual (n general 30 kHz; sisteme de band ngust;dac rata de transmisie este relativ redus, perioada de simbol este mai mare dect ntrzierile de propagare datorate canalului; aceasta face ca nivelul interferenei intersimbol s fie redus, nefiind necesar folosirea unui sistem de egalizare sofisticat;

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMAcomplexitatea sistemelor FDMA este n general mai redus dect a sistemelor TDMA din punct de vedere al necesarului de procesare a semnalului transmis;deoarece tehnica FDMA suport o transmisie continu nu este necesar transmisia unui numr att de mare de bii pentru semnalizri ale sistemului (de exemplu sincronizare sau mprire pe cadre) ca n cazul TDMA;costurile necesare implementrii sistemelor FDMA sunt mai mari dect n cazul celor de tip TDMA deoarece folosirea unui canal de ctre un singur utilizator la un moment dat nu conduce la o utilizare judicioas a resurselor; n plus este necesar utilizarea unor filtre trece band complicate i scumpe pentru a micora puterea radiat n afara benzii;sistemele de tip FDMA necesit utilizarea la recepie a unor filtre trece band cu pant foarte abrupt pentru a elimina interferena inter-canal;att staiile de baz ct i cele mobile trebuie s utilizeze circuite duplexoare, deoarece att emitorul ct i receptorul opereaz n acelai timp. Acesta duce de asemenea la o cretere a costului echipamentelor

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMAExemplu clasic: de sistem FDMA / FDD este primul sistem celular american, anume AMPS, sistem analogic ce a fost dezvoltat n SUA ncepnd cu anii 40 i care a ajuns la maturitate n anii 70. n acest sistem fiecare utilizator ocup cte un canal duplex (format din dou canale simplex separate ntre ele cu un ecart de frecven de 45 MHz) pe toat durata convorbirii. Atunci cnd o anumit conversaie se ncheie sau se produce un transfer (handover - utilizatorul mobil trece dintr-o celul ntr-alta, iar convorbirea se transfer de pe o staie de baz pe cea corespunztoare noii celule) canalul este eliberat i oferit altui utilizator.Ca tehnic de modulaie se folosete modulaia n frecven de band ngust.

1.3.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMANumrul de canale ce pot fi utilizate simultan ntr-un sistem FDMA este

unde; Bt este banda de frecvene alocat sistemului;Bg este banda de gard, necesar la capetele domeniului de frecvene alocat;Bc este banda unui canal individual.

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMASistemele de tip TDMA toi utilizatorii folosesc aceeai band de frecvene, fiecare dintre ei avnd alocat un slot temporal n care poate transmite sau recepiona mesaje, slot care i este alocat in mod ciclic. n sistemul de coordonate timp frecven cod, alocarea canalelor TDMA poate fi reprezentat ca n figura 1.5.

Fig. 1.5. Alocarea canalelor n sistemele TDMA

Canal # 1

Canal # N

Canal # 2

cod

timp

frecventa

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAModalitatea de a transmite datele de la un anumit utilizator este aceea de a le pstra ntr-un buffer i apoi de a le transmite cu o rat de N ori mai mare pe durata slotului alocat utilizatorului respectiv. n acest sens transmisia este discontinu;Datele transmise de la diferii utilizatori sunt ntreesute ntr-o structur de cadru, aa cum este ilustrat n figura 1.6. In cazul TDMA / TDD, jumtate din sloturi sunt folosite pentru legtura ascendent i cealalt jumtate pentru cea descendent. In cazul TDMA / FDD, se folosesc structuri de cadru identice att pentru legtura ascendent ct i pentru cea descendent iar frecvenele pe care sunt transmise datele n acest caz sunt diferite. De multe ori n sistemele TDMA/FDD se introduce un decalaj intenionat ntre datele ce aparin legturii ascendente, respectiv celei descendente, pentru a evita necesitatea introducerii duplexoarelor, n special la staia mobil.

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAFig. 1.6. Structura unui cadru TDMA

Pt ajustarea sincro

Slot #1

Slot #2

Slot # N

Preambul

(info sincro + adresare)

Data catre

utilizatorul M

Data catre

utilizatorul N

Data catre

utilizatorul 1

biti de sincronizare

biti de garda

biti

finali

cadru TDMA

Date / mesaj informational

(mesajele informaionale propriuzise)

biti finali

(CRC + info calitatea leg.)

Provenite de la # utilizatori

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAPrincipalele caracteristici ale sistemelor TDMA sunt:sistemele TDMA folosesc o singur frecven purttoare, respectiv o singur band de frecvene, fiecrui utilizator fiindu-i alocat un slot temporal. Numrul de sloturi pe fiecare cadru depinde de tehnologia de realizare, tipul de modulaie folosit, banda de frecvene alocat, etc.; transmisia datelor n sistemele de tip TDMA nu se face n mod continuu, ci n pachete; aceasta duce la un consum redus al bateriei staiei mobile, deoarece un anumit utilizator nu transmite date dect pe durata slotului alocat;deoarece transmisia datelor se face discontinuu, procesul de transfer al convorbirii de la o staie de baz la alta (handover) se face mai uor, deoarece, atunci cnd staia mobil este inactiv ea poate efectua msurtorile necesare pentru a determina staia de baz cea mai apropiat;

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAde asemenea TDMA permite monitorizarea puterii semnalului i a probabilitii de eroare la recepie pe fiecare cadru; deoarece un utilizator folosete sloturi temporale diferite pentru transmisie i recepie nu este necesar folosirea duplexoarelor n modul TDD, iar n modul FDD se poate folosi un simplu comutator ntre emitor si receptor;cum rata de transmisie a datelor n TDMA este n general ridicat, este necesar utilizarea unui sistem de egalizare adaptiv la recepie pentru a combate efectele canalului de comunicaie;n TDMA este necesar transmiterea unui numr relativ ridicat de bii de sincronizare deoarece transmisia datelor se face n pachete, deci receptorul trebuie s se sincronizeze la sosirea fiecrui pachet de date; n plus este necesar introducerea unui numr de bii de gard pentru a evita suprapunerea sloturilor provenite de la utilizatori diferii; din aceast cauz informaia suplimentar ce trebuie transmis o dat cu informaia util este mult mai mare n cazul sistemelor TDMA comparativ cu cele FDMA

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAn TDMA se poate aloca un numr diferit de sloturi utilizatorilor, deci rata de transmisie poate fi modificat n funcie de necesarul impus de utilizatorTDMA permite utilizarea unor domenii largi de rate de transmisie, n general multiplii ntregi ai ratei de multiplexare (rata cu care se face comutarea de la un utilizator la altul), deci se pot utiliza o gam larg de procedee i tehnici de codare cu rate de bit diferite deci i caliti diferite; n acest fel preul poate fi ales de utilizator n funcie de calitile impuse de aplicaie;sistemele TDMA pot fi realizate complet n tehnologie digital, prin integrare pe scar larg (VLSI) fr a utiliza filtre de radiofrecven de band ngust, ceea ce duce la o scdere substanial a preului de cost.

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMASe definete eficiena unui cadru TDMA ca fiind o msur a procentajului de date ce conin informaie din totalul de date transmise ntr-un cadru. Pentru aceasta se determin mai nti numrul de bii suplimentari ce se transmit n fiecare cadru

Nr este numrul de pachete de referin (semnalizri ale sistemului) pe cadru;Nt este numrul de pachete de date (sloturi) pe cadru;br este numrul de bii alocai pachetelor de referin;bp este numrul de bii alocai preambulului pe cadru;bg este numrul de bii echivaleni corespunztori intervalului de gard;

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMANumrul total de bii pe cadru este

Tf este durata total a cadrului;R este rata de transmisie a datelor pe canal Cu acestea eficiena unui cadru TDMA se poate determina

n general este de dorit ca valoarea eficienei s nu scad sub 98 %, avnd n vedere c ea este calculat incluznd i biii introdui prin codarea sursei i datelor, deci valoarea efectiv a sa este mai mic.

1.4.Caracteristicile si parametrii sistemelor TDMAUn alt parametru al unui sistem TDMA este numrul de canale oferite de un sistem TDMA

m este numrul maxim de utilizatori pe fiecare canal TDMA;Btot este banda total alocat sistemului;BG sunt cele dou benzi de gard aflate la capetele domeniului de frecvene ocupat;Bc este banda unul canal TDMA.

1.5.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMASistemele CDMA DSmP a semnalul informaional de band ngust este lrgita cu ajutorul unui cod de mprtiere (cod pseudoaleator) care are perioada de chip de cteva ordine de mrime mai mic dect perioada datelor. toi utilizatorii folosesc aceeai frecven purttoare i aceeai band de frecvene simultan, independent unul de altul, fiind individualizai prin codul de mprtiere alocat. la recepie datele transmise ctre un anumit utilizator sunt readuse n band prin corelare cu codul alocat, n timp ce restul semnalelor, destinate altor utilizatori, rmn de band larg, fiind tratate ca un zgomot din punct de vedere al demodulatorului datelor. Pentru a putea detecta mesajul transmis, receptorul trebuie s cunoasc codul folosit i s fie perfect sincronizat cu acesta

1.5.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMA

Fig. 1.7. Alocarea canalelor n sistemele CDMA

Canal # 1

Canal # N

Canal # 2

cod

timp

frecventa

1.5.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMADintre caracteristicile sistemelor CDMA, cele mai importante sunt: toi utilizatorii unui sistem CDMA utilizeaz aceeai frecven purttoare i band de frecvene simultan. pentru realizarea duplexrii se poate folosi att FDD ct i TDD;spre deosebire de TDMA i FDMA, sistemele CDMA au o limit soft a capacitii. Prin creterea numrului de utilizatori va crete valoarea nivelului de zgomot la recepie, ceea ce face ca performanele sistemului s se degradeze pentru toi utilizatorii pe msur ce numrul acestora crete;efectul fenomenului de fading datorat propagrii pe ci multiple este redus substanial datorit mprtierii spectrale. Dac banda ocupat de semnal este mai mare dect banda de coeren a canalului, apare o diversitate n frecven implicit, care va combate efectul fadingului selectiv n frecven;

1.5.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMArata datelor transmise pe canal este foarte ridicat n sistemele de tip CDMA, deci perioada datelor mprtiate este foarte redus, mult mai mic dect mprtierea temporal a canalului. Cum secvenele de mprtiere au o autocorelaie foarte sczut, replicile ntrziate cu mai mult de un interval de chip apar ca zgomot la recepie. Pentru creterea performanelor se poate utiliza un receptor RAKE care combin mai multe replici ntrziate ale semnalului recepionat;una din problemele ce poate apare n sistemele de tip CDMA este aceea a bruiajului propriu, datorat faptului c secvenele de mprtiere folosite nu sunt perfect ortogonale ntre ele; din aceast cauz, la decorelarea unui anumit semnal vor apare i anumite contribuii datorate altor utilizatori;o alt problem ce poate apare este aceea de captare a receptorului de ctre un alt semnal dac puterea acestuia este mult mai mare dect cea a semnalului dorit.

1.5.Caracteristicile si parametrii sistemelor CDMANumrul de utilizatori ai sistemelor CDMA numrul de coduri ortogonale folosite pentru mprtiere. Dac se folosesc coduri pseudoaleatoare (PN) generate cu ajutorul unor registre de deplasare de lungime n, numrul de utilizatori este

Avantaje: deci cu ct lungimea registrului de deplasare, deci implicit i a codului de mprtiere este mai mare cu att numrul de utilizatori este mai mare; Dezavantaje: pe de alt parte o valoare ridicat a lui n nseamn o rat mai mare a codului i o lrgime de band de asemenea mai mare.

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMACapacitatea maxim a sistemelor FDMA, TDMA i CDMA [Pro-95] determin pentru rata maxim de transmitere a datelor.Ipoteze:canal de comunicaii ideal, afectat de ZAGA cu DSmP N0/2, lrgimea de band disponibil fiind W. exist K utilizatori activi, fiecare transmind date cu puterea Teorema lui Shannon [Sh-48]: n cazul unui singur utilizator, capacitatea canalului ideal de band W afectat de zgomot alb, gaussian, aditiv este dat de relaia

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMAFDMA: fiecrui utilizator i este alocat o band capacitatea canalului pentru un singur utilizator este

iar capacitatea total a celor K utilizatori este

echivalent cu cea a unui canal ideal, cu un singur utilizator, ce transmite date cu o putere medie de K ori mai mare. Obs1: dac lrgimea de band W este fixat, pe msur ce numrul de utilizatori crete capacitatea total tinde ctre infinit.

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMAIpoteze: se normeaz capacitatea fiecrui utilizator dat de relaia (1.8) la lrgimea de band total ocupat W i se presupune c toi utilizatorii transmit cu rata maxim dat de capacitatea CK, relaia (1.8) devine

unde

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMAO form mai compact se obine dac se folosete rata total normat, respectiv rata necesar celor K utilizator raportat la unitatea de band

Sau

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMATDMA: fiecare utilizator transmite o fraciune 1/K din intervalul de timp alocat printr-un canal cu lrgimea de band W, cu o putere instantanee de K ori mai mare pentru a obine aceeai valoare a energiei medii pe bit, capacitatea fiecrui utilizator este

identic cu FDMA. Obs: n cazul n care valoarea lui K este mare, se poate ntmpla ca utilizatorul, din motive tehnologice, s nu poat transmite date cu puterea KP n intervalul de timp alocat, aprnd n acest fel limitri din punct de vedere al capacitii.

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMACDMA: fiecare utilizator folosete un cod pseudoaleator pentru mprtierea semnalului de date, semnalul transmis ocupnd o band total mult mai mare dect banda necesar transmiterii datelor. Dac se folosesc coduri ideale, neortogonale semnalul util este readus n band pentru a fi demodulat la recepie, n timp ce datele transmise de toi ceilali utilizatori pot fi privite de ctre receptor ca un zgomot alb, gaussian, aditiv, suprapus peste cel asociat canalului. Presupunnd c lrgimea total de band este W, iar puterea medie a fiecrui utilizator este P, capacitatea fiecrui utilizator este dat de

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMArespectiv capacitatea normat

Dac primul termen din parantez poate fi neglijat n raport cu cel de-al doilea; utiliznd aproximaia , relaia devine

1.6.Capacitatea sistemelor CDMA, TDMA, FDMACu acestea capacitatea total normat este

deci capacitatea total nu mai crete la infinit pe msur ce valoarea lui K crete, aa cum se ntmpla n cazul FDMA/TDMA.

1.7.Sisteme de acces multiplu folosind transmisia de date in pachete (Packet Radio PR)Tehnica PR mai muli utilizatori s ncerce s acceseze simultan, ntr-o manier necoordonat sau minim coordonat, un canal radio unic, n general n domeniul frecvenelor nalte (1-30 MHz) sau ultranalte (3-10GHz). Ipoteze transmisia se face n pachete de date iar modalitatea de transmitere a pachetelor este modelat ca un proces aleator.utilizatorii nu sunt individualizai n domeniul timp, frecven sau prin cod, n momentul n care doi sau mai muli utilizatori transmit simultan, se produc coliziuni, datele ambilor utilizatori fiind alterate. Pentru a rezolva aceste probleme se stabilesc un set de reguli de transmitere a datelor prin canalul comun, reguli care constituie un protocol. Dintre aceste protocoale, cele mai cunoscute sunt ALOHA i CSMA

1.7.Sisteme de acces multiplu folosind transmisia de date in pachete (Packet Radio PR)Avantaje sunt uor de implementat nu necesita o cantitate mare de informaii suplimentare, Dezavantaje: au o eficien spectral redus i pot introduce ntrzieri considerabile datorate coliziunilor succesive.

1.7.1. ALOHA (A)Varianta nesincronizatScenariu: avem K utilizatori, fiecare dintre ei transmind pachete de date de durat Tp la intervale de timp egale cu NTp (N>>K). dac oricare dintre cei K utilizatori dorete s transmit date, el o face imediat, utiliznd toat banda de frecvene disponibil (ALOHA nesincronizat). dac n acelai interval de timp mai exist un alt utilizator care transmite date, receptorul nu poate face distincia dintre acestea deoarece nu sunt ortogonale ca n cazul sistemelor descrise n paragrafele precedente, recepia fiind compromis. Se spune ca s-a produs o coliziune ntre datele transmise de cei doi utilizatori. Cum s-a presupus c N>>K canalul este n majoritatea timpului puin utilizat, probabilitatea de coliziune fiind n acest caz redus.

1.7.1. ALOHA Ipoteze de calcul: toi utilizatorii transmit date cu rate egale, de , rata medie cu care pachetele de date intr n reea este

utilizatorii sunt independeni, i c probabilitatea ca m pachete de date s intre n retea n intervalul de timp este dat de distribuia Poisson

1.7.1. ALOHA Astfel, dac, de exemplu, utilizatorul (1) transmite un pachet de date la momentul temporal Tk, se va produce o coliziune numai dac un alt utilizator va transmite date n intervalul , (figura 1.8). probabilitatea de a nu apare o coliziune este deci probabilitatea ca nici un alt utilizator s nu transmit date pe canal, dat de distributia Poisson cu m=0 i =2Tp

1.7.1. ALOHA Fig. 1.8. Apariia coliziunilor n sistemul ALOHA

Tk

Tk+Tp

Tk -Tp

Utilizator 1

Utilizator Z

Utilizator Z

Utilizator X

nu apar coliziuni

ntre utilizatorii 1 i Z

apare o coliziune

ntre utilizatorii 1 i X

1.7.1. ALOHA Cum, n medie, un numr de pachete de date intr n sistem n fiecare secund, + probabilitatea de a fi recepionate corect este dat de (1.21) numrul mediu de pachete recepionate corect reprezint eficiena sau capacitatea sistemului i este

unde s-a notat cu densitatea cu care datele intr n reea. Se observ c la sistemele TDMA, FDMA sau CDMA se poate alege K=N, n timp ce la sistemele de tip PR o valoare mare a lui K duce la o scdere dramatic a performanelor

1.7.1. ALOHA Se observ c sistemul are o eficien maxim pentru

caz n care valoarea maxim a acesteia este

Dac numrul de utilizatori crete peste valoarea N/2, numrul de coliziuni va crete rapid, ceea ce va duce la scderea drastic a capacitii sistemului. Fig. 1.9. Eficiena sistemelor ALOHA nesincronizate

1.7.1. ALOHA n cazul TDMA sau FDMA eficiena maxim se obine din (1.7), n cazul n care se consider un canal ideal, fr zgomot (N0=0) i toi utilizatorii transmit cu rata maxim , caz n care rezult Dezavantaje:D1. Eficien sczut Comparnd ALOHA cu TDMA/FDMA se observ c

ceea ce arat c valoarea maxim a eficienei obinute n cazul ALOHA este doar aproximativ 18,4% fa de cea obinut n cazul FDMA/TDMA.

1.7.1. ALOHA D2. Pot apare ntrzieri f. mari din cauza coliziunilor succesive dintre pachete i necesitii retransmiterii acestora. Astfel. dac emitorul i receptorul se afl la distana d unul de altul, astfel nct timpul necesar propagrii n cazul n care nu exist coliziuni este unde c=3 108 m/s este viteza luminii. n cazul n care apare o coliziune, receptorul, dup examinarea pachetului de date, va detecta apariia unei erori i va transmite un mesaj NAK (Not AcKnowledge), de durat Tn, ctre toi utilizatorii. n acest caz sistemul va impune fiecrui utilizator s atepte un interval TW (independente, distribuite aleator pentru fiecare utilizator la nivelul ntregului sistem), dup care procesul se reia.(fig. 1.10).

1.7.1. ALOHA Fig. 1.10. Mecanismul temporal n cazul apariiei unei coliziuni

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Rx j

EMBED Equation.3

transmiterea pachetului i

Tx i

t

EMBED Equation.3

pachetul i este retransmis

Tx i ateapt Tw nainte de a retransmite

recepionarea mesajului NAK de ctre Tx i

t

EMBED Equation.3

pachetul i este recepionat a 2a oar

transmiterea unui mesaj de NAK catre Tx i

intervalul de timp ntre transmiterea pachetului i i recepionarea sa corect de ctre Rx j

pachetul i recepionat de ctre Rx j cu eroare

EMBED Equation.3

_1074608523.unknown

_1074608716.unknown

_1154357543.unknown

_1154358940.unknown

_1074608613.unknown

_1074608446.unknown

1.7.1. ALOHA Presupunnd c a doua oar pachetul este recepionat corect la cea de-a doua ncercare, intervalul de timp dintre transmiterea i recepia sa este

Valoarea medie a timpului dintre emisia unui pachet i recepia acestuia este

unde reprezint timpul ntre emisia unui pachet i recepia corect a acestuia la cea de-a (q+1) ncercare; probabilitatea ca acest eveniment s se produc este , unde este probabilitatea unui eec iar P0 cea a unei reuite.

1.7.1. ALOHA Folosind relaiile

i efectund calculele relaia (1.29) se reduce la

Se observ c ntrzierea crete liniar cu valoarea densitii cu care datele intr n reea; n cazul unei eficiene maxime (=0,5) se obine o valoare a ntrzierii de

1.7.1. ALOHA (B)Varianta sincronizatPerformanele sistemului se pot mbunti cu urmtorul protocol: Se divide axa temporal n intervale de timp egale cu durata unui pachet Tp, numite sloturi, utilizatorii putnd transmite datele numai la nceputul acestor intervale de timp. Algoritmul poart numele de ALOHA sincronizatDac un utilizator dorete s transmit date n intervalul , el trebuie s atepte nceperea slotului urmtor. n acest fel se produce o coliziune numai dac mai exist un alt utilizator care dorete s transmit date n acelai interval, domeniul de restricionare reducndu-se de la 2Tp ct era n cazul ALOHA nesincronizat la Tp.. Mecanismul este ilustrat n figura 1.11.

1.7.1. ALOHA Fig. 1.11. Apariia coliziunilor n sistemul ALOHA sincronizat

Utilizatorul (1) dorete s transmit date

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

dac 2 utilizatori doresc s transmit date n acelai slot temporal apare o coliziune

coliziune

t

t

Utilizatorul (X) transmite date

Utilizatorul (1) transmite date

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

T EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Utilizatorul (X) dorete s transmit date

Utilizatorul (Z) dorete s transmit date

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

t

Utilizatorul (Z) transmite date

t

_1074589893.unknown

_1074589937.unknown

_1074590078.unknown

_1074590106.unknown

_1074590120.unknown

_1074590093.unknown

_1074589955.unknown

_1074589906.unknown

_1074589448.unknown

_1074589461.unknown

_1074589436.unknown

1.7.1. ALOHA Probabilitatea de apariie unei coliziuni din nlocuind m=1 i =Tp in distributia poisson

unde este densitatea cu care datele intr n reea iar este numrul mediu de pachete pe secund transmise prin reea. Eficiena sistemului se determin, ca i n cazul ALOHA nesincronizat

Eficiena este maxim atunci cnd =1, caz n care

1.7.1. ALOHA Fig.1.11. Eficiena sistemelor ALOHA sincronizat, respectiv nesincronizat

1.7.1. ALOHA Comparnd sistemul sincronizat cu cel nesincronizat din punct de vedere al eficienei, se observ c, n cazul sincronizat, eficiena este dubl fa de cazul nesincronizat

n plus, faptul c =1 arat c, n medie, numrul de utilizatori K=N; cu toate aceasta se poate ntmpla ca, din cauza faptului c procesul a fost modelat aleator, valoarea lui K s o depeasc pe cea a lui N, caz n care numrul de coliziuni crete rapid iar eficiena scade exponenial.

1.7.1. ALOHA Valoarea medie a intervalului de timp scurs ntre emisia unui pachet de date i recepia acestuia este

deci creterea ntrzierii este mai lent pe msur ce ncrcarea reelei crete; valoarea ntrzierii n cazul eficiene maxime este

valoarea rezultat fiind aceeai cu cea obinut n cazul ALOHA nesincronizat Dezavantaje: nu se folosete nici un fel de informaie asupra traficului de date pe canalul de transmisiune i al gradului de ocupare al acestuia, ceea ce duce la o eficien relativ redus, chiar i in cazul variantei sincronizate.

1.7.2. CSMADac transmisia se face printr-un canal n care ntrzierile de propagare nu sunt foarte mari, se poate folosi un protocol nesincronizat cu rezultate mult mai bune din punct de vedere al eficienei, cum ar fi protocolul de acces multiplu cu ascultare cu detecia coliziunilor (Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection CSMA/CD). Protocolul CSMAorice utilizator care dorete s realizeze o transmisie de date prin canalul de comunicaii comun, determin mai nti starea acestuia (ocupat / activ sau liber / inactiv) i efectueaz transmisia numai n cazul n care canalul este inactiv. atunci cnd se produce o coliziune, utilizatorii care au detectat-o transmit un mesaj de eroare (jam signal) pe o frecven comun fc recepionat de toi ceilali utilizatori, care blocheaz transmisia; n acest fel se reduce probabilitatea de coliziune i timpul necesar retransmiterii, ceea ce duce la creterea capacitii sistemului. pentru ca protocolul s fie eficient - toi utilizatorii s fie ct mai apropiai unii de alii din punct de vedere geografic, astfel nct efectul ntrzierilor de propagare s fie ct mai redus (specific reelelor Ethernet de tip LAN).

1.7.2. CSMAEficiena (capacitatea) sistemului E1. se va considera mai nti cazul n care ntrzierea de propagare este nul i nu exist coliziuni. dac toi utilizatorii transmit pachete de date de aceeai durat Tp, acestea se vor succeda pe axa temporal aa cum este sugerat n figura 1.12., unde TB este intervalul de timp n care canalul este inactiv, modelat ca o variabil aleatoare. Fig. 1.12. Utilizarea canalului comun

EMBED Equation.3

t

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Canal comun

_1154966893.unknown

_1154966899.unknown

_1154966961.unknown

_1154968587.unknown

_1154966896.unknown

_1154966489.unknown

_1154966890.unknown

_1154966476.unknown

1.7.2. CSMAPentru a determina densitatea de probabilitate a acesteia, se folosete faptul c utilizatorii sunt independeni i c sosirea pachetelor de date n reea este modelat ca o variabil aleatoare de tip Poisson; probabilitatea ca n intervalul TB canalul s fie inactiv este dat de

primul termen arat c n intervalul de timp TB nu a sosit nici un pachet, cel de-al doilea c n intervalul de timp imediat urmtor ( ) a sosit un pachet de date (fig. 1.12). Folosind (1.20), rezult

1.7.2. CSMACu acestea densitatea de probabilitate a variabilei aleatoare TB este dat de

unde este numrul mediu de pachete care intr n sistem n fiecare secund iar este densitatea cu care datele intr n reea. Valoarea medie a intervalului inactiv este

Rezult eficiena sistemului

1.7.2. CSMA

1.7.2. CSMAE2. n cazul n care se ia n considerare i timpul de propagare nenul al unui pachet de date dat de relaia (1.27), informaia transmis de ctre un utilizator este recepionat de ctre ceilali cu o anumit ntrziere, ceea ce duce la apariia coliziunilor. Se presupune urmtorul scenariu (fig.1.13.)Fig. 1.13. Apariia coliziunilor n CSMA/CD

EMBED Equation.3

RX (Z)

t

t

t

t

EMBED Equation.3

Td

apare o coliziune

RX (1)

utilizatorul (1) sondeaza canalul

utilizatorul (1) transmite

utilizatorul (Z) sondeaza canalul

utilizatorul (Z) transmite

EMBED Equation.3

t2

TX (1)

TX (Z)

apare semnalul de canal ocupat

_1074588406.unknown

_1074588474.unknown

_1074588619.unknown

_1074588375.unknown

1.7.2. CSMAutilizatorul (1) sondeaz canalul la momentul t1, l detecteaz ca fiind inactiv (liber) i ncepe s transmit datele; acestea vor fi recepionate de ctre destinatar la momentul , moment n care se transmite i mesajul de canal ocupat. dac un alt utilizator va sonda canalul la momentul t2 imediat urmtor, el l va detecta ca fiind liber i va transmite de asemenea date, caz n care se va produce o coliziune (fig.1.13.) Probabilitatea ca nici un pachet de date s fie transmis n intervalul se obine din relaia (1.20) cui m=0 i =Td, anume

Probabilitatea unei coliziuni = probabilitatea ca n reea s intre cel puin un pachet, adic

1.7.2. CSMAE3. Pentru a evalua efectul coliziunilor asupra eficienei sistemului se consider scenariul din figura 1.15., n care se noteaz cu x ( ) intervalul de timp scurs momentul nceperii unui pachet i cel al apariiei unei coliziuni, modelat ca o variabil aleatoare. Fig. 1.15. Ilustrarea modelului pentru determinarea eficienei CSMA/CD n prezena coliziunilor

Tp

TB

x

x

TB

x

TB

Pachet 1

Pachet 2

Pachet 3

Pachet N

Pachetul 1 este recepionat fr coliziuni

Pachetele 2 i 3 sunt recepionate cu coliziuni

pachet care produce coliziunea cu 2

pachet care produce coliziunea cu 3

Pachetul N este recepionat fr coliziuni

T

1.7.2. CSMATimpul mediu scurs ntre recepionarea corect a dou pachete (fr coliziune)

primul termen din suma de mai sus arat timpul scurs ntre dou pachete corect recepionate dac nu exist coliziuni, ponderat cu valoarea probabilitii de a nu exista coliziuni, al doilea timpul scurs dac nu apare o coliziune n timpul transmiterii primului pachet dar apare n timpul celui de-al doilea .a.m.d. Folosind relaiile (1.30) i efectund calculele se obine

1.7.2. CSMAFolosind n continuare (1.42), (1.44), (1.45) precum i faptul c , se pot determina limitele superioare i inferioare ale lui , deci i ale eficienei C, astfel:dac x=0, = minim, deci C = maxim,

dac x=Td, = maxim, deci C = minim

1.7.2. CSMAFig. 1.16. Eficiena sistemelor CSMA, n funcie de densitatea cu care datele intr n reea, avnd ca parametru raportul .

1.7.2. CSMASe observ c pentru o valoare mic a raportului eficiena sistemului tinde asimptotic ctre o valoare situat n jur de 0,9, n timp ce pe msur ce acest raport crete eficiena maxim scade mult, ceea ce nsemn c sistemul este aplicabil numai dac distanele sunt mici. Impunnd ca eficiena CSMA s fie mai mic dect cea obinut n cazul ALOHA,

se obine egalitate atunci cnd

1.7.2. CSMAdeci protocolul CSMA este mai eficient dect ALOHA numai dac raportul este mai mic dect 2. n mod similar, comparnd eficien CSMA cu ALOHA sincronizat, se obine

O valoare corespunde unei distane relativ mari ntre utilizatori; de exemplu dac acetia transmit pachete de date de 1000 bii, cu o rat de 10 Mb/s, , ceea ce corespunde unei distane