Основа любого стандарта сотовой связи - метод доступа. То есть то как именно полоса частот выделенная для работы сотовой сети разделяется между абонентами. Сегодня я расскажу о трёх главных методах доступа, об их преимуществах и недостатках.
Для начала давайте поймём зачем вообще нужны эти методы доступа. Представьте, что базовая станция работает в полосе частот 5 МГц. Если мы никак не будем разделять эту полосу, то эта базовая станция сможет обслуживать лишь одного абонента.
Чтобы следующий абонент получил доступ в сеть ему придётся ждать пока ресурсы не освободит первый. Но мы понимаем, что первый абонент занимает канал не всё время, а возможно и не на всю ширину - 5 МГц.
Чтобы использовать частотный ресурс максимально эффективно, а также обслуживать максимально возможное количество абонентов и придумали методы множественного доступа.
Частотный
Самый простой вариант разделить частотный канал между абонентами - разбить его на небольшие полосы. К примеру, канал в 5 МГц можно разделить на узкие каналы 0,2 МГц. В таком случае мы уже сможем обслужить не 1, а 25 абонентов одновременно.
Понятно, что для передачи данных 200 кГц - очень мало. Но для телефонии - самое то. Поэтому многие сотовые стандарты первого поколения (1G), как раз и использовали частотный метод доступа.
На базовой станции был пул таких узких частотных каналов. В зависимости от загрузки станции оператор мог добавить или убрать каналы для обслуживания абонентов.
Временной
Но частотный метод не учитывает важного аспекта. Во время разговора до половины времени диалога составляют паузы между словами. То есть частотный канал в эти промежутки времени простаивает.
Кроме того, цифровые методы обработки сигнала позволяют сжимать речевой поток в несколько раз. То есть частотный канал уже не нужен на всё время разговора, его можно также разделить между абонентами. Так возник временной метод доступа.
Его суть заключается в том, что частотный ресурс разделяется между абонентами по времени на небольшие промежутки времени - таймслоты. Эти закреплённые за парой абонентов участки времени повторяются через небольшие интервалы.
Учитывая, что речь можно сжать и что в ней много пауз, этих таймслотов вполне хватает для передачи речи между двумя собеседниками. Кроме того, в некоторых таймслотах можно передавать не речь, а служебную информацию или пользовательские данные: SMS или пакеты в сеть интернет.
По такому принципу работают многие стандарты второго поколения (2G), в том числе и GSM.
Кодовый
Казалось бы: как ещё можно разделить частотный канал между пользователями? Разбили по времени, разбили по частоте. Но оказывается можно разделить частотный канал между пользователями ещё и с помощью кодов.
Не буду мучать вас сложной математикой. Просто представьте, что информация двух собеседников шифруется специальным кодом, который во-первых уникален для них и известен только им, а во-вторых он позволяет не смешивать сигнал с другими парами абонентов.
Такие коды называют псевдослучайными. А метод доступа называют кодовым.
У этой с виду идеальной системы есть 2 важных ограничения. Количество таких кодов, которые уникально идентифицируют двух пользователей - ограничено. Кроме того, эти коды не совсем хорошо отделяют пары абонентов друг от друга.
Поэтому чем больше абонентов будет в соте - тем выше будут внутренние помехи и тем хуже будут характеристики обслуживания.
Кодовый метод доступа используется в стандарте 3G - UMTS, а также стандарте второго поколения CDMA One.
4G и 5G
А как же сети четвёртого и пятого поколений? Что же используется в них? Как обычно и бывает, эти стандарты взяли в себя лучшее от предыдущих поколений. Основным методом доступа является частотно-временной.
Он предполагает, что канал разделяется на небольшие квадратики в частотной и временной области. Они называются ресурсными блоками и распределяются между абонентами в зависимости от потребностей и возможностей сети.
И даже кодовый метод доступа также имеет место быть. Но только лишь на этапе установления соединения и в небольшом участке частотного канала.