Илл. 2.20. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
центральных частотах, без опасения каких-либо помех. Чтобы метод сработал, необходим защитный интервал времени (guard time). Нужно успеть повторить часть посылаемых символьных сигналов и добиться желаемой частотной характеристики. Однако эти издержки намного меньше, чем при большом числе защитных полос частот.
Метод OFDM существует уже давно, но начал активно применяться только в начале 2000-х. Тогда стало понятно, что можно эффективно реализовать OFDM в виде преобразования Фурье цифровых данных по всем вспомогательным несущим частотам (вместо того, чтобы модулировать по отдельности каждую такую частоту). OFDM используется в 802.11, сетях кабельного телевидения, сетях на основе ЛЭП и сотовых системах четвертого поколения (4G). Чаще всего один высокоскоростной поток цифровой информации разбивается на несколько низкоскоростных, и они параллельно передаются на вспомогательных несущих частотах. Такое разделение полезно, поскольку проблемы с ухудшением характеристик канала проще решать на уровне вспомогательных несущих: их можно заменить на более эффективные.
Мультиплексирование по времени
Одна из альтернатив FDM — мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing, TDM). Пользователям по очереди (циклически) предоставляется полная полоса пропускания на определенный интервал времени. Пример трех потоков данных, мультиплексированных при помощи TDM, приведен на илл. 2.21. Биты входных потоков забираются в фиксированный временной слот и выводятся в агрегирующий поток. Скорость этого потока равна сумме скоростей отдельных потоков. Для этого все потоки должны быть синхронизированы по времени. Чтобы приспособиться к небольшим временным флуктуациям, можно добавить маленькие защитные интервалы времени (аналогичные защитным полосам частот в FDM).
Илл. 2.21. Мультиплексирование по времени (TDM)
TDM широко применяется в качестве ключевого метода работы телефонных и сотовых сетей. Во избежание возможной путаницы сразу уточним, что он коренным образом отличается от альтернативного метода мультиплексирования со статистическим разделением по времени (Statistical Time Division Multiplexing, STDM). Слово «статистический» здесь указывает, что отдельные потоки вносят свой вклад в общий поток не по фиксированному расписанию, а согласно статистике их потребностей. По сути, STDM представляет собой коммутацию пакетов, только под другим названием.
Мультиплексирование с кодовым разделением каналов
Существует и третий вид мультиплексирования, работающий совершенно иначе, чем FDM и TDM. Мультиплексирование с кодовым разделением каналов (Code Division Multiplexing, CDM) представляет собой разновидность связи с расширением спектра, при которой узкополосный сигнал «размывается» по более широкой полосе частот. Благодаря этому он становится устойчивее к помехам. Кроме того, несколько сигналов от разных пользователей могут совместно использовать одну полосу частот. Именно для этого CDM чаще всего и используется, поэтому обычно его называют множественным доступом с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA).
С помощью CDMA каждая из станций может все время вещать на всем спектре частот. Для разделения нескольких одновременных трансляций используется теория кодирования. Прежде чем углубиться в подробности алгоритма, рассмотрим аналогию: зал ожидания в аэропорту, множество беседующих между собой пар людей. Метод TDM соответствует тому, что пары разговаривают по очереди. FDM — пары разговаривают в разных тональностях: некоторые высоким голосом, некоторые — низким, благодаря чему все пары могут общаться независимо друг от друга. CDMA скорее напоминает вариант, когда все пары разговаривают одновременно, но на разных языках. Франкоговорящая пара болтает на французском, игнорируя звуки на прочих языках. Таким образом, главное в CDMA — извлечь нужный сигнал и отбросить все прочее как случайный шум. Ниже приведено несколько упрощенное описание CDMA.
В CDMA каждый интервал передачи бита разбивается на m коротких интервалов, элементарных сигналов (chips), комбинируемых с исходной последовательностью данных. Эти интервалы являются битовой последовательностью, но называются элементарными сигналами, чтобы не возникало путаницы с битами самого сообщения. Обычно на один бит приходится 64 или 128 элементарных сигналов, но в приведенном ниже примере используется 8 элементарных сигналов/бит, для простоты. Всем станциям назначаются уникальные m-битные коды — последовательности элементарных сигналов (chip sequences). Чисто для удобства запишем эти коды в виде последовательностей –1 и +1. Мы будем указывать последовательности элементарных сигналов в круглых скобках.