Множественный доступ с временным разделением

Множественный доступ с временным разделением (англ. Time Division Multiple Access, TDMA) — это метод коллективного использования общего частотного канала связи несколькими абонентами, при котором каждому абоненту выделяется определённый временной интервал (таймслот) для передачи данных. TDMA является одной из основных технологий множественного доступа, наряду с частотным (FDMA) и кодовым (CDMA) разделением, и широко применяется в системах сотовой связи, спутниковой связи, радиорелейных линиях и сетях передачи данных.

Принцип работы

В основе TDMA лежит разделение времени передачи на повторяющиеся циклы (кадры), каждый из которых делится на несколько временных слотов. Каждый абонент получает один или несколько слотов в каждом кадре для передачи своего сигнала. Передача происходит последовательно: в первый слот передаёт первый абонент, во второй — второй и так далее, после чего цикл повторяется. Приёмник синхронизируется с кадровой структурой и извлекает данные, предназначенные для него, только из своего временного слота.

Для корректной работы TDMA необходима точная синхронизация всех абонентов по времени. Обычно это достигается с помощью опорного сигнала от базовой станции или спутника, который задаёт начало кадров и слотов. Абоненты подстраивают свою передачу так, чтобы их сигналы не пересекались во времени на приёмной стороне. В системах с подвижными объектами (например, в сотовой связи) дополнительно учитывается задержка распространения сигнала, которая может различаться для разных абонентов.

История

Первые теоретические работы по временному разделению каналов относятся к 1930-м годам, когда использовались механические коммутаторы для поочерёдного подключения нескольких телефонных линий к одному физическому каналу. Однако практическое применение TDMA стало возможным только с развитием цифровой электроники и микропроцессоров в 1960-х — 1970-х годах.

В 1970-х годах TDMA начал использоваться в спутниковой связи (например, в системе Intelsat) для более эффективного использования дорогостоящего спутникового ресурса. В 1980-х годах технология была адаптирована для сотовой связи: стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), запущенный в коммерческую эксплуатацию в 1991 году, использует комбинацию TDMA и FDMA. В 1990-х годах TDMA применялся в североамериканском стандарте IS-136 (D-AMPS) и японском PDC.

В начале XXI века, с распространением широкополосных систем 3G и 4G, роль TDMA как самостоятельного метода снизилась, однако он остаётся важным элементом гибридных схем (например, OFDMA в LTE). В современных системах спутниковой связи (Iridium, Globalstar) и в некоторых радиорелейных линиях TDMA продолжает использоваться в чистом виде.

Виды и модификации

TDMA может быть реализован в различных вариантах, в зависимости от способа распределения слотов и синхронизации:

• Фиксированное TDMA — каждому абоненту выделяется постоянный слот в каждом кадре. Простота реализации, но неэффективно при переменной нагрузке (слоты простаивают, если абонент не передаёт данные).
• Динамическое TDMA — слоты распределяются по запросу, в зависимости от текущей потребности в пропускной способности. Используется в системах с пакетной коммутацией (например, в WiMAX, LTE).
• Слотовое ALOHA — вариант TDMA, при котором абоненты случайным образом выбирают слоты для передачи, что снижает коллизии, но не гарантирует доставку.
• Комбинированное TDMA/FDMA — частотный канал делится на поднесущие, а каждая поднесущая — на временные слоты. Применяется в GSM, где один несущий частотный канал (200 кГц) содержит 8 временных слотов.
• Многостанционный доступ с временным разделением (TDMA) — в спутниковой связи часто используется термин «многостанционный доступ с временным разделением» (Time Division Multiple Access), который является синонимом TDMA.

Применение

Сотовая связь

Наиболее известное применение TDMA — стандарт GSM, где каждый частотный канал шириной 200 кГц делится на 8 временных слотов. Один слот может использоваться для передачи голоса (один разговор) или данных (до 14,4 кбит/с в исходной версии). В более поздних версиях (EDGE) скорость увеличена до 384 кбит/с за счёт более эффективного кодирования. В стандарте IS-136 (D-AMPS) использовалось 3 слота на канал 30 кГц.

Спутниковая связь

В спутниковых системах TDMA позволяет нескольким земным станциям использовать один транспондер спутника. Каждая станция передаёт в свой временной слот, что исключает взаимные помехи. Примеры: система Intelsat (с 1970-х годов), низкоорбитальные системы Iridium (66 спутников, каждый поддерживает до 48 каналов TDMA) и Globalstar. В современных системах (например, Starlink) используется комбинация TDMA с другими методами, такими как OFDMA.

Радиорелейные линии

В радиорелейных линиях связи TDMA применяется для организации нескольких каналов на одной частоте. Например, в системах «точка-многоточка» (PMP) одна базовая станция обслуживает несколько удалённых абонентов, выделяя каждому временной слот. Это позволяет экономить частотный ресурс.

Сети передачи данных

В локальных и городских сетях (например, в стандарте WiMAX) TDMA используется для распределения пропускной способности между абонентами. В технологии Wi-Fi (IEEE 802.11) применяется метод CSMA/CA, который не является чистым TDMA, но в некоторых режимах (например, в 802.11ax) используется OFDMA — гибрид частотного и временного разделения.

Военные и специальные системы

TDMA широко применяется в тактических системах связи (например, Link 16, используемый в НАТО), где требуется высокая помехозащищённость и устойчивость к перехвату. Временное разделение позволяет синхронизировать работу множества абонентов в условиях активных помех.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Эффективное использование полосы частот — по сравнению с FDMA, TDMA позволяет обслуживать больше абонентов в той же полосе, если они не требуют постоянной передачи.
• Гибкость — возможность динамического распределения слотов под переменную нагрузку.
• Простота реализации — цифровая обработка сигналов и синхронизация по времени проще, чем кодовое разделение (CDMA).
• Низкое энергопотребление — абонент может включать передатчик только на время своего слота, что экономит энергию (важно для мобильных устройств).
• Совместимость с цифровыми системами — TDMA естественно интегрируется с цифровыми методами модуляции и кодирования.

Недостатки

• Необходимость точной синхронизации — сбой синхронизации приводит к наложению слотов и потере данных.
• Задержка передачи — каждый абонент должен ждать своего слота, что вносит фиксированную задержку (до нескольких миллисекунд). Для голосовой связи это некритично, но для некоторых приложений (например, интерактивные игры) может быть проблемой.
• Чувствительность к многолучевости — отражённые сигналы могут попадать в соседние слоты, вызывая межсимвольную интерференцию. Требуется использование эквалайзеров.
• Ограниченная пропускная способность на абонента — при фиксированном числе слотов каждый абонент получает только часть канальной ёмкости.
• Сложность в системах с подвижными объектами — требуется коррекция задержки распространения, что усложняет аппаратуру.

Сравнение с другими методами множественного доступа

Интересные факты

• В стандарте GSM временные слоты имеют длительность 577 мкс, а кадр из 8 слотов — 4,615 мс. Это позволяет передавать голос с задержкой менее 100 мс.
• В спутниковой системе Iridium используется TDMA с 48 временными слотами на кадр, что позволяет обслуживать до 48 одновременных разговоров на один спутник.
• В военной системе Link 16 применяется TDMA с 128 временными слотами в секунду, что обеспечивает высокую устойчивость к помехам и перехвату.
• Технология TDMA была впервые предложена в 1960-х годах для использования в спутниковой связи, но из-за сложности синхронизации её внедрение задержалось до 1970-х годов.

Источники

• Rappaport T. S. Wireless Communications: Principles and Practice. — 2nd ed. — Prentice Hall, 2002.
• Stallings W. Wireless Communications and Networks. — 2nd ed. — Pearson, 2005.
• 3GPP TS 45.001: GSM/EDGE Physical Layer on the Radio Path.
• Intelsat Earth Station Standards (IESS) — Document 201.
• Link 16 System Description — NATO STANAG 5516.