TDMA

TDMA (Time Division Multiple Access, множественный доступ с временны́м разделением) — это метод разделения канала связи, при котором несколько пользователей или устройств передают данные в одном частотном диапазоне, но в разные, строго определённые промежутки времени (таймслоты). Каждому абоненту выделяется периодически повторяющийся временной интервал, в течение которого он монопольно использует всю полосу пропускания канала. TDMA относится к классу протоколов множественного доступа, наряду с частотным (FDMA) и кодовым (CDMA) разделением, и широко применяется в системах сотовой связи, спутниковой связи, беспроводных локальных сетях и радиолокации.

История

Первые теоретические работы по временному уплотнению каналов (TDM, Time Division Multiplexing) относятся к началу XX века. Однако практическая реализация TDMA стала возможна только с развитием цифровой электроники и микропроцессоров.

• 1940-е годы: Разработка систем импульсно-кодовой модуляции (PCM), где использовалось временное уплотнение для передачи нескольких телефонных разговоров по одной линии.
• 1970-е годы: Внедрение TDMA в военных и спутниковых системах связи (например, в системе «Молния»).
• 1982 год: Европейская конференция почтовых и телефонных администраций (CEPT) выбрала TDMA в качестве основы для стандарта цифровой сотовой связи GSM (Global System for Mobile Communications). Первый коммерческий запуск GSM состоялся в 1991 году в Финляндии.
• 1990-е годы: TDMA применяется в стандартах IS-136 (D-AMPS) в Северной Америке и PDC в Японии. С середины 1990-х широко используется в системах спутниковой связи, например в Iridium, где каждый спутник обслуживает до 48 лучей с временным разделением.
• 2000-е годы: Развитие широкополосных беспроводных технологий, таких как WiMAX (IEEE 802.16), где TDMA используется в сочетании с OFDMA. В сотовой связи с переходом к 3G (UMTS) доминирующим стал CDMA, но TDMA сохранилось в структуре кадров и каналов управления.
• 2010-е — настоящее время: TDMA остаётся важным компонентом в стандартах LTE (OFDMA + SC-FDMA, где SC-FDMA использует принцип временного разделения), а также в системах IoT (например, LoRaWAN, поддержка TDMA в сетях Lora), в системах связи стандарта TETRA и в профессиональной мобильной радиосвязи (PMR).

Принцип работы

Основная идея TDMA — разделение времени передачи на повторяющиеся циклы (кадры, frames), каждый из которых делится на несколько временных интервалов (слотов). Каждому устройству или пользователю выделяется один или несколько слотов в каждом кадре. Передача происходит только в выделенные слоты; в остальное время устройство «молчит» или переходит в режим приёма.

Основные параметры

• Длительность кадра (Tframe): время, за которое все активные пользователи получают по одному слоту. Обычно составляет от нескольких миллисекунд до десятков миллисекунд.
• Количество слотов в кадре (N): определяет максимальное число пользователей, которые могут одновременно работать без коллизий. В GSM кадр содержит 8 таймслотов.
• Длительность слота (Tslot): равна Tframe / N. В GSM типичный слот — около 577 мкс.
• Защитный интервал (guard time): небольшой промежуток времени между слотами, необходимый для учёта задержек распространения сигнала и предотвращения перекрытия передач разных устройств. В спутниковых системах с большими задержками защитные интервалы могут быть значительными.

Синхронизация

Для корректной работы TDMA необходима точная синхронизация всех передатчиков с общей временной шкалой. В сотовых системах синхронизация обеспечивается базовой станцией, которая передаёт специальные сигналы (например, канал коррекции времени). Абонентские устройства подстраивают свои передатчики так, чтобы их сигналы приходили на базовую станцию в нужный слот. В спутниковых системах используется синхронизация по времени с наземных станций или по бортовым часам спутника (GPS, ГЛОНАСС).

Виды TDMA

1. Фиксированный TDMA (Fixed TDMA)

Каждому устройству выделяется фиксированное количество слотов в каждом кадре независимо от фактического трафика. Простота реализации, но неэффективна при переменной нагрузке (полоса закреплена за пользователем даже при его молчании). Применяется в системах, где требуется гарантированная пропускная способность (например, в телефонии).

2. Динамический TDMA (Dynamic TDMA, D-TDMA)

Слоты распределяются адаптивно по запросу. Устройства запрашивают ресурсы у центрального контроллера (базовой станции), и тот выделяет слоты в зависимости от текущей нагрузки. Позволяет более эффективно использовать полосу пропускания, особенно для пакетного трафика (данные, интернет). Применяется в стандартах WiMAX, в LTE (как часть динамического планирования ресурсов) и в некоторых спутниковых системах (например, VSAT с DAMA — Demand Assigned Multiple Access).

3. Комбинированный TDMA (разновидности)

• TDMA/FDMA: сочетание временного и частотного разделения, когда каждому пользователю выделяется определённый слот и определённая частота. Например, в GSM: всего 124 или 174 частотных канала, каждый из которых делится на 8 таймслотов.
• TDMA/CDMA: применяется в UMTS, где в рамках одного слота возможно кодовое разделение пользователей.
• OFDMA: метод, где поднесущие ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) распределяются по времени и частоте. Фактически это двухмерное разделение (время-частота), которое можно рассматривать как обобщение TDMA. Используется в LTE, Wi-Fi 6 (802.11ax).

Применение

Сотовая связь

• GSM (2G): основной метод доступа — TDMA/FDMA. Каждый кадр длится 4,615 мс и содержит 8 слотов (по 577 мкс). На одном частотном канале шириной 200 кГц можно обслуживать до 8 одновременных вызовов. В GSM также используется слотирование для передачи управления (широковещательные каналы, каналы управления) и данных (GPRS, EDGE).
• IS-136 (D-AMPS): североамериканский стандарт 2G, также основан на TDMA с тремя слотами на канал шириной 30 кГц.
• LTE (4G): использует OFDMA в нисходящем канале и SC-FDMA в восходящем. SC-FDMA является вариантом TDMA с предварительным кодированием, позволяющим снизить отношение пиковой мощности к средней (PAPR), что выгодно для мобильных устройств.

Спутниковая связь

• Iridium: низкоорбитальная спутниковая система с линиями прямой связи на основе TDMA. Каждый спутник создаёт 48 лучей с временным разделением (всего 48 слотов в кадре).
• VSAT-системы: многие VSAT (Very Small Aperture Terminal) системы для корпоративной связи, интернета и телевещания используют TDMA с динамическим распределением (DAMA).
• DVB-S: спутниковое телевидение и передача данных также применяют временное уплотнение в мультиплексировании MPEG-TS, где пакеты различных программ идут последовательно по времени.

Беспроводные сети

• WiMAX (802.16e): поддерживает TDMA совместно с OFDM и OFDMA. В версии 802.16d (fixed) использовался TDMA для восходящего канала.
• TETRA (Terrestrial Trunked Radio): профессиональная система радиосвязи для экстренных служб. Использует TDMA с 4 слотами на канал шириной 25 кГц, позволяет до 4 одновременных голосовых вызовов или каналов данных.
• DMR (Digital Mobile Radio): двухканальный TDMA (2 слота на частоте 12,5 кГц), применяется в безлицензионной и лицензионной любительской и коммерческой радиосвязи.

Радиолокация

TDMA применяется в многодиапазонных и многофункциональных радиолокационных системах для временного разделения передач разных подсистем, а также при режимах работы с синтезированной апертурой (SAR) для согласования импульсов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Эффективное использование полосы частот при равномерной нагрузке (по сравнению с FDMA, где может теряться спектр из-за защитных интервалов).
• Простота реализации в цифровых системах: все передатчики работают на одной частоте, требуется только временная синхронизация.
• Гибкость в управлении ресурсами при динамическом распределении (D-TDMA): можно быстро перераспределять слоты между пользователями.
• Возможность комбинирования с другими методами (FDMA, CDMA, OFDM) для увеличения ёмкости и помехоустойчивости.

Недостатки

• Требование жёсткой синхронизации: ошибки синхронизации приводят к коллизиям и потере данных. Особенно критично для спутниковых систем с большими задержками.
• Задержка передачи: пакет должен ждать свой слот в кадре, что вносит дополнительную задержку (от половины длительности кадра до нескольких кадров). Для голосовой связи требуется малая задержка (обычно не более 150 мс), поэтому кадр делают достаточно коротким.
• Чувствительность к неравномерной нагрузке: при фиксированном TDMA слоты пустуют при отсутствии данных, что снижает спектральную эффективность.
• Возрастание сложности при динамическом распределении: требуется центральный контроллер, управляющий выделением слотов, что увеличивает задержки и накладные расходы.

Источники

• Таненбаум Э., Уэзеролл Д. «Компьютерные сети» (5-е издание). — СПб.: Питер, 2012. — Глава 2, раздел «Множественный доступ с разделением времени».
• Книга «GSM, GPRS and EDGE Performance: Evolution Toward 3G/UMTS» / T. Halonen, J. Romero, J. Melero. — John Wiley & Sons, 2003.
• Стандарты 3GPP TS 45.001 (GSM/EDGE Physical Layer).
• Rappaport T. S. «Wireless Communications: Principles and Practice» (2nd edition). — Prentice Hall, 2002.
• Материалы IEEE 802.16-2009 (WiMAX) и ETSI EN 300 392-2 (TETRA).