Multipel access och duplex

Radiospektrum är en delad resurs. Hundratals telefoner ska använda samma basstation, polisradion ska fungera med många apparater på samma kanal och båda parterna i ett samtal vill kunna prata. Det finns två skilda problem. Duplex handlar om hur två parter skickar åt båda hållen utan att störa varandra. Multipel access handlar om hur många användare delar samma kanal eller samma frekvensband. Metoderna bygger på att dela upp resursen i frekvens, tid, kod, rum eller helt enkelt låta användarna konkurrera om den.

Simplex, halvduplex och helduplex#

Tänk på tre sätt att prata. Med en walkie-talkie håller du in knappen när du pratar och släpper den när du lyssnar: bara en av er kan tala åt gången. En telefon fungerar annorlunda, eftersom båda kan prata och höra samtidigt. Och i en radiosändning från en rundradiostation går trafiken bara åt ett håll. Det är de tre grundfallen:

• Enkelriktad (eng. one-way): sändaren sänder, mottagarna lyssnar. Exempel: rundradio och tv.
• Simplex/halvduplex (eng. half duplex): trafik åt båda hållen, men bara åt ett håll i taget. Exempel: PTT-radio (tryck för att tala), marin VHF på simplexkanaler och amatörradio via direktkontakt.
• Helduplex (eng. full duplex): trafik åt båda hållen samtidigt. Exempel: mobiltelefoni.

Eftersom en sändare och en mottagare som sitter intill varandra och arbetar samtidigt stör varandra måste de skiljas åt. En sändare på 5 W ger vid antennen 5 W, medan mottagaren ska klara signaler på några pikowatt (se decibel): skillnaden är över 100 dB. Det finns två sätt att lösa detta.

FDD och TDD#

FDD: två frekvenser#

Vid frekvensdelad duplex (FDD, eng. frequency division duplex) använder uppåt- och nedåtriktad trafik olika frekvensband (figur 1, mitten). Basstationens sändare ligger på en frekvens och mobilens på en annan, och avståndet mellan dem kallas duplexavstånd. Båda hållen går hela tiden. Enheten behöver ett duplexfilter (en duplexer), som låter sändarens signal gå till antennen men stänger av den för mottagaren, och tvärtom. Duplexavståndet måste vara stort nog för att filtret ska klara det (se resonanskretsar och filter).

Några exempel på duplexavstånd:

• GSM 900: mobilen sänder på 890–915 MHz, basstationen på 935–960 MHz. Duplexavståndet är 45 MHz.
• LTE 800 MHz (band 20): nedlänk 791–821 MHz och upplänk 832–862 MHz. Duplexavståndet är 41 MHz, och här ligger upplänken över nedlänken.
• Marin VHF: duplexkanaler där fartyget sänder på en frekvens och kuststationen 4,6 MHz högre (kanalavståndet är 25 kHz). Läs mer i Sjöfartsradio.
• Amatörrepeater på 2 m: repeaterns in- och utfrekvens skiljer sig 600 kHz. Se Repeatrar och digitala röstsystem.

FDD kräver parade band, det vill säga två frekvensområden med fast avstånd, och de går inte att ge åt andra under tiden. Det är en dyrbar användning av spektrum när trafiken är ojämn, eftersom en nedladdning ger mycket trafik i ena riktningen och nästan ingen åt andra hållet. Se bandöversikten i Mobilbanden i Sverige.

TDD: samma frekvens i växlande tid#

Vid tidsdelad duplex (TDD, eng. time division duplex) delas en enda frekvens upp i korta tidsblock som växlar riktning (figur 1, nederst). Mellan blocken lägger man en skyddstid (eng. guard period), så att signalen från den som slutat sända hinner klinga av och så att signaler från fjärran stationer, som anländer försenade, inte krockar med nästa block. Eftersom blocken är så korta (millisekunder eller mindre) upplever användaren trafik åt båda håll samtidigt.

TDD har tre praktiska fördelar. Det behövs bara ett frekvensband, inte ett par. Förhållandet mellan upp- och nedlänkens tid kan justeras efter trafiken, så att en nedladdning får större del av tiden. Och eftersom båda riktningarna går på samma frekvens är radiokanalen densamma åt båda hållen, vilket gör att basstationen kan använda uppmätt kanal för att rikta strålar i gruppantenner och MIMO. Nackdelarna är att skyddstiden kostar kapacitet, särskilt över långa avstånd, och att alla basstationer i närheten måste vara tidssynkroniserade och använda samma upp–ned-schema. Annars sänder en basstation precis när grannens mottagare lyssnar. Wi-Fi och Bluetooth är i praktiken TDD, och i 5G används TDD i mellanbanden runt 3,5 GHz.

Multipel access: att dela kanalen#

Duplex löser problemet mellan två parter. Multipel access (eng. multiple access) löser det när många användare vill dela samma resurs. Spektrumet kan delas upp längs flera dimensioner, och figur 2 visar de fyra viktigaste.

FDMA: dela i frekvens#

Vid FDMA (eng. frequency division multiple access) får varje användare en egen kanal, och kanalerna ligger sida vid sida med ett litet skyddsband emellan. Analog landmobilradio och marin VHF fungerar så: kanalavståndet är 12,5 eller 25 kHz¹ och alla som ska höra varandra ställer in samma kanal. Metoden är enkel, kräver ingen synkronisering och ger en låg fördröjning, men varje kanal är reserverad även när ingen pratar. Är trafiken ojämn blir utnyttjandet dåligt. Alla system använder i grunden FDMA eftersom operatörer och tjänster har tilldelats olika frekvensband.

TDMA: dela i tid#

Vid TDMA (eng. time division multiple access) delar användarna samma frekvens, men var och en får bara sända i en egen tidlucka (eng. time slot) som återkommer regelbundet. Luckorna samlas i ramar som upprepas. Sändaren går alltså som en puls: på en kort stund, av resten av tiden. Det kräver att alla har samma tidsreferens (basstationen skickar en taktgivare), att varje lucka har skyddstid för att kompensera olika signalfördröjning och att talet buffras och sänds komprimerat i en skur. Därför går TDMA hand i hand med digital röst (se digitalisering och ljudkodning).

Tre system som går att jämföra:

• DMR (ETSI TS 102 361-1) använder 12,5 kHz-kanaler och 4FSK med 4 800 symboler/s. Ramen är 60 ms med två tidluckor à 30 ms. I varje lucka sänds en skur om 264 bitar, vilket tar 27,5 ms vid 9,6 kbit/s. Resten av luckan (2,5 ms) används av basstationen för signalering eller som skyddstid. Det ger två oberoende samtal i en kanal som analog FM bara klarar ett i².
• TETRA (Rakel) använder 25 kHz-kanaler och π/4-DQPSK. Ramen är 56,67 ms med fyra luckor à 14,167 ms³.
• GSM använder 200 kHz-kanaler med åtta luckor à 0,577 ms i en ram på 4,615 ms. Mobilens sändning ligger tre luckor efter mottagningen, så mobilen sänder och tar emot vid olika tidpunkter. Den behöver därför inget duplexfilter utan klarar sig med en omkopplare.

CDMA: dela i kod#

Vid CDMA (eng. code division multiple access) sänder alla på samma frekvens och samtidigt. Varje användares data multipliceras med en egen snabb kodsekvens som sprider signalen över ett brett frekvensband, och mottagaren plockar ut just sin användare genom att multiplicera med samma kod. Övriga signaler ser då ut som brus. Teknikerna beskrivs i spridningsspektrum. CDMA användes i 3G (UMTS/WCDMA med chip-takten 3,84 Mchip/s och 5 MHz kanaler) och är principen bakom GNSS-systemens signaler (se GNSS). Den stora utmaningen är när-fjärr-problemet: en användare nära basstationen kan dränka en långt bort om inte effekten styrs noga, så effektreglering är nödvändig.

OFDMA: dela i underbärvågor#

OFDMA (eng. orthogonal frequency division multiple access) bygger på OFDM, där bandet delas i många smala underbärvågor. Basstationen delar ut grupper av underbärvågor under korta tidsintervall till olika användare, så att varje användare får ett litet block av resursgittret (figur 2, nederst höger). Fördelningen kan ändras för varje millisekund, och blocken kan väljas där just den användarens kanal är bäst. Därför ger OFDMA hög kapacitet och används i LTE (nedlänk), 5G NR och Wi-Fi 6 med efterföljare. I LTE-upplänken används en variant, SC-FDMA, som ger lägre toppeffekt (PAPR) hos mobilen.

SDMA: dela i rum#

SDMA (eng. space division multiple access) utnyttjar att användare på olika platser kan återanvända samma frekvens. Det enklaste är ett cellnät: samma frekvenser används i celler som ligger tillräckligt långt från varandra. Nästa steg är sektorantenner (flera celler per mast) och, mest avancerat, strålformning och MIMO där basstationen riktar smala strålar mot olika användare samtidigt (se Gruppantenner och MIMO). SDMA kombineras med de andra metoderna och är den viktigaste vägen till högre kapacitet i 5G.

Slumpaccess: sänd när du har något att säga#

I TDMA och FDMA reserveras resursen i förväg. Det är bra för samtal, men slösaktigt för sensorer som sänder ett kort meddelande en gång i timmen. Då använder man slumpaccess: enheten sänder när den har något att säga, och om två sänder samtidigt blir det en kollision och båda får göra om försöket.

ALOHA#

Den äldsta metoden, ALOHA, utvecklades vid University of Hawaii i början av 1970-talet för att koppla ihop datorer på de olika öarna med radio⁴. I rent ALOHA sänder varje station direkt. Är $G$ det genomsnittliga antalet sändningsförsök per paketlängd, blir andelen lyckade paket (genomströmningen)

eftersom ett paket klarar sig bara om ingen annan sänder under dess egen och föregående paketlängd. Maximum är $1/(2e)\approx \mathrm{18,4}$ % vid $G=\mathrm{0,5}$. I slottat ALOHA får stationerna bara börja sända vid fasta tidpunkter, så att kollisioner blir antingen totala eller uteblir, och

med maximum $1/e\approx \mathrm{36,8}$ % vid $G=1$ (figur 3). Det betyder att även i bästa fall går en stor del av kapaciteten förlorad, och att fler försök vid hög belastning gör ont värre: efter maxpunkten sjunker genomströmningen.

CSMA/CA: lyssna först#

Ett bättre sätt är att lyssna innan man sänder. Metoden kallas CSMA (eng. carrier sense multiple access): är kanalen upptagen väntar man. I trådbunden Ethernet läggs till kollisionsdetektering (CD), där sändaren lyssnar medan den sänder och avbryter om den hör en kollision. Det går inte i radio: den egna sändaren är så mycket starkare än allt som kommer in att mottagaren inte kan höra något annat, och en kollision uppstår vid mottagaren, inte vid sändaren.

I Wi-Fi används därför CSMA/CA (collision avoidance): stationen lyssnar tills kanalen varit ledig en viss tid, väntar sedan ytterligare en slumpmässig tid (eng. backoff) som växer efter varje misslyckat försök, sänder och väntar på en kvittens (ACK) från mottagaren. Uteblir kvittensen antar den att paketet kolliderade och försöker igen. Slumpväntan gör att två stationer som väntat på varandra inte börjar sända exakt samtidigt.

Metoden har en svaghet: dolda terminaler. Två stationer A och C kan ligga så långt från varandra att de inte hör varandra men båda hör accesspunkten B i mitten. De upplever kanalen som ledig, sänder samtidigt och kolliderar hos B. Som motmedel kan stationen först skicka en kort förfrågan (RTS) och vänta på ett svar (CTS) från accesspunkten, så att alla i närheten hör och håller tyst. Mer om Wi-Fi finns i Wi-Fi.

Lyssna före sändning i reglerna#

I de tillståndsfria banden delar många olika system på samma frekvenser utan att någon tilldelar dem. Europeiska harmoniserade standarder (ETSI) kräver därför ofta att utrustningen lyssnar före sändning (LBT, eng. listen before talk) eller att den begränsar hur stor del av tiden den får sända (duty cycle). Principen är densamma som i CSMA/CA, men kravet är reglerat för att skydda andra användare. Mobilsystemen följer samma tänk när de används i tillståndsfria band, till exempel 5G NR-U. Hur reglerna är uppbyggda i Sverige beskrivs i tillståndsfri radio. Exakta villkor för respektive band finns hos Post- och telestyrelsen (PTS).

Så kombineras metoderna#

Verkliga system använder flera tekniker samtidigt. Tabell 1 visar några.

Tabell 1. Duplex och access i några system.

Nästa steg är ofta att man också kodar in felrättning, se felrättande kodning, och att systemet anpassar modulation och kodning efter kanalen, se kanalkapacitet. Grunden i det som sänds, symboler och modulation, beskrivs i digital modulation.

Kontrollfrågor#