時分割多重アクセス
時分割多重接続（TDMA）は、共有媒体ネットワークにおけるチャネルアクセス方式です。信号を異なるタイムスロットに分割することで、複数のユーザーが同じ周波数チャネルを共有できます。 [ 1 ]ユーザーはそれぞれ独自のタイムスロットを使用して、次々に高速で送信します。これにより、複数のステーションが同じ伝送媒体（無線周波数チャネルなど）を共有しながら、そのチャネル容量の一部のみを使用できます。ダイナミックTDMAは、各データストリームのトラフィック需要に基づいて、各フレーム内の可変数のタイムスロットを可変ビットレートデータストリームに動的に予約するTDMAの派生型です。
TDMAは、GSM（Global System for Mobile Communications ）、 IS-136、 PDC（ Personal Digital Cellular）、iDENなどのデジタル2Gセルラーシステム、海上自動識別システム[ 2 ]、携帯電話のDECT（ Digital Enhanced Cordless Telecommunications）規格で使用されています。TDMAは、1979年にウエスタンユニオンのWestar 3通信衛星で初めて衛星通信システムに使用されました。現在では、衛星通信、[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]戦闘ネット無線システム、建物からオペレータへのアップストリームトラフィック用のPON（ Passive Optical Network ）ネットワークで広く使用されています。
TDMAは時分割多重方式（TDM）の一種で、1つの送信機が1つの受信機に接続されるのではなく、複数の送信機が接続されるという特徴があります。携帯電話から基地局へのアップリンクの場合、携帯電話が移動し、他の端末との送信のずれに合わせるために必要な タイミングアドバンスが変化するため、この方式は特に困難になります。
特徴
- 単一のキャリア周波数を複数のユーザーと共有する
- 非連続送信によりハンドオフが簡単になります
- ダイナミックTDMAではスロットをオンデマンドで割り当てることができる
- セル内干渉の減少によりCDMAよりも電力制御が緩やかになる
- CDMAよりも同期オーバーヘッドが高い
- チャネルが周波数選択性で符号間干渉を引き起こす場合、高データレートでは高度なイコライゼーションが必要になることがある。
- セルブリージング（隣接セルからリソースを借りること）はCDMAよりも複雑です
- 周波数/スロット割り当ての複雑さ
- 脈動電力エンベロープ：他のデバイスとの干渉
携帯電話システムでは
2Gシステム
IS-95の顕著な例外を除き、ほとんどの 2G セルラー システムは TDMA に基づいています。GSM 、D-AMPS、PDC、iDEN、PHSはTDMA セルラー システムの例です。
GSMシステムでは、携帯電話の同期は基地局からタイミングアドバンスコマンドを送信することで実現されます。タイミングアドバンスコマンドは、携帯電話に対し、送信のタイミングとその量を指示します。これにより、光速伝搬遅延が補正されます。携帯電話はタイムスロット全体にわたって送信することはできません。各タイムスロットの最後にはガードインターバルが設けられています。送信がガードインターバルに入ると、モバイルネットワークはタイミングアドバンスを調整して送信を同期させます。
電話機の初期同期には、さらに注意が必要です。携帯電話が送信する前に、必要なオフセットを知る方法はありません。このため、モバイルがネットワークに接続しようとするには、タイムスロット全体を専用にする必要があります。これは、 GSM ではランダム アクセス チャネル(RACH) と呼ばれます。モバイルは、ネットワークから受信したタイムスロットの先頭で送信します。モバイルが基地局に近い場合は、伝搬遅延が短いため、開始は成功します。しかし、携帯電話が基地局から 35 km 未満の距離にある場合、遅延により、モバイルの送信がタイムスロットの最後に到着することになります。この場合、モバイルは、適切なタイミングで受信できるように、ほぼ 1 タイムスロット早くメッセージを送信するように指示されます。最後に、モバイルが GSM の 35 km セル範囲外にある場合、送信は隣接するタイムスロットに到着し、無視されます。特別な拡張技術を用いない場合、GSMセルの通信範囲は35kmに制限されるが、これは電力制限ではなく、この特性によるものである。しかし、基地局におけるアップリンクとダウンリンクの同期を変更することで、この制限を克服することができる。
3Gシステム
3Gシステムの文脈では、時分割多重アクセス（TDMA）と符号分割多重アクセス（CDMA）および時分割二重化（TDD）をユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（UMTS）に統合することで、スペクトル効率とネットワークパフォーマンスを最適化する洗練されたアプローチが実現されています。[ 7 ]
UTRA-FDD（周波数分割複信）はCDMAとFDDを採用し、上りリンクと下りリンクの伝送に別々の周波数帯域を割り当てます。この分離により干渉が最小限に抑えられ、双方向で連続的なデータ伝送が可能になるため、トラフィック負荷のバランスが取れた環境に適しています。[ 8 ]
一方、UTRA-TDD（時分割複信）は、CDMAとTDMA、TDDを組み合わせた方式です。この方式では、上りリンクと下りリンクで同じ周波数帯域が使用されますが、時間帯は異なります。この時間ベースの分離は、上りリンクと下りリンクのデータレートが大きく異なる非対称なトラフィック負荷のシナリオにおいて特に有効です。需要に応じてタイムスロットを動的に割り当てることで、UTRA-TDDは変化するトラフィックパターンを効率的に管理し、ネットワーク全体の容量を向上させることができます。[ 8 ] [ 9 ]
UMTSにおけるこれらの技術の組み合わせにより、利用可能なスペクトルをより柔軟かつ効率的に使用することができ、多様なユーザーの要求に応え、3Gネットワークのさまざまな運用環境への適応性を向上させることができます。[ 8 ]
有線ネットワークの場合
既存の家庭内配線（電力線、電話線、同軸ケーブル）を介して高速ローカルエリアネットワークを提供するITU-T G.hn規格は、TDMA方式に基づいています。G.hnでは、マスターデバイスがネットワーク内の他のスレーブデバイスに無競合送信機会（CFTXOP）を割り当てます。CFTXOPは一度に1つのデバイスのみが使用できるため、衝突を回避できます。FlexRayプロトコルも、現代の自動車の安全性が重要な通信に使用されている有線ネットワークであり、データ伝送制御にTDMA方式を使用しています。
他の多重アクセス方式との比較
無線システムでは、TDMAは通常、周波数分割多元接続（FDMA）および周波数分割複信（FDD）と併用され、FDMA/TDMA/FDDと呼ばれます。これは、例えばGSMとIS-136の両方に当てはまります。例外として、DECTおよびPHS（ Personal Handy-phone System）マイクロセルラーシステム、UMTS-TDD（UMTSの派生型）、そして中国のTD-SCDMAなどがあります。これらは時分割複信方式を採用しており、同一周波数で基地局と端末に異なるタイムスロットが割り当てられます。
TDMAの大きな利点は、携帯電話の無線部が自身のタイムスロットの受信と送信のみを行えばよいことです。残りの時間は、携帯電話はネットワーク上で測定を行い、異なる周波数帯で通信する周囲の送信機を検出できます。これにより、安全な周波数間ハンドオーバーが可能になります。これはCDMAシステムでは困難であり、 IS-95では全くサポートされておらず、ユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（UMTS）では複雑なシステム追加によってサポートされています。これにより、マイクロセル層とマクロセル層の共存が可能になります。
一方、CDMAはソフトハンドオフをサポートしており、携帯電話は最大6つの基地局と同時に通信できます。これは一種の同一周波数ハンドオーバーです。受信パケットの品質が比較され、最適なものが選択されます。CDMAのセルブリージング特性により、混雑した2つのセルの境界にある端末はクリアな信号を受信できなくなるため、ピーク時にはこの利点が打ち消されてしまうことがよくあります。
TDMAシステムの欠点は、タイムスロットの長さに直接関係する周波数で干渉を起こすことである。これは、TDMA電話をラジオやスピーカーのそばに置いたときに時々聞こえるブザー音である。 [ 10 ] もう1つの欠点は、タイムスロット間のデッドタイムによってTDMAチャネルの潜在的な帯域幅が制限されることである。これらは、異なる端末が正確に必要な時間に送信することを保証するのが難しいために部分的に実装されている。移動中の端末は、基地局から遠ざかるほど信号の到着に時間がかかるため、正確なタイミングで送信を受信するために、常にタイミングを調整する必要がある。これはまた、主要なTDMAシステムでは範囲の点でセルサイズに厳しい制限があることを意味しているが、実際には、サポートされる範囲よりも遠い距離で送受信するために必要な電力レベルは、いずれにしてもほとんど非現実的である。
TDMAの利点
TDMA（時分割多元接続）は、無線周波数（RF）帯域幅を離散的なタイムスロットに割り当て、複数のユーザーが順番にチャネルを共有できるようにする通信方式です。このアプローチは、アナログシステムと比較してスペクトル効率を向上させるだけでなく、通信品質とシステム性能を向上させるいくつかの具体的な利点も提供します。[ 11 ]
TDMAの利点
- スペクトル効率の向上：TDMAは、複数のユーザーが重複することなく同じチャネルを共有できるようにすることで、利用可能な帯域幅を最大限に活用します。各ユーザーには特定のタイムスロットが割り当てられるため、チャネル容量が最大限に活用され、システム全体の効率が向上します。
- 符号間干渉の低減：TDMAは、重複しないタイムスロットをユーザーに割り当てることで、符号間干渉のリスクを大幅に低減します。この干渉は、隣接するシンボルからの信号が重複することで発生し、歪みや通信エラーにつながります。タイムスロットを明確に分離することで、各シンボルが明確に伝送され、信号の信頼性と明瞭性が向上します。
- ガードバンドの廃止：TDMAでは隣接チャネルが互いに干渉しないため、ガードバンド（通常は他のシステムへの干渉を防ぐためにチャネルを分離する未使用の周波数帯域）が不要になります。ガードバンドが存在しないことで、利用可能な周波数帯域をより効率的に利用でき、より多くのユーザーに容量を提供できます。[ 12 ]
- 柔軟なレート割り当て：TDMAはタイムスロットの動的な割り当てをサポートし、システムは変化するユーザーニーズに適応できます。通話時間やデータ要件などの要因によって変化するデータ伝送ニーズに基づいて、複数のタイムスロットをユーザーに割り当てます。この柔軟性により、リソース使用が最適化され、全体的なユーザーエクスペリエンスが向上します。
- 低消費電力：連続送信を必要とするFDMA（周波数分割多元接続）とは異なり、TDMAは非連続的に動作します。各送信機は未使用時に電源をオフにできるため、大幅な消費電力削減につながります。これは特にモバイル機器にとって有利であり、バッテリー寿命を延ばし、頻繁な充電の必要性を軽減します。
- 簡素化された実装：TDMAの時間ベース方式は、ユーザー間の同期メカニズムの実装を簡素化します。ユーザーが交代でチャネルを使用するため、信号が重複するCDMA（符号分割多元接続）などの複雑な方式と比較して、システムはタイミングと調整をより容易に管理できます。[ 13 ]
- 拡張性：TDMAシステムは、増加するユーザー数に対応できるよう効果的に拡張できます。需要の増加に応じて、既存のインフラストラクチャに大きな変更を加えることなく、追加のタイムスロットを導入できるため、ネットワーク容量の拡張が容易になります。
- サービス品質（QoS）の向上：TDMAは、特定のタイムスロットを割り当て、ユーザーアクセスを動的に管理する機能により、全体的なサービス品質を向上させます。これにより、遅延が短縮され、スループットが向上し、ユーザーは信頼性と効率性に優れた通信を体験できます。
TDMAの欠点
- ガードインターバル：隣接するTDMAスロット間の干渉を防ぐため、ガードインターバルを追加する必要があります。これらのインターバルは通常30～50マイクロ秒で、送信が重複しないようにするためのバッファとして機能します。しかし、この追加時間の必要性は、貴重な時間がデータ送信ではなくガードインターバルに費やされるため、システム全体のスループットが低下する可能性があることを意味します。これは、時間とエネルギー効率が最も重要となる携帯電話ネットワークでは特に問題となります。[ 14 ]
- エネルギー消費：TDMAでは、アイドル期間中に送信機をオフにすることである程度のエネルギーを節約できますが、ガードインターバルの設定により、これらの利点が相殺される可能性があります。同期の必要性とタイムスロット管理に伴うオーバーヘッドは、特に多数のユーザーがチャネルへのアクセスを競うような状況では、エネルギー消費の増加につながる可能性があります。これは、バッテリー駆動に依存するモバイルデバイスにとって重大な問題となる可能性があります。
- 同期の課題：TDMAでは、各ユーザーが指定されたタイムスロット内で送信を行うために、全ユーザー間の正確な同期が必要です。これは、特にユーザーがネットワークに頻繁に参加したり離脱したりする動的な環境では、システムの設計と実装を複雑化させる可能性があります。ユーザー数が増加するにつれて同期の維持はますます困難になり、効果的に管理されなければ、通信の中断や通信エラーにつながる可能性があります。
- データレートの制限：TDMAは、CDMA（符号分割多元接続）などの他の多元接続方式と比較して、一般的に中程度のデータレートしか提供しません。この制限は、固定されたタイムスロット割り当てによって、一定時間内に送信できるデータ量が制限される可能性があることに起因します。その結果、データ使用量の多いユーザーは伝送速度の低下を経験する可能性があり、データ集約型アプリケーションでは潜在的な不満やパフォーマンスの低下につながる可能性があります。
- 中程度のシステム柔軟性：TDMAは、ユーザー割り当てとデータ伝送速度に関して中程度の柔軟性を提供します。帯域幅をより動的かつ適応的に利用できるCDMAとは異なり、TDMAの固定されたタイムスロット割り当ては非効率性につながる可能性があります。ユーザー需要が大きく変動するシナリオでは、TDMAの硬直的な構造により、需要が低い時期にすべてのタイムスロットが埋まらないため、リソースが十分に活用されない可能性があります。[ 15 ]
- 遅延の問題：TDMAのタイムシェアリングの性質上、ユーザーは遅延の増加を経験する可能性があります。複数のユーザーが接続している場合、各ユーザーは指定されたタイムスロットまでデータを送信できません。音声通話やビデオ会議など、リアルタイム通信を必要とするアプリケーションでは、この遅延がサービス品質に影響を与え、遅延や応答性の低下につながる可能性があります。
- 拡張性の制約：TDMAはタイムスロットを追加することで増加するユーザー数に対応できますが、同期の必要性とタイムスロットの割り当てが固定的であるため、拡張性は制限されます。ユーザー需要が増加すると、インフラのアップグレードやより複雑な管理システムへの多額の投資なしには、システムはパフォーマンスレベルを維持することが困難になる可能性があります。[ 16 ]
ダイナミックTDMA
動的時分割多重アクセス（ダイナミックTDMA ）では、スケジューリングアルゴリズムが、各データストリームのトラフィック需要に基づいて、各フレーム内の可変数のタイムスロットを可変ビットレートデータストリームに動的に予約します。ダイナミックTDMAは、以下の用途で使用されます。
- HIPERLAN/2ブロードバンド無線アクセス ネットワーク。
- IEEE 802.16a WiMax
- ブルートゥース
- 軍用無線と戦術データリンク
- TD-SCDMA
- ITU-T G.hn
- TDMAおよびDTMAリンクのシミュレーション
- MoCA
参照
- デュプレックス（通信） - 双方向に同時に流れる通信
- リンク16 – TDMAを使用するNATO軍事戦術データ交換ネットワーク
参考文献
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