Метод доступа к каналу - Channel access method

В телекоммуникационных и компьютерных сетях метод доступа к каналу или метод множественного доступа позволяет более чем двум терминалам, подключенным к одной и той же среде передачи, передавать по ней и совместно использовать ее пропускную способность. Примерами совместно используемых физических сред являются беспроводные сети , шинные сети , кольцевые сети и двухточечные каналы, работающие в полудуплексном режиме.

Метод доступа к каналу основан на мультиплексировании , что позволяет нескольким потокам данных или сигналам совместно использовать один и тот же канал связи или среду передачи. В этом контексте мультиплексирование обеспечивается физическим уровнем .

Метод доступа к каналу также может быть частью протокола множественного доступа и механизма управления, также известного как управление доступом к среде (MAC). Управление доступом к среде решает такие проблемы, как адресация, назначение мультиплексных каналов разным пользователям и предотвращение конфликтов. Контроль доступа к среде является суб-слой в линии передачи данных слоя в модели OSI и компонент канального уровня в модели TCP / IP .

Фундаментальные схемы

Схемы доступа к каналу обычно делятся на следующие категории.

Множественный доступ с частотным разделением каналов

Схема доступа к каналу множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) является наиболее стандартной аналоговой системой, основанной на схеме мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM), которая предоставляет разные полосы частот для разных потоков данных. В случае FDMA полосы частот распределяются между разными узлами или устройствами. Примером систем FDMA были системы сотовых телефонов 1G первого поколения , в которых каждый телефонный звонок был назначен на определенный частотный канал восходящей линии связи и другой частотный канал нисходящей линии связи. Каждый сигнал сообщения (каждый телефонный звонок) модулируется на определенной несущей частоте .

Связанный с этим метод - это множественный доступ с разделением по длине волны (WDMA), основанный на мультиплексировании с разделением по длине волны (WDM), при котором разные потоки данных получают разные цвета при оптоволоконной связи. В случае WDMA разные сетевые узлы в сети с шиной или концентратором окрашиваются в другой цвет.

Усовершенствованная форма FDMA - это схема множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), например, используемая в системах сотовой связи 4G . В OFDMA каждый узел может использовать несколько поднесущих, что позволяет предоставлять разным пользователям разное качество обслуживания (разные скорости передачи данных). Назначение поднесущих пользователям может изменяться динамически в зависимости от текущих условий радиоканала и нагрузки трафика. FDMA с одной несущей (SC-FDMA), также известный как OFDMA с линейным предварительным кодированием (LP-OFDMA), основан на выравнивании в частотной области с одной несущей (SC-FDE).

Множественный доступ с временным разделением

Схема доступа к каналу множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) основана на схеме мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM). TDMA предоставляет разные временные интервалы разным передатчикам в циклически повторяющейся структуре кадра. Например, узел 1 может использовать временной интервал 1, временной интервал 2 узла 2 и т. Д. До последнего передатчика, когда он запускается заново. Расширенная форма - это динамическая TDMA (DTDMA), где назначение передатчиков временным интервалам меняется для каждого кадра.

Многочастотный множественный доступ с временным разделением каналов (MF-TDMA) объединяет временной и частотный множественный доступ. Например, сотовые системы 2G основаны на комбинации TDMA и FDMA. Каждый частотный канал разделен на восемь временных интервалов, семь из которых используются для семи телефонных вызовов, а один - для передачи данных.

Статистический множественный доступ с мультиплексированием с временным разделением каналов обычно также основан на мультиплексировании во временной области, но не в циклически повторяющейся структуре кадра. Из-за своего случайного характера его можно отнести к категории методов статистического мультиплексирования, способных к динамическому распределению полосы пропускания . Для этого требуется протокол управления доступом к среде (MAC), т. Е. Принцип, согласно которому узлы должны по очереди работать на канале и избегать коллизий. Типичными примерами являются CSMA / CD , используемый в шинных сетях Ethernet и сетях концентраторов, и CSMA / CA , используемый в беспроводных сетях, таких как IEEE 802.11 .

Множественный доступ с кодовым разделением каналов и множественный доступ с расширенным спектром

Схема множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) основана на расширенном спектре , что означает, что используется более широкая полоса пропускания радиоканала, чем требуется скорость передачи данных отдельных битовых потоков, и несколько сигналов сообщений передаются одновременно на одной и той же несущей частоте с использованием разных коды распространения. Согласно теореме Шеннона-Хартли , широкая полоса пропускания позволяет передавать с отношением сигнал / шум намного меньше 1 (менее 0 дБ), что означает, что мощность передачи может быть уменьшена до уровня ниже уровня шум и внутриканальные помехи от других сигналов сообщений, использующих тот же частотный диапазон.

Одной из форм является CDMA с прямой последовательностью (DS-CDMA), основанная на расширенном спектре с прямой последовательностью (DSSS), используемая, например, в системах сотовой связи 3G . Каждый информационный бит (или каждый символ) представлен длинной кодовой последовательностью из нескольких импульсов, называемых чипами. Последовательность - это код расширения, и каждый сигнал сообщения (например, каждый телефонный звонок) использует другой код расширения.

Другой формой является CDMA со скачкообразной перестройкой частоты (FH-CDMA), основанный на расширенном спектре со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), где частота канала изменяется быстро в соответствии с последовательностью, составляющей код расширения. В качестве примера, система связи Bluetooth основана на комбинации скачкообразной перестройки частоты и либо связи со статистическим мультиплексированием с временным разделением каналов CSMA / CA (для приложений передачи данных), либо TDMA (для передачи звука). Все узлы, принадлежащие одному и тому же пользователю (одной пикосети ), синхронно используют одну и ту же последовательность скачкообразной перестройки частоты, что означает, что они отправляют на одном и том же частотном канале, но CDMA / CA или TDMA используются для предотвращения конфликтов внутри VPAN. Скачкообразная перестройка частоты используется Bluetooth для уменьшения вероятности перекрестных помех и коллизий между узлами в разных сетях VPAN.

Другие методы включают в себя OFDMA и множественный доступ с кодовым разделением каналов с множеством несущих (MC-CDMA).

Множественный доступ с разделением по пространству

Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA) передает различную информацию в разных физических областях. Примеры включают простые сотовые радиосистемы и более совершенные сотовые системы, в которых используются направленные антенны и модуляция мощности для уточнения шаблонов пространственной передачи.

Множественный доступ с разделением по мощности

Схема множественного доступа с разделением мощности ( PDMA ) основана на использовании переменной мощности передачи между пользователями для распределения доступной мощности на канале. Примеры включают несколько модемов SCPC на спутниковом ретрансляторе, где пользователи получают по запросу большую долю бюджета мощности для передачи на более высоких скоростях передачи данных.

Методы пакетного режима

Методы доступа к каналу в пакетном режиме выбирают один сетевой передатчик на время передачи пакета. Некоторые методы больше подходят для проводной связи, а другие - для беспроводной.

Общие статистические протоколы множественного доступа с мультиплексированием с временным разделением для проводных многоабонентских сетей включают:

Общие протоколы множественного доступа, которые могут использоваться в беспроводных сетях пакетной радиосвязи, включают:

Дуплексные методы

Если эти методы используются для разделения прямого и обратного каналов связи, они известны как методы дуплексной связи . Дуплексная система связи может быть полудуплексной или полнодуплексной . В полудуплексной системе связь одновременно работает только в одном направлении. Рация является примером полудуплексной системы, потому что оба пользователя могут общаться друг с другом, но не одновременно: кто-то должен закончить передачу до того, как сможет начать следующий человек. В полнодуплексной системе оба пользователя могут общаться одновременно. Телефон является наиболее распространенным примером полнодуплексной системы, поскольку оба пользователя могут говорить и быть услышанными одновременно на каждом конце. Вот некоторые типы полнодуплексных методов:

Примеры гибридных приложений

Обратите внимание, что часто используются гибриды этих методов. Некоторые примеры:

  • GSM - сотовая система сочетает в себе использование дуплекса с частотным разделением (FDD) , чтобы предотвратить помехи между внешним и обратными сигналами, с FDMA и TDMA , чтобы позволить несколько трубок работать в одной ячейке.
  • GSM с услугой пакетной коммутации GPRS объединяет FDD и FDMA со слотами Aloha для запросов резервирования и динамическую схему TDMA для передачи фактических данных.
  • Связь в пакетном режиме Bluetooth сочетает скачкообразную перестройку частоты для доступа к общему каналу между несколькими частными сетями в одной комнате с CSMA / CA для доступа к общему каналу в сети.
  • Беспроводные локальные сети (WLAN) IEEE 802.11b основаны на FDMA и DS-CDMA для предотвращения помех между соседними ячейками WLAN или точками доступа. Это сочетается с CSMA / CA для множественного доступа внутри соты.
  • Беспроводные сети HIPERLAN / 2 сочетают FDMA с динамическим TDMA, что означает, что резервирование ресурсов достигается путем планирования пакетов .
  • G.hn , стандарт ITU-T для высокоскоростной сети по домашней проводке (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели), использует комбинацию TDMA, передачи маркеров и CSMA / CARP, чтобы позволить нескольким устройствам совместно использовать среду.

Определение в определенных областях применения

Местные и городские сети

В локальных сетях (LAN) и городских сетях (MAN) методы множественного доступа позволяют использовать шинные сети, кольцевые сети, звездообразные сети, беспроводные сети и полудуплексную связь точка-точка, но не требуются в полнодуплексной точке. двухточечные последовательные линии между сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами. Наиболее распространенным методом множественного доступа является CSMA / CD, который используется в Ethernet . Хотя в современных установках Ethernet используются полнодуплексные подключения непосредственно к коммутаторам . CSMA / CD все еще применяется для достижения совместимости со старыми концентраторами ретрансляторов .

Спутниковая связь

В спутниковой связи множественный доступ - это способность спутника связи функционировать как часть линии связи между более чем одной парой наземных терминалов одновременно. В настоящее время со спутниками связи используются три типа множественного доступа: множественный доступ с кодовым разделением , частотным разделением и множественный доступ с временным разделением .

Сотовые сети

В сотовых сетях наиболее широко используются две технологии - CDMA и TDMA. Технология TDMA работает путем определения естественных разрывов речи и использования одной радиоволны для поддержки нескольких передач по очереди. В технологии CDMA каждый отдельный пакет получает уникальный код, который разбивается на широкий частотный спектр и затем повторно собирается на другом конце. CDMA позволяет нескольким людям говорить одновременно на одной и той же частоте, что позволяет передавать больше разговоров в том же диапазоне спектра; это одна из причин, почему CDMA в конечном итоге стал наиболее широко применяемым методом доступа к каналу в беспроводной индустрии.

Истоки CDMA можно проследить до 1940-х годов, когда он был запатентован правительством США и использовался во время Второй мировой войны для передачи сообщений. Однако после войны срок действия патента истек, и использование CDMA уменьшилось и было широко заменено TDMA. Так было до тех пор, пока Ирвин М. Джейкобс, инженер Массачусетского технологического института, и его коллеги из компании Linkabit не основали телекоммуникационную компанию Qualcomm . На момент основания Qualcomm Джейкобс уже работал над решением телекоммуникационных проблем для военных, используя цифровые технологии для увеличения пропускной способности спектра. Qualcomm знала, что CDMA значительно повысит эффективность и доступность беспроводной связи, но индустрия беспроводной связи, уже вложившая миллионы долларов в TDMA, была настроена скептически. Джейкобс и Qualcomm потратили несколько лет на улучшение инфраструктуры и выполнение тестов и демонстраций CDMA. В 1993 году CDMA стал стандартом беспроводной связи. К 1995 году CDMA начал коммерчески использоваться в беспроводной индустрии как основу 2G .

Классификации в литературе

В литературе использовалось несколько способов категоризации схем и протоколов множественного доступа. Например, Даниэль Миноли (2009) определяет пять основных типов схем множественного доступа: FDMA , TDMA, CDMA , SDMA и произвольный доступ . Р. Ром и М. Сиди (1990) классифицировать протоколы в протоколы бесконфликтного доступа , протоколы Алоха , а также протоколы несущего зондирования .

Справочник по телекоммуникациям (Terplan and Morreale, 2000) определяет следующие категории MAC:

  • Фиксированное назначение: TDMA, FDMA + WDMA, CDMA, SDMA
  • Распоряжение назначено (DA)
    • Резервирование: DA / TDMA, DA / FDMA + DA / WDMA, DA / CDMA, DA / SDMA
    • Опрос: обобщенный опрос, распределенный опрос, передача токена, неявный опрос, доступ по слотам
  • Произвольный доступ (RA): чистый RA (ALOHA, GRA), адаптивный RA (TRA), CSMA, CSMA / CD, CSMA / CA

Смотрите также

использованная литература

Всеобщее достояние Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )