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 емкость. [1] Примерами совместно используемых физических сред являются беспроводные сети , шинные сети , кольцевые сети и каналы связи «точка-точка» , работающие в полудуплексном режиме.
Метод доступа к каналу основан на мультиплексировании , которое позволяет нескольким потокам данных или сигналам совместно использовать один и тот же канал связи или среду передачи. В этом контексте мультиплексирование обеспечивается физическим уровнем .
Способ 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 вопросы, как адресация, назначение мультиплексных каналов разным пользователям и предотвращение коллизий. Управление доступом к среде передачи — это подуровень канального уровня модели OSI и компонент канального уровня модели TCP/IP .
В литературе использовалось несколько способов категоризации схем и протоколов множественного доступа. Например, Дэниел Миноли (2009) [2] выделяет пять основных типов схем множественного доступа: FDMA , TDMA, CDMA , SDMA и произвольный доступ . Р. Ром и М. Сиди (1990) [3] делят протоколы на протоколы бесконфликтного доступа , протоколы Aloha и протоколы определения несущей .
Справочник по телекоммуникациям (Terplan and Morreale, 2000) [4] определяет следующие категории MAC:
Схемы доступа к каналу обычно делятся на следующие категории. [1] [5] [6]
Схема доступа к каналу с множественным доступом 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 сотовой связи 1G первого поколения , в которых каждый телефонный звонок был назначен определенному частотному каналу восходящей линии связи и другому частотному каналу нисходящей линии связи. Каждый сигнал сообщения (каждый телефонный звонок) модулируется на определенной несущей частоте .
Связанный с этим метод - 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 в оптоволоконной связи. В случае WDMA разные сетевые узлы в сети шины или концентратора имеют разный цвет. [7]
Усовершенствованной формой FDMA является 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 различное качество обслуживания (разные скорости передачи данных). Назначение поднесущих пользователям может изменяться динамически в зависимости от текущего состояния радиоканала и нагрузки трафика. FDMA с одной несущей (SC-FDMA), также известный как OFDMA с линейным предварительным кодированием (LP-OFDMA), основан на выравнивании частотной области с одной несущей (SC-FDE).
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 кадров. Например, узел 1 может использовать временной интервал 1, узел 2 — временной интервал 2 и т. д. до тех пор, пока последний передатчик не начнет заново. Расширенной формой является динамическая TDMA (DTDMA), в которой назначение передатчиков временным интервалам варьируется для каждого кадра.
Многочастотный множественный доступ с временным разделением каналов (MF-TDMA) сочетает в себе временной и частотный множественный доступ. Например, сотовые системы 2G основаны на сочетании TDMA и FDMA. Каждый частотный канал разделен на восемь временных интервалов, семь из которых используются для семи телефонных звонков, а один — для передачи данных.
Множественный доступ со статистическим временным разделением каналов обычно также основан на мультиплексировании во временной области, но не на циклически повторяющейся структуре кадров. Из-за своего случайного характера его можно отнести к методам статистического мультиплексирования и обеспечить динамическое распределение полосы пропускания . Для этого требуется протокол управления доступом к среде передачи (MAC), то есть принцип, позволяющий узлам по очереди включать канал и избегать коллизий. Распространенными примерами являются CSMA/CD , используемый в шинных сетях Ethernet и сетях концентраторов, и CSMA/CA , используемый в беспроводных сетях, таких как IEEE 802.11 .
Схема множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) основана на расширении спектра , что означает, что используется более широкая полоса пропускания радиоканала, чем требуется для скорости передачи данных отдельных битовых потоков, и несколько сигналов сообщений передаются одновременно на одной и той же несущей частоте, используя разные распространение кодов. Согласно теореме Шеннона-Хартли , широкая полоса пропускания позволяет отправлять сигнал с отношением сигнал/шум намного меньше 1 (менее 0 дБ), а это означает, что мощность передачи может быть снижена 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 расширении спектра 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 представляет собой 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 быстро изменяется в соответствии с последовательностью, которая составляет код расширения. Например, система связи Bluetooth основана на сочетании скачкообразной перестройки частоты и связи со статистическим мультиплексированием с временным разделением CSMA/CA (для приложений передачи данных) или 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 данные на одном и том же частотном канале, но используются CDMA/CA или TDMA, чтобы избежать коллизий внутри VPAN. Скачкообразная перестройка частоты используется Bluetooth для уменьшения перекрестных помех и вероятности коллизий между узлами в разных сетях VPAN.
Другие методы включают OFDMA и множественный доступ с кодовым разделением каналов с несколькими несущими (MC-CDMA).
Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA) передает различную информацию в разных физических областях. Примеры включают простые системы сотовой радиосвязи и более совершенные сотовые системы, которые используют направленные антенны и модуляцию мощности для уточнения диаграмм пространственной передачи.
Схема множественного доступа с разделением мощности ( PDMA ) основана на использовании переменной мощности передачи между пользователями для разделения доступной мощности на канале. Примеры включают несколько модемов SCPC на спутниковом транспондере, где пользователи по требованию получают большую часть бюджета мощности для передачи данных на более высоких скоростях. [8]
Методы доступа к каналу в пакетном режиме выбирают один сетевой передатчик на время передачи пакета. Некоторые методы больше подходят для проводной связи, тогда как другие больше подходят для беспроводной связи. [1]
Общие протоколы статистического мультиплексирования с временным разделением каналов для проводных многоабонентских сетей включают:
Общие протоколы множественного доступа, которые могут использоваться в беспроводных сетях пакетной радиосвязи, включают:
Если эти методы используются для разделения прямых и обратных каналов связи, они известны как методы дуплексирования . Дуплексная система связи может быть полудуплексной или полнодуплексной . В полудуплексной системе связь работает одновременно только в одном направлении. Рация является примером полудуплексной системы, поскольку оба пользователя могут общаться друг с другом, но не одновременно: кто-то должен завершить передачу, прежде чем 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. Некоторые типы полнодуплексных методов:
Обратите внимание, что часто используются гибриды этих методов. Некоторые примеры:
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 сегодняшние установки Ethernet используют полнодуплексные соединения непосредственно с коммутаторами . CSMA/CD по-прежнему реализован для обеспечения совместимости со старыми концентраторами-репитерами .
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 каналов , частотным разделением каналов и множественный доступ с временным разделением каналов .
В сотовых сетях наиболее широко распространены две технологии — CDMA и TDMA. Технология TDMA работает путем выявления естественных перерывов в 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, позволяя передавать больше разговоров в одном и том же диапазоне; Это одна из причин, почему CDMA в конечном итоге стал наиболее широко распространенным методом доступа к каналу в беспроводной индустрии. [9]
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, а использование CDMA уменьшилось и было широко заменено TDMA. [9] Так было до тех пор, пока Ирвин М. Джейкобс, инженер Массачусетского технологического института, и его коллеги из компании Linkabit не основали телекоммуникационную компанию Qualcomm . [10] На момент основания компании Qualcomm Джейкобс уже работал над решением телекоммуникационных проблем для военных с использованием цифровых технологий для увеличения пропускной способности спектра. [11] Компания Qualcomm знала, что CDMA значительно повысит эффективность и доступность беспроводной связи, но индустрия беспроводной связи, уже инвестировавшая миллионы долларов в TDMA, была настроена скептически. [11] Джейкобс и Qualcomm потратили несколько лет на улучшение инфраструктуры и проведение тестов и демонстраций CDMA. В 1993 году CDMA стал стандартом беспроводной связи. К 1995 году CDMA уже использовался в коммерческих целях в индустрии беспроводной связи как основа 2G . [9]
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).