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 данные по ней и совместно использовать ее пропускную способность. [1] Примерами совместно используемых физических сред являются беспроводные сети , шинные сети , кольцевые сети и соединения 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 .
Метод доступа к каналу может также 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 является подуровнем на уровне канала передачи данных модели OSI и компонентом уровня канала модели TCP/IP .
В литературе используется 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 случайный доступ . Р. Ром и М. Сиди (1990) [3] классифицируют протоколы на протоколы бесконфликтного доступа , протоколы Aloha и протоколы Carrier Sensing .
В Справочнике по телекоммуникациям (Terplan и Morreale, 2000) [4] определены следующие категории MAC:
Схемы доступа к каналу обычно делятся на следующие категории. [1] [5] [6]
Схема доступа к каналу с частотным разделением каналов (FDMA) является наиболее стандартной аналоговой системой, основанной на схеме мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM), которая обеспечивает различные полосы частот для различных потоков данных. В случае FDMA полосы частот выделяются различным узлам или устройствам. Примером систем FDMA были системы сотовой связи первого поколения 1G , где 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 .
Связанная техника — это множественный доступ с разделением по длине волны (WDMA), основанный на мультиплексировании с разделением по длине волны (WDM), где разные потоки данных получают разные цвета в оптоволоконной связи. В случае WDMA разные сетевые узлы в шинной или концентраторной сети получают разные цвета. [7]
Расширенной формой FDMA является схема множественного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA), например, используемая в системах сотовой связи 4G . В OFDMA каждый узел может использовать несколько поднесущих, что позволяет предоставлять разное качество обслуживания (разные скорости передачи данных) разным пользователям. Назначение поднесущих пользователям может динамически изменяться в зависимости от текущих условий радиоканала и нагрузки трафика. FDMA с одной несущей (SC-FDMA), также известная как OFDMA с линейным предварительным кодированием (LP-OFDMA), основана на выравнивании частотной области с одной несущей (SC-FDE).
Схема доступа к каналу с временным разделением каналов (TDMA) основана на схеме мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM). TDMA предоставляет различные временные интервалы разным передатчикам в циклически повторяющейся структуре кадра. Например, узел 1 может использовать временной интервал 1, узел 2 — временной интервал 2 и т. д. до последнего передатчика, когда он начинает заново. Расширенной формой является динамический TDMA (DTDMA), где назначение передатчиков временным интервалам меняется в каждом кадре.
Многочастотный временной разделительный множественный доступ (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, из которых семь используются для семи телефонных звонков, а один — для передачи данных.
Статистическое мультиплексирование с временным разделением множественного доступа обычно также основано на мультиплексировании во временной области, но не в циклически повторяющейся структуре кадра. Из-за его случайного характера его можно отнести к методам статистического мультиплексирования и способно к динамическому распределению полосы пропускания . Для этого требуется протокол управления доступом к среде (MAC), т. е. принцип, по которому узлы поочередно работают на канале и избегают коллизий. Распространенными примерами являются CSMA/CD , используемый в сетях Ethernet bus 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 расширенном спектре , что означает, что используется более широкая полоса пропускания радиоканала, чем требуется для скорости передачи данных отдельных потоков битов, и несколько сигналов сообщений передаются одновременно на одной и той же несущей частоте, используя различные коды расширения. Согласно теореме Шеннона-Хартли , широкая полоса пропускания позволяет отправлять данные с отношением сигнал/шум намного меньше 1 (менее 0 дБ), что означает, что мощность передачи может быть снижена до уровня ниже уровня шума и внутриканальных помех от других сигналов сообщений, разделяющих тот же диапазон частот.
Одной из форм является CDMA с прямой последовательностью (DS-CDMA), основанный на расширенном спектре с прямой последовательностью (DSSS), используемый, например, в системах сотовой связи 3G . Каждый бит информации (или каждый символ) представлен длинной кодовой последовательностью из нескольких импульсов, называемых чипами. Последовательность является кодом расширения, и каждый сигнал сообщения (например, каждый телефонный звонок) использует другой код расширения.
Другая форма — это частотный скачок CDMA (FH-CDMA), основанный на частотном скачкообразном расширении спектра (FHSS), где частота канала быстро изменяется в соответствии с последовательностью, которая составляет код расширения. Например, система связи Bluetooth основана на комбинации частотного скачка и либо статистического временного мультиплексирования CSMA/CA (для приложений передачи данных), либо TDMA (для передачи звука). Все узлы, принадлежащие одному пользователю (одной пикосети ), используют одну и ту же последовательность частотного скачка синхронно, что означает, что они отправляют данные на одном и том же частотном канале, но CDMA/CA или TDMA используется для предотвращения столкновений в виртуальной персональной сети (VPAN). Частотный скачок используется Bluetooth для уменьшения перекрестных помех и вероятности столкновений между узлами в разных VPAN.
Другие технологии включают OFDMA и множественный доступ с кодовым разделением каналов на нескольких несущих (MC-CDMA).
Множественный доступ с пространственным разделением (SDMA) передает различную информацию в различных физических областях. Примерами служат простые сотовые радиосистемы и более продвинутые сотовые системы, которые используют направленные антенны и модуляцию мощности для улучшения пространственных схем передачи.
Схема множественного доступа с разделением мощности ( PDMA ) основана на использовании переменной мощности передачи между пользователями для совместного использования доступной мощности на канале. Примерами служат несколько модемов SCPC на спутниковом транспондере, где пользователи получают по требованию большую долю бюджета мощности для передачи на более высоких скоростях данных. [8]
Методы доступа к каналу пакетного режима выбирают один сетевой передатчик на время передачи пакета. Некоторые методы больше подходят для проводной связи, а другие — для беспроводной. [1]
К распространенным протоколам множественного доступа с временным мультиплексированием для проводных многоточечных сетей относятся:
К распространенным протоколам множественного доступа, которые могут использоваться в беспроводных сетях пакетной радиосвязи, относятся:
Если эти методы используются для разделения прямых и обратных каналов связи, они известны как методы дуплексной связи . Дуплексная система связи может быть как полудуплексной, так и полнодуплексной . В полудуплексной системе связь работает только в одном направлении за раз. Рация является примером полудуплексной системы, поскольку оба пользователя могут общаться друг с другом, но не в одно и то же время, кто-то должен закончить передачу, прежде чем следующий человек сможет начать. 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 методов полнодуплексной связи:
Обратите внимание, что часто используются гибриды этих методов. Некоторые примеры:
К разным приложениям применяются различные ограничения и схемы доступа к каналу.
В локальных вычислительных сетях (LAN) и городских вычислительных сетях (MAN) методы множественного доступа позволяют использовать шинные сети, кольцевые сети, звездообразные сети, беспроводные сети и полудуплексную связь точка-точка, но не требуются в полнодуплексных последовательных линиях точка-точка между сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами. Наиболее распространенным методом множественного доступа является CSMA/CD, который используется в Ethernet . Хотя современные установки Ethernet используют полнодуплексные соединения непосредственно с коммутаторами . CSMA/CD по-прежнему реализуется для достижения совместимости со старыми повторителями-концентраторами .
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 в спутниках связи используются три типа множественного доступа: кодовое разделение , частотное разделение и временное разделение .
В сотовых сетях две наиболее широко используемые технологии — это CDMA и TDMA. Технология TDMA работает, определяя естественные перерывы в речи и используя одну радиоволну для поддержки нескольких передач по очереди. В технологии CDMA каждый отдельный пакет получает уникальный код, который разбивается на широкий спектр частот, а затем собирается заново на другом конце. CDMA позволяет нескольким людям говорить одновременно на одной и той же частоте, что позволяет передавать больше разговоров по той же части спектра; это одна из причин, по которой CDMA в конечном итоге стал наиболее широко используемым методом доступа к каналу в беспроводной индустрии. [9]
Истоки CDMA можно проследить до 1940-х годов, когда он был запатентован правительством Соединенных Штатов и использовался в течение Второй мировой войны для передачи сообщений. Однако после войны патент истек, и использование CDMA сократилось и было широко заменено на TDMA. [9] Это 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 Qualcomm Джейкобс уже работал над решением телекоммуникационных проблем для военных, используя цифровые технологии для увеличения емкости спектра. [11] Qualcomm знала, что CDMA значительно повысит эффективность и доступность беспроводной связи, но беспроводная индустрия, уже вложившая миллионы долларов в TDMA, была настроена скептически. [11] Джейкобс и Qualcomm потратили несколько лет на улучшение инфраструктуры и проведение испытаний и демонстраций CDMA. В 1993 году CDMA был принят в качестве стандарта беспроводной отрасли. К 1995 году CDMA использовался в коммерческих целях в беспроводной индустрии в качестве основы 2G . [9]
В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).