Основы беспроводных сетей

05

Методы множественного доступа

Как было показано в предыдущих разделах, одновременная передача данных несколькими абонентами в общем случае приведёт к коллизии, поэтому частотно-временной ресурс должен быть каким-то образом распределён между устройствами. Выделяют следующие методы доступа абонентов к среде:

  • множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA);
  • множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA);
  • множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA);
  • множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA);
  • множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA);
  • множественный доступ с частотным разделением каналов на одной несущей (SC-FDMA);
  • множественный доступ с контролем несущей (CSMA) (в частности, в беспроводных сетях используется метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий CSMA/CA).

FDMA

В системах FDMA все устройства передают сигналы одновременно. Изоляция абонентов обеспечивается за счёт использования разных частот: первый абонент использует F1, второй - F2 и т.д.


Рисунок 1 - Схема работы FDMA

TDMA

При использовании множественного доступа с временным разделением каналов каждому абоненту выделяется интервал времени для передачи данных, называемый слотом. Слоты от всех абонентов объединяются в суперслоты, которые циклически повторяются. Таким образом, каждый из абонентов гарантированно получит доступ к среде в рамках каждого суперслота. Достоинством подобного подхода является низкий джиттер, что важно для передачи данных реального времени, например, голосовой связи. Такие системы требовательны к синхронизации, т.к. каждый из абонентов должен вести передачу только в рамках своего слота, не используя ресурсы других абонентов. Синхронизация может быть выполнена через периодическую посылку заранее известных служебных последовательностей в рамках одного или нескольких суперслотов. Лучшим решением является использование систем внешней синхронизации, например, на базе GPS или ГЛОНАСС, однако такое решение требует установки дополнительных модулей, отвечающих за связь с внешней системой.

Рисунок 2 - Схема работы TDMA

В случае, если число слотов превышает число абонентов, то часть временного ресурса можно выделить абонентам с интенсивным трафиком - подобный случай показан на рисунке 3.


Рисунок 3 - Выделение незанятых тайм-слотов для абонентов с большим потоком данных

SDMA

Как показано в уроке "Антенны", помимо частотного и временного ресурсов есть пространственный, доступ к которому зависит от характеристик и местоположения антенн. Таким образом, за счёт пространственной селективности антенн можно организовать множественный доступ без дополнительного разнесения абонентов по частоте или времени.

При разнесении антенн необходимо брать в расчёт то, что их диаграммы направленности, включая побочное излучение боковых и задних лепестков, не должны пересекаться. На практике расположение антенн будет зависеть от характера используемой площадки: при монтаже на мачте антенны могут быть разнесены по вертикали, при монтаже на здании - по разным углам крыши, и т.д.


Рисунок 4 - Схема работы SDMA

CDMA

В системах с кодовым разделением каналов изоляция абонентов выполняется не на физическом уровне, как в предыдущих методах, а на логическом: при передаче данных, вместо "0" или "1", передаётся прямая или инвертированная последовательность, закреплённая за каждым из абонентов. Подобная манипуляция расширяет спектр исходного сигнала. В отличие от систем с временным и частотным разделением среды, каждый из абонентов принимает сигналы, адресованные всем абонентам и выделяет из них тот, который адресован ему, основываясь на закреплённой кодовой последовательности. На приёмной стороне сигнал может быть детектирован, поскольку последовательности, закреплённые за каждым из абонентов, имеют ярко выраженную корреляционную функцию.


Рисунок 5 - Схема работы CDMA

OFDMA

В системе множественного доступа с ортогональными поднесущими частотный диапазон делится на несколько каналов равной ширины, на временной шкале выделяются равные интервалы времени - таймслоты. Полученная частотно-временная плоскость внешне схожа с шахматной доской. Далее, каждому из абонентов могут быть выделены отдельные ячейки, представляющие собой таймслот в одном частотном канале. В случае наличия свободных ресурсов и большого абонентского трафика, конкретному абоненту могут быть выделены несколько частотных каналов в рамках таймслота. Распределение ресурсов между абонентами организовано через обмен служебной информацией, который осуществляется в выделенном частотном канале, либо в конкретных таймслотах выделенного частотного канала. Таким образом, каждый из абонентов обменивается служебной информацией в назначенном частотном канале/тайм-слоте и дополнительно использует выделенные ему ресурсы для обмена пользовательскими данными.


Рисунок 6 - Схема работы OFDMA

SC-FDMA

В методе множественного доступа с частотным разделением каналов на одной несущей строится, подобно OFDMA, сетка частотно-временных ресурсов, однако пользователям предоставляются таймслоты целиком, на всех поднесущих. Таким образом, выполняется изоляция абонентов по времени. Отличие данной схемы множественного доступа от TDMA заключается в том, что в каждом частотном канале используется низкий уровень модуляции, что повышает энергетическую эффективность системы, сохраняя общую скорость передачи за счёт множества частотных каналов.


Рисунок 7 - Схема работы SC-FDMA

CSMA/CA

Метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий является разновидностью TDMA, однако в данной системе отсутствует единый центр управления ресурсами и доступ к среде носит случайный характер. При получении доступа к среде используются следующие принципы:

  • принцип предварительного прослушивания несущей (устройство перед началом передачи прослушивают эфир и, в случае, если одна из станций осуществляет передачу данных, то откладывает процесс передачи на случайный временной интервал);
  • использование jam-сигнала (в случае, если эфир свободен, станция отправляет jam-сигнал, который сигнализирует остальным станциям о предстоящей передаче данных. После отправки jam-сигнала, станция выжидает временной промежуток, в течении которого может получить jam-сигнал от другой станции, и начинает передачу);
  • обнаружение jam-сигналов (в случае, если станция начала передачу данных и обнаружила jam-сигнал от другой станции, то она останавливает процесс передачи).

Поллинг

Поллинг - технология маркерного доступа абонентских станций к среде для передачи данных сектору базовой станции. Принцип работы поллинговых систем, в отличие от CSMA/CA, основан на том, что сектор базовой станции выполняет роль арбитра для абонентских устройств, централизованно распределяя служебные пакеты, маркеры, между устройствами. Сектор последовательно проводит опрос абонентских устройств на наличие данных для передачи, посылая им служебные запросы. Абонентское устройство не может начать передачу данных до тех пор, пока не получило служебный маркер. Таким образом, использование поллинга позволяет повысить стабильность и пропускную способность канала в условиях высокой нагрузки и дисбаланса уровней сигналов абонентских станций: при централизованном управлении средой в беспроводном сегменте сети отсутствуют коллизии и у арбитра существует возможность динамического распределения ресурсов между абонентами в зависимости от их потребностей.


Рисунок 8 - Схема работы поллинга

На рисунке 8 изображена схема работы сектора базовой станции БС с двумя абонентскими станциями АС1 и АС2 с использованием поллинга. На первом этапе БС рассылает абонентам запрос, получая в ответ запросы на резервирование эфирного времени от АС, у которых в очереди на передачу есть данные. На втором этапе сектор принимает решение о том, какая из абонентских станций должна передавать данные в первую очередь, основываясь на ряде факторов, таких как загрузка, качество связи и т.д. В примере АС1 первой ответила сектору, однако первый маркер на передачу получает АС2, и только потом АС1. Следует отметить, что маркерами регулируется только передача в восходящем канале, а для передачи данных от сектора к абонентским станциям, маркер не нужен.

Помимо распределения доступных ресурсов между абонентами, в зависимости от их требований, ресурс может быть распределён между восходящим и нисходящим каналами в различных пропорциях. Такая настройка доступна в системах с TDMA и OFDMA:


Рисунок 9 - Распределение ресурсов между восходящим и нисходящим каналами
Назад Дальше