Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Методы многостанционного доступа

Для решения проблемы распределения радиоресурса при множестве одновременных вызовов были разработаны методы многостанционного доступа. Основной принцип любой схемы многостанционного доступа заключается в том, чтобы решить, как распределить имеющейся диапазон частот. И снова основные проблемы, с которыми сталкиваются решения многостанционного доступа, касаются внутренних характеристик радиосистем: ограничение ширины полосы частот, многолучевое замирание, взаимные помехи пользователей сети, в которой используется сотовый принцип построения и повторное использование частот. Эффективное использование частот означает, что в пределах установленных параметров должно быть максимальное количество одновременных пользователей фиксированной ширины полосы.

Для решения этой задачи были разработаны различные методы многостанционного доступа. В аналоговых сотовых сетях широко используется метод многостанционного доступа с разделением каналов по частоте -- МДЧР, при котором каждый абонент использует свою собственную частоту или канал, либо их набор. Если рассматривать количество возможных радиосоединений, это означает, что одной частоте соответствует один пользователь и один канал (1 частота = 1 абонент = 1 канал). Для данного метода многостанционного доступа характерно неэффективное использование частотного ресурса мобильной системы связи общего пользования.

Поэтому уже на раннем этапе развития систем радиосвязи был разработан более эффективный способ использования частотного ресурса. Этот метод, позволяющий повысить пропускную способность системы, называется многостанционным доступом с временным разделением каналов МДВР. Это наиболее распространенный метод многостанционного доступа, который использовался в системах сотовой связи 2-го поколения, таких как GSM. Кроме того, широко используются цифровые системы передачи на основе МДВР.

В системе GSM пользователи определённой частоты делят её использование во времени: каждый пользователь имеет промежуток времени (временной интервал) для различных операций. Эти временные интервалы часто повторяются, что создает впечатление непрерывной передачи. Такая система позволяет одновременно обслужить несколько пользователей -- столько, сколько имеется временных интервалов.

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов МДКР представляет ещё один метод многостанционного доступа, используемый для тех же целей, что и МДЧР и МДВР. Однако он решает ту же проблему, используя совершенно другой принцип разделения частотного диапазона. Метод МДКР (CDMA) основан на использовании расширения спектра сигналов, и, возможно, представляет одну из самых сложных схем, которые когда-либо использовались в различных мобильных системах, в частности, в UMTS.

Таким образом, все одновременные пользователи могут занять одну и ту же полосу в одно и тоже время. Каждому пользователю присваивается код/коды, отличающиеся числом транзакций, и эти коды используются для разделения сот, каналов и абонентов. Все абоненты одновременно используют одну и ту же полосу частот, и, следовательно, в отличие от систем МДВР и МДЧР, разделение на временные или частотные интервалы отсутствует:

* Если скорость передачи данных источника невысокая, то спектр сигнала может быть хорошо расширен, а требуемая мощность передачи будет малая.

* Если скорость передачи данных источника высокая, то сигнал уже не может быть так же хорошо расширен и, таким образом, требуемая мощность передачи будет более высокой.

В отличие от методов многостанционного доступа с ограниченной полосой частот, таких как МДЧР и МДВР, которые из-за высокой степени повторного использования частот подвержены главным образом внутриканальным влияниям, в системах CDMA наиболее опасный тип помехи представляют взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях. Одна из основных причин заключается в том, что взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях возрастают из-за накопления суммарной мощности сигналов одновременно работающих в одной соте пользователей, а качество работы каждого отдельного пользователя при этом ухудшается.

В зависимости от типа расширяющего сигнала, используемого для модуляции, метод МДКР (CDMA) может быть разбит на следующие группы:

* МДКР с прямым расширением спектра -- DS-CDMA;

* МДКР со скачкообразной перестройкой частоты (частотный скачок) FH-CDMA;

* МДКР с перестройкой во времени (временной скачок)-- TH-CDMA;

* МДКР с гибридной модуляцией -- HM-CDMA;

* МДКР с несколькими поднесущими -- MC-CDMA.

В схеме с прямым расширением спектра (DS-CDMA) сигнал данных на передающей стороне (например, мобильной или базовой станции) скремблируется псевдослучайной последовательностью ПСП, присвоенной пользователю для расширения сигнала с требуемой скоростью чип-кодирования и защищенностью. В приёмнике (мобильная или базовая станция) исходный сигнал выделяется с помощью точно такой же расширяющей кодовой последовательности. Предполагается, что в результате каждый бит сигнала будет расширен по всей ширине полосы частот радиоканала. Именно поэтому в отличие от узкополосных сотовых систем помеха может генерироваться во всех направлениях.

Коэффициент повторного использования частот в системе DS-CDMA равен единице, т. е. все пользователи для передачи своей информации одновременно используют общую частотную полосу. Преимуществом DS-CDMA является устойчивость к замираниям при многолучевом распространении сигнала. Действительно, в системах, основанных на методе МДВР, таких как GSM, аналогичное преимущество достигается при использовании метода скачкообразного изменения частоты, который можно сравнить со схемой расширения спектра. Но в случае совместного использования частотного спектра система более чем МДВР и МДЧР, уязвима к воздействию взаимных помех, создаваемых при работе нескольких пользователей.

При «частотном скачке» FH-CDMA изменение несущей частоты в процессе передачи сигнала расширяет используемый диапазон частот. Таким образом, если в течение определенного периода времени несущая частота остается неизменной, а затем скачкообразно перестраивается на другую частоту по правилу расширяющей кодовой последовательности, то это приводит к расширению спектра сигнала.

В зависимости от скорости скачкообразной перестройки частоты несущего сигнала FH-CDMA подразделяется на две группы: метод быстрой скачкообразной перестройки частоты и метод медленного скачкообразного изменения частоты. При модуляции с быстрой скачкообразной перестройкой частоты период перестройки частоты обычно больше, чем длительность передачи символа, в то время как при медленной перестройке частоты период перестройки обычно меньше длительности передачи символа. Некоторые важные процедуры CDMA, например управление мощностью, намного легче реализовать и выполнить при FH-CDMA, чем при DS-CDMA. Это отчасти связано с применением частотного разделения в том варианте метода FH-CDMA, который используется в сотовой связи. Однако реализация быстрой скачкообразной перестройки частоты в FH-CDMA является более сложной задачей.

В схеме «временного скачка» TH-CDMA переданный сигнал делится на кадры, которые далее делятся на временные интервалы. В процессе передачи пакета данных происходят скачки кадров по правилу, задаваемому кодовой последовательностью. При этом главная цель -- выбрать такую кодовую последовательность, чтобы свести к минимуму одновременную передачу сигналов на одной частоте. Самой важной идеей такого подхода является объединение достоинств описанных ранее методов и создание удобных схем для большинства конкретных приложений. Комбинирование описанных схем CDMA даст различные гибридные схемы, такие как DS/FH, DS/ТН/ FH/TH и DS/FH/TH.

Метод с несколькими поднесущими (MC-CDMA) в отличие DS-CDMA использует в полосе частот не одну, а несколько несущих частот. Поэтому передатчик MC-CDMA, по существу, расширяет исходные сигналы на различных поднесущих, используя различные полосы частот с указанием расширяющей кодовой последовательности в запросе частоты. Схемы MC-CDMA подразделяются на две основные группы. Методы одной группы расширяют поток данных, используя заданный расширяющий код, а затем модулируют его на различных поднесущих, в то время как методы другой группы в основном аналогичны DS-CDMA.

В дополнение к широко распространённым методам многостанционного доступа, описанным ранее, в области связи недавно возник интерес к многостанционному доступу с ортогональным разделением частот (OFDMA).

При использовании метода OFDMA за различными одновременными пользователями закрепляются отдельные тональные сигналы или группы сигналов. Поскольку совместно используемая полоса частот основана на ортогональном разделении тональных сигналов, то эффективность использования ширины полосы частот может быть повышена. Количество выделенных тональных сигналов может динамично подстраиваться в соответствии с количеством передаваемых данных. Метод OFDMA может использовать различные схемы скачкообразной перестройки в сочетании с временным разделением каналов. При объединении со скачкообразной перестройкой частоты, он может легко реализовать преимущества, обеспечиваемые методом расширенного спектра

2. Метод Ethernet

Множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов.

Любой ПК в сети «слышит» каждую передачу, однако не любой ПК ее принимает.

Любой ПК передает сообщение, в котором есть адрес приемника и отправителя. Все ПК слышат сообщения, но только один распознает его, принимает, посылает подтверждение.

Конфликт происходит, если два ПК одновременно передают сообщения. Тогда они прекращают передачу на случайный интервал времени, а затем возобновляют ее.

3. Метод Archnet

Метод доступа с эстафетной передачей для сети со звездообразной топологией.

ПК может передать сообщение, если получит маркер (token) - последовательность битов, созданную одним из ПК. Маркер перемещается по цепи как по кольцу. Все ПК имеют номер (от 0 до 255). Маркер идет от ПК к ПК. Когда ПК получает маркер, он может передать пакет данных (до 512 байт), включая адрес отправителя и приемника. Весь пакет идет от узла к узлу, пока не достигнет адресата. В этом узле данные выводятся, а маркер идет дальше.

Преимущество данного метода - предсказуемость, т.к. известен путь маркера, т.е. можно посчитать, сколько нужно времени для передачи.

Недостаток - любой узел функционирует в качестве повторителя, принимая и регенерируя маркер. В случае неправильной работы маркер мржет быть искажен или потерян.

многостанционный доступ частота коммутация

4. Метод Token Ring

Передача маркера по кольцу (кольцевая топология)

При получении пустого маркера ПК может передать сообщение в течении определенного времени. Такое сообщение называется кадр (frame). Приемник копирует сообщение в свою память, но не выводит его из кольца. Это делает передающий компьютер, когда получает свое сообщение обратно.

Существует механизм приоритетов.

Преимущество - надежность и простота.

Можно отключать неисправные ПК

5. Способы коммутации и передачи данных

Сеть передачи данных обеспечивает связь между абонентами путем установления соединений. Важная характеристика сети передачи данных - время доставки данных, которое зависит от структуры сети передачи данных, узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между абонентами и способа передачи данных по каналам.

Рассмотрим сеть передачи данных (диаграмма а):

Информационная связь между абонентами может устанавливаться 3-мя способами: коммутацией каналов, сообщений, пакетов.

6/ Коммутация каналов (диаграмма б)

Обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами.

Абонент ai инициирует установление связи с aj. Узел связи А, реагируя на адрес aj, устанавливает соединение, в результате чего линия абонента ai коммутируется с линией, соединяющей узел A и В. Затем процедура установления связи повторяется для узлов B, C, D. В конечном счете коммутируется канал между абонентами ai и aj. По окончании коммутации aj посылает сигнал обратной связи, после получения которого абонент ai начинает передавать данные. Время передачи данных зависит от длины сообщения и скорости передачи данных.

7.Коммутация сообщений (диаграмма в)

Производится путем передачи сообщения, содержащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. В заголовке сообщения указывается адрес абонента-получателя aj. Сообщение, генерируемое источником ai, принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В. Узел В принимает сообщение, размещая его в памяти; по окончании приема обрабатывает и выводит сообщение из памяти на линию связи, ведущую к следующему узлу, и т.д.

8. Коммутация пакетов (диаграмма г)

Пакет - элементарное сообщение, снабженное заголовком и имеющее фиксированную длину)

Передача данных осуществляется так же, как и при коммутации сообщений, но данные делятся на последовательность пакетов, длина которых ограничена предельным значением (1024 бит)

U3 < U1 < U2

Время доставки данных способом коммутации пакетов оказывается наименьшим. Исключение составляет случай, когда скоммутированный канал используется длительное время для передачи последовательности сообщений. В этом случае затраты времени на коммутацию канала разделяются между многими сообщениями и способ коммутации каналов обеспечивает минимальное время доставки.

Коммутация пакетов - основной способ передачи данных, т.к.:

приводит к малым задержкам при передаче данных,

способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что ужесточает требования к структуре сети передачи данных (это не требуется в 2-х других способах).

передача пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных - разделения времени работы канала для одновременной передачи нескольких потоков данных.

Благодаря этому эффективно используются линии связи сети, и одна линия связи обеспечивает одновременную работу многих абонентов.

Малая длина пакета позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщения.

надежность передачи данных по линиям связи невелика. Чем больше длина сообщения, тем выше вероятность искажения данных. Искажение исключается путем перезапроса данных, для чего пакеты приспособлены лучше, чем сообщения.

Выбор длины пакета производится исходя из размеров сообщений с учетом влияния длины пакета на время доставки данных, пропускной способности линии связи, емкости памяти.

В сетях передачи данных с коммутацией пакетов используются два способа передачи данных: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммный - передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. пакеты передаются как независимые объекты, в результате чего любой пакет может следовать любым из возможных маршрутов и поступать к получателю в любом порядке. Не гарантируется ни очередность, ни надежность доставки данных.

Виртуальный канал - передача данных в виде последовательностей связанных в цепочки пакетов. Основное свойство - сохранения порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает возможность поступления всех последующих пакетов. Виртуальный канал сохраняет все вышеописанные преимущества коммутируемых пакетов в отношении скорости передачи и мультиплексирования, но добавляет к ним еще одно - сохраняет естественную последовательность данных.

Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предварительной процедуры установления соединения. Виртуальный канал организуется с помощью специальных процедур установления соединения (как в системе телефонной связи), т.е. создается виртуальный канал, который после организации используется для передачи данных между абонентами, обеспечивая связь в двух направлениях. По окончании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресурсы возвращаются для установления новых виртуальных соединений.

Характеристики способов передачи данных.

Пакеты поступают в сеть передачи данных, имея в своем заголовке адрес порта назначения. Узел связи должен по этому адресу определить маршрут передачи - выходную линию связи, в которую надо передать пакет. При передаче данных по виртуальному каналу маршрутизация выполняется единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение. При передаче данных в форме дейтаграмм маршрутизация выполняется для любого отдельного пакета.

Выбор маршрутов в узлах связи производится по алгоритму маршрутизации - правилу назначения выходной линии связи на основе данных, содержащихся в заголовке пакета, и данных, представляющих состояние узла связи и сети в целом. Эффективность алгоритма маршрутизации характеризуется следующими показателями:

временем доставки пакетов

нагрузкой, создаваемой на сеть пакетами данных

затратами ресурсов в узлах связи

Алгоритмы маршрутизации имеют целью обеспечить непрерывное продвижение пакетов от источника к адресату с минимальным временем доставки и наиболее полным использованием пропускной способности сети.

Задача маршрутизации решается в условиях, когда топология сети изменяется в результате отказов линий и узлов связи. Пропускная способность зависит от уровня помех и параметров аппаратуры сети. Нагрузка на линии также меняется очень быстро.

Следовательно, чтобы решение было оптимальным, необходимо любому узлу предоставлять информацию о состоянии сети в целом (о топологии и пропускной способности можно сообщить, а о нагрузке информация приходит с опозданием). Поэтому во всех случаях алгоритмы маршрутизации работают в условиях неопределенности.

Классификация алгоритмов маршрутизации

простая фиксированная адаптивная

-случайная -однопутевая -локальная

-лавинная -многопутевая -распределенная

-централизованная

-гибридная

Простая - способ маршрутизации, не изменяющийся при изменении топологии и состояния сети.

Случайная - передача пакета из узла в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому пакет поступил в узел. Пакет с конечной вероятностью когда-либо достигнет адресата (не эффективно ни по времени, ни по пропускной способности).

Лавинная - передача пакета во всех направлениях, кроме того, по которому поступил пакет. Хотя бы одно направление обеспечит доставку за минимальное время (резко падает пропускная способность сети).

Простая маршрутизация, не обеспечивая направленной передачи пакета от источника приемнику, имеет низкую эффективность. Основное ее достоинство - обеспечение устойчивой работы при выходе из строя различных частей сети.

Фиксированная - способ выбора направления передачи по таблице маршрутизации, устанавливающей направление передачи для любого узла назначения. Эти таблицы вводятся в узлы связи от управляющего центра сети. При отказе линий связи необходимо менять таблицы. Для этого по узлам сети рассылается управляющий пакет, содержащий сведения об отказе, реагируя на которые, узлы меняют таблицы.

однопутевая - в таблицах один путь между двумя абонентами.

многопутевая - возможно несколько путей.

Адаптивная - способ выбора направления передачи, учитывающий изменение состояния сети. Узлы принимают решение о выборе маршрута, реагируя на разного рода данные об изменении топологии и нагрузки. Адаптивная маршрутизация обеспечивает выбор маршрута, близкого к оптимальному, т.е. уменьшает время доставки и увеличивает пропускную способность. Это наиболее распространенный способ.

локальная - основана на использовании информации, имеющейся в отдельном узле. Эта информация включает в себя:

-таблицу маршрутов, определяющую все направления передачи пакетов;

-данные о текущем состоянии выходных каналов;

-длину очередей пакетов, ожидающих передачи по выходным каналам

информация о состоянии других узлов не используется

Распределенная - основана на использовании информации, полученной от соседних узлов сети.

Централизованная - основана на использовании информации, получаемой от центра маршрутизации. При этом любой узел сети формирует сообщения о своем состоянии - длине очередей, работоспособности линий связи. Центр маршрутизации на основе этих сведений формирует таблицы и рассылает их по узлам. Временные задержки при передаче данных в центр, формировании таблиц и их рассылке снижают эффективность, кроме того, недостатком является потеря управления сетью при отказе центра.

Гибридная - основана на использовании таблиц, периодически рассылаемых центром, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Если таблица, сформированная для узла центром, определяет единственное направление передачи пакета, то пакет передается именно в этом направлении. Если несколько направлений, то узел сам выбирает в зависимости от очередей по алгоритму локальной маршрутизации. Этот способ компенсирует недостатки централизованного и локального способов.

Заключение

В заключение необходимо остановиться еще на одной проблеме, связанной с реализацией всемирного стандарта мобильной связи. Речь идет о выделении частотных полос для наземных и спутниковых сегментов глобальных систем IMT-2000 и UMTS.

Как уже отмечалось, для IMT-2000 были выделены полосы 1885 - 2025 и 2110 - 2200 МГц. В положении S5.388, внесенном в Регламент радиосвязи на ВАКР-92, отмечалось, что эти полосы предназначены для использования на всемирной основе администрациями, желающими внедрить системы IMT-2000. Подчеркивалось также, что такое присвоение не препятствует использованию этих полос другими службами, которым ранее были предоставлены эти полосы.

Однако перспектива совместного использования общей полосы различными радиослужбами таит в себе возможность различных конфликтных ситуаций. Поэтому администрациям связи тех государств, которые являются членами МСЭ, пришлось провести ряд исследований и разработать план перевода существующих радиослужб в другие частотные диапазоны. Многие государства уже начали выводить существующие службы из этих полос и планировать развертывание систем IMT-2000.

Традиционными системами, использующими эту полосу частот, являются радиорелейные линии связи прямой видимости (РРЛ). На территории Украины, России и других стран СНГ действуют, в частности, радиорелейные системы КУРС-2, для которых выделен диапазон 1700 - 2100 МГц. Согласно плану рабочих частот в полосе 400 МГц размещаются 6 дуплексных ВЧ стволов. Для освобождения этой полосы и развертывания РРЛ в других диапазонах требуется время и средства.

Поскольку стандарт UMTS должен работать в совместимых режимах с глобальной системой IMT-2000, то оба проекта будут использовать частоты, выделенные на конференции ВАКР-92. В соответствии с решением Европейского радиокоммуникационного комитета (ERC), принятым 1 октября 1997 г., для наземного сегмента UMTS выделены полосы 1900 - 1980 МГц; 2010 - 2025 МГц и 2110 - 2170 МГц. Для спутникового сегмента UMTS выделены полосы 1980 - 2010 МГц (Земля - спутник) и 2170 - 22000 МГц (спутник - Земля) с дуплексным разносом 190 МГц.

Согласно прогнозам МСЭ, с развитием современных технологий все большее количество пользователей будет нуждаться в новейших услугах подвижной радиосвязи, к которым помимо передачи речи добавятся разнообразные компьютерные приложения и скоростной доступ в internet. Следовательно, возрастут скорости передачи, а вместе с ними и необходимые полосы пропускания приемо-передающего оборудования.

Размещено на Allbest.ru