Введение
Средства для связи множества терминалов через один канал передачи
В телекоммуникациях и компьютерных сетях метод доступа к каналу или метод множественного доступа позволяет более чем двум терминалам, подключенным к одному и тому же носителю передачи, осуществлять передачу данных и совместно использовать его пропускную способность. Примерами общих 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 также может являться частью протокола множественного доступа и механизма управления, также известного как управление доступом к среде (MAC). Управление доступом к среде решает такие задачи, как адресация, назначение мультиплексных каналов различным пользователям и предотвращение коллизий. Управление доступом к среде является подслоем канального уровня модели OSI и компонентом сетевого уровня модели TCP/IP.
Разделение частоты многократного доступа
Система множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) является наиболее распространенной аналоговой системой, основанной на схеме частотного мультиплексирования (FDM), которая предоставляет различные полосы частот для разных потоков данных. В случае FDMA частотные полосы выделяются различным узлам или устройствам. Примером систем FDMA служат системы сотовой связи первого поколения (1G), в которых каждому телефонному вызову назначался определенный канал восходящей частоты и отдельный канал нисходящей частоты. Каждый информационный сигнал (каждый телефонный вызов) модулируется на определенной несущей частоте. Связанной технологией является множественный доступ по разделению длин волн (WDMA), основанный на мультиплексировании по разделению длин волн (WDM), где различным потокам данных соответствуют разные цвета в волоконно-оптических линиях связи. В случае WDMA различным узлам сети в шинной или кольцевой топологии назначается разный цвет. Усовершенствованной формой FDMA является схема ортогонального частотного множественного доступа (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) различным пользователям. Распределение поднесущих пользователям может динамически изменяться в зависимости от текущих условий радиоканала и нагрузки на сеть. Однонесущая FDMA (SC FDMA), также известная как линейно предкодированная OFDMA (LP OFDMA), основана на частотной эквализации с одним носителем (SC FDE).
Многократный доступ с разделением по времени
Система множественного доступа с разделением по времени (TDMA) основана на схеме временного мультиплексирования (TDM). TDMA предоставляет различные временные слоты различным передатчикам в циклически повторяющейся структуре кадра. Например, узел 1 может использовать временной слот 1, узел 2 – временной слот 2 и так далее до последнего передатчика, после которого последовательность начинается заново. Усовершенствованной формой является динамическая TDMA (DTDMA), при которой назначение передатчиков временным слотам изменяется на каждом кадре. Многочастотный множественный доступ с разделением по времени (MF TDMA) объединяет множественный доступ по времени и частоте. Например, сотовые системы 2G основаны на комбинации TDMA и FDMA. Каждый частотный канал разделен на восемь временных слотов, из которых семь используются для семи телефонных вызовов, а один – для передачи сигнальных данных. Статистический множественный доступ с временным разделением каналов обычно также основан на временном мультиплексировании, но не в циклически повторяющейся структуре кадра. Благодаря своему случайному характеру, он может быть отнесен к статистическим методам мультиплексирования и способен к динамическому распределению полосы пропускания. Для этого требуется протокол управления доступом к среде (MAC), то есть принцип, позволяющий узлам поочередно использовать канал и избегать коллизий. Распространенными примерами являются CSMA/CD, используемый в шинных сетях Ethernet и сетях с концентраторами, и CSMA/CA, используемый в беспроводных сетях, таких как IEEE 802.11.
Кодовый многократный доступ и расширенный многократный доступ к спектру
Схема множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) основана на расширении спектра, что означает использование большей полосы пропускания радиоканала, чем требуется для скорости передачи данных отдельных потоков битов, и одновременную передачу нескольких сигналов сообщений на одной и той же несущей частоте с использованием различных кодов расширения. Согласно теореме Шеннона — Хартли, большая полоса пропускания позволяет передавать сигнал при отношении сигнал/шум, значительно меньшем 1 (менее 0 дБ), что означает, что мощность передачи может быть снижена до уровня ниже уровня шума и интерференции от других сигналов сообщений, использующих тот же диапазон частот. 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 символ) представлен длинной кодовой последовательностью, состоящей из нескольких импульсов, называемых чипами. Эта последовательность и является кодом расширения, и каждый сигнал сообщения (например, каждый телефонный звонок) использует свой собственный код расширения. Другой формой является CDMA с частотным переходом (FH-CDMA), основанная на расширении спектра с частотным переходом (FHSS), где частота канала быстро изменяется в соответствии с последовательностью, составляющей код расширения. Например, система связи Bluetooth основана на комбинации частотного переключения и либо статистического мультиплексирования с произвольным доступом (CSMA/CA) по времени (для приложений передачи данных), либо временного разделения каналов (TDMA) (для передачи аудио). Все узлы, принадлежащие одному пользователю (одной пикосети), синхронно используют одну и ту же последовательность частотного переключения, то есть передают по одному и тому же частотному каналу, но для предотвращения коллизий в VPAN используется CDMA/CA или TDMA. Частотное переключение используется в Bluetooth для снижения перекрестных помех и вероятности коллизий между узлами в разных VPAN. К другим методам относятся OFDMA и многонесущий код множественного доступа с кодовым разделением (MC-CDMA).
Многократный доступ к разделителю пространства
Многостанционный доступ с пространственным разделением (SDMA) передает различные данные в разных физических областях. Примеры включают в себя простые системы сотовой радиосвязи и более совершенные сотовые системы, использующие направленные антенны и регулировку мощности для формирования пространственных диаграмм передачи.
Многократный доступ к энергоразделению
Система множественного доступа с разделением мощности (PDMA) основана на использовании переменной мощности передачи между пользователями для распределения доступной мощности по каналу. Примером могут служить несколько модемов SCPC на спутниковом транспондере, где пользователи по запросу получают большую долю бюджета мощности для передачи данных с более высокой скоростью.
Методы пакетной работы
Методы доступа к каналу в пакетном режиме выбирают один сетевой передатчик на время передачи пакета. Некоторые методы лучше подходят для проводной связи, а другие – для беспроводной. Истоки CDMA восходят к 1940-м годам, когда технология была запатентована правительством США и использовалась во время Второй мировой войны для передачи сообщений. Однако после войны патент истек, использование CDMA сократилось и было в значительной степени заменено TDMA. К моменту основания Qualcomm, Джейкобс уже работал над решением проблем телекоммуникаций для военных, используя цифровые технологии для повышения эффективности использования спектра. Qualcomm понимала, что CDMA значительно повысит эффективность и доступность беспроводной связи, но индустрия беспроводной связи, уже инвестировав миллионы долларов в TDMA, относилась к этому скептически. Джейкобс и Qualcomm потратили несколько лет на совершенствование инфраструктуры и проведение тестов и демонстраций CDMA. В 1993 году CDMA была принята в качестве отраслевого стандарта беспроводной связи. К 1995 году CDMA начала коммерчески использоваться в индустрии беспроводной связи как основа для 2G.