Частотное уплотнение

В сетях с частотным уплотнением сигналов (широкополосных сетях) полоса частот разбита на ряд не перекрывающихся частотных поддиапазонов. Каждой паре взаимодействующих между собой узлов выделяется один из поддиапазонов. В любой момент времени обращаться к сети могут одновременно много абонентов, поскольку они используют разные поддиапазоны частот. Когда два узла устанавливают между собой связь через широкополосную сеть, им выделяется определенный частотный поддиапазон, поэтому нет необходимости указывать адрес перед блоком данных и накладывать ограничение на длительность передачи. При аналоговой связи может быть использован только этот метод. На нем основаны все аналоговые стандарты сотовой связи: NМТ, АМРS, ТАСS

Преимущество метода частотного уплотнения: в отличие от временного уплотнения он позволяет многим абонентам одновременно обмениваться данными через сеть. Однако на число одновременно обращающихся к сети абонентов накладывается естественное ограничение. Если в какой-либо момент времени заняты все выделенные поддиапазоны частот, то никто больше не сможет получить доступ к сети. Хотя метод частотного уплотнения обеспечивает более высокое быстродействие сети, при его использовании общее число абонентов может быть меньше, чем при временном уплотнении.

Некоторые изготовители сетевого оборудования ориентируются на те же поддиапазоны частот, что и фирмы, выпускающие компоненты систем кабельного телевидения. Это дает возможность использовать в сетях недорогие и надежные подсистемы и блоки, предназначенные для кабельного телевидения.

Следует отметить, что пик своего развития аналоговые системы прошли в 1993 году, после которого наблюдается устойчивое снижение числа их абонентов. Пока самым распространенным аналоговым стандартом в мире остается АМРS.

29

В сетях с временным уплотнением в любой конкретный момент времени передачу данных по каналу связи ведет одно устройство, занимая всю полосу частот системы. Метод обеспечивает высокую скорость передачи. Но для того, чтобы дать возможность многим абонентам обращаться к сети, длительность каждой передачи должна ограничиваться по времени. К каждому блоку данных присоединяется адрес того узла, на который должны пересылаться эти данные. Каждый узел постоянно контролирует адреса на шине, чтобы выявить блоки данных, направляемые именно ему. Возможности канала связи с временным уплотнением сигналов ограничиваются тем, что в конкретный момент времени передавать данные через подобную сеть может только один абонент. На практике общее число абонентов информационной сети зависит от средней длины сообщений и количества сообщений, которые необходимо передать за определенное время. На этом методе основаны такие узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM.

Недостатки: они подвержены периодическому затуханию и не всегда обеспечивают высокое качество в условиях многолучевого приема, когда из-за сложного рельефа местности возникают многочисленные переотражения радиосигнала. Центр коммутации сотовой сети поддерживает связь только между одной базовой станцией и абонентом. Когда же абонент начинает перемещаться в соседнюю ячейку, центр коммутации организует новый канал связи через соседнюю базовую станцию и в определенный момент времени (при заданном соотношении уровней сигналов от обеих базовых станций) принимает решение о переключении каналов ("жесткое переключение", или "hard hand – off"). Неприятность тут в том, что связь с одной базовой станцией разрывается до того, как установится новая связь с другой станцией. В результате в течение некоторого интервала времени абонент не связан ни с одной базовой станцией. Этот момент обычно ощутим для абонента в виде помехи, а иногда он заканчивается и обрывом связи.

30

Применяются цифровые системы, выполненные по технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) или, как его называют, СDМА (Соdе Division Multiple Access). Такие системы используют шумоподобные сигналы с расширенным спектром. Сам принцип СDМА заключается в расширении спектра исходного информационного сигнала, которое может производиться различными методами:"скачки по частоте", "прямая последовательность".

"Скачки по частоте" (или FН – Frequency Hopping): несущая частота в передатчике постоянно меняет свое значение в заданных пределах по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы времени. Приемник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. Метод "прямой последовательности" (или DS – Direct Sequence) основан на использовании шумоподобных сигналов и применяется в большинстве работающих и перспективных систем с кодовым разделением каналов. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала каждого абонента единственным и уникальным в данном случае псевдослучайным шумоподобным сигналом (он и является кодом), который и расширяет спектр исходного информационного сигнала. В результате проведения этого процесса узкополосный информационный сигнал каждого пользователя расширяется во всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей сети. В приемнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода, в результате чего получается исходный информационный сигнал. Сигналы остальных пользователей для данного приемника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им лишь как "белый шум", слабо мешающей нормальной работе приемника. Представим себе комнату, в которой одновременно разговаривает много пар людей, причем на разных языках, каждая пара на своем языке. Каждый из них хорошо понимает собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как фон и не мешают разговору. При этом обеспечивается высокая степень защиты от помех, что позволяет работать при низких значениях отношения сигнал/шум (3-5 дБ) со значительно меньшей мощностью передаваемого сигнала по сравнению с другими методами кодирования. Таким образом, в одном и том же радиочастотном канале одновременно передаются информационные сигналы большой группы пользователей. Отметим, что расширение спектра сигналов позволяет противодействовать преднамеренным искусственным помехам. Если расширить базу радиосигнала до очень больших величин, то сигнал передатчика можно сделать ниже уровня шумов, которые сможет наблюдать потенциальный противник. На приемной же стороне исходный сигнал будет восстановлен. Таким образом, подобные системы можно применять, не мешая работе других радиосредств, использующих тот же диапазон радиочастот. Процесс передачи сигналов СDМА затруднен без надежной системы синхронизации, которая обеспечивается путем приема сигналов радионавигационной спутниковой Глобальной системы позиционирования (GPS). Приемник GPS находится на каждой базовой станции системы СDМА.

31

В локальных информационных сетях информация передается отдельными порциями- пакетами (кадрами или блоками). Использование пакетов связано с тем, что в сети одновременно может происходить несколько сеансов связи, а любое информационное сообщение имеет конечный объем и может быть разделено на несколько порций. Пакеты позволяют разделить во времени канал связи между передающими информацию абонентами. Если бы вся требуемая информация передавалась непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к возможности монопольного захвата сети одним из абонентов. Пакеты уравнивают в правах всех абонентов, обеспечивают высокую интегральную скорость передачи.Структура пакета определяется:аппаратурными особенностями сети,выбранной топологией, типом среды передачи информации, используемым протоколом (порядком обмена информацией).Типичный пакет содержит:

• стартовая комбинация (не обязательна) - обеспечивает настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета,

• сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента - индивидуальный или групповой номер, присвоенный принимающему абоненту в сети; позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему;

• сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента - индивидуальный или групповой номер, присвоенный передающему абоненту, информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет;

• служебная информация - указывает на тип пакета, на то, что с ним надо делать и т.д.;

• данные - информация, ради передачи которой используется данный пакет;

• контрольная сумма пакета - числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете, используется для проверки правильности передачи пакета на приемном конце;

• стоповая комбинация (не обязательна) - информирует принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема.

Часто формат пакета представляют тремя укрупненными полями: 1) начальное управляющее поле пакета, то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию. Начальное управляющее поле называют заголовком пакета, 2) поле данных пакета, 3) конечное управляющее поле пакета, включающее в себя контрольную сумму и стоповую комбинацию.

В служебную информацию могут входить указание на маршрут пакета (в сложных сетях, состоящих из нескольких сетей, соединенных между собой), а также код длины поля данных. Пакеты делятся на два основных типа: управляющие (не содержат поля данных) и информационные (поле данных присутствует). Управляющие пакеты служат для решения вспомогательных задач по обмену в сети, например, для установления соединения между абонентами, для завершения соединения после прекращения сеанса обмена, для подтверждения приема информационного пакета. Передающий абонент сначала запрашивает с помощью управляющего пакета принимающего абонента о готовности принять данные. Принимающий абонент отвечает управляющим пакетом о своей готовности. Затем следует передача данных, причем на каждый информационный пакет от передатчика приемник отвечает пакетом подтверждения приема. После окончания передачи данных передающий абонент заканчивает сеанс связи управляющим пакетом.

В начале кадра (пакета) сети Ethernet передается преамбула (стартовая комбинация), затем сетевые адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика), затем следуют управляющие байты, байты данных и контрольная сумма. в сети Ethernet имеется ограничение на минимальную длину пакета (ограничение снизу количества байт данных).

Рис2. Структура кадра (пакета) сети Ethernet (цифры показывают количество байт)

Существуют два термина, относящихся к сетям вообще: коммутация пакетов и коммутация каналов (цепей). При коммутации пакетов по одному каналу идут пакеты разного назначения с временным разделение

Т м. При этом информационное сообщение большого объема разбивается на несколько пакетов. Каждый абонент отлавливает в сети те пакеты, которые адресованы ему, затем объединяет их и восстанавливает исходное информационное сообщение. При коммутации каналов (цепей) производится физическое переключение различных каналов (обычная телефонная сеть). Коммутация в данном случае осуществляется в узлах коммутации (телефонные станции).

32

В локальную сеть всегда входит несколько абонентов, причем каждый из них, в любой момент может обратиться к сети. Если абонентный узел связывается с другим узлом через один общий канал, то это приводит к проблеме совместного использования канала и разрешения конфликтов за "захват" общего канала. Поэтому требуется управление обменом с целью упорядочения использования сети, предотвращения или разрешения конфликтов. Иначе происходит искажение передаваемой информации. Известно много способов управления передачей информации в канале (методов доступа). Так как к каналу подключено большое число абонентов, которые могут одновременно запросить доступ, то любой из методов доступа в ЛВС относится к методам множественного доступа. Выбор метода связан с топологией сети. Методы множественного доступа (арбитража сети) разделяются на две группы:

• методы с детерминированным доступом

• методы со случайным доступом.

В сетях с детерминированным доступом общий канал распределяется между абонентами по определенному алгоритму в детерминированные моменты времени. При синхронном распределении число интервалов использования канала соответствует числу абонентов в сети. Каждому абоненту выделяется определенный фиксированный интервал времени, в течение которого он имеет доступ к каналу для передачи информации. В этом случае может возникнуть ситуация, когда одни абоненты не успевают передать информацию, а другие - не имеют информации для передачи в отведенные интервалы времени. Поэтому синхронный метод, хотя и отличается простотой, используется при малом числе абонентов с ограниченным объемом информации.

При асинхронном распределении доступа учитывается интенсивность и объем информации, передаваемой каждым абонентом, что приводит к различным интервалам доступа для разных абонентов. При детерминированном доступе с передачей полномочий (права) абонент, получивший право на использование канала, выдает свою информацию и затем передает свои полномочия другому абоненту, в алгоритме обслуживания канала. Если у абонента в данный момент времени нет информации для передачи, то он отдает свои полномочия следующему абоненту. Метод позволяет легко реализовать приоритетный доступ абонентов к каналу связи.

33

Методы случайного доступа применяются в сетях с большим числом абонентов. Они позволяют уменьшить объем управляющей информации и увеличить интенсивность доступа. При случайном доступе каждый абонент может затребовать запрос на передачу в любой момент времени, что приводит к конфликтам за захват канала. При распределении частот бесконтрольного случайного доступа по закону Пуассона обеспечивается около 18% относительной пропускной способности канала. Для повышения пропускной способности канала при случайном доступе разработан ряд модификаций:

• Случайный доступ с обнаружением передачи (с прослушиванием канала) представляет возможность каждому абоненту прослушивать канал перед передачей информации. Если абонент обнаруживает передачу сообщений, то он ожидает конца передачи. Прослушивание канала перед передачей позволяет резко уменьшить вероятность возникновения конфликтов за захват канала и повысить пропускную способность канала до 80%.

Случайный доступ с контролем столкновений обеспечивает одновременно с передачей прослушивание канала. Если несколько абонентов ведут одновременную передачу, то они прекращают ее и пытаются возобновить через случайные промежутки времени. Совместное использование этих двух способов позволяет довести относительную пропускную способность канала до 90%.

34