Тема 11. Методы множественного доступа с временным разделением каналов (ТDMA). Дуплекс с временным разделением (TDD)

Схема множественного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, ТDMА) предусматривает распределение канальных ресурсов на базе технологии ТDM. Для этой цели можно использовать фиксированную схему (т.е. выделить каждому каналу определённые временные интервалы) или схему с динамическим распределением интервалов времени. В случае динамического распределения, как и в обычных проводных схемах МАС, для каждой передачи потребуется использовать идентификацию (например, указывать адрес передатчика). В фиксированных схемах распределения доступа идентификация не нужна, но эти схемы являются менее гибкими в отношении изменения требований к пропускной способности системы. Очень часто схема TDMA объединяется со схемой FDMA.

Фиксированная схема ТDM

Фиксированное распределение временных интервалов между устройствами является простейшим алгоритмом использования схемы ТDM. Распределением занимается базовая станция (центральное устройство), которая сообщает каждому абонентскому устройству время начала передачи. Подобная схема идеально подходит для соединений с фиксированной пропускной способностью. Кроме того, эти схемы гарантируют фиксированную задержку. Например, в системах стандарта DECT передача данных гарантировано происходит каждые 10 мс. Схемы ТDMА с фиксированным распределением доступа используются во многих мобильных телефонных системах, в частности в системах IS-54, IS-136, GSM, DECT, PHS, PACS.

На рис. 11.1. показано, как фиксированные схемы ТDM применяются для организации множественного доступа и установления дуплексного канала между базовой и мобильной станциями. Присвоение различных интервалов исходящей и нисходящей линиям связи, использующим одинаковую несущую частоту, называется дуплексом с временным разделением (TDD). Базовая станция, изображённая на рисунке, использует для нисходящей линии один из двенадцати доступных временных интервалов. Мобильная станция для исходящей линии связи использует один из следующих 12 временных интервалов. Таким образом работа исходящей и нисходящей линий разделена во времени. Более того, в этой схеме одинаковую частоту без взаимных помех могут использовать до 12 различных мобильных станций. В приведённом примере, который является стандартным для беспроводной телефонной системы DECT, схема распределения сигналов повторяется каждые 10 мс, т.е. каждый выделенный интервал имеет продолжительность 417 мкс. Подобный

механизм обеспечивает каждой мобильной станции доступ к среде каждые 10 мс, причём независимо от других соединений.

Рис. 11.1. Использование временного уплотнения для организации множественного доступа при дуплексных соединениях

Фиксированные схемы доступа, как показывает пример системы DECT, идеально подходят для соединений с постоянной интенсивностью передачи данных. В то же время для пульсирующего информационного обмена или ассиметричных соединений их использование оказывается неэффективным, поскольку в этом случае поток данных от базовой станции к мобильной или наоборот оказывается неравномерным.

Классическая схема Aloha

Классическая схема Aloha – это схема случайного доступа без управления доступом к среде передачи. Данная схема была изобретена в Гавайском университете и применялась в сети ALOHANET для беспроводного соединения нескольких станций. Схема Aloha не только не координирует доступ к среде, но и не решает конфликтов на уровне МАС. Вместо этого каждой станции доступ к среде предоставляется в любое время, как показано на рис. 11.2. Это схема случайного доступа без централизованного разрешения конфликтов и координации действий между отдельными станциями. Когда доступ к среде осуществляют одновременно две или больше станций, возникает конфликт, и передаваемые данные разрушаются. Данная проблема решается на высших уровнях системы (например, с помощью механизма повторной передачи данных).

Простая схема Aloha хорошо работает при слабой нагрузке и не требует никаких сложных механизмов управления доступом к среде. При пуассоновском распределении частот поступления пакетов данных максимальная пропускная способность системы достигается при 18процентной нагрузке.

Рис. 11.2. Множественный доступ в классической схеме Aloha

Aloha с разделением

Первым усовершенствованием классической схемы Aloha было введение временных интервалов (Aloha с разделением). В этом случае все передатчики должны быть синхронизированы, а передача может начинаться только в начале временного интервала, как показано на рис. 11.3. Доступ к среде по-прежнему не координируется. При сделанных выше допущениях введение интервалов увеличивает уровень загрузки, при которой достигается максимальная пропускная способность системы, с 18

до 36%.

Рис. 11.3. Множественный доступ в схеме Aloha с разделением

Оба основных принципа Aloha присутствуют во многих системах, реализующих распределенный доступ к среде. Системы Aloha с разделением отлично работают при относительно слабой загрузке (как и большинство прочих систем). В то же время они не предоставляют твёрдых гарантий качества передачи, в частности, не оговаривается максимальная задержка доступа к среде и минимальная пропускная способность всей системы. Здесь необходимы дополнительные механизмы, например, объединение схемы Aloha с другими схемами.

Множественный доступ с детектированием несущей, CSMA

Детектирование наличия несущей частоты перед доступом к среде является еще одним возможным усовершенствованием основной схемы Aloha. Оно обычно используется в схемах множественного доступа с детектированием несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA).

Детектирование несущей частоты и разрешение доступа к среде только

тогда, когда несущая отсутствует, уменьшает вероятность возникновения конфликтов. Однако скрытые терминалы обнаружить невозможно. Поэтому, если скрытый терминал передает данные одновременно с другим передатчиком, в приемнике может возникнуть конфликт. Эта схема управления доступом используется в большинстве беспроводных ЛВС.

Существует несколько версий схемы CSMA. При использовании неустойчивой схемы CSMA станции детектируют несущую и, если среда свободна, немедленно начинают передачу. Если среда занята, станция перед определением состояния среды выжидает случайный промежуток времени и повторяет свои действия.

В р-устойчивых схемах CSMA станции тоже определяют состояние среды, но данные передаются с вероятностью р. Станция может отложить передачу до следующего временного интервала с вероятностью 1 - р, т.е. доступ дополнительно разделен.

В 1-устойчивых схемах CSMA все станции, которым необходимо передавать данные, одновременно получают доступ к среде, как только она освобождается. Для того, чтобы станции, ожидающие длительное время, имели некоторое преимущество в доступе к среде, можно пользовать алгоритмы с обратной связью, чувствительные ко времени ожидания. Подобные механизмы применяются, в частности, в стандартной системе

Ethernet .

Множественный доступ с распределением по запросу, DAMA

Общего усовершенствования систем доступа Aloha можно также добиться с помощью механизмов резервирования и объединения с некоторыми (фиксированными) схемами TDM. В этих схемах после периода передачи обычно следует период резервирования. На протяжении периода резервирования станции могут забронировать за собой будущие временные интервалы в периоде передачи. В течение периода резервирования могут происходить конфликты. В то же время, в зависимости от схемы, на протяжении периода передачи конфликты или вообще не возникают, или период передачи разбивается на меньшие периоды – с конфликтами и без них. Вообще говоря, эти схемы приводят к большей задержке при слабой загрузке системы, но обеспечивают ей более высокую пропускную способность.

Одной из основных схем TDM является множественный доступ с распределением по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA),

называемый также схемой Aloha с резервированием. Эта схема часто применяется в спутниковых системах и имеет два режима (рис. 11.4). На этапе борьбы за доступ к среде, проводящейся в соответствии со схемой Aloha с разделением, все станции пытаются зарезервировать для себя будущие временные интервалы. Например, различные наземные станции пытаются зарезервировать за собой время доступа для спутниковой

передачи. Поэтому конфликты на стадии резервирования не приводят к повреждению данных, а влияют только на относительно короткие запросы на передачу данных. Если будущий временной интервал удалось зарезервировать, то ни одна другая станция не может в это время осуществлять передачу. Таким образом, спутник собирает все успешные запросы (остальные разрушаются) и посылает назад список с указанием прав доступа к последующим интервалам. Этому списку подчиняются все наземные станции. Для поддержания работы фиксированной схемы резервирования и передачи (TDM) все станции время от времени синхронизируются. Схема DAMA относится к схемам с явным резервированием. Каждый интервал для передачи резервируется явно.

Рис. 11.4. Множественный доступ с распределением по запросу

Множественный доступ с резервированием пакетов, PRMA

Множественный доступ с резервированием пакетов (Packet Reservation Multiple Access, PRMA) является примером схемы со скрытым резервированием. Здесь интервалы резервируются неявно согласно следующей схеме. Определённое число интервалов образует кадр (на рис. 11.5 кадр содержит 8 интервалов). Кадры повторяются во времени (на рисунке показаны кадры с первого по пятый), т.е. применяется фиксированная схема TDM.

Базовая станция распространяет информацию о состоянии каждого интервала между всеми мобильными станциями (как показано на рисунке слева). После получения этого вектора всем станциям будет известно, какой из интервалов занят, а какой в данное время свободен. В приведённом на рис. 11.5 примере базовая станция рассылает для всех станций от А дo F состояние схемы резервирования, имеющее вид «ACDABA-F». Это означает, что в следующем цикле передачи интервалы с первого по шестой и восьмой интервал заняты, а седьмой интервал пока свободен. Все станции, которым необходимо передавать данные, состязаются между собой согласно схеме Aloha за право использовать этот интервал. В описанном примере на него претендует более чем одна станция, поэтому возникает конфликт. Базовая станция возвращает состояние «ACDABA-F», указывая на то, что резервирование седьмого интервала оказалось неудачным и он пока не зарезервирован, а для других

интервалов тоже ничего не изменилось. Станции опять могут состязаться за седьмой интервал. Кроме того, станции D и F на третьем и восьмом интервалах приостановили передачу. Всё это отмечается базовой станцией после завершения второго кадра.

Рис. 11.5. Множественный доступ с разделением по запросу и скрытым резервированием

В начале третьего кадра базовая станция указывает, что теперь третий и восьмой интервалы освободились. Кроме того, базовой станцией отмечается, что станции F удалось зарезервировать седьмой интервал. Технология PRMA включает ещё одну комбинацию фиксированных и случайных схем TDM с резервированием, отличную от рассмотренной выше. Как только какой-нибудь станции удаётся выполнить резервирование, на ней неявно закрепляются все будущие интервалы данной серии. Этот механизм обеспечивает постоянную скорость передачи данных в системе. Схема Aloha с разделением используется только для свободных интервалов, а начатая передача данных не нарушается конфликтами.

Схема TDMА c резервированием

Схема TDMА c резервированием (рис. 11.6) имеет еще более фиксированную структуру, также обеспечивающую определенный случайный доступ. В фиксированной схеме TDM кадр образуется из N мини-интервалов, за которыми следуют N*k интервалов для данных. Каждой станции присваивается ее собственный мини-интервал. С его помощью она может зарезервировать до k интервалов для данных. Это обеспечивает каждой станции некоторую пропускную способность и фиксированную задержку. Остальные станции могут пересылать данные через свободные интервалы. Использование этих свободных интервалов можно регулировать простой круговой схемой, а можно и не координировать, применив схему Aloha. Подобная схема позволяет использовать, например, комбинацию изохронного информационного

обмена с фиксированной скоростью передачи данных и максимально интенсивного информационного обмена без каких-либо гарантий.

Рис. 11.6. Схема доступа TDMA с резервированием

Множественный доступ с предотвращением конфликтов

Системы с базовыми станциями, использующие схему TDM, не испытывают проблем со скрытыми терминалами. Если для базовой станции терминал скрыт, она не сможет с ним связаться. Проблема скрытых терминалов в системах без базовых станций решается с помощью схемы множественного доступа с предотвращением конфликтов (Multiple Access with Collision Avoidance, MACA).

Эта схема относится к схемам Aloha со случайным доступом, но с динамическим резервированием. На рис. 11.7 изображена следующая ситуация: терминалам А и С необходимо передать данные на терминал В. Терминал А начинает передачу, но для терминала С он является скрытым. Поэтому, когда терминал С начинает свою передачу, в терминале В возникает конфликт.

Рис. 11.7. Решение проблемы скрытых терминалов в схеме МАСА

В схеме МАСА терминал А, перед тем как начать передачу, посылает сигнал "готов к передаче" (RTS). Терминал В принимает сигнал RTS, содержащий адрес передатчика и приемника, а также продолжительность будущей передачи. Сигнал RTS не достигает терминал С. Далее инициируется отправка терминалом В сигнала подтверждения "готов к приему" (CTS). Сигнал CTS тоже содержит адрес передатчика и приемника и продолжительность будущей передачи. Этот сигнал достигает терминала С, и среда на время передачи резервируется для будущего ее использования терминалом А. После приема сигнала CTS

терминалу С не разрешается посылать что-либо на терминал В на протяжении всего времени, указанного в сигнале. Таким образом, во время передачи данных конфликт в терминале В возникнуть не может, и проблема скрытых терминалов решается.

Конфликты все еще могут возникать при передаче сигнала RTS. Этот сигнал могут одновременно послать и терминал А, и терминал В. Однако, в сравнении с временем передачи данных, сигнал RTS является очень коротким, поэтому вероятность конфликта значительно ниже. Терминал В разрешает проблему состязания, указывая в сигнале CTS только одну станцию (если ему вообще удается восстановить сигнал RTS). Без соответствующего сигнала CTS передача не разрешается. Описанная схема является одной из дополнительных схем, принятых в стандарте IEEE 802.11.

Существует также проблема "открытых терминалов". В этом случае терминалу В нужно передать данные на терминал А, а терминал С – какому-то другому терминалу. Терминал С определяет состояние среды. Она занята передачей с терминала В. Поэтому терминал С откладывает свою передачу, несмотря на то, что она не может вызвать конфликт в терминал А.

Рис. 11.8. Решение проблемы открытых терминалов в схеме МАСА

При использовании схемы МАСА терминал В сперва передает сигнал RTS (рис. 11.8), содержащий название приемника (А) и передатчика (В). Терминал С на это сообщение не реагирует, так как не является приемником. В то же время терминал А посылает сигнал CTS, в котором терминал В определяется как передатчик, а терминал А – как приемник будущей передачи. Терминал С не принимает этого сигнала CTS и заключает, что терминал А находится вне зоны детектирования. Поэтому терминал С может начинать свою передачу, не вызывая конфликта в терминале А. Проблема открытых терминалов решается без фиксированных схем доступа и базовых станций. Одним из недостатков схемы МАСА являются дополнительные затраты, связанные с передачей сигналов RTS и CTS; если пакеты данных относительно небольшие, этими затратами нельзя пренебречь.

Метод опроса

Рассмотрим случай, когда передача одной из станций должна приниматься всеми остальными (примером может быть базовая станция в мобильной телефонной сети или любая другая выделенная станция). В этой ситуации можно применить схему опроса

Опрос – это строго централизованная схема с одной главной и несколькими подчиненными станциями.

Главная станция может опрашивать подчиненные станции несколькими способами:

-циклически – главная станция поочерёдно опрашивает все подчинённые станции (эта схема эффективна только в том случае, когда интенсивность информационного обмена у всех станций примерно одинакова);

-случайно;

-по мере поступления информации – главная станция обращается к той станции, для которой у нее есть данные на передачу;

-согласно резервированию. Формирование списка опроса происходит на этапе резервирования. Затем согласно этому списку главная станция опрашивает подчинённые станции.

Множественный доступ с детектированием подавления

Множественный доступ с детектированием подавления (Inhibit Sense Multiple Access, ISMA) является еще одной комбинацией нескольких различных схем. Эту схему также называют множественным доступом с цифровым детектированием – Digital Sense Multiple Access, DSMA. Здесь доступ к каналу не координируется, базовая станция извещает мобильные станции о занятости среды с помощью посылки пакета, в котором определяется статус канала. Если канал занят, то станции ждут случайный промежуток времени для последующей передачи. Поскольку несколько станций могут одновременно передать данные, центральная станция посылает пакет с подтверждением о получении пакета данных.