2. Протоколи доступу в безпровідних мережах.

2.1. Особливості взаємних завад в безпровідних мережах.

Безпровідний зв’язок має ту особливість, що багато передавачів і приймачів можуть працювати в межах взаємної досяжності сигналів. Це створює певні незручності і вимагає спеціальних заходів для запобігання взаємних завад.

Нехай чотири приймально-передавальні станції A, B, C i D працюють в мережі зі спільним каналом, де кожна станція досягає лише сусідів, що умовно зображено на рис.2.1.

Явище відкритої станції. Станція є відкритою, якщо знаходиться в досяжності передавача, але поза досяжністю приймача. Наприклад, станція B на рис.2.1 передає до станції А. Цю передачу помічає станція C, яка затримує свою передачу до станції D, хоча могла б вести її, не створюючи ніяких завад передачі B до А. Станція C – відкритий передавач. Відкритим приймачем вона стане, якщо станція D почне передачу даних до станції C, не помічаючи завад зі станції B, які створюють інтерференцію даних.

Явище прихованої станції. Станція є прихованою, якщо вона знаходиться в досяжності приймаючої станції, але поза досяжністю передаючої станції. Наприклад, станція А на рис.2.1 передає до станції B. Ця передача непомітна для станції C, яка може почати передачу до станції B або D, створюючи при цьому завади для передачі станції А. За таких обставин станція C є прихованим передавачем, який викликає явище інтерференції даних зі станцій А та C. Станцію C називають прихованим приймачем, якщо вона захоче приймати дані від станції B, не помічаючи передачі зі станції А.

За умови переваги потужності передавача С над потужністю передавача А, що веде передачу до станції B, може виникнути навіть небезпечне явище перехоплення зв’язку в приймачі B. Ефективно протидіяти інтерференції та перехопленню можна, якщо передавач А та приймач B періодично перевірятимуть стан зв’язку між собою, вимагаючи підтверджень його чинності.

Описані конфлікти в безпровідних мережах можуть суттєво знизити пропускну здатність мережі, тобто швидкість передачі даних. Для запобігання цьому застосовують різноманітні способи впорядкування процесів пересилання інформації, які називають протоколами доступу.

2.2. Короткий огляд протоколів доступу в безпровідних мережах.

В безпровідних мережах можуть бути використані протоколи керованого доступу, відомі ще з провідникових мереж. Наприклад, якщо центральна станція має зв’язок з усіма іншими станціями, може застосо­вуватись метод запитів, як у звичайній провідниковій телефонній мережі, а якщо всі станції мають зв’язок між собою – метод підтвердження. Недоліком цих протоколів є те, що станція, готова до передачі, повинна очікувати дозволу, а також витрати значного часу на передачу службової інформації.

Широко застосовують в безпровідних мережах стандартні службові сигнали запиту зв’язку та згоди на зв’язок (RTS та CTS). Однак лише цих сигналів недостатньо для суттєвого збільшення середньої швидкості передачі даних в мережі.

Розглянемо коротко деякі протоколи, що належать до найбільш вживаної групи протоколів суперництва, за якими станція може розпочати передачу одразу в разі потреби, але разом з тим зменшуються втрати від згаданих вище конфліктів.

Найстаршим і найвідомішим із протоколів суперництва є протокол Aloha, за яким станції у разі потреби негайно починають передачу, незважаючи на стан зв’язку, але станції-адресати повинні надсилати до пере­давальних станцій підтвердження правильного прийому повідомлення. Якщо підтвердження немає, то станція-передавач через випадково обраний інтервал часу повторює передачу, аж поки не отримає підтвердження. Через значну кількість конфліктів ефективність використання мережі за цим протоколом невисока (не перевищує 20% від максимальної). Вдвічі збільшується ефективність мереж з протоколом Slotted Aloha, що використовує дискретизацію часу передачі на часові щілини (time slots).

Найбільш розвинутими серед протоколів суперництва є протоколи сімейства CSMA (Carrier Sense Multiple Access), що застосовують слідкування за несучою частотою. Розглянемо два їх різновиди.

Протокол CSMA/CD (with Collision Detection) передбачає взаємну досяжність усіх станцій мережі. Всі станції неперервно прослуховують стан мережі. Якщо якась станція має дані до передачі, то вона очікує закінчення останньої трансмісії (зникнення несучої частоти), а тоді з певним часовим інтервалом починає власну передачу. Конфлікт виникає, якщо дві або більше станцій одночасно розпочнуть передачі. Це одразу помічають передаючі станції, бо неперервно порівнюють переданий і прийнятий сигнали. Передавачі надсилають повідомлення про кофлікт у вигляді заглушуючого радіоімпульсу, а через випадково обраний інтервал часу знову розпочинають передачу. Протокол CSMA/CD складно застосовувати у радіомережах, бо не завжди можна забезпечити взаємну досяжність усіх станцій, а також майже неможливо під час передачі вести контрольний прийом. Натомість для мереж із оптичною несучою цей протокол є цілком задовільний. Протокол CSMA/CD вже давно застосовують в мережах Ethernet.

В радіомережах застосовують протокол CSMA/CA (with Collision Avoidence). За цим протоколом станція-приймач обов’язково повертає передавачу позитивне або негативне підтвердження прийому. В разі відсутності підтвердження або негативного підтвердження передача повторюється. На жаль, протокол CSMA/CA не може запобігти конфліктам на основі явища відкритої станції.

Спробою розв’язати проблему прихованої станції є протокол BTMA (Busy Tone Multiple Access). Канал передачі розділений на підканал повідомлень та вузький підканал із моногармонічним сигналом зайнятості каналу, що його надсилає станція, яка веде прийом. Станція, готова до передачі, може її розпочати лише у разі відсутності сигналу зайнятості. Недолік протоколу – у зменшенні ефективної ширини каналу передачі. Однак використання мережі може сягати 70% максимального.

У протоколі SRMA (Slot Reservation Multiple Access) застосовується динамічне резервування часових інтервалів для передачі пакетів повідомлень кожної станції мережі. Виділення часових інтервалів здійснює центральна станція-сервер, з якою мусять мати зв’язок всі станції мережі. Як і в протоколі BTMA, існує підканал службової інформації різного змісту.

Протоколи MSAP i BRAM (MiniSlotted Alternating Priorities i Broadcast Recognising Access Method) використовують динамічну резервацію часу передачі пакетів і слідкування за несучою частотою. Як наслідок, всі станції мережі повинні бути взаємно досяжними. Зв’язок між станціями встановлюється за принципом почергово змінних пріоритетів, завдяки чому кожна станція має можливість висилання усієї готової інформації протягом одного циклу доступу до зв’язку. Перевагу отримують станції з великими повідомленнями. Натомість справедлива версія протоколу BRAM дозволяє кожній станції надіслати лише один пакет стандартного розміру за цикл доступу до зв’язку.

Якщо мережа містить приховані та (або) відкриті станції, слідкування за несучою недоцільне. В протоколі MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) застосований обмін службовими сигналами запиту-згоди RTS та CTS. Згадані конфлікти неможливі, бо прихована станція приймає сигнал CTS приймача, а відкрита станція – сигнал RTS передавача. Ефективність протоколу MACA загалом перевищує ефективність протоколу CSMA/CA. Недоліком протоколу MACA є можливість конфліктів між службовими сигналами. Протокол MACAW є розвитком протоколу MACA завдяки впровадженню додаткових службових сигналів.

Протокол FAMA (Floor Acquisition Multiple Access) поєднує слідкування за несучою і обмін службовими сигналами, що повідомляють про обмін даними. Особливою рисою цього протоколу є динамічний дозвіл окремим станціям керувати каналом обміну. Дані завжди пересилаються без конфліктів, натомість керуючі сигнали можуть конфліктувати.

В протоколі BAPU (Basic Access Protocol solUtion) канал зв’язку поділено на підканали даних та керування, але потужність сигналів керування є більшими, ніж інформаційних сигналів. Завдяки цьому уникають явищ прихованої та відкритої станцій. Додаткові керуючі сигнали підвищують надійність зв’язку, але ускладнюють процедуру обміну.