Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 6. Методи доступу   /  Тема 6.1. Загальна характеристика методів доступу

Зміст:

6.1.1. Загальна характеристика методів доступу

Сучасні телекомунікаційні системи виконують три основні функції:

  • забезпечення доступу користувачів у мережу;
  • розподіл інформаційних потоків;
  • транспортування інформаційних потоків.

Функції доступу забезпечують відповідній рівень і якість обслуговування, захист від несанкціонованого втручання тощо. Проте в цьому розділі звернемо увагу лише на розв’язання задач на фізичному та частково на канальному рівнях. Інші функції розглядатимуться в наступних розділах.

Методи, що реалізуються в мережах доступу, являють собою сукупність технічних і програмних засобів. Вони забезпечують підключення абонентів до мережі й обмін інформацією відповідно до встановлених протоколів. Застосовуються методи оптичного (відкритого або волоконного), проводового і безпроводового доступу. Мережі проводового доступу часто реалізуються на основі крученої пари. Мережі безпроводового доступу функціонують у широкому частотному діапазоні від десятків мегагерц до десятків гігагерц. Вони є самодостатніми або доповнюють і розширюють можливості проводового доступу. Головне те, що вони забезпечують можливість доступу мобільних абонентів.

Слід відзначити, що мережа доступу (МД) у загальній телекомунікаційній системі є найбільш коштовною компонентою. І це за умов того, що глобальна телекомунікаційна система є найкоштовнішою і найскладнішою в світі штучно створеною системою.

МД має задовольняти трьом видам мультисервісних послуг, що надаються користувачам:

  • передача мовлення (звукові сигнали, телефонний зв’язок, голосова пошта);
  • передача даних (Інтернет, факс, електронна пошта, комп’ютерні файли, електронні платежі);
  • передача відеоінформації (телебачення, відео за запитом, відеоконференції).

Зважаючи на те, що коло і якість надання послуг постійно розширяється, постійно виникає проблема доопрацювання або навіть нової розробки концепції розвитку МД, вибору та забезпечення більш-менш чітких показників якості запитаної послуги. В цьому є певні методичні труднощі щодо викладення матеріалу розділу.

При реалізації доступу використовуються різноманітні фізичні параметри сигналів зв’язку: час, частота, поляризація, просторові параметри. При проводовому доступі задіяними є лише два параметри (час і частота); при безпроводовому, при радіодоступі та відкритому оптичному сектор цих параметрів розширюється до всіх чотирьох, включаючи просторові та поляризаційні параметри.

Розглянемо спочатку особливості проводового доступу, коли використовуються лише час і ширина смуги частот. Ресурс зв’язку можливо зобразити на двовимірному графіку, де вісь абсцис представляє час, а вісь ординат — частоту (рис. 6.1.1). Для створення ефективної системи зв’язку необхідно спланувати розподіл ресурсу між користувачами системи, щоб час/частота використовувалися максимально ефективно. Результатом такого планування має бути рівноправний доступ користувачів до ресурсу або доступ з відповідним пріоритетом чи відповідною забороною.

У процесі доступу при отриманні заявки від користувача на зайняття ресурсу мережі визначаються вимоги до якості доставки повідомлення, і при можливості забезпечення мережею цих вимог, користувачеві надається дозвіл на передачу інформації. При погодженні заявок декількох користувачів виникає задача множинного доступу. Для розв’язання цієї задачі використовують фіксований, керований або випадковий (динамічний) методи доступу. При фіксованому методі за кожним абонентом закріплюються певний ресурс параметрів: інтервалів часу і смуг частот або просторово-поляризаційних методів доступу до мережі.

При динамічному методі доступу відповідний ресурс надається відповідно до заданого алгоритму. На рис. 6.1.1 подано приклад реалізації циклограми зайняття частотно-часового ресурсу. Продемонстровано можливість індивідуального зайняття смуги частот ΔF1 або ΔF2, а також групового в смугах ΔF3, ΔF4 у відповідні часові інтервали Δt3, Δt4, Δt5, ..., Δt8. При випадковому методі цей ресурс надається відповідно до заявки абонента і являє собою випадковий процес, створений потоком заявок. Важливою у всіх цих методах є проблема взаємних впливів між користувачами ресурсу, у ролі яких можуть бути впливи між смугами частот (наприклад між ΔF1 та ΔF2), між часовими інтервалами (наприклад між Δt5 та Δt6 за рахунок післядії).

Для усунення взаємних впливів між сигналами різних користувачів необхідно, щоб ці їх сигнали були взаємно ортогональні.

Рис. 6.1.1. Циклограма зайняття частотно-часового ресурсу (ΔF1...4 — виділені смуги частот; Δt1...8 — виділені часові інтервали)

Сигнали ортогональні, якщо виконується така умова:

(6.1.1)

Умова ортогоналізації (6.1.1) виконується в часовій площині. Така ортогоналізація можлива також і за рахунок інших фізичних параметрів. Так, у часовій площині ця ортогоналізація відбувається за умов:

(6.1.2)

де E — енергія сигналу; xi(t), xj(t) — сигнали i та j користувачів у часовій площині; Xi(ω), Xj(ω) — сигнали i та j користувачів у частотній площині.

Аналогічно формулюються умови ортогоналізації з використанням просторових і поляризаційних параметрів (у просторовій і поляризаційній площинах). Слід зазначити, що для усунення взаємних впливів між сигналами достатньо забезпечити ортогоналізацію за одним з фізичних параметрів (частотою, часом, простором чи поляризацією).

З проблемою сумісного використання ресурсу зв’язку пов’язані терміни «ущільнення» і «множинний доступ», які були розглянуті в попередньому розділі.

Важливою характеристикою методу доступу є його пропускна здатність.

Існує три основні способи збільшення пропускної здатності елементів доступу (загальної швидкості передачі даних). Перший полягає в збільшенні співвідношення сигнал/шум у лінії зв’язку, що в будь-якому разі приведе до збільшення відношення енергії сигналу до спектральної щільності потужності — , що в кінцевому результаті забезпечить можливість збільшення пропускної здатності відповідно до формули Шеннона

(6.1.3)

де = — співвідношення сигнал-шум.

Другий спосіб — це збільшення ширини смуги задіяних частот ΔF. Таким чином, на практиці вдається «розміняти» смугу ΔF на енергетику лінії . Іншими словами, при обмеженій смузі частот, коли ΔFF збільшити пропускну здатність можливо за рахунок збільшення . Така «розмінність» використовується часто в модемах xDSL, де смуга ΔF заощаджується за рахунок багатопозиційних сигналів типу QAM тощо.

Третій спосіб притаманний безпроводовим методам доступу (радіодоступу). Він полягає в розширенні простору виділених фізичних параметрів, наприклад, за рахунок використання просторово-поляризаційних методів, які реалізуються методами антенної техніки, це забезпечує можливість організації радіопередачі паралельних незалежних інформаційних потоків на ортогональних поляризаціях носійної частоти в радіоканалі або при використанні багатопроменевої антени за рахунок передачі незалежних інформаційних потоків, що різняться просторовими параметрами.

Таким чином, у зв’язку з тим, які задіяні фізичні параметри сигналів, за якими відбувається розподіл (ортогоналізація) інформаційних сигналів різних абонентів, методи доступу можна класифікувати на:

  • частотний доступ (frequency division — FD). Користувачам виділяються певні ділянки в смузі використовуваних частот;
  • часовий доступ (time division — TD). Користувачам виділяються відповідні часові інтервали, періодичні або випадкові;
  • кодовий доступ (code division — CD). Виділяються певні елементи набору ортогональних (або майже ортогональних) кодових комбінацій, кожна з яких займає всю виділену смугу частот. У цьому разі абоненти можуть передавати свої сигнали з особливим кодом одночасно в загальній смузі частот, а їх розділення відбувається за формою і змістом коду;
  • просторовий доступ (space division — SD), або повторне використання частот. Доступ реалізується за допомогою багатопроменевих антен (БПА), які випромінюють радіосигнали лише в напрямку певного користувача, який подав заявку;
  • поляризаційний доступ (polarization division — PD), або повторне поляризаційне використання частот. Для розділення сигналів застосовуються ортогональні поляризації на передачі і на прийомі радіосигналів.

При використанні вказаних методів ресурси каналу можуть закріплюватися фіксовано (FАMA — Fixed Assignment Multiple Access), надаватися на вимогу (DAMA — Demand Assignment Multiple Access). Представлення ресурсу на вимогу DAMA називають динамічним методом доступу. Динамічний метод може бути організований централізовано, що забезпечує безконфліктність одержання ресурсу, або децентралізовано, коли відбувається змагання користувачів за доступ до ресурсу. Безконфліктні методи формують групові сигнали, які в цілому мають подібну сутність з методами ущільнення/розділення сигналів і які були розглянуті в розділі 5. Очевидно, децентралізовані методи пов’язані з необхідністю розв’язання конфліктних ситуацій.

Процес появи вимог користувачів має характер випадкового динамічного потоку заявок, який часто апроксимують законом Пуассона, коли ймовірність появи n-нових заявок упродовж секунд дорівнює

(6.1.4)

де λ — параметр інтенсивності потоку.

Слід зазначити, що конфліктна ситуація, що виникає при випадковому динамічному методі доступу, не є антагоністичною. Це дає змогу розв’язати її методами теорії ігор, або методами колективного прийняття рішень, проте ці рішення потребують знання поточної сигнально-завадової ситуації і моніторингу трафіка, що значно ускладнює можливість отримання оптимальних рішень. Тому часто використовують рішення, які є певною мірою універсальними, або такі, що орієнтуються на типову ситуацію. Найпоширенішими є три методи:

  • циклічний обхід (raund robin);
  • резервування (reservation);
  • змагання (contention).

При циклічному обході кожному користувачеві послідовно надається можливість доступу. Цей метод досить ефективний при потоковому трафіку. У разі пульсуючого трафіку, коли окремі користувачі відмовляються від ресурсу, цей метод втрачає свою ефективність.

Технологія резервування полягає в заощадженні, виділенні відповідного ресурсу під майбутній трафік. Час у цій технології розділяється на слоти, кількість яких відповідно до передбачуваного трафіка резервується. Ця технологія також має переваги при потоковому трафіку.

Технологія змагання більш ефективна для пульсуючого трафіка. Для розв’язання конфліктної ситуації в цьому методі реалізуються децентралізовані стратегії. Тут усі станції змагаються за можливість передачі на основі правил, що встановлюються відповідними протоколами.