Metody wielodostępu do kanału. dynamiczny statyczny dynamiczny statyczny EDCF ALOHA. token. RALOHA w SALOHA z rezerwacją FDMA (opisane

Transkrypt

1 24 Metody wielodostępu podział, podstawowe własności pozwalające je porównać. Cztery własne przykłady metod wielodostępu w rożnych systemach telekomunikacyjnych Metody wielodostępu do kanału z możliwością kolizji bez możliwości kolizji sposób radzenia sobie z kolizjami dynamiczny statyczny dynamiczny statyczny EDCF ALOHA token TDMA RALOHA w SALOHA z rezerwacją FDMA (opisane Hiperlan2 CDMA szczegolowo w CSMA innym pytaniu) SDMA OFDMA TCMA Protokół CSMA z wymuszaniem transmisji z prawdopodobieństwem 1 (1-persistent) W protokole 1-persistent CSMA terminal mający dane do wysłania najpierw nasłuchuje kanał, aby określić czy w danej chwili nie transmitują inne terminale. Jeśli kanał jest zajęty, terminal oczekuje, aż kanał stanie się wolny. Po wykryciu, że kanał stał się wolny, terminal rozpoczyna transmisję swojego pakietu z prawdopodobieństwem równym 1. W razie kolizji terminal odczekuje losowy przedział czasu, po czym rozpoczyna całą procedurę od nowa. Na sprawność protokołu duży wpływ ma czas propagacji sygnału. Wyobraźmy sobie dwa oddalone od siebie terminale, z których jeden rozpoczyna transmisję pakietu. Dopóki sygnał z tego terminalu nie dotrze do odbiorcy, ten potraktuje kanał jako wolny i również rozpocznie transmisję, co spowoduje kolizję. Im większe jest opóźnienie wynikające z czasu propagacji, tym gorsza jest sprawność protokołu. Jednak kolizje mogą powstawać nawet wówczas, gdy opóźnienie propagacji jest zerowe. Jeśli w czasie transmisji pakietu przez terminal dwa inne terminale staną się gotowe do transmisji, wówczas oczekują one, aż kanał stanie się wolny. Po wykryciu, że stał się wolny, natychmiast równocześnie rozpoczynają transmisję, co kończy się kolizją pakietów. Pomimo tego, że opisywany protokół nie eliminuje całkowicie kolizji, jak również tego, że jego wydajność w dużym stopniu zależy od czasu propagacji sygnału, dla niedużych wartości tego opóźnienia (w stosunku do czasu transmisji pakietu) sprawność protokołu jest dużo większa niż obu wersji protokołu ALOHA, opisanych w lekcji 3. Protokół CSMA bez wymuszania transmisji (nonpersistent) W protokole nonpersistent CSMA terminal nie nasłuchuje kanału w sposób ciągły, po wykryciu jego zajętości. Zamiast tego po wykryciu, że kanał jest zajęty, odczekuje losowy przedział czasu, zanim ponownie sprawdzi status kanału. Podobnie jak w 1-persistent CSMA, terminal rozpoczyna transmisję natychmiast po wykryciu, że kanał jest wolny.

2 Ponieważ jednak chwile sprawdzania statusu kanału są losowe, to wyeliminowanych zostaje większość kolizji powodowanych równoczesnym rozpoczęciem transmisji przez kilka terminali, po przejściu kanału ze stanu zajętości do stanu wolnego. To prowadzi do dużo większej sprawności niż w 1-persistent CSMA, przy dużym natężeniu ruchu w systemie. Dla małego natężenia ruchu w systemie wydajność protokołu nonpersistent CSMA jest gorsza niż 1-persistent CSMA, gdyż w tym przypadku losowy czas oczekiwania nie daje żadnych korzyści. Protokół CSMA z wymuszaniem transmisji z prawdopodobieństwem p (p-persistent) Protokół p-persistent CSMA przeznaczony jest dla kanałów szczelinowych. Gdy terminal ma pakiet gotowy do wysłania, wówczas sprawdza stan kanału. Gdy wykryje, że kanał jest wolny, rozpoczyna transmisję z prawdopodobieństwem p. Z prawdopodobieństwem q=1-p wstrzymuje się z transmisją do następnej szczeliny, w której ponownie sprawdza status kanału. Jeśli następna szczelina okaże się również wolna, terminal rozpoczyna transmisję z prawdopodobieństwem p lub wstrzymuje się z prawdopodobieństwem q. Ta procedura powtarzana jest tak długo, aż pakiet zostanie wysłany lub kanał stanie się zajęty. Gdy kanał stanie się zajęty, terminal nasłuchuje go w sposób ciągły i gdy wykryje, że stał się wolny, wówczas rozpoczyna opisaną wyżej procedurę od nowa.

3 Najstarszym rodzajem wielodostępu jest wielodostęp z podziałem częstotliwości (FDMA Frequency Division Multiple Access). Własności : pasmo całkowite przypisane systemowi jest podzielone na pewną liczbę przedziałów częstotliwości, które mogą być używane w indywidualnej transmisji pomiędzy dwoma użytkownikami systemu Możliwość stosowania w trybie rozsiewczym Przedziały częstotliwościowe są zwykle wąskie maksymalizuje sie liczbę stworzonych kanałów i w konsekwencji liczbę użytkowników mogących równocześnie korzystać z systemu. Kanały powinny być wystarczająco szerokie, aby zapewnić wymaganą jakość transmisji. Przy transmisji analogowej metoda FDMA jest jedyną możliwą metodą wielodostępugwarantuje ona ciągły w czasie dostęp do medium transmisyjnego wymagany w transmisji sygnałów analogowych. -istnienie pasm ochronnych pomiędzy sąsiadującymi kanałami, co przyczynia się do zmniejszenia liczby możliwych kanałów i efektywności widmowej systemu -konieczność stosowania jakości filtrow kanałowych w Nadajnikach(widmo musi się mieścic w pasmie kanału) i odbiornikach(wydzielanie widma sygnału i ograniczenie zakłócen od innych kanałów i szumów spoza pasma). -wymagana jest regulacja mocy transmitowanych sygnałów, aby uniknąc zjawiska zakłóceń miedzy kanałami(stłumione listki boczne kanału odbieranego z dużą mocą mogą mieć porównywalny poziom z poziomem listka głównego kanału odbieranego z małą mocą w tym samym paśmie) NMT-450, wszystkie systemy I generacji wykorzystujące APS. Rys Ilustracja wielodostępu częstotliwościowego FDMA

4 Wielodostęp z podziałem czasowym (TDMA Time Division Multiple Access) Własności: użytkownicy mogą transmitować swoje sygnały w całym paśmie przez przydzielany im okresowo ułamek czasu podstawową jednostką czasu jest ramka podzielona na pewną liczbę szczelin czasowych maksymalna liczba użytkowników, którzy mogą być równocześnie obsługiwani, jest równa liczbie szczelin w ramce(liczba użytkowników jest nieco mniejsza, ponieważ niektóre szczeliny czasowe są stosowane w celu sterowania, synchronizacji i utrzymania systemu dlatego ramki są często organizowane w struktury wyższego rzędu takie jak wieloramki, superramki) konieczność kompresji danych użytkownika w krótkie bloki, które mieszczą się w przypisanych szczelinach czasowych. Jeśli ramka składa się z M szczelin, wtedy szybkość transmisji wewnątrz szczeliny czasowej musi być co najmniej M razy wyższa, niż szybkość danych pojedynczego użytkownika. W konsekwencji widmo sygnału TDMA jest co najmniej M-krotnie szersze w porównaniu z widmem ciągłego sygnału danych o tej samej szybkości Podobnie jak dla metody FDMA, w której przedziały ochronne pomiędzy kanałami są zastosowane na osi częstotliwości, metoda TDMA stosowana w systemach radiowych wymaga czasowych przedziałów ochronnych pomiędzy blokami zajmującymi sąsiadujące szczeliny czasowe(skończonyczasu włączania i wyłączania wzmacniaczy mocy). Podobnie jak przedziały ochronne na osi częstotliwości w metodzie FDMA, również czasowe przedziały ochronne w metodzie TDMA zmniejszają efektywność pasmową w trybie TDMA. W praktyce często stosuje się metodę hybrydową TDMA/FDMA, pewna liczba kanałów częstotliwościowych zajmuje pasmo przydzielone danemu systemowi, a z kolei oś czasu każdego z tych kanałów jest podzielona na szczeliny czasowe. Takie podejście zostało zastosowane zarówno w systemach komórkowych GSM jak i amerykańskim IS-54/136 oraz japońskim PDC. GSM HIPERLAN2, stosowane w systemach komórkowych GSM oraz np. w japońskim PDC Rys Ilustracja metody wielodostępu czasowego TDMA

5 wielodostęp kodowy (CDMA Code Division Multiple Access). Własności : Korzystamy z pasma w całej w całej jego rozciągłości i w całym dostępnym zakresie stosując charakterystyczne dla każdego użytkownika sekwencje kodowe, dzięki których sygnały poszczególnych użytkowników dają się w odbiorniku wyodrębnić z ich sumy(ciągi rozpraszające są tak wybrane, że ich korelacja wzajemna jest zerowa sygnał wybranego użytkownika może być odzyskany z mieszaniny sygnałów generowanych przez innych użytkowników przez korelację otrzymanego sygnału z wybranym sygnałem odniesienia) zastosowane ciągi rozpraszające musza być idealnie ortogonalne(niestety większość kanałów radiokomunikacyjnych charakteryzuje się zjawiskiem wielodrogowości,które powoduje utratę ortogonalności sygnałów na wejściu odbiornika i ma to negatywny wpływ na stosunek mocy sygnału do szumu w odbiorniku oraz na uzyskiwaną stopę błędów. CDMA, podobnie jak poprzednie metody wielodostępu, jest często używana w kombinacji z innymi metodami takimi jak FDMA i TDMA. CDMA/FDMA pasmo całkowite przypisane systemowi jest podzielone na pewną liczbę pasm częstotliwościowych, z których w każdym stosuje się metodę CDMA. CDMA/TDMA rozpraszanie oraz wielodostęp kodowy mają miejsce w wydzielonych szczelinach czasowych pozostawiając tym samym pozostałe szczeliny innym użytkownikom działającym również w trybie CDMA/TDMA (System CDMA2000 (używany w USA i Japonii) oraz IS-95) Rys Ilustracja zasady wielodostępu kodowego (CDMA) W ostatnich latach wprowadzono kolejną metodę wielodostępu wspierającą inne powyżej przedstawione metody. Jest to wielodostęp z podziałem przestrzennym (SDMA Space Division Multiple Access). Działanie metody SDMA opiera się na zastosowaniu matryc antenowych, które dzięki sterowaniu elektronicznemu są w stanie syntetyzować silnie kierunkowe charakterystyki antenowe. Jeśli użytkownicy są wystarczająco odseparowani od siebie kątowo, mogą używać te same kanały częstotliwościowe, szczeliny czasowe, ciągi rozpraszające albo kombinacje powyższych w zależności od tego, jaka jest główna metoda wielodostępu stosowana w systemie. Łączność satelitarna, możliwe w UMTS)

6 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) OFDMA dzieli sygnał na sub-channels (grupę podnośnych). Z każdym sub-channel może być powiązany jeden użytkownik. Każdy użytkownik jest traktowany osobno i niezależnie od lokalizacji, odległości od stacji. Oprócz tego możliwe jest użycie dodatkowo FDD lub TDD. Jednak problemem jest to, że w przypadku poruszającej się stacji pojawia się efekt Dopplera i poprzesuwanie odpowiednich podnośnych. TCMA Trellis Code Multiple Access Jest to wąskopasmowy system wielodostępu. Każdy użytkownik użytkuje te same pasmo. Każdy użytkownik ma swój schemat kodowania TCM.