Файл: Сети и системы телекоммуникаций.pdf

простейшая концепция - один кабель–один абонент, что выражалось в со- здании

лесов

кабелей даже для малых по емкости ТфОП.
Рис. 3.1: Буквальное понимание SDMA - старые ТфОП
В современных системах радиодоступа принцип выделения каждому пользователю своего физического канала (либо, более корректно - свое- го независимого радиоканала каждому потоку данных)
3
рассматривается на принципиально новом качественном уровне. Для осуществления раз- деления физических каналов (физических сред вещания) используются сложные антенные системы, как на базовой станции, так и на абонент- ских приборах. Использование сложных по структуре антенных систем и специфических типов сигналов позволяет реализовать так называе- мые MIMO
4
-системы, обеспечивающие прием и передачу с абонентских устройств одновременно с нескольких антенн. Использование технологий
MIMO позволяет в несколько раз повысить помехоустойчивость (при дуб- лировании потоков данных), либо скорость передачи информации (при передаче независимых потоков информации).
Сегодня технологии SDMA-MIMO используются в LTE, WiFi,
WiMAX и других современных телекоммунникационных системах.
3.1.2
Частотное разделение каналов (FDMA)
Для всех методов разделения каналов
5
исходную постановку задачи множественного доступа возможно переформулировать как задачу пере-
3
При соблюдении условий использования одной и той же полосы частот и вещания в одном и том же времени.
4
MIMO–multiple in-multiple out – много входов, много выходов; первые MIMO-системы гражданского сектора появились на рубеже XX и XXI-го веков.
5
За исключением SDMA в его первоначальном понимании.
36

дачи т.н. группового сигнала
6
в рамках заданной системы связи. Частот- ное разделение каналов или ЧРК (FDMA
7
) - тип разделения каналов,
призванный решить проблему первых сетей с SDMA - уже упомянутых выше телефонных линий. Принцип FDMA заключается в том, что до- ступный частотный спектр делится между пользователями на частотные полосы. Источники информации в чистом FDMA могут использовать вы- деленный им частотный ресурс неограниченно по времени, но при этом не должны создавать помех соседним каналам. Для избежания помех вво- дят защитные интервалы между соседними частотными полосами - так называемые полосы расфильтровки.
Рис. 3.2: Вид спектра группового сигнала в FDMA-системе
ЧРК в чистом виде применялось лишь в наиболее старых аналоговых системах радиодоступа. В смешении с другими типами разделения кана- лов FDMA используется во многих стандартах мобильных систем связи -
NMT, GSM, UMTS
8
, Mobile WiMAX, LTE.
3.1.3
Временное разделение каналов (TDMA)
Относительно молодым
9
способом обеспечения вещания одновремен- но нескольких пользователей в одной системе связи является ВРК, обес- печивающее разделение информационных потоков по различным проме- жуткам времени - тайм-слотам. Данные от каждого пользователя

упако- вываются

в более короткий временной интервал и передаются в его соб- ственный тайм-слот. Данный способ разделения каналов добавляет допол-
6
Групповым называется сигнал, передающийся по одной физической среде, но содержа- щей в себе информацию от нескольких информационных источников.
7
FDMA - Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разде- лением каналов.
8
Universal Mobile Telecommunication System - расширение сетей GSM до спецификаций
3-го поколения.
9
Появившимся в 50-е - 60-е годы XX-го века.
37

нительную задержку, равную времени между появлениями тайм-слотов одного и того же пользователя, необходимую на накопление информации с обеспечением ее последующей буферизации -

упаковки

Естественно, что такой тип разделения каналов требует, во первых,
перехода полностью на цифровые системы связи; во вторых - малой дли- тельности тайм-слотов
10
, а в третьих - точной временной синхронизации между приемником и передатчиком. В связи с указанными факторами,
оборудование для ВРК систем является существенно более сложным, чем для простого ЧРК. Сегодня TDMA используется в таких стандартах, как
DECT
11
, европейской группе стандартов АССиПД 3-го поколения UMTS-
TDD и китайском 3G-стандарте TD-SCDMA.
Рис. 3.3: Типичная схема построения системы с ВРК
Как и в ЧРК, в ВРК также необходимо использовать защитные ин- тервалы, только уже временные, а не частотные, что и продемонстриро- вано на рис. выше. По своей природе ВРК-системы являются достаточно подходящими для пакетных технологий передачи данных и являются до- статочно перспективными в плане реализации на их базе сетей передачи информации с пакетной передачи данных (например, на базе стека про- токолов IP).
ВРК эффективно функционирует в объединении с ЧРК, формируя гибридные ВЧРК-системы. В данных системах появляется возможность выделения значительного количества частотно-временных

окон

для пе- редачи данных отдельных пользователей. Схема работы такой системы показана на рис. ниже.
10
И, следовательно, достаточно большой скорости передачи данных для передачи сколь- либо значимого объема информации в рамках тайм-слота.
11
Digital Enhanced Cordless Telecommunications - беспроводные цифровые телекоммуника- ционные системы - чаще всего используются для решения задач домовой и корпоративной внутренней телефонии.
38

Рис. 3.4: Типичная схема построения системы с ВЧРК
3.1.4
Кодовое разделение каналов (CDMA)
Системы множественного доступа с кодовым разделением каналов сравнительно молоды относительно других методов разделения каналов
- их история насчитывает приблизительно 40 лет идеологического раз- вития. Данные системы позволяют обеспечить вещание нескольких поль- зователей в одной и той же полосе частот в одно и то же время благо- даря применению уникальных кодов (цифровых сигнатур пользователей)
для выделения сигнала каждого пользователя из группового
12
. Теорети- чески абонентская емкость
13
ограничена только количеством уникальных кодов, однако в реальности она ограничивается уровнем т.н. межпользо- вательских помех
14
и лишь в редких случаях превышает 15-20 пользова- телей для одной антенной системы БС.
На базе КРК-систем строится подавляющее большинство спутнико- вых и мобильных систем связи, передачи данных и навигации - WCDMA,
12
В системах с КРК каждая из составляющих группового сигнала кодируется одной из множества т.н. ортогональных функций. Детальное рассмотрение аппарата ортогональных функций, в связи с ограниченностью времени изложения, выходит за пределы данного курса лекций.
13
Количество одновременно активных пользователей.
14
Помех со структурой сигнала, возникающих из-за неточного выравнивания границ сиг- налов каждого из пользователей, а также т.н. эффекта многолучевого распространения.
39

UMTS, CDMA-2000, WiMAX, Bluetooth, GPS, ГЛОНАСС и многие дру- гие.
Рис. 3.5: Типичная схема построения системы с КРК
3.2 Системы конкурентного доступа к среде
Кроме систем с четким централизованным разделением каналов су- ществует достаточно большое количество как кабельных (Ethernet), так и беспроводных (WiFi, некоторые спутниковые системы передачи дан- ных) телекоммуникационных систем, использующих т.н. конкурентный доступ в среде. В системах с конкурентным доступом абоненты

сорев- нуются

между собой за ресурсы линии связи, чаще всего, во времен- ной области. В системах связи такого типа одними из фундаментальных вопросов являются вопросы корректного избежания и предотвращения коллизий - попыток одновременной работы нескольких пользователей.
3.2.1
Метод доступа к линии связи Pure ALOHA
Простейшим семейством протоколов доступа в конкурентных систе- мах связи является семейство протоколов ALOHA, разработанное в рам- ках создания одноименной компьютерной сети университетом Гавайев.
Первая версия протокола называлась Pure ALOHA (или просто ALOHA)
и основывалась на двух простых принципах:
40

• При наличии данных для посылки, посылать данные в канал связи.
• Если сообщение не дошло до получателя, послать повторно с псев- дослучайной задержкой.
Таким образом, мы видим, что Pure ALOHA не проверяет доступность канала связи перед посылкой данных. Более того, для применения Pure
ALOHA и корректной настройки схемы повторной посылки сообщений
(которая является критичным механизмом данного протокола) необходи- мо заранее знать точную пропускную способность канала, что далеко не всегда представляется возможным в мобильных каналах связи.
Рис. 3.6: Пример работы метода доступа ALOHA. Серые блоки - коллизии.
3.2.2
Метод доступа к линии связи S-ALOHA
Существенно улучшенной версей ALOHA является метод

Slotted
ALOHA

, в рамках которого был введен механизм тайм-слотов, автомати- чески повысивший суммарную пропускную способность канала. В рамках
Slotted ALOHA каждая станция может вещать только в фиксированные тайм-слоты, что существенно снижает количество (вероятность возникно- вения) коллизий.
41

Рис. 3.7: Пример работы метода доступа S-ALOHA. Серые блоки - коллизии.
3.2.3
Методы избежания коллизий
CSMA-CD
и
CSMA-CA
Методы избежания коллизий CSMA-CD и CSMA-CA
15
- сетевые про- токолы, разработанные для телекоммуникационных систем с конкурент- ным доступом на смену протоколов семейства ALOHA. Данные протоко- лы при их корректной реализации являются достаточно эффективными;
CSMA-CD применяется в проводных сетях связи (например, в Ethernet
10BASE5, 10BASE2); CSMA-CA - в беспроводных локальных сетях (всех стандартизованных вариациях WiFi систем). Схема работы данных про- токолов несколько сложнее и состоит из следующих пунктов:
• Используется та или иная схема прослушивания канала связи.
• Для CSMA-CA: cтанция, которая должна начать передачу, переда- ет в канал сигнал занятости линии (т.н. jam
16
-сигнал).После неко- торого времени ожидания, если в канале отсутствует jam-сигнал или информационная передача, станция начинает передачу фрей- ма данных, после чего (опционально) ждет сигнала подтверждения от реципиента сообщения. Таким образом, в CSMA-CA использует- ся механизм предотвращения коллизий, максимально подходящий для беспроводных линий связи.
15
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (Collision Avoidance) - методы мно- жественного доступа с контролем несущей и обнаружением (предотвращением) коллизий.
16
jam signal - помеховый сигнал.
42

• Для CSMA-CD - если во время передачи станция обнаруживает jam-сигнал или информационную передачу от другой станции, она останавливает процесс передачи и ждет псевдослучайное время; по- сле чего снова передает последний участок данных. Таким обра- зом, CSMA-CD не предотвращает коллизии, но минимизирует вре- мя восстановления после возникновения. CSMA-CA обладает мень- шей производительностью в связи с необходимостью занимать в ка- нале дополнительное время для передачи jam-сигнала, но больше подходит для беспроводных каналов связи с большим количеством абонентов (в связи с более надежным механизмом предотвращения коллизий).
3.3 Методы коммутации в системах связи
Завершим текущую лекцию рассмотрением методов коммутации - непосредственно принципов занятия канала при передаче данных.
3.3.1
Коммутация каналов
Системы с коммутацией каналов имеют наиболее богатую историю и являются произошедшими от первых телефонных сетей. В системе с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выпол- нить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается канал связи; лишь только после этого возможно передавать данные. На рис. ниже изображен пример сети с коммутацией каналов.
43

Рис. 3.8: Пример работы коммутации каналов.
Достоинства технологии коммутации каналов:
• Постоянная и известная скорость передачи данных по установлен- ному каналу. Это дает возможность пользователю сети рассчитать возможность соединения на основе пропускной способности канала связи.
• Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствитель- ные к задержкам (называемые также трафиком реального времени)
– голос, видео и другую критичную ко времени задержки (латент- ности соединения) информацию.
Недостатки технологии коммутации каналов:
• Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Та- кая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение необходимо устанавливать вдоль канала, через ко- торый уже проходит максимально возможный траффик. Отказ мо- жет случиться и на конечном (терминальном) участке канала связи
- например, если абонент способен поддерживать только одно соеди- нение, что характерно для ТфОП. Действительно, при поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки - сигнал

занято

44

• Нерациональное использование пропускной способности физиче- ских каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорва- но. Однако абонентам не всегда нужна вся пропускная способность канала на все время соединения – например, при телефонном разго- воре всегда возникают паузы; еще более неравномерной во времени может быть передача данных в локальной сети.
Невозможность динамического перераспределения пропускной спо- собности представляет собой принципиальное ограничение техно- логии коммутации каналов, т.к. единицей коммутации здесь яв- ляется коммутационный поток в целом.
• Всегда присутствует обязательная задержка перед передачей дан- ных, связанная с фазой установления соединения.
• Коммутацию каналов невозможно использовать в системах связи с нестабильным состоянием канала при cущественных требованиях абонентов к объему передаваемой информации, например, в услови- ях подвижных абонентов мобильной связи при передаче ими боль- ших объемов траффика.
3.3.2
Коммутация пакетов
Технология коммутации пакетов была специально разработана в на- чале 70-х годов для эффективной передачи компьютерного траффика.
Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сете- вые приложения генерируют траффик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обраще- нии к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматри- вает содержимое каталога данного сервера, что порождает передачу лишь небольшого объема данных. Затем он копирует файл, что порождает су- щественно более интенсивную передачу данных по сети.
Как показывает статистика, коэффициент пульсации траффика
17 17
Коэффициент пульсации траффика - отношение средней интенсивности обмена данных к максимально возможной.
45

отдельного абонента как в проводной, так и беспроводной сети связи, мо- жет достигать 1:50 или даже 1:100.
При коммутации пакетов все передаваемые сообщения разбиваются на небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, кото- рый будет использоаться узлом назначения для сборки сообщения. Паке- ты транспортируются по сети как независимые информационные блоки.
Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.