Методы доступа к среде передачи в беспроводных сетях

Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды переда­чи. Существует несколько базовых методов множественного доступа (их еше называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на раз­делении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача множественного доступа выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и макси­мальным использованием характеристик передающей среды.

Множественный доступ с пространственным разделением (Space или Spa­tial Division Multiplexing — SDM) основан на разделении сигналов в простран­стве, когда каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории (пространственной области), на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения. Самый простой способ пространственного разделения — это ограничение мощ­ности передатчиков.

Еще недавно данный метод считался малоэффективным — до тех пор, пока не получили промышленное развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон действия отдельных передатчиков. С появлением аппарату­ры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на основе антенн с перестраиваемой диаграммой направленности, данный метод получил широкое распространение. Характерный пример — системы сотовой телефонной связи, системы с цифровым формированием диаграмм направлен­ности и др.

В схемах множественного доступа с частотным разделением (Frequency Di­vision Multiplexing FDM) каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории. Это один из наиболее известных методов, так или иначе ис­пользуемый в самых современных системах беспроводной связи. Характерный пример схемы FDM работа нескольких радиостанций на одной территории, но на разных частотах. При этом их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи. Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Более гибким является множественный доступ с временным разделением (Time Division Multiplexing — TDM). В данной схеме каналы распределяются по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте, но в различные промежутки времени (как правило, циклически повторяющиеся) при строгой синхронизации процесса передачи.

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут ди­намично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам <• мень­шим объемом трафика.

Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто ана­логовых сетях — даже если исходные данные аналоговые (например, речь), он требует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельно­го пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплот­нения (в проводных сетях) - это метод передачи телефонного трафика по­средством каналов Е1. На узловой АТС каждый аналоговый телефонный канал преобразуется в поток данных со скоростью 64 кбит/с (8 разрядов оцифровки × 8 кГц частоты выборок). Фрагменты по 8 бит из 32 каналов (30 телефонных и 2 служебных) образуют цикл. Длительность каждого цикла - 125 мкс, соот­ветственно скорость передачи данных (32×8 бит)/125 мкс = 2048 кбит/с (т.е. 2048000 бит/с). Данный поток транслируется по магистральным каналам и восстанавливается (демультиплексируется) на приемном конце.

Основной недостаток систем с временным уплотнением это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Еще один тип множественного доступа это мультиплексирование с ко­довым разделением (Code Division Multiplexing CDM). Первоначально, из-за сложности реализации, данная схема использовалась в военных целях, но со вре­менем прочно заняла свое место в гражданских системах. Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA — CDM Access) даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a и др.). В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте, но с разными базовыми кодами.

Принцип кодового уплотнения иллюстрирует ситуация, когда много людей в одной комнате разговаривают на разных языках. При этом каждый человек понимает только один определенный язык. Для каждого речь на непонятном языке будет восприниматься как ничего не значащий шум, лишенный полезной информации. А на фоне этого шума он будет воспринимать поток информации на понятном ему языке.

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ — кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32. 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы корреляция двух лю­бых CDM-кодов была минимальна (а в ряде случаев, чтобы автокорреляция CDM-кода при фазовом сдвиге была также минимальна). Как правило, если для замены 1 в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены 0 применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспри­нимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в спе­циальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения c накоплением) входного оцифрованного сигнала с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрошенном виде это выглядит как операция ска­лярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом. Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уро­вень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов) мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные гене­ратором псевдослучайных последовательностей. Такие кодовые последователь­ности называют шумоподобными, соответственно модулированные ими сигналы - шумоподобными сигналами (ШПС). Очевидно, что при передаче посредством ШПС спектр исходного сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют расширением спектра сигнала посредством прямой после­довательности (DSSS Direct Sequence Spread Spectrum).

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной за­щищенности и скрытности передачи данных: не зная, кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев — и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передат­чику свой индивидуальный код. Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Отметим, что уплотнение с кодовым разделением — метод синтетический, т.е. он базируется на частотном либо временном методе уплотнения. В наи­более «чистом» виде метод кодового уплотнения реализуется в случае DSSS. КрОме того, известны и используются методы расширения спектра посредством частотных и временных скачков (соответственно FHSS Frequency Hoping Spread Spectrum и THSS - Time Hoping Spread Spectrum). В случае расши­рения спектра посредством частотных скачков (еще его называют методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты — ППРИ) в заданном частотном диапазоне» F одновременно работает несколько передатчиков, каждый в узкой полосе, во много раз меньшей F. Центральная частота каждого передатчика в ходе работы дискретно изменяется по закону, задаваемому уникальной для него кодовой последовательностью. Приемник знает эту кодовую последователь­ность и перестраивается по частоте приема синхронно с передатчиком. Кодовые последовательности выбирают так, чтобы минимизировать вероятность одновременной работы двух передатчиков. Тем самым обеспечивается определенная зашита от прослушивания и помех. Данный метод в ряде случаев оказывает­ся достаточно эффективным и применяется, в частности, в такой популярной сегодня технологии БСПИ, как Bluetooth.

Если метод частотных скачков представляет собой метод частотного уплот­нения с изменением частотной полосы, то метод временных скачков анало­гичен временному уплотнению, только моменты начала трансляции пакетов передатчика не строго периодичны, а изменяются по псевдослучайному закону. Как правило, кодовая последовательность определяет время отклонения нача­ла трансляции очередного пакета от заданного периода. Подобный механизм, в частности, реализован в системах связи со сверхширокой спектральной поло­сой компании Time Domain.

Еще одна важная производная методов кодового и частотного уплотнения механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Его суть: весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для переда­чи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим. т. е. в каждом пе­редатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N — число поднесущих, назначенных данному передатчику. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

До недавнего времени распространение технологии OFDM сдерживала слож­ность ее аппаратной реализации. Однако с развитием полупроводниковой техно­логии это уже не является преградой. В результате метод OFDM приобретает все большее распространение, в частности, используется в системах связи таких популярных стандартов, как IEEE 802.11 и DVB, является одним из основных механизмов стандарта широкополосных региональных БСПИ IEEE 802.16-2004. Более того, все наиболее перспективные стандарты БСПИ (IEEE 802.16е, LTE, cdma200 Rev.С) основаны именно на технологии OFDM. И в сетях 4G будет использоваться этот метод множественного доступа.

Как правило, описанные схемы в беспроводных сетях используются в сочета­нии друг с другом. Например, для мобильных сетей GSM одновременно исполь­зуются схемы уплотнения SDM, TDM и FDM, в системах стандарта IEЕЕ 802.16 эффективно сочетаются технологии OFDM, CDM, FDM/TDM и SDM.

Рассмотренные выше механизмы — это способы разделения единого ресур­са на каналы передачи. Однако эти каналы надо еще назначить конкретным устройствам. Рассмотрим несколько наиболее популярных схем распределения канальных ресурсов на базе технологии TDM (аналогичные механизмы возмож­ны и при других методах уплотнения).

Простейший алгоритм для схемы уплотнения TDM — это фиксированное распределение временных интервалов между различными устройствами. Рас­пределением занимается базовая станция (центральное устройство), которая сообщает каждому абонентскому устройству время начала передачи. Подобная схема идеально подходит для беспроводных сетей, которые имеют фиксирован­ную пропускную способность. Однако она не оптимальна в случае нерегулярной передачи, поскольку во время молчания устройства его интервал не может быть использован другим терминалом. Поэтому число абонентских станций (либо до­пустимая скорость передачи) принципиально и существенно ограниченно.

Противоположностью данной схемы является механизм полностью случай­ного доступа или классическая схема Aloha. В ней отсутствует какой-либо алгоритм, который позволял бы избежать коллизий (одновременной работы двух передатчиков в одно время на одной частоте). Это означает, что любое устрой­ство может передавать данные в любое время и нет никакой гарантии, что эти данные будут успешно доставлены получателю. Данная схема — один из самых первых механизмов доступа для систем беспроводной связи. Она была разрабо­тана в 1970-х годах в Гавайском университете и применялась в сети ALOHANET для беспроводного соединения нескольких станций (университетских зданий, располагавшихся на разных островах Гавайского архипелага). Данная схема хорошо работает в сетях со слабой загрузкой, т.е. в сетях, имеющих малое число устройств или передающих небольшое количество информации в единицу времени. При пуассоновском распределении интенсивности генерации пакетов устройствами максимальная пропускная способность системы достигается уже при 18%-ной загрузке.

Усовершенствованием основной схемы Aloha явился метод множественного доступа с детектированием несущей (Carrier Sense Multiple Access — CSMA). Детектирование несущей частоты означает лишь то, что канал прослушивается устройством. Если он занят, т.е. другое устройство передает данные, то пе­редатчик переходит в ждущий режим до того момента, когда канал станет свободным. Этот метод позволяет значительно улучшить пропускную способ­ность системы. Как и в методе случайного доступа, в данной схеме не требуется наличия центрального устройства, т. е. каждое устройство принимает решение о передаче самостоятельно. Поскольку фактически доступ к среде получает та станция, которая первой начала передачу, данный механизм еще называют ме­тодом конкурентного доступа.

Существует несколько версий схемы CSMA. При использовании неустойчи­вой схемы CSMA станции слушают канал и. если канал свободен, немедленно начинают передачу. Если канал занят, станция перед повторным определением состояния канала выжидает случайный промежуток времени, после чего опять слушает канал. Если канал свободен, то терминал передает данные. В р-настойчивых схемах CSMA узлы тоже определяют состояние канала, но данные пере­даются с вероятностью р. Устройство может отложить передачу до следующего временного интервала с вероятностью 1 - р. т. е. осуществляется дополнительное разделение доступа к среде. В l-настойчивых системах CSMA все станции, ко­торым необходимо передавать данные, одновременно получают доступ к среде, как только она освобождается.

Другой вариацией данного метода является CSMA/CA (СА — Collision Avoidance, с предотвращением конфликтов), использующаяся в беспроводных ЛВС стандарта IEEE 802.11. Здесь после определения незанятости канала время ожидания выбирается случайно в некотором временном промежутке. В специфи­кации HIPERLAN 1 описана схожая схема бесприоритетный множественный доступ с исключением (Elimination Yield — Non-Preemptive Multiple Access, EY — NPMA).

Схема с цифровым детектированием (DSMA Digital Sense Multiple Access) использует схожий с CSMA/CA принцип работы. Этот метод также называют множественным доступом с детектированием подавления (Inhibit Sense Multiple Access — ISMA). Различие заключается в том, что занятость канала определя­ется не путем прослушивания, а посредством посылки базовой станцией пакета, в котором определяется статус канала. В данной схеме базовая станция должна быть синхронизирована с передатчиками так, чтобы передатчики не переда­вали данные во время передачи статуса канала. Если канал занят, то станции ждут случайного промежутка времени для последующей передачи. Поскольку несколько станций могут одновременно передать данные, центральная станция посылает пакет с подтверждением о получении пакета данных.

В современных БСПИ, как правило, используют сочетание механизмов цен­трализованного назначения временных интервалов и методов конкурентного доступа. По сути, работа этих систем происходит в два этапа. Первый этап — ре­зервирование ресурсов (временных интервалов) для будущей передачи. На этом этапе все станции заявляют (пытаются заявить) о своих потребностях в каналь­ных ресурсах. На втором этапе происходит непосредственная передача данных в отведенном временном интервале. В этих схемах используется центральный терминал, с помощью которого производится синхронизация передач и осуще­ствляется резервирование. Как правило, механизмы резервирования приводят к увеличению времени задержки получения пакетов при слабой загрузке систе­мы, но при этом обеспечивают ей более высокую пропускную способность.

Примером подобного механизма является схема множественного доступа с распределением по запросу (Demand Assigned Multiple Access — DAMA), на­зываемая также схемой Aloha с резервированием. Она. в частности, применяется в спутниковых системах связи. В течение определенного временного интер­вала, разбитого на мини-интервалы, все станции пытаются зарезервировать для себя будущие временные интервалы для передачи данных. Поскольку на стадии резервирования происходят конфликты, некоторым станциям не удает­ся зарезервировать канальный ресурс. Если станции удалось зарезервировать временной интервал, то ни одна другая станция не сможет в это время осу­ществлять передачу. Таким образом, базовая станция собирает все успешные запросы (остальные игнорируются) и посылает назад список с указанием прав доступа к последующим временным интервалам. Этому списку подчиняются вес станции. Схема DAMА относится к схемам с явным резервированием, когда каждый интервал для передачи резервируется явно.

Схема ТDМА с резервированием отличается от предыдущей схемы тем, что этап резервирования происходит не на основании конкурентного доступа, а по обычной фиксированной схеме ТDМА. Каждому устройству назначается вре­менной мини-интервал, в течение которого оно сообщает, будет ли передавать данные. Поэтому в начале каждого цикла передачи базовая станция передает па­кет, разбитый на Л" интервалов, в каждом их которых указано, зарезервирован канал или нет. Затем следуют N × k интервалов для данных. Данный метод га­рантирует каждой зарезервировавшей канал станции определенную пропускную способность. Остальные станции могут пересылать данные в течение интер­валов, которые никто не зарезервировал, но уже на принципах конкурентного доступа и без гарантии доставки пакетов.

Схема с резервированием пакетов (PRMA - Packet Reservation Multiple Ac­cess) является примером со скрытым резервированием, поскольку интервалы резервируются неявно. Центральное устройство в начале каждого цикла рассы­лает список с распределением временных интервалов. Само же резервирование происходит по другой схеме. Представим, что какому-либо устройству необходи­мо передать данные, но при этом оно не зарезервировало временной интервал. Это устройство регулярно получает список с зарезервированными интервала­ми. К примеру, в полученном списке указано, что третий, пятый и восьмой интервалы не зарезервированы, т. е. свободны. Устройство случайным образом принимает решение о том, в каком интервале можно попытаться передавать данные. Например, устройство передает сообщение в пятый интервал. Если пе­редача прошла успешно, устройство получает об этом подтверждение. Базовая станция резервирует этот канал для нового устройства и включает его в свой список. Если запрос не дошел до базовой станции, устройство должно попробо­вать вновь послать данные в один из свободных интервалов.