Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Алгоритм работы сетевого адаптера рабочей станции при использовании метода CSMA/CD заключается в следующем:
1) рабочая станция «прослушивает» канал, проверяя, не передает ли кто-либо данные;
2) если «слышит» чью-либо передачу, ожидает ее окончания;
3) если решает, что канал свободен, начинает передачу пакета;
4) при обнаружении коллизии во время передачи прекращает передачу;
5) через случайный промежуток времени все повторяется (т.е. осуществляется переход к п. 1).
Отметим, что коллизии при данном методе возникают, когда канал, будучи свободным, пытаются одновременно занять несколько рабочих станций. При большом количестве рабочих станций и высокой нагрузке число столкновений (коллизий) растет, а пропускная способность канала падает.
Достоинством метода является простая реализация, по причине которой метод был предложен для использования в технологии Ethernet в 1976 г.
Метод CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) — метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением столкновений. При этом варианте множественного доступа перед передачей данных рабочая станция посылает в сеть короткий пакет, сообщая остальным рабочим станциям о своем намерении начать передачу. Таким образом, другие рабочие станции ставятся в известность о готовящейся передаче, что позволяет избежать коллизий. Наличие уведомлений, несомненно, увеличивает общую нагрузку на среду, однако отсутствие коллизий делает применение метода CSMA/CA в ряде случаев более предпочтительным, чем метода CSMA/CD. В частности, такой метод применяется в беспроводных сетях.
Существует также целый ряд других методов доступа, исключающих коллизии. Это мультиплексирование по частоте, длине световой волны, времени и другие.
Частотное разделение каналов (Frequency Division Multiplexing, FDM).
Пусть нам предоставлен в распоряжение частотный диапазон ∆ω. В то же время источник вырабатывает сигналы, занимающие спектр частот в диапазоне ∆Ω. Пусть также имеет место соотношение ∆ω ≫ ∆Ω. Использовать диапазон ∆ω для передачи сигналов от одного источника было бы неразумно (неэкономично). Очевидно, что в диапазоне ∆ω можно было бы организовать приблизительно N = ∆ω ∆Ω каналов для передачи информации от N источников.
Частотное разделение (уплотнение) каналов (ЧРК) предусматривает выделение каждому источнику сигналов фиксированного, строго определенного места в общем частотном диапазоне.
Для этого выделенный для организации связи частотный диапазон ∆ω, предназначенный для связи, разбивается на N (по количеству каналов) частотных поддиапазонов (рис. 1.17).
В каждый такой поддиапазон ∆ωi «помещают» спектр соответствующего канального сигнала Si(ω). Такой способ основан на том, что спектр реального сигнала практически ограничен определенным интервалом частот. Считается, что вне этого интервала спектральные составляющие сигнала отсутствуют. С помощью канальных передатчиков спектры сообщений Si(Ω) не меняя своей структуры, преобразуются в канальные сигналы Si(ω). Задача канальных передатчиков — распределить исходные спектры сообщения Si(Ω) по частоте, выстроив их друг за другом. Таким образом, при частотном объединении каналов мы должны «поместить» каждый канальный спектр Si(ω) в соответствующий отдельный поддиапазон ∆ωi.
 |
Способ построения каналообразующей аппаратуры с ЧРК показан на рис. 1.18. На передающей стороне каждый из канальных передатчиков (КП) имеет собственную несущую частоту ωi. Частоты подобраны таким образом, чтобы сигналы на выходах передатчиков были разнесены по спектру (в соответствии с рис. 1.17). Сумма всех канальных сигналов образует групповой сигнал, который поступает в линию.
На приемной стороне разделение происходит за счет фильтрации отдельных канальных спектров (рис. 1.19). Канальные фильтры Φ1, Φ2,..., ΦN — своеобразное спектральное решето. Каждый фильтр пропустит только «свой» спектр и задержит остальные. Выделенный фильтром сигнал преобразуется в исходный с помощью детектора Д как в обычной одноканальной системе.
Для того, чтобы при многоканальной передаче не возникли помехи между каналами, необходимо ширину частотных поддиапазонов ∆ωi взять несколько большей ширины канальных спектров Si(ω) группового сигнала, т.е. они не должны располагаться друг за другом «впритык». Между ними должен быть частотный промежуток —защитный интервал. В противном случае при разделении сигналов составляющие соседних канальных спектров могут просочиться друг к другу и вызвать искажения. Причиной является несовершенство характеристик устройств разделения (УР). На рис. 1.19 штриховыми линиями показаны требуемые (идеальные) характеристики фильтров, а сплошными — реальные.
В качестве варианта частотного уплотнения можно рассматривать спектральное волновое уплотнение, используемое при передаче информации по волоконно-оптическим линиям связи.
Спектральное волновое уплотнение каналов (Wavelength-Division Multiplexing, WDM) или мультиплексирование по длине волны — технология, которая позволяет организовать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну. Одним из примеров является передача запроса на получение информации от потребителя услуг на волне 1310 нм и получение этой информации на волне 1550 нм.
Современные WDM-системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G. 692) делятся на три группы:
1) грубое разделение (Coarce WDM, CWDM) — системы с частотным разносом каналов более 2500 ГГц;
2) плотное разделение (Dence WDM, DWDM) — системы с разносом 100 ГГц и 50 ГГц;
3) высокоплотное разделение (High Dence WDM, HDWDM) — системы с разносом каналов 25 ГГц.
С успехами в области технологий WDM связано создание полностью оптических сетей. В таких сетях все операции осуществляются без преобразования сигналов из оптической формы в электрическую, что позволяет существенно удешевить сеть.
Множественный доступ OFDMA является многопользовательской версией OFDM. При OFDMA пользователям приписываются свои наборы несущих, что позволяет обеспечить одновременную передачу данных для нескольких абонентов.
Кодовое разделение (уплотнение) [2]. Технология CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) отличается тем, что все абоненты используют одновременно одну и ту же полосу частот, отсутствует и разделение по времени. Возникает вопрос: как опознать на приемном конце сигналы разных абонентов? Это допускает использование для каждого канала (источника) своей уникальной кодовой последовательности, накладываемой на передаваемый сигнал (рис. 1.20). Чтобы извлечь сигнал на приемном конце, надо знать используемую для него кодовую последовательность.
 |
Технология CDMA используется в сотовых системах связи и имеет следующие достоинства:
– емкость базовых станций увеличивается в 45 раз по сравнению с GSM;
– отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты;
– улучшенная защищенность передаваемых данных (для выделения сигналов на приемном конце надо знать вид кодовой последовательности);
– улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот;
– большее время работы батарей до разрядки;
– возможность выделения требуемой полосы частот по потребности.
Недостатки:
– сложное системное планирование (размещение базовых станций на местности);
– необходимость многоступенчатого управления мощностью передачи мобильных станций;
– жесткие требования в синхронизации в сетях CDMA.
Временной способ разделения каналов (Time Division Multiplexing, TDM).
Пусть, как и ранее, в нашем распоряжении имеется частотный диапазон ∆ω, а источник «вырабатывает» сигналы, занимающие полосу частот ∆Ω. Пусть также имеет место соотношение ∆ω ≫ ∆Ω. Предположим, что сигналы, поступающие от источников, представляют собой последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых τ0. Так как ∆ω≫∆Ω, то, как следует из раздела 1.2, в частотном диапазоне ∆ω можно передавать импульсы τk≪τ0. Напомним, что чем короче импульсы, тем шире полоса частот, требуемая для его передачи без искажений. И следовательно, более широкая полоса частот позволяет передавать более короткие импульсы. На интервале τ0 можно разместить примерно N импульсов длительностью τk, т.е. N = τ0/ τk = ∆ω /∆Ω.
Рассмотрим случай, когда ∆ω = 2∆Ω. На рис. 1.21 показаны сигналы, поступающие от двух источников U1(t) и U2(t), и сигналы в канале связи τ*0 = τ0/ 2.
Таким образом, на интервале τ0 мы передали информацию от двух источников, т.е. мы «уплотнили» этот интервал!
На рис. 1.22 изображена упрощенная схема системы с временным разделением (уплотнением) каналов (ВРК) для случая, когда ∆ω /∆Ω =N.
 |
Источники и получатели сообщений подключаются к среде передачи (линии) поочередно с помощью двух специальных коммутаторов, работающих согласованно — синхронно и синфазно. Подключение источников (получателей) осуществляется на интервал времени τk. После того, как будет подключен N-ый источник (получатель), подключается первый и т.д. Следовательно, системы с ВРК работают циклично и непрерывно.
Временное разделение каналов сегодня используется очень часто, иногда совместно с частотным, как, например, в системах мобильной радиосвязи стандарта GSM.
Временные интервалы или частотные интервалы используются рабочими станциями по мере надобности и могут, как нетрудно догадаться, простаивать, что в условиях нехватки ресурсов является недостатком методов доступа TDM и FDM.