8.1.1. Классификация систем передачи информации, использующих единый ресурс

Любой сигнал занимает определенную полосу частот, существует некоторое время, обладает ограниченной энергией и распространяется в определенной области пространства. В соответствии с этим выделяют четыре вида ресурса канала: частотный, временной, энергетический и пространственный.

Проблема эффективного использования ресурса общего канала особенно обострилась из-за необходимости организации оперативного обмена данными и обеспечения связи с объектами в информационных системах различного назначения в условиях неравномерности и непредсказуемости запросов потребителей во времени. При решении проблемы распределения ресурса общего канала применяются методы мультиплексирования и множественного доступа (multiple access). Понятия «мультиплексирование» и «множественного доступа» сходны тем, что они предполагают распределение ресурса между пользователями. В то же время между ними есть и существенные различия. Так при мультиплексировании ресурс канала связи распределяется через общее оконечное оборудование, формирующие групповой сигнал . При множественном доступе,  образуется в результате сложения сигналов пользователей непосредственно в канале (рис. 8.1, где ИС – источник сообщения, ПРД - передатчик, ПРМ - приемник, ПС – получатель сообщения). Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов, каналов мобильной связи [5, 6, 20, 39].

Принято считать, что мультиплексирование основано на общем аппаратурном обеспечении, в то время как множественный доступ (МД) использует определенные процедуры (протоколы), реализуемые с помощью программного обеспечения, хранящегося в памяти каждого терминала.

На рис. 8.2 представлены методы мультиплексирования.

Рис. 8.2. Методы мультиплексирования

В большинстве случаев для осуществления операции уплотнения канала источнику сообщений выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал . Если операция объединения линейна, то  будет линейным групповым сигналом. Он, как правило, образуется линейным суммированием промодулированных канальных сигналов.

В системах так называемого комбинационного уплотнения групповой сигнал формируется посредством определенной логической (нелинейной) обработки, в результате которой каждый элемент сформированного сигнала отображает информацию (комбинацию символов) от всех ИС. Классическим примером такой системы является система двукратного частотного телеграфирования. Для передачи четырех комбинаций символов двух каналов используется четыре частоты: .

Устройство разделения линейного группового сигнала  представляет собой набор линейных избирательных цепей, каждая из которых выделяет только свой канальный сигнал и в идеальном случае совсем не реагирует на другие канальные сигналы. Для осуществления подобного идеального разделения необходимо и достаточно, чтобы промодулированные канальные сигналы составляли ансамбль линейно независимых сигналов. В качестве таких сигналов обычно используют ансамбли ортогональных сигналов.

В классе линейного уплотнения по виду отличительного признака канального сигнала различают временное разделение каналов (ВРК), частотное (ЧРК) и разделение каналов по форме сигналов, называемое кодовым разделением каналов (КРК). Вместо термина «разделение» применяют и термин «уплотнение». При ЧРК полоса частот общего канала   разделяется на несколько более узких полос ,  каждая из которых образует канал ИС. При ВРК вся полоса  предоставляется поочередно через определенные  интервалы времени различным источникам для передачи сообщений. При КРК нет деления общего канала между ИС ни по частоте, ни по времени. Канальные сигналы различных ИС, перекрываясь по времени и частоте, остаются ортогональными за счет различия формы, что и обеспечивает их разделение.

Возможны варианты комбинирования указанных методов. Так, в мобильной связи в качестве метода МД широко используются комбинации ЧРК и ВРК, ВРК и КРК. В первой комбинации каждый частотный канал предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. При второй комбинации в полосе частот  формируют каналы с временным разделением, которые предоставляются нескольким пользователям на принципах КРК.

При организации многоканальной передачи информации, применяемые для уплотнения канальные сигналы могут быть заранее определенным образом распределены между источниками сообщений. Такое уплотнение называется уплотнением с закрепленными каналами. Соответствующая ему многоканальная система передачи также будет называться системой с закрепленными каналами. Возможна и такая организация многоканальной передачи информации, когда канальные сигналы не распределяются заранее между источниками, а выделяются каждому источнику по мере необходимости. Такое уплотнение называется уплотнением с незакрепленными каналами. Очевидно, для правильного разделения каналов в системах с незакрепленными каналами необходимо каким-либо образом передать на приемную сторону адресную информацию.

Основные понятия и определения, введенные для многоканальных систем, применимы и для систем МД. К настоящему времени изучено и предложено большое число разнообразных методов МД. Они различаются способом распределения коллективного ресурса канала (фиксированный или динамический), природой процессов принятия решения (централизованные или распределенные), а также степенью адаптации режима доступа к изменяющимся условиям.

Множественный доступ характерен для спутниковых каналов (в этом случае применяют термин «многостанционный доступ»), радиоканалов (пакетная радиосвязь), каналов мобильной связи, а также для многоточечных телефонных линий, локальных сетей.

Все существующие методы МД можно сгруппировать и выбрать в качестве основания классификации способ управления распределением ресурса общего канала (рис.8.3).

Рис. 8.3. Методы множественного доступа

Протоколы случайного доступа. При случайном МД весь ресурс канала связи представляется как один канал, доступ в который происходит случайно, в результате чего возможно столкновение пакетов передаваемой информации. Корреспондентам предлагается совершить определенную последовательность действий с целью разрешения конфликта. Каждый пользователь при необходимости может передавать данные в канал, не выполняя явного согласования с другими пользователями. Наличие обратной связи позволяет взаимодействующим корреспондентам контролировать прохождение передаваемой информации.

Возможны два варианта реализации стратегии случайного доступа: без контроля несущей и с контролем несущей.

Случайный доступ без контроля несущей состоит в том, что при необходимости передать данные, терминал пользователя сразу начинает передачу пакетов. Поскольку пакеты передаются без синхронизации между собой, возможно их наложение, что вызывает взаимные помехи. При возникновении такого конфликта, подтвержденного сигналом обратной связи, терминалы повторяют передачу искаженных пакетов. Во избежании повторения конфликтов промежутки времени до начала повторной передачи на каждом терминале выбираются случайно.

Случайный доступ с контролем несущей предполагает возможность контролировать наличие передачи информации другими корреспондентами. В случае отсутствия передачи данных незанятые временные промежутки имеются для передачи своей информации. В случае столкновения пользователи задерживают передачу пакетов на интервал времени . В настоящее время существуют две разновидности протокола: настойчивый и ненастойчивый. Различие заключается в том, что в первом случае пользователи подвижных объектов, обнаруживая столкновения, начинают передачу сразу, а при втором через определенный интервал времени.

Протоколы фиксированного закрепления ресурса канала обеспечивают статическое распределение ресурса канала между пользователями. Наиболее типичными представителями протоколов данного типа являются многостанционный доступ с частотным разделением (FDMA), многостанционный доступ с временным разделением (TDMA), многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA).

Фиксированное закрепление ресурса канала не может обеспечить динамически изменяющиеся требования пользователей сети, т.е. имеет жесткое управление.

Методы назначения ресурса по требованию позволяют избавиться от недостатков, присущих вышеперечисленным методам, но предполагают подробную и четкую информацию о требованиях пользователей сети.

По природе процессов принятия решения методы назначения ресурса по требованию подразделяют на централизованные и распределенные.

Централизованные методы назначения ресурса по требованию, характеризуются наличием запросов на передачу со стороны терминалов источника сообщения. Принятие решения о предоставлении ресурса осуществляется центральной станцией.

Соответствующие протоколы отличаются наличием жестко закрепленных за каждым подвижным объектом каналов резервирования и наличием центральной станции управления. Протоколы характеризуются высоким значением коэффициента использования пропускной способности базовой станции, однако критичны к нарушениям функционирования системы управления.

По способу резервирования, определяющему действия центральной станции пользователей сети, существует два метода назначения ресурса по требованию с централизованным управлением.

Распределенные методы назначения ресурса по требованию отличаются тем, что все пользователи производят одни и те же операции, не прибегая к помощи центральной станции, и используют дополнительную служебную информацию, которой обмениваются друг с другом. Все алгоритмы с распределенным управлением требуют обмена управляющей информацией между пользователями. Протоколы характеризуются жестким закреплением каналов резервирования за подвижным объектом. При этом на каждом объекте имеется таблица закрепления запросных каналов, следовательно, любой подвижный объект в любой момент времени имеет информацию о состоянии всей сети.

Комбинированные методы представляют собой комбинации предыдущих методов распределения ресурса, и реализуют стратегии, в которых выбор метода является адаптивным для различных пользователей с целью получения характеристик используемого ресурса канала, близких к оптимальным. В качестве критерия оптимальности, как правило, принимается коэффициент использования пропускной способности канала. На основе протоколов данного типа осуществляется подстройка параметров под конкретную обстановку в сети.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов распределения ресурса обладает достоинствами и недостатками. На практике целесообразно иметь всю совокупность методов и осуществлять адаптивный переход от одного метода к другому при определенных изменениях рабочих условий.