Характеристики наиболее распространенных протоколов доступа

Протоколы с предоставлением каналов по требованию (DAMA) могут быть реализованы при временном (TDMA) или частотном (FDMA) разделении каналов. На рис. 8 приведен пример реализации протокола с применением временного разделения в интервале времени, задаваемом длительностью кадра Т_к

 

.

Рисунок 6. Принцип предоставления канала по требованию (DAMA)

 

Весь кадр делится на два подкадра: кадр линии «вверх», когда передают АС, а принимают БС, и кадр линии «вниз», когда передает БС, а принимают АС. Длительность кадров «вверх» и «вниз» может быть разной. Если используется временное разделение дуплексного: канала (TDD), то между кадрами «вниз» и «вверх» вводится защитный интервал Т₃. В каждом кадре для организации канала управления выделяется интервал времени Т_окс общего канала сигнализации (ОКС). Информационные каналы АС выделяются базовой станцией по запросу, который передается по ОКС. Запросное сообщение короткое. Доступ АС к ОКС осуществляется по протоколам случайного множественного доступа.

Процедура обмена служебными сигналами по ОКС в процессе установления соединения между вызывающей и вызываемой АС показана на рис. 9.

 

Рисунок 7. Процесс установления соединения по ОКС

 

Вызывающая AC₁ (инициатор) передает по ОКС сигнал «Запрос» на БС с указанием адреса вызываемого абонента и желаемого вида связи. БС на основе анализа загруженности канала выбирает пару свободных тайм-слотов (один для линии «вверх», другой для линии «вниз») и транслирует запрос вызываемому абоненту с указанием номеров выделенных тайм-слотов (ТС). На вызывающую АС_i передастся подтверждение получения запроса так же с указанием номеров выделенных ТС. После обработки запроса вызываемым абонентом и ответа абонента на вызов БС передается подтверждение ответа на вызов, который транслируется БС на вызывающую АС₁ Момент поступления подтверждения на вызывающую АС₁ служит началом отсчета времени сеанса связи, после которого обе станции приступаю-т к обмену информацией по выделенным каналам. По окончании сеанса связи один из абонентов по ОКС передает на БС сигнал «Разъединение», после приема которого выделенные каналы считаются свободными.

Методы DAMA по отношению к методам FAMA позволяют повысить эффективность использования радиоресурса до 60...70%, т.е. увеличить количество АС на одну БС.

Процесс установления соединения по ОКС связан с задержками во времени. Время установления соединения Т_у включает двукратную задержку распространения сигнала по радиоканалу и время обработки вызова вызываемым абонентом.

Задержки на этапе установления соединения снижают эффективность МД в тех случаях, когда основную долю трафика составляют короткие сообщения, длительность передачи которыx (Т_с) меньше или примерно равна времени установления соединения.

Поэтому в тех случаях, когда в структуре передаваемого в сетях СС трафика преобладают короткие, прерывистые сообщения, передаваемые через случайные интервалы времени, наибольшее распространение получили методы случайного множественного доступа (СМД)

При СМД радиоканал разделяется по времени между всеми АС и выполняет роль моноканала. Все AC работают на одной несущей частоте и монопольно используют весь канал в течении времени передачи сообщения. Каждое сообщение, предназначенное для передачи, оформляется в виде пакета данных и содержит заголовок, в котором указаны адреса отправителя и получателя, а также дополнительная служебная информация, и концевик, который содержит кодовую проверочную последовательность (КПП), позволяющую оценить верность доставки сообщения. Все АС постоянно «прослушивают» моноканал и принимают все переданные пакеты (в том числе и собственные), выделяя среди них по адресу те, которые предназначены именно данной АС.

Успешный прием после ретрансляции через БС собственного пакета служит для АС передатчика положительной квитанцией-подтверждением успешной передачи пакета. Поскольку моменты начала передачи сообщения АС никак не согласованы между собой, то радиосигналы отдельных АС могут полностью или частично налагаться друг на друга на входе радиоприемной части БС. Конфликт обнаруживается всеми АС, прослушивающими моноканал, на основе анализа КПП. После обнаружения конфликта те АС, которые оказались в состоянии конфликта, предпринимают повторную попытку передачи пакета, причем каждая через собственный случайный интервал времени. В настоящее время в системах радиодоступа применяются следующие протоколы СМД: ALОNА, S-ALOHA, CSMA/CA, M/D/1. По протоколу P-ALOHA(асинхронная АЛОХА) пакеты данных передаются разными АС в случайные моменты времени. Моменты начала передачи между собой не синхронизированы, длина сообщений не фиксирована.

В случае наложения передаваемых разными АС пакетов происходит конфликт, и искаженные пакеты подлежат повторной передаче.

Выражение для средней пропускной способности для протокола Р-ALOHA записывается таким образом:

 

S=Gе^-2GP _ПР, (10)

 

где G - интенсивность поступления пакетов; Р_ПР - вероятность правильного приема пакета данных. Максимальное значение S=0,184 достигается при G = 1, откуда следует, что эффективность использования ресурса 18%.

Повысить среднюю пропускную способность позволяет протокол S -ALOHA (синхронная АЛОХА), в котором все АС синхронизируют начала передачи пакетов по общим тактовым сигналам. Для S-АLOНА средняя пропускная способность определяется выражением

 

S=Ge^-GР_ПР. (11)

 

Максимальное значение S=0,386 достигается при G= 1, что превышает пропускную способность P-ALOHA в два раза.

Дальнейшее повышение пропускной способности связано с применением протоколов с обнаружением и исправлением конфликтов CSMA/CA, модификация которых CSMA/CD хорошо зарекомендовала себя в сетях Ethernet.

Предельную эффективность для протоколов CSMA/CA задает протокол М/D/l. Он реализует правило обслуживания с очередью «первым пришел - первым обслужен». Для таких протоколов вероятность доставки пакета за заданное время определяется выражением

 

 (12)

 

где Т_ПРД = тпТ_с - время передачи сообщения, m - количество информационных символов и сообщении, п - количество циклов передачи; ρ =λТ_прд; λ - интенсивность потока заявок;

k = [T_З/T_npд] - наименьшее целое, превышающее значение аргумента; Р_ПР - вероятность правильного приема сообщений из m символов за п циклов передачи. Среднее время ожидания

 

Т_ож.=Т_ПРД ρ/(1-ρ) (13)

 

На рис. 10 приведены графики зависимости средней задержки доставки пакета от пропускной способности, характеризующие обменные соотношенияS ↔τ.

 

Рисунок 8. Обменные соотношения между пропускной способностью S и задержкой τ: 1 - P-ALONA; 2 - S-ALONA; 3 - CSMA/CA; 4 - M/D/1.