Со времён появления первых сетей, остро стоял вопрос об одновременной работе нескольких устройств. И вот уже десятки лет идёт борьба с этой проблемой и основная задача — успеть за потребностями общества.
В статье предлагаю быстро пробежаться по основным используемым технологиям мультиплексирования. Если где соврал, поправьте.
Собственно, какие есть возможности для организации комфортной одновременной работы нескольких пользователей? Их всего две для проводных сетей: разнесение данных от разных устройств в пространстве и во времени.
Всё начиналось с проводных сетей стандарта 10Base2, где в качестве среды передачи данных использовалась общая медная шина — коаксиальный кабель. Вкратце затронем эту тему.
В тот момент, когда вещает одно из устройств, другое не может начать, потому что получится просто шум вместо данных, поскольку электрический сигнал распространяется вдоль всей длины проводника. В таких условиях пространственно особо не разнесёшь данные. Приходится по времени: сетевая карта ждёт тишины в сети. Если канал занят, то она пробует повторить через случайный промежуток времени. Как только тишина появляется, устройство начинает вещать. Это первый механизм мультиплексирования — CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.
Такая ситуация сохранилась и с появлением хабов, поскольку они по сути были теми же шинами. А вот, когда пришли на сетевой рынок свитчи, всё изменилось. Они делили сеть на несколько доменов коллизий — по сути каждое устройство находится в отдельном, что означало пространственное разнесение данных от разных устройств.
Иначе обстоят дела с беспроводными технологиями. Они гораздо более сложные и в плане разработки стандартов и в плане реализации. Здесь добавляется и межсекторная и междуканальная интерференция, и затухание сигнала, и более сложное обеспечение QoS и самое главное — одновременная работа десятков абонентов.
Каким же образом её можно обеспечить для беспроводных устройств? Здесь есть два подхода: разнесение по времени и разнесение по частотам.
TDMA — Time Division Multiple Access. Это одна из технологий, к использованию которой мы прибегаем ежедневно — на ней строится GSM. Здесь данные разносятся по времени. Для каждой абонентской станции выделяется определённое количество таймслотов с полным использованием выделенной ширины радиоканала. Эти таймслоты закрепляются за устройством до окончания сессии. Помните рассвет GSM, когда вы по 5-10 минут пытались набрать номер, а в ответ видели сообщение о том, что «сеть занята» и что звонок совершить невозможно? В этот момент на базовой станции не было свободных таймслотов для вас. В дальнейшем TDMA получил поддержку в GPRS, EDGE. Но его сложно назвать оптимальным и, едва ли, есть для него место в нашем беспроводном будущем.
Технология FDMA — Frequency Division Multiple Access — в чистом виде практически не используется (был реализован в стандартах 1G, например, AMPS) Для каждой абонентской станции выделяется определённая полоса из используемого диапазона частот и высвобождается лишь после окончания сессии.
Равно как, и в TDMA, такое использование радиоканала не является оптимальным и требует соблюдения баланса между числом онлайн пользователей и их скоростью.
CDMA — Code Division Multiple Access. На данный момент это один из самых перспективных механизмов мультиплексирования. Используется в стандартах CDMA (2000, EVDO) и UMTS.
Суть его в том, что каждому устройству, зарегистрированному в сети, предоставляется свой уникальный код. На одной стороне происходит модуляция сигнала с использованием такого уникального кода, на другой происходит обратный процесс — демодуляция. Таким образом данные пользователей не разносятся ни по времени ни с частотам, а смешиваются, используя всю ширину канала.
CDMA бывает синхронным — с использованием свойств ортогональных векторов для выбора способа кодирования — и асинхронным — с использованием псевдослучайных последовательностей. У каждого из подходов есть свои плюсы и минусы — это тема самостоятельной статьи и я не буду подробно на этом останавливаться.
DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum. Технология имеет много общего с CDMA (для модуляции используется псевдослучайная последовательность), является достаточно помехоустойчивой, благодаря одиннадцатикратной избыточности, но при этом имеет низкую эффективность. Используется в Wi-Fi при скоростях до 2 Мб/с.
Теперь же перейдём к одной из самых, на мой взгляд, интересных технологий мультиплексирования, которая имеет огромное множество применений, в том числе Wi-Fi, WiMAX и LTE — OFDMA (Orthogonal frequency-division multiple access).
Сам OFDM, на котором основан OFDMA, также используется в ряде стандартов и не только беспроводных: DVB-T, ADSL, VDSL.
Чем же он так интересен? Всё дело в высокой эффективности использования радиоканала. Секрет раскрывается уже в названии: Orthogonal Frequency. Для передачи используется не одна несущая со всей выделенной шириной канала, а несколько поднесущих, с пересекающимися подканалами.
OFDMA подразумевает выделение каждому пользователю таймслотов, размер которых nxm, где n — количество подканалов, m — количество OFDMA-символов!!!!.. Таким образом этот вид мультиплексирования можно назвать симбиозом TDMA и FDMA, каждый из которых в отдельности неоптимален.
К плюсам OFDMA можно отнести:
К минусам:
Буду рад вашим дополнениям и примечаниям.
В статье предлагаю быстро пробежаться по основным используемым технологиям мультиплексирования. Если где соврал, поправьте.
Собственно, какие есть возможности для организации комфортной одновременной работы нескольких пользователей? Их всего две для проводных сетей: разнесение данных от разных устройств в пространстве и во времени.
Всё начиналось с проводных сетей стандарта 10Base2, где в качестве среды передачи данных использовалась общая медная шина — коаксиальный кабель. Вкратце затронем эту тему.
В тот момент, когда вещает одно из устройств, другое не может начать, потому что получится просто шум вместо данных, поскольку электрический сигнал распространяется вдоль всей длины проводника. В таких условиях пространственно особо не разнесёшь данные. Приходится по времени: сетевая карта ждёт тишины в сети. Если канал занят, то она пробует повторить через случайный промежуток времени. Как только тишина появляется, устройство начинает вещать. Это первый механизм мультиплексирования — CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.
Такая ситуация сохранилась и с появлением хабов, поскольку они по сути были теми же шинами. А вот, когда пришли на сетевой рынок свитчи, всё изменилось. Они делили сеть на несколько доменов коллизий — по сути каждое устройство находится в отдельном, что означало пространственное разнесение данных от разных устройств.
Иначе обстоят дела с беспроводными технологиями. Они гораздо более сложные и в плане разработки стандартов и в плане реализации. Здесь добавляется и межсекторная и междуканальная интерференция, и затухание сигнала, и более сложное обеспечение QoS и самое главное — одновременная работа десятков абонентов.
Каким же образом её можно обеспечить для беспроводных устройств? Здесь есть два подхода: разнесение по времени и разнесение по частотам.
TDMA — Time Division Multiple Access. Это одна из технологий, к использованию которой мы прибегаем ежедневно — на ней строится GSM. Здесь данные разносятся по времени. Для каждой абонентской станции выделяется определённое количество таймслотов с полным использованием выделенной ширины радиоканала. Эти таймслоты закрепляются за устройством до окончания сессии. Помните рассвет GSM, когда вы по 5-10 минут пытались набрать номер, а в ответ видели сообщение о том, что «сеть занята» и что звонок совершить невозможно? В этот момент на базовой станции не было свободных таймслотов для вас. В дальнейшем TDMA получил поддержку в GPRS, EDGE. Но его сложно назвать оптимальным и, едва ли, есть для него место в нашем беспроводном будущем.
Технология FDMA — Frequency Division Multiple Access — в чистом виде практически не используется (был реализован в стандартах 1G, например, AMPS) Для каждой абонентской станции выделяется определённая полоса из используемого диапазона частот и высвобождается лишь после окончания сессии.
Равно как, и в TDMA, такое использование радиоканала не является оптимальным и требует соблюдения баланса между числом онлайн пользователей и их скоростью.
CDMA — Code Division Multiple Access. На данный момент это один из самых перспективных механизмов мультиплексирования. Используется в стандартах CDMA (2000, EVDO) и UMTS.
Суть его в том, что каждому устройству, зарегистрированному в сети, предоставляется свой уникальный код. На одной стороне происходит модуляция сигнала с использованием такого уникального кода, на другой происходит обратный процесс — демодуляция. Таким образом данные пользователей не разносятся ни по времени ни с частотам, а смешиваются, используя всю ширину канала.
CDMA бывает синхронным — с использованием свойств ортогональных векторов для выбора способа кодирования — и асинхронным — с использованием псевдослучайных последовательностей. У каждого из подходов есть свои плюсы и минусы — это тема самостоятельной статьи и я не буду подробно на этом останавливаться.
DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum. Технология имеет много общего с CDMA (для модуляции используется псевдослучайная последовательность), является достаточно помехоустойчивой, благодаря одиннадцатикратной избыточности, но при этом имеет низкую эффективность. Используется в Wi-Fi при скоростях до 2 Мб/с.
Теперь же перейдём к одной из самых, на мой взгляд, интересных технологий мультиплексирования, которая имеет огромное множество применений, в том числе Wi-Fi, WiMAX и LTE — OFDMA (Orthogonal frequency-division multiple access).
Сам OFDM, на котором основан OFDMA, также используется в ряде стандартов и не только беспроводных: DVB-T, ADSL, VDSL.
Чем же он так интересен? Всё дело в высокой эффективности использования радиоканала. Секрет раскрывается уже в названии: Orthogonal Frequency. Для передачи используется не одна несущая со всей выделенной шириной канала, а несколько поднесущих, с пересекающимися подканалами.
OFDMA подразумевает выделение каждому пользователю таймслотов, размер которых nxm, где n — количество подканалов, m — количество OFDMA-символов!!!!.. Таким образом этот вид мультиплексирования можно назвать симбиозом TDMA и FDMA, каждый из которых в отдельности неоптимален.
К плюсам OFDMA можно отнести:
- Нечувствительность к многолучевой интерференции
- Поддержка MIMO и AAS
- Нечувствительность к узкополосным помехам
К минусам:
- Чувствительность к смещению частот
- Механизмы FFT (Fast Fourier Transform) и FEC (Forward Error Correction) работают постоянно, независимо от скорости соединения, что приводит к высокому энергопотреблению.
Буду рад вашим дополнениям и примечаниям.
