UNIVERSITATEA POLITEHNICA din BUCUREŞTIFacultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Rețele de calculatoareProtocoale cu acces multiplu

Profesor coordonator: Studenţi: Ionescu - Niculescu Ana – Ioana

Prof. univ. Dr. ing. Ştefan Stăncescu Pavel Mihai-Alexandru

Sava Alexandru Nicolae

Tudor Ștefan-Eugen

Grupa 443A

Cuprins

Capitolul 1: Introducere…………………………(Ionescu Ana)………………….2

1.1. Clasificarea protocoalelor…………………..…………………………..2

Capitolul 2: Protocoale cu acces aleatoriu…………..(Pavel Mihai).......................5

2.1. ALOHA………………………………………………………………....5

2.1.1. Pure ALOHA…………………………………………………..5

2.1.2. Slotted ALOHA………………………………………………..6

2.2. CSMA…………………………………………………………………..7

2.2.1. CSMA/CD……………………………………………………..7

2.2.2. CSMA/CA……………………………………………………..8

Capitolul 3: Protocoale cu acces programat……………..(Sava Alexandru)….....11

3.1. FDMA………………………………………………………………....11

3.2. TDMA…………………………………………………………………13

Capitolul 4: Protocoale cu divizare prin cod……………..(Sava Alexandru)……14

4.1 CDMA 15

Capitolul 5: Controlled-access protocols…………………(Tudor Stefan)………17

5.1. Reservation…………………………………………………………….17

5.2. Polling…………………………………………………………………18

5.3. Token passing………………………………………………………….20

Bibliografie……………………………………………………………………….22

1

1. IntroducereRețelele de calculatoare sunt caracterizate de trei componente: switch-uri, canale și

protocoale.

Swich-urile sunt entitățiile hardware care găzduiesc funcțiile de comunicare de date. Protocoalele sunt seturi de reguli şi convenţii între părțile comunicante care dictează comportamentul switch-urilor. Canalul este mediu fizic pe care semnalează, reprezentând date, transmiţându-se de la un switch la altul.

Reţelele tradiţionale se folosesc de canale punct-la-punct, canale care sunt dedicate unor perechi de utilizatori. Un lucru foarte important este că aceste canale sunt foarte ieftine (economice), deasemena sunt avantajoase datorită caracteristicii specifice de neinterferenta, astfel încât transmisia între o pereche de noduri nu are niciun efect asupra transmisiei între altă pereche de noduri chiar dacă aceste două perechi au un nod comun.

Canalele punct-la punct necesită ca topologia să fie fixă, deseori determinată în momentul de design de reţea. Următoarele schimbări topologice sunt destul de grele şi costisitoare de implementat.

În locul canalelor punct-la-punct mai putem utiliza canalele de difuzare. Putem spune că un canal de difuzare este unul în care un singur receptor poate să primească fiecare mesaj transmis. Canalele de difuzare apar în radio, sateliţi şi câteva reţele locale (LAN). Această propietate a canalelor de difuzare are avantajele şi dezavantajele ei. Dacă un mesaj este destinat unui număr larg de destinatari atunci acesta este foarte util.

Transmisia pe un canal de difuzare interfere, în sensul că o transmisie poate să coincidă în timp cu o altă transmisie şi astfel niciuna din ele să fie primită. Succesul unei transmisii între două perechi de noduri nu mai este independentă de alte transmisii.

Pentru a face o transmisie cu succes, interferenţa trebuie să fie evitate sau cel puţin controlată.Canalul devine resursa partajată a cărui alocare este critică pentru funcționarea corectă a rețelei. Protocoalele cu acces multiplu sunt legate de planurile de alocare ale canalelor care posedă caracteristici de performanţă dorite. Modele de reţea cunoscute, cum ar fi stiva OSI, aceste protocoale constau de cele mai multe ori într-un strat special numit Medium Access Control (MAC). Stratul MAC este între stratul Data Link Control (DLC) şi strarul Fizic (Physical).

1.1 Clasificarea protocoalelor

Protocoalele cu acces multiplu se pot clasifica în:Protocoale cu acces programat (scheduling access protocols) sau de tip neconcurential

(conflict-free protocols)

2

· TDMA· FDMA

Protocoale cu acces multiplu cu divizare prin cod

· CDMA

Protocoale cu acces aleator (random access protocols) sau de tip concurenţial (contention protocols)

· ALOHA· CSMA· CSMA/CD· CSMA/CA

Protocoale cu acces controlat (controlled-acces protocols)· Reservation· Polling· Token passing

În figură care urmează este realizată o clasificare a protocoalelor cu acces multiplu:

Figura 1.Clasificarea protocoalelor cu acces multiplu [1]

La cel mai înalt nivel de clasificare putem observa două tipuri de protocoale: conflict-free şi contention.

Protocoalele neconcurenţiale (conflict-free) sunt acelea care asigură o transmisiune, ori de câte ori este realizată este una de succes, care nu va fi perturbată de (care nu va interfera cu) o altă transmisiune. Această transmisiune poate fi realizată prin alocarea unui canal utilizatorului fie statică fie dinamică. Resursele canalului pot fi văzute în acest scop de la o poziţie de timp, frecvenţă sau timp-frecventa.

3

Astfel, canalul poate fi împărţit prin acordarea întregii game de frecvenţă (lăţime de bandă) pentru un singur utilizator pentru o fracţiune de timp, aşa cum e făcut în TDMA (Time Division Multiple Access) sau dând o fracţiune din gama de frecvenţă fiecărui utilizator aşa cum este realizat în FDMA (Frequency Division Multiple Access) sau furnizarea fiecărui utilizator o porţiune din lăţimea de bandă pentru o fracţiune de timp aşa cum este făcut CDMA (Code Division Multiple Access).

Pentru a contracare alocarea static, alocarea dinamică alocă baza canalului cererii astfel încât un utilizator care se întâmplă să fie inactiv să utilizeze doar puţine resursele canalului, lăsând majoritatea cotei sale la alţi utilizatori mai activi. O astfel de alocare poate fi făcută prin diverse scheme (strategii) de rezervare, în care utilizatorii în primul rând anunţă intenţia de a transmite şi toţi care s-au anunţat vor transminte înainte că noii utilizatori au o şansă să anunţe intenţia lor de a transmite.

Alte două exemple ce aparţin de aceste protocoale sunt MSAP (MiniSlotted Alternating Priority) şi BRAM (Broadcast Recognition Access Method).

Planurile concurenţiale (contention) diferă în principiu de cele neconcurenţiale (conflict-free) prin fapptul că o transmisiune nu este garantată că se va realiza cu succes. Protocolul trebuie să descrie o cale de a rezolva conflictele care apar astfel încât toate mesajele să fie transmise. Procesul de soluţionare consumă foarte multe resure şi este una din cele mai importante diferenţe dintre diversele protocoale concurenţiale.

În cele mai multe protocoale neconcurenţiale (conflict-free), utilizatorii inactivi consumă o parte din resursele canalului; această porţiune (secţiune) devine majoră când numărul potenţialilor utilizatori în sistem este foarte mare şi planurile conflict-free sunt impracticabile. În planurile (stategiile) concurenţiale, utilizatorii inactivi nu transmit şi aceştia nu consumă resursele canalului. Atunci când protocoalele cu acces multiplu concurente sunt folosite, necesitatea apare la a rezolva conflictele, ori de câte ori apar. La fel ca şi în cazul neconcurenţial, ambele soluţii, statice şi dinamice, apar. Rezoluţia static se referă la faptul că dinamica sistemului nu influenţează comportamultul real. O rezolvare statică poate fi bazată de exemplu pe un id al unui utilizator sau orice altă prioritate fixate, însemnând că oricând apare un conflict, primul utilizator pentru a transmite un mesaj va fi cel care va avea cel mai mic id. O rezolvare statică poate fi probabilistică, ceea ce înseamnă că programul de transmisiune pentru utilizatorii ce interferă este ales dintr-o distribuţie fixă care este independentă de numărul real de utilizatori care interferă, aşa cum este realizat în protocoalele Aloha şi numeroasele versiuni ale CSMA (Carrier Sense Multiple Access).

Rezolvările dinamice, şi anume profitarea şi urmărirea schimbării sistemului sunt posibile în protocoalele concurenţiale. De exemplu, o soluţie poate să fie bazată pe timpul de sosire dând cea mai mare (sau cea mai mică) prioritate celui mai vechi mesaj în sistem. Alternativ, soluţia poate să fie probabilistică, dar statisticile se schimbă dinamic în funcţie de gradul de interferenţă.

În acces controlat, staţiile se conculta una cu cealaltă să găsească staţia care are dreptul de a trimite. O staţie nu poate transmite doar dacă are autorizaţia altei staţii.

4

Capitolul 2: Protocoale cu acces aleator2.1. ALOHA

2.1.1 Pure ALOHA (ALOHA pur)

Protocolul Pure ALOHA reprezintă protocolul de bază din familia Aloha. Sistemul este considerat ca fiind unul de tip single-hop, cu generare de pachete infinite de lungime T, cu λ pachete/secundă. Canalul de transmisie este fără erori și fără captare. Prima transmisie a unui pachet nou nu interferează cu nicio altă transmisie a unui alt pachet. Pachetul inițial trimis este recepționat în mod corect spre deosebire de transmisiile de pachete care se suprapun în timp, declanșând coliziuni care afectează recepția acestora fiind necesară reluarea transmisiei. Utilizatorii ale căror pachete se află în coliziune se numesc utilizatori cu coliziuni (coliding users). La sfărșitul fiecărei transmisii utilizatorul știe dacă aceasta s-a încheiat cu succes sau dacă a avut loc o coliziune. Pentru cel de-al doilea caz este necesară retransmisia ce va avea loc ulterior, la un timp aleator, pentru a asigura setul de pachete de coliziuni pe termen nelimitat. [9],[5]

Figura 2. Sistemul de funcționare al protocolului Pure ALOHA (săgețile indică momentele de sosire, dreptunghiurile albe indică transmisiile efectuate corect, dreptunghiurile hașurate indică coliziunea pachetelor).

Spre deosebire de alte protocoale, Pure ALOHA nu verifică dacă canalul de transmisie este ocupat înainte de transmitere. Astfel, coliziunile care apar și retransmisiile pachetelor implicate nu permit protocolului utilizarea la capacitate maximă a canalelor de comunicații. Retransmisia ulterioară la un moment de timp aleatoriu reprezintă un criteriu important în analiza eficienței protocolului.

Pure ALOHA este un sistem cu un singur hop. Se consideră un pachet programat pentru transmisie la momentul de timp t. Aceasta se va efectua cu succes dacă nici un alt pachet nu va fi programat în intervalul (t-T, t+T) unde 2T reprezint perioada vulnerabilă. Retransmisia pachetelor se face în funcție de punctele de planificare (scheduling points), acestea reprezentând momentele de timp la care retransmisiile pot avea loc. Punctele conțin atât timpii de generare a noilor pachete cât și timpii de retransmisie ale celor care au fost în coliziune. Se consideră rata de planificare a punctelor, unde g (pachete/sec) reprezintă cantitatea de pachete ce trebuie

5

transmisă. Din moment ce nu toate pachetele sunt expediate cu succes, se consideră g> λ. Dacă programul de retransmisie este ales uniform, pe un interval de timp mare, atunci distribuția punctelor de planificare se face utilizând distribuția Poisson. [8]

Pachetele transmise cu succes sunt definite de relația: Psuc = e– 2>¿¿. Rata de transmisie cu succes a pachetelor este gPsuc. Atunci când un pachet este transmis cu succes, informația acestuia se poate transmite pe o perioadă de T secunde. Debitul se poate calcula astfel: S = gTe−2>¿¿unde G = gT este sarcina canalului. [8]

2.1.2 Slotted Aloha

Protocolul Slotted ALOHA este o variantă a protocolului Pure ALOHA diferența constând într-un canal împărțit pe slotu-ri. Dimensiunea unui slot este egală cu T, timpul transmiterii unui pachet. Utilizatorii Slotted ALOHA sunt constrânși privind transmisia pachetelor, aceștia putând să transmită doar la începutul creării unui slot.. Un slot va fi transmis cu succes dacă și numai dacă un singur pachet a fost programat pentru transmisie în slot-ul anterior, astfel perioada vulnerabilă coliziunilor este redusă la un singur slot. Debitul este exprimat astfel: S = gTe−¿ = Ge−G. [4]

Figura 3. Protocolul Slotted ALOHA (Dreptunghiurile albe reprezintă pachetele transmise cu succes. Dreptunghiurile hașurate sunt pachete în coliziune, aflate în același slot. )

6

Figura 4. Debitul de informații pentru Pure și Slotted ALOHA

2.2. CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Carrier Sense Multiple Access este un protocol de tip MAC (Medium Access Control) în care nodurile verifică absența traficului pe canalul de comunicație înaintea transmiterii. Carrier Sense semnifică încercările de detectare ale traficului de date (o transmisie în execuție) cu ajutorul unui Carrier Signal ce provine de la alt nod. Dacă un astfel de semnal este recepționat, se așteaptă incheierea transmisiei ce se execută pentru a putea începe una nouă.

Bazat pe principiul “Listen before talk” (“Ascultă înainte să vorbești”) protocolul CSMA este un protocol ce reduce nivelul de interferență cauzat de suprapunerea de pachete, și informează utilizatorii de alte transmisii ce au loc (dacă canalul este ocupat), reușind astfel să inhibe apariția coliziunilor. Performanța CSMA este reprezentată de propagarea întârzierii de tip end-to-end ce depinde de tipologia design-ului.

2.2.1 CSMA with Collision Detection (CSMA cu Detector de Coliziuni)

CSMA/CD este un protocol de tip MAC (Medium Access Control) folosită în prealabil în tehnologia Ethernet. Această metodă folosește o stație de detectare a semnalelor de tip Carrier Signal în timpul execuției unei transmisii. Dacă pe canalul de comunicație se detectează alte transmisii în curs, cea inițiată se oprește și se trimite un semnal de tip Jam Signal (Ambuteiaj/Coliziune), după care se așteaptă un interval de timp oarecare pentru reîncercarea transmisiei pachetului de date. [9]

7

Jam Signal este un semnal pe 32 biți ce este transmis de un nod pentru a le informa pe celelalte despre eventualele coliziuni și oprirea transmisiilor acestora.

Inițierea unei transmisii respectă pașii din următoarea procedură:

1. Pregătirea pachetului pentru transmisie. Dacă este pregătit se trece la următorul pas.2. Disponibilitatea canalului de comunicație. Dacă este ocupat, se așteaptă până când devine

liber.3. Execuția transmisiei de date și monitorizarea împotriva coloziunilor din timpul

procesului.4. Apariția coliziunilor. Dacă se detectează coliziuni se trece la Procedura detectării

coliziunilor.5. Resetarea numărătorului retrimiterii datelor și terminarea transmisiunii.

Pentru rezolvarea coliziunilor care pot apărea la nivelul canalului de comunicație se utilizează următoarea procedură:

1. Se continuă transmisia cu un semnal de jam, înlocuind pachetul până când timpul minim de existență al pachetului este atins astfel încât toate nodurile să detecteze coliziunea.

2. Incrementarea numărătorului retransmisiei3. Dacă numărul maxim de incercări de transmisie a fost atins, aceasta se anulează.4. Se calculează și se așteaptă perioada de backoff în funcție de numărul de coliziuni 5. Procedura se reia de la punctul 1.

În figura ce urmează este prezentat algoritmul CSMA/CD. Stațiile (nodurile) verifică dacă altă stație se află în proces de transmisie. Dacă nu, se expediază primul bit de informție. Dacă pe parcursul transmisiei nu se detectează coliziuni, transmisia se va executa normal, verificând continuu posibilele apariții de coliziune. Dacă aceasta este detectată se va aștepta un interval de timp aleator după care procesul se reia. Dacă numărul maxim de retrimiteri a fost atins, transmisia se anulează. [6]

8

Figura 5. Algoritmul CSMA/CD

2.2.2. CSMA with Collision Avoidance (CSMA cu Evitare de coliziuni)

CSMA/CA este un protocol ce operează la nivel de Data Link Layer (Layer 2) din stiva OSI. Acest protocol folosește o metodă în care este folosit un modul de detectare a coliziunilor, permițând nodurilor să evite coliziunile, executând transmisiile în întegime doar când canalul este liber. CSMA/CA este folost cu precădere în rețelele de tip wireless. Evitarea coliziunilor este caracterizată de trei strategii: spațiul dintre pachete, fereastra concurențială și recunoașterile, cele din urmă confirmând receptorului transmisia corectă a datelor. [7],[9]

9

Interframe Space – IFS (Spațiul dintre pachete)

Coliziunile sunt evitate prin amânarea transmisiei chiar dacă canalul de comunicație este în așteptare. Atunci când un canal de comunicație este liber (în așteptare), stația (NODUL) așteaptă un interval de timp, numit IFS. Chiar dacă canalul poate apărea ca fiind în așteptare, o altă stație (îndepărtată) posibil să fi început transmisia. IFS permite semnalului transmis de această stație să ajungă în toate celelalte pentru a le înștiința de începerea unei noi transmisii de date. Dacă după timpul IFS, canalul este încă liber, stația poate trimite pachetele dar este nevoită să aștepte un timp egal cu cel concurențial. Timpul IFS poate fi folosit în prioritizarea stațiilor sau tipurilor de pachete de date: cu cât o stație a asignat un timp IFS mai scurt cu atât aceasta are o prioritate mai mare. [9]

Figura 6. Diagrama de funcționare CSMA/CA

10

Contentention Window (Fereastra concurențială)

Fereastra concurențială reprezintă un interval de timp împărțit în slot-uri. Un nod care este pregătit să transmită, alege un număr aleatoriu de slot-uri pentru timpul de așteptare. Prima dată se selectează un singur slot, urmând ca în cazul în care nodul (stația) nu poate nu poate detecta un canal liber, după timpul IFS, numărul de slot-uri să se dubleze. După trecerea fiecărui slot de timp, stația caută un canal liber. Dacă acesta este identificat ca fiind ocupat, procesul nu se restartează ci timer-ul este oprit și resetat în momental în care canalul este în așteptarea unei noi transmisiuni. Acest lucru oferă prioritate stației cu cel mai lung timp de așteptare. [9]

11

3. Protocoale cu acces programat

Protocoalele cu acces multiplu de tip neconcurenţial realizează evitarea situaţiilor în care doi sau mai mulţi utilizatori ar putea accesa acelaşi canal simultan. Acest lucru este realizat printr-o programare a transmisiilor, unde nicio transmisie nu este perturbata de catre oricare alta transmisiune, prin urmare este realizata cu succes. Fiecare utilizator va transmite într-un mod ordonat şi prestabilit, asigurându-se astfel transmisia corectă a mesajelor pentru toţi participanţii la trafic. [10]

Alocarea resurselor poate fi realizată fie într-o manieră fixă, fie într-o manieră flexibilă, la cerere (on demand). În primul caz capacitatea canalului este împărţită în mod egal între toţi utilizatorii, indiferent de activitatea acestora. Diviziunea se poate face în timp (cazul TDMA) sau în frecvenţă (cazul FDMA).

Controlul resurselor poate fi un control centralizat, caz în care o singură entitate gestionează toate resursele, sau distribuit, implicând şi utilizatorii în procesul de gestionare.

3.1. FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Tehnica de acces multiplu cu divizare în frecvenţă, FDMA, împarte un canal sau întreaga bandă de frecvenţă alocată sistemului într-un număr de subbenzi sau canale, care nu se suprapun între ele, fiecărui utilizator alocându-i-se un canal (Figura 7).

Figura 7. FDMA - Acces multiplu cu divizare în frecvenţă

Fiecare bandă sau canal este dimensionat astfel încat să cuprindă întregul spectru al semnalului transmis. Datele care urmează să fie transmise sunt modulate pe fiecare canal purtător, toate acestea fiind combinate linear (Figura 8). [11]

12

Figura 8. FDMA - Ȋmpărţirea benzii de frecvenţă în canale multiple

Principalul avantaj al FDMA este simplitatea ei: nu are nevoie de nicio coordonare sau sincronizare în rândul utilizatorilor, deoarece fiecare poate folosi banda sa proprie de frecvență, fără interferențe. Aceasta, cu toate acestea, este de asemenea principala cauză de întârzieri atunci când sarcina este neuniformă, în momentul în care un utilizator este inactiv, partea lui de lățime de bandă nu poate fi folosită de către alţi utilizatorii. Trebuie remarcat faptul că în cazul în care utilizatorii au cerințe inegale pe termen lung, este posibilă împărțirea domeniului de frecvențe inegal, adică proporțional cu cererile. FDMA nu este, de asemenea, flexibilă: adăugarea unui nou utilizator la rețea necesită modificarea echipamentelor (cum ar fi adăugarea de filtre) pentru oricare alt utilizator adăugat (Figura 9).[12]

Dezavantajul acestei tehnici este acela că pe masură ce se va mări numărul de canale în care este împărţită banda de frecvenţă, cresc şi sansele de a rezulta interferenţe între canale. Acest lucru se datorează faptului că distanţa redusă dintre canale face mai greu realizabilă doar filtrarea canal dorit și respingerea tuturor celelalte la receptor. Prin urmare, împărțind o bandă de frecvenţă de 12.5kHz în mai mult de două canale, acesta devine impracticabilă.

Figura 9. Accesul cu divizare în frecvenţă FDMA

13

Notând cu B banda totală şi cu b banda canalului frecvenţial, fără a ţine cont de benzile de gardă dintre utilizatorii adiacenţi, numărul total de utilizatori care pot accesa şi utiliza

resursele din sistem este N=Bb .

Un bun exemplu în acest sens îl reprezintă sistemul de televiziune prin cablu. Mediul este un cablu coaxial, care este folosit pentru a transmite sute de canale de video/audio. Cablul coaxial are o lățime de bandă de la aproximativ 4 MHz la 1 GHz. Acest lățime de bandă este împărțit în canale largi de 6 MHz. Inițial, o stație de televiziune sau canal folosea o singură bandă de 6 MHz. Dar, cu tehnici digitale, mai multe canale de televiziune pot partaja o singură bandă, datorită tehnicilor de compresie și multiplexare utilizate în fiecare canal.

În scopul minimizării interferenţelor între canale (“cross-talk”), în sistemele de tip FDMA trebuie prevăzut un număr de benzi de gardă între utilizatorii adiacenţi.

Numărul de canale ce pot fi utilizate simultan într-un sistem FDMA este:

N=Bt−2 Bg

Bc

unde: - Bt este banda de frecvenţă alocată sistemului; - Bg este banda de gardă, necesară la capetele domeniului de frecvenţe alocat; - Bc este banda unui canal individual. [13]

Această tehnică este, de asemenea, utilizată în sistemele de comunicații prin fibră optică. Un singur cablu de fibră optică are lățime de bandă mare, care poate fi împărțită pentru a oferi FDMA. Diferite surse date sau informații sunt fiecare atribuite unei frecvență de lumină diferită pentru transmisie. Lumina, în general, nu este nu este caracterizată de frecvență, ci de lungime sa de undă (λ). Ca urmare, tehnica FDMA pe fibra optică poartă numele de tehnica de acces multiplu cu divizare în lungimea de undă (WDMA - wavelength division multiple access).[11]

3.2. TDMA (Time Division Multiple Access)

TDMA (Time Division Multiple Access) este o tehnologie de transmisie digitală, ce permite tuturor utilizatorilor să folosească aceeaşi frecvenţă, fără interferenţe, fiecarea având câte un interval temporal în fiecare canal (Figura 10). [11]

14

Figura 10. TDMA – Acces multiplu cu divizare în timp

TDMA este o tehnică digitală care împarte un singur canal sau bandă în intervale de timp. Fiecare canal de timp este utilizat pentru a transmite un octet sau un alt segment digitală a fiecărui semnal în formatul de date seriale secvențiale. Această tehnică funcționează bine cu semnalele de date voce lente, dar este, de asemenea, util pentru semnal video comprimat și alte date de mare viteză (Figura 10).[11]

Un exemplu este sistemul de transport T1 utilizat pe scară largă, care a fost folosit de ani de zile in industria telecom. Liniile T1 transporta până la 24 de apeluri telefonice vocale individuale pe o singură linie (Figura 11). Fiecare semnal vocal acoperă, de obicei, de la 300 Hz la 3000 Hz și este digitizat la o rată de 8 kHz, care reprezintă un pic mai mult decât rata minimă Nyquist, de două ori mai mare decât cea mai înaltă frecvență necesară pentru a păstra tot conținutul analogic.

Figura 11. Cadru TDMA în telefonia digitală T1

Vocea digitizată apare ca serii de biţi individuale care se transmit cu o rată de 64 kHz, iar 24 din aceşti octeți sunt intercalaţi, producând un cadru T1 de date. Cadrul se transmite la o rată de 1.536 MHz (24 x 64 kHz) pentru un total de 192 biți. Un singur bit de sincronizare, se adaugă în scopuri de sincronizare pentru o rata globala de date a 1.544 Mbiți / s. La capătul de recepție, octeții vocalii individuali sunt recuperaţi cu rata de 64 kHz și trecuti printr-un convertor digital - analogic (DAC) care reproduce vocea analogic.

4. Protocoale cu divizare prin cod

Atât FDMA cât și TDMA nu permit suprapunerea în timp de transmisiuni. Un sistem de tip neconcurenţial care permite suprapunerea de transmitere atât în frecvență cât și domeniul timp este protocolul cu divizare prin cod (CDMA - Code Division Multiple Access). Proprietatea de sistem neconcutential al CDMA-ului este realizată prin utilizarea de semnale ortogonale, în colaborare cu filtre potrivite în receptoare corespunzătoare. Interconectarea tuturor utilizatorilor din sistem necesită filtre corespunzătoare tuturor semnalelor pentru a putea fi disponibile tuturor receptorilor. Utilizarea multiplă de semnale ortogonale crește lățimea de bandă necesară pentru transmisiune. Totuși, CDMA permite coexistența mai multor sisteme în aceleași benzi de frecvență, atâta timp cât semnale diferite sunt utilizate în diferite sisteme.

În loc de divizare a întregii benzi de frecvenţă în mai multe canale sau sloturi de timp, fiecare slot are un cod unic. Spre deosebire de FDMA, frecvența transmisă este aceeași în fiecare slot, și spre deosebire de TDMA, sloturile sunt transmise simultan. În Figura 12, canalul este împărțit în patru sloturi de cod.

15

Figura 12. CDMA – Acces multiplu cu divizare în cod

Fiecare slot are capacitatea de a transporta o conversație separată, deoarece receptorul reconstituie doar informații trimise de la un emițător cu același cod.

Totuși, acest lucru creează o problem. Transmisiile pe aceeași frecvență cu coduri diferite sunt nu sunt doar primite și decodate, ci pur și simplu sunt interpretate ca zgomot. Acest lucru înseamnă că odată cu creşterea numărului de utilizatori, creşte si nivelul de zgomot asupra sistemului, care, desigur, poate afecta acoperirea.

Problemele referitoare la cât de apropape / de departe sunt sunt transmise semnalele duc la nevoia unui control dinamic de putere în sistemele CDMA, care să asigure că toate semnalele ajung la stația de bază la aproximativ același nivel, pentru a se asigura că semnale de la emițătoarele îndepărtate nu sunt pierdute.

Aceste problemele, referitoare la cât de apropape / de departe sunt transmise semnalele, au loc atunci când un transmițător trimite un semnal puternic la un receptor, lucru ce face dificilă recepţia oricărui semnal mai slab.

CDMA reprezintă o tehnică digital de codare a semnalelor. De asemenea, este cunoscută şi sub numele de spectru extins, deoarece are nevoie de versiunea digitală a unui semnal analogic pe care îl răspandeşte într-o bandă largă la un nivel redus de energie (Figura 13). Digitizat și comprimat semnalul de voce în formă de date seriale este răspândit prin prelucrarea acestuia într-un circuit XOR împreună cu un semnal de împrăştiere la o frecvență mult mai mare. În standardul CDMA IS-95 un semnal de împrăştiere de 1.2288Mbit/s ciobire semnal codeaza vocea comprimată digital la 13 kb/s.

16

Figura 13. Tehnica de codare CDMA

Semnalul de împrăştiere este generat de un generator pseudo-aleator care atribuie un cod unic pentru fiecare utilizator al canalului. Acest cod răspândeşte semnalul de voce într-o bandă de 1,25 MHz. Semnalul rezultat este la un nivel redus de energie și apare mai mult ca zgomot. Multe astfel de semnale pot ocupa același canal simultan. De exemplu, folosirea a 64 de coduri de împrăştiere unice fac posibilă utilizarea aceluiaşi canal de 1.25 MHz de către 64 de utilizatori, în același timp. La receptor, un circuit găsește și identifică codul specific unui utilizator și îl recuperează.[11]

17

Capitolul 5: Controlled-access protocolsÎn cazul accesului controlat, stațiile se consultă între ele pentru a afla care are dreptul de a trimite. O stație nu poate trimite dacă nu a fost autorizată de alte stații.

5.1. Rezervarea (metoda hărții de biți)

În cazul metodei de rezervare, o stație trebuie să facă o rezervare înainte de a trimite date. Timpul este divizat în intervale. În fiecare interval, un frame de rezervare precede frame-urile de date trimise în interval. Dacă stația 0 are un frame de trimis, trebuie să trimită 1 în timpul slotului 0.

Dacă în sistem se găsesc N stații, în frame-ul de rezervare se găsesc fix N minisloturi de rezervare. Fiecare minislot aparține unei stații. Când o stație trebuie să trimită un frame de date, aceasta face o rezervare în minislotul propriu. Stațiile care au făcut rezervări își pot trimite frame-urile de date după frame-urile de rezervare.

Figura 14. Exemplu al metodei de acces prin rezervare

Figura 15. Exemplu al metodei de acces prin rezervare [17]

În figura 13 este prezentată o situație cu 5 stații și un frame de rezervare cu 5 minisloturi. În primul interval, doar stațiile 1, 3 si 4 au făcut rezervare. În al doilea interval, doar stația 1 a făcut rezervare. [15]

18

Din moment ce toate stațiile știu de ordinea în care urmează, nu vor fi niciodată coliziuni. După ce și ultima stație și-a transmis structura de date, o altă perioadă de rezervare începe. Dacă o stație devine gata imediat după ce slotul bitului său de rezervare a trecut, aceasta trebuie să aștepte următoarea iterație a hărții de biți. Protocoalele de acest gen se numesc protocoale de rezervare deorece rezervă canalul de comunicare din timp și previn coliziunile.

În condiții de încărcare redusă, harta de bit va fi repetată, din cauza lipsei de frame-uri de date. În cazul unei stații cu număr mic, de exemplu 0 sau 1, de obicei se dorește transmiterea atunci când slotul curent este undeva la mijlocul hărții de bit. În medie, stația va trebui să aștepte N/2 sloturi pentru a se termina scanarea curentă și încă N sloturi întregi pentru ca următoarea scanare să se încheie pentru a începe să transmită.

În cazul stațiilor care au număr mare, acestea trebuie să aștepte în general doar jumătate din scanare (N/2) pentru a putea începe să transmită. Din moment ce stațiile cu număr mic trebuie sa aștepte în general 1.5N sloturi si stațiile cu număr mare trebuie sa aștepte în general 0.5 sloturi, media pentru toate sloturile este de N.

Eficența canalului la încărcare redusă este ușor de calculat. Fiecare frame are un timp consumat de operații neproductive de N biți și totalul de date este de d biți, rezultă ca eficența este d/(d+N).

La încarcare mare, când toate stațiile au mereu ceva de trimis, perioada de rezervare este proporționată pe durata a N frame-uri, rezultând un timp mort de 1 bit pe frame, ajungând la o eficență de d/(d+1). Valoarea medie a întârzierii pentru un frame este egală cu timpul pe care îl petrece în coada din stație, plus (N-1)d + N din momentul în care ajunge în vârful cozii interne. Acest interval reprezintă cât de mult timp le ia tuturor celorlalte stații să aștepte pâna le vine rândul să trimită un frame și o altă hartă de biți. [16]

5.2. Polling (interogarea)

Metoda interogării funcționează cu topologiile în care un dispozitiv este desemnat drept stație principală iar celelalte dispozitive sunt stații secundare. Toate schimburile de date trebuie să aibă loc prin stația principală, chiar și când ultima destinație este un dispozitiv secundar. Stația principală controlează legătura, iar dispozitivele secundare îi urmează instrucțiunile. Este la latitudinea stației principale să decidă ce dispozitiv primește permisiunea să utilizeze canalul la un moment dat. Prin urmare, dispozitivul principal este mereu inițiatorul unei sesiuni.

19

Figura 16. Funcțiile select si poll în cazul metodei interogării

Dacă stația principală vrea sa primească date, întreabă dispozitivele secundare dacă au ceva de trimis. Aceasta se numește funcție de interogare (poll). Dacă stația principală vrea să trimită date, îi spune dispozitivului secundar să se pregatească să primească. Aceasta se numește functie de selectare (select).

Funcția select

Funcția select este folosită oricând dispozitivul principal are ceva de trimis. Dacă dispozitivul principal nu trimite sau nu primește date, știe că legătura este disponibilă.

Dacă are ceva de trimis, dispozitivul principal îl trimite. Ceea ce nu știe este dacă dispozitivul secundar este pregătit sa primească datele sau nu. Rezultă ca dispozitivul principal trebuie să atenționeze dispozitivul secundar de transmisia ce va urma și să aștepte o confirmare că poate primi date (ready status) a acestuia. Înainte de a trimite datele, dispozitivul principal creaza și transmite un frame select (SEL), care este un câmp care conține adresa dispozitivului secundar.

Funcția poll

Funcția poll este folosită de dispozitivul secundar pentru a solicita informații de la dispozitivele secundare. Când stația principală este gata să primească date, trebuie să interogheze (poll) fiecare dispozitiv secundar, pe rând. Primul dispozitiv interogat răspunde cu un frame de NAK, dacă nu are nimic de transmis, sau cu data, sub forma unui frame de date, dacă are ceva de transmis. Dacă răspunsul este negativ (frame NAK), atunci stația principală interoghează următoarea stație secundară în același fel, până găsește o stație care are date de trimis. Când răspunsul este pozitiv, în cazul unui frame de date, stația principală citește frame-ul si transmite înapoi un frame de confirmare (ACK), pentru a confirma primirea frame-ului de date. [15]

20

5.3. Token passing

Esența protocolului hărții de biți este că lasă fiecare stație să transmită un frame pe rând, într-o ordine predefinită. O altă cale prin care se poate obține același lucru este prin transmiterea unui mesaj mic, numit token, de la o stație la alta, în aceeași ordine predefinită. Token-ul reprezintă permisiunea de a trimite informație. Dacă o stație are un frame pregătit de transmisiune atunci cand primește token-ul, poate trimite acest frame până să trimită token-ul la următoarea stație. Dacă nu are niciun frame de transmis, transmite token-ul mai departe.

În cazul unui protocol token ring, topologia rețelei este folosită pentru a defini ordinea în care stațiile trimit date. Stațiile sunt conectate una lânga alta, într-un singur inel. Mutarea token-ului constă în primirea acestuia dintr-o direcție si transmiterea acestuia în cealaltă direcție. Frame-urile sunt și ele transmise în direcția token-ului. În acest fel vor circula în inel si vor ajunge la stația care le este destinație. Pentru a putea opri un frame din a circula făra oprire (cum ar fi token-ul), o stație trebuie să îl scoata din inel. Stația poate fi ori cea care a transmis mesajul în prima faza, după ce acesta a făcut un ciclu complet, ori stația care era destinația.

Figura 17. Token ring

A se nota că nu este nevoie de un inel fizic pentru a se implementa metoda token passing. În schimb, canalul care conectează stațiile poate fi o singură magistrală. Fiecare stație folosește magistrala pentru a trimite token-ul la următoarea stație din secvența predefinită. Dacă se afla în posesia token-ului, stația are permisiunea să folosească magistrala pentru a trimite un frame. Aceste protocol se numeste token bus. [16]

21

Figura 18. Exemple de topologii de tip token passing [1]

Topologia cu inel dublu folosește un inele secundar, care funcționeaza în direcție inversa față de inelul principal. Inelul auxiliar este doar pentru urgențe. Dacă una dintre legăturile din inelul principal cade, sistemul combină cele doua inele automat, pentru a crea un inel temporar. După ce legătura defectă este reparată, inelul auxiliar devine din nou inactiv. Pentru ca această topologie să funcționeze, fiecare stație trebuie să aiba două porturi de transmitere și două porturi de recepționare. Această topologie este folosită de rețelele FDDI (Fiber Distributed Data Interface) si CDDI (Copper Distributed Data Interface).

În cazul topologiei inel stea, topologia fizică este o stea. Totuși, există un hub care acționează ca un conector. Cablarea din interiorul hub-ului face inelul; stațiile sunt conectate la inel prin conexiunea cu 2 fire. Această topologie face rețeaua mai puțin dispusă la defectare deorece, dacă o legătură se strică, hub-ul va sări peste ea, iar restul stațiilor pot lucra în continuare. Este de asemenea mai ușoară și adăugarea si înlăturarea stațiilor din inel. [15]

Performanța metodei token passing este similară cu cea a protocolului hărții de biți, dar sloturile de concatenare si frame-urile de un ciclu sunt amestecate. După trimiterea unui frame, fiecare stație trebuie sa aștepte pe celelalte N stații (inclusiv pe sine), pentru a trimite token-ul vecinilor si pe celelalte N – 1 stații să trimită un frame, dacă au ceva de trimis. O diferența față de protocolul hărții de biți este că, din moment ce toate pozițiile din ciclu sunt echivalente, nu există o diferență între stațiile cu număr mic si stațiile cu număr mare. În cazul token-ului inel, fiecare stație trimite token-ul doar pâna la stația vecină. Nu este nevoie ca token-ul să se propage la fiecare stațtie înainte ca protocolul să trecă la următorul pas. [16]

22

Bibliografie

[1] Raphael Rom, Moshe Sidi – Multiple Access Protocols – Performances and analysis, http://www.scribd.com/doc/237618636/Multiple-access-protocols

[2] Vior Mirela - Interfeţe radio, http://hermes.etc.upt.ro/docs/cercetare//teze_doctorat/ir.pdf

[3] http://www.cs.utexas.edu/users/lam/Vita/IEEEbook/Chapter3.PDF

[4] http://www.slideshare.net/merlinflorrence/multiple-access-protocol

[5] http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/290Q/Papers/MAC%20protocols/ALOHA%20 abramson%201970.pdf

[6] http://learn-networking.com/network-design/carrier-sense-multiple-access-collision- detect-csmacd-explained

[7] Krishna, C. M.; Shin, K. G. (1997). Real-Time Systems. McGraw-Hill Higher Education

[8] Multiple Access Protocols - Raphael Rom, Moshe Sidi

[9] Data Communications and Networking – Behrouz A. Forouzan.fourth edition

[10] J. Pollonen, Quality of Service Based Admission Control for WCDMA Mobile Systems, Helsinki, 2001http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.21.4473&rep=rep1&type=pdf

[11] ***, Fundamentals of Communications Access Technologies: FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA, AND SDMA, http://electronicdesign.com/communications/fundamentals-communications-access-technologies-fdma-tdma-cdma-ofdma-and-sdma

[12] Raphael Rom, Moshe Sidi, Multiple Access Protocols - Performance and analysis

[13] ***, Multiple Access Techniques For Wireless Communications, http://www.iitg.ernet.in/scifac/qip/public_html/cd_cell/chapters/a_mitra_mobile_communication/chapter8.pdf

[14] Vior Mirela, Interfete radio, http://hermes.etc.upt.ro/docs/cercetare//teze_doctorat/ir.pdf

[15] Behrouz A. Forouzan: Data Communications and Networking, Fourth Edition

[16] Andrew S. Tanenbaum, David J. Wetherall: Computer Networks, Fifth Edition

[17] http://www.cmrtc.ac.in/CSE/D%20C%20&%20C%20N/CN%20study%20materials/ Computer-Network-No8-Cont-Mediam-Access-Control-from-APCOMS-.pdf

[18] http://www.scribd.com/doc/237618636/Multiple-access-protocols

23