طريقة الوصول إلى القناة

الموسوعة الحرة

في مجال الاتصالات وشبكات الحاسوب ، تسمح طريقة الوصول إلى القناة أو طريقة الوصول المتعدد لأكثر من طرفين متصلين بنفس وسيط الإرسال بالنقل عبره ومشاركة سعته. [ 1 ] ومن أمثلة الوسائط المادية المشتركة الشبكات اللاسلكية ، وشبكات الحافلات ، والشبكات الحلقية ، والوصلات من نقطة إلى نقطة التي تعمل في وضع نصف مزدوج .

تعتمد طريقة الوصول إلى القناة على تقنية تعدد الإرسال ، التي تسمح لعدة تدفقات بيانات أو إشارات بمشاركة قناة اتصال أو وسيط نقل واحد. وفي هذا السياق، يتم توفير تقنية تعدد الإرسال من خلال الطبقة الفيزيائية .

قد تكون طريقة الوصول إلى القناة جزءًا من بروتوكول الوصول المتعدد وآلية التحكم فيه، والمعروفة أيضًا باسم التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC). يتناول التحكم في الوصول إلى الوسائط مسائل مثل العنونة، وتخصيص قنوات الإرسال المتعدد لمستخدمين مختلفين، وتجنب التصادمات. يُعد التحكم في الوصول إلى الوسائط طبقة فرعية في طبقة ربط البيانات في نموذج OSI ، ومكونًا من مكونات طبقة الربط في نموذج TCP/IP .

مشاكل

هناك مشكلتان رئيسيتان في الوسائط المشتركة تحتاج طريقة الوصول إلى القناة إلى حلهما، وهما التصادمات ونقص الموارد: [ 2 ]

  • قد تحدث التصادمات عندما يحاول جهازان طرفيان أو أكثر إرسال الرسائل في نفس الوقت؛
  • يُعدّ التجويع حالةً لا يستطيع فيها جهاز طرفي معين إرسال رسالة لفترة طويلة بسبب قيام الأجهزة الطرفية الأخرى بإرسال بياناتها.

تعمل طرق الوصول إلى القناة على حل مشكلة التصادم من خلال تجنب التصادم وحل مشكلة الحرمان من خلال الإنصاف .

المخططات الأساسية

استُخدمت في الأدبيات عدة طرق لتصنيف أنظمة وبروتوكولات الوصول المتعدد. فعلى سبيل المثال، حدد دانيال مينولي (2009) [ 3 ] خمسة أنواع رئيسية من أنظمة الوصول المتعدد: FDMA و TDMA و CDMA و SDMA والوصول العشوائي . كما صنف ر. روم وم . سيدي (1990) [ 4 ] البروتوكولات إلى بروتوكولات الوصول الخالي من التعارض ، وبروتوكولات ألوها ، وبروتوكولات استشعار الناقل .

يحدد دليل الاتصالات (تيربلان وموريل، 2000) [ 5 ] فئات MAC التالية:

  • تم تعيين ثابت: TDMA، FDMA+WDMA، CDMA، SDMA
  • تم تخصيص الطلب (DA)
    • الحجز: DA/TDMA، DA/FDMA+DA/WDMA، DA/CDMA، DA/SDMA
    • الاستطلاع: الاستطلاع المعمم، الاستطلاع الموزع، تمرير الرمز المميز، الاستطلاع الضمني، الوصول الموقّت
  • الوصول العشوائي (RA): الوصول العشوائي النقي (ALOHA، GRA)، الوصول العشوائي التكيفي (TRA)، CSMA، CSMA/CD، CSMA/CA

تندرج مخططات الوصول إلى القنوات عمومًا ضمن الفئات التالية. [ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]

الوصول المتعدد بتقسيم التردد

يُعد نظام الوصول المتعدد بتقسيم التردد ( FDMA) النظام التناظري الأكثر شيوعًا، وهو قائم على تقنية تعدد الإرسال بتقسيم التردد (FDM)، التي توفر نطاقات تردد مختلفة لتدفقات البيانات المختلفة. في نظام FDMA، تُخصص نطاقات التردد لعُقد أو أجهزة مختلفة. ومن أمثلة أنظمة FDMA أنظمة الجيل الأول من الهواتف المحمولة (1G) ، حيث كانت كل مكالمة هاتفية تُخصص لقناة تردد صاعدة محددة وقناة تردد هابطة أخرى. ويتم تعديل كل إشارة رسالة (كل مكالمة هاتفية) على تردد حامل محدد .

تُعدّ تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDMA) تقنيةً ذات صلة، وهي تعتمد على تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM)، حيث تحصل تدفقات البيانات المختلفة على ألوان مختلفة في اتصالات الألياف الضوئية. في حالة WDMA، تحصل عُقد الشبكة المختلفة في شبكة ناقل أو شبكة محورية على لون مختلف. [ 8 ]

يُعدّ نظام الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) شكلاً متقدماً من أشكال تقنية FDMA ، ويُستخدم على سبيل المثال في أنظمة الاتصالات الخلوية من الجيل الرابع (4G ). في نظام OFDMA، يمكن لكل عقدة استخدام عدة موجات حاملة فرعية، مما يُتيح توفير مستويات جودة خدمة مختلفة (معدلات بيانات مختلفة) لمستخدمين مختلفين. ويمكن تغيير تخصيص الموجات الحاملة الفرعية للمستخدمين ديناميكياً، بناءً على ظروف قناة الراديو الحالية وحجم حركة البيانات. يعتمد نظام FDMA أحادي الموجة الحاملة (SC-FDMA)، المعروف أيضاً باسم OFDMA المُشفّر خطياً (LP-OFDMA)، على معادلة المجال الترددي أحادية الموجة الحاملة (SC-FDE).

الوصول المتعدد بتقسيم الوقت

تعتمد تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA) على تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الوقت (TDM). توفر TDMA فترات زمنية مختلفة لأجهزة الإرسال المختلفة ضمن بنية إطار متكررة دوريًا. على سبيل المثال، قد يستخدم الجهاز 1 الفترة الزمنية 1، والجهاز 2 الفترة الزمنية 2، وهكذا، حتى آخر جهاز إرسال، حيث تبدأ العملية من جديد. ومن الأشكال المتقدمة لتقنية TDMA الديناميكية (DTDMA) تغيير تخصيص الفترات الزمنية لأجهزة الإرسال في كل إطار.

تجمع تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت متعدد الترددات (MF-TDMA) بين الوصول المتعدد الزمني والترددي. فعلى سبيل المثال، تعتمد أنظمة الجيل الثاني للاتصالات الخلوية على مزيج من تقنيتي TDMA وFDMA. تُقسّم كل قناة ترددية إلى ثماني فترات زمنية، تُستخدم سبع منها لإجراء سبع مكالمات هاتفية، بينما تُستخدم واحدة لنقل البيانات.

تعتمد تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت الإحصائي عادةً على تقنية الوصول المتعدد في المجال الزمني، ولكن ليس ضمن بنية إطار متكررة دوريًا. ونظرًا لطبيعتها العشوائية، يمكن تصنيفها ضمن أساليب الوصول المتعدد الإحصائي ، وهي قادرة على تخصيص عرض النطاق الترددي ديناميكيًا . يتطلب ذلك بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC)، أي مبدأ يسمح للعقد بالتناوب على استخدام القناة وتجنب التصادمات. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك بروتوكول CSMA/CD ، المستخدم في شبكات ناقل الإيثرنت وشبكات الموزعات، وبروتوكول CSMA/CA ، المستخدم في الشبكات اللاسلكية مثل معيار IEEE 802.11 .

الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة والوصول المتعدد بنطاق الانتشار

تعتمد تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA) على طيف الانتشار ، ما يعني استخدام نطاق ترددي أوسع لقناة الراديو مقارنةً بمعدل نقل البيانات المطلوب لكل تدفق بت، حيث تُنقل عدة إشارات رسائل في وقت واحد عبر نفس تردد الموجة الحاملة، باستخدام شفرات انتشار مختلفة. ووفقًا لنظرية شانون-هارتلي ، فإن النطاق الترددي الواسع يُتيح الإرسال بنسبة إشارة إلى ضوضاء أقل بكثير من 1 (أقل من 0  ديسيبل)، ما يعني إمكانية خفض طاقة الإرسال إلى مستوى أدنى من مستوى الضوضاء والتداخل بين القنوات من إشارات الرسائل الأخرى التي تشترك في نفس نطاق التردد.

أحد أشكال هذه التقنية هو تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة بالتسلسل المباشر (DS-CDMA)، وهي تقنية تعتمد على تقنية الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر (DSSS)، وتُستخدم على سبيل المثال في أنظمة الهواتف المحمولة من الجيل الثالث . يتم تمثيل كل بت من بتات المعلومات (أو كل رمز) بتسلسل طويل من عدة نبضات، تُسمى رقائق. هذا التسلسل هو رمز الانتشار، وتستخدم كل إشارة رسالة (على سبيل المثال، كل مكالمة هاتفية) رمز انتشار مختلف.

يُعدّ نظام CDMA بتقنية القفز الترددي (FH-CDMA) شكلاً آخر من أشكال الاتصالات ، وهو يعتمد على تقنية الطيف المنتشر بالقفز الترددي (FHSS)، حيث يتغير تردد القناة بسرعة وفقًا لتسلسل يُشكّل رمز الانتشار. على سبيل المثال، يعتمد نظام اتصالات البلوتوث على مزيج من القفز الترددي مع تقنية CSMA/CA (الوصول المتعدد بتقسيم الوقت الإحصائي لتطبيقات نقل البيانات ) أو تقنية TDMA (لنقل الصوت). تستخدم جميع العُقد التابعة للمستخدم نفسه (لشبكة البيكونيت نفسها ) تسلسل القفز الترددي نفسه بشكل متزامن، ما يعني أنها تُرسل على قناة التردد نفسها، ولكن تُستخدم تقنية CDMA/CA أو TDMA لتجنب التصادمات داخل شبكة المنطقة الشخصية الافتراضية (VPAN). يستخدم البلوتوث القفز الترددي لتقليل التشويش المتبادل واحتمالية التصادم بين العُقد في شبكات VPAN المختلفة.

وتشمل التقنيات الأخرى تقنية OFDMA وتقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة متعددة الناقلات (MC-CDMA).

الوصول المتعدد بتقسيم الفضاء

تُرسل تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الفضاء (SDMA) معلومات مختلفة في مناطق فيزيائية مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك أنظمة الراديو الخلوية البسيطة والأنظمة الخلوية الأكثر تطوراً التي تستخدم هوائيات اتجاهية وتعديل الطاقة لتحسين أنماط الإرسال المكاني.

الوصول المتعدد بتقسيم الطاقة

تعتمد تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الطاقة ( PDMA ) على استخدام طاقة إرسال متغيرة بين المستخدمين لتقاسم الطاقة المتاحة على القناة. ومن الأمثلة على ذلك استخدام عدة أجهزة مودم SCPC على جهاز إرسال واستقبال فضائي، حيث يحصل المستخدمون عند الطلب على حصة أكبر من ميزانية الطاقة للإرسال بمعدلات بيانات أعلى. [ 9 ]

أساليب وضع الحزمة

تختار طرق الوصول إلى القناة في وضع الحزم جهاز إرسال شبكة واحد طوال مدة إرسال الحزمة. بعض هذه الطرق أنسب للاتصالات السلكية، بينما البعض الآخر أنسب للاتصالات اللاسلكية. [ 1 ]

تشمل بروتوكولات الوصول المتعدد الشائعة لتقسيم الوقت الإحصائي للشبكات السلكية متعددة النقاط ما يلي:

Common multiple access protocols that may be used in packet radio wireless networks include:

Duplexing methods

Where these methods are used for dividing forward and reverse communication channels, they are known as duplexing methods. A duplexing communication system can be either half-duplex or full duplex. In a half-duplex system, communication only works in one direction at a time. A walkie-talkie is an example of a half-duplex system because both users can communicate with one another, but not at the same time; someone has to finish transmitting before the next person can begin. In a full-duplex system, both users can communicate at the same time. A telephone is the most common example of a full-duplex system because both users can speak and be heard at the same time on each end. Some types of full-duplexing methods are:

Hybrid application examples

Note that hybrids of these techniques are frequently used. Some examples:

  • The GSM cellular system combines the use of frequency-division duplex (FDD) to prevent interference between outward and return signals, with FDMA and TDMA to allow multiple handsets to work in a single cell.
  • GSM with the GPRS packet-switched service combines FDD and FDMA with slotted Aloha for reservation inquiries and a dynamic TDMA scheme for transferring the actual data.
  • Bluetooth packet mode communication combines frequency hopping for shared channel access among several private area networks in the same room with CSMA/CA for shared channel access within a network.
  • IEEE 802.11bwireless local area networks (WLANs) are based on FDMA and DS-CDMA for avoiding interference among adjacent WLAN cells or access points. This is combined with CSMA/CA for multiple access within the cell.
  • تجمع شبكات HIPERLAN/2 اللاسلكية بين FDMA و TDMA الديناميكي، مما يعني أن حجز الموارد يتم تحقيقه عن طريق جدولة الحزم .
  • يستخدم معيار G.hn ، وهو معيار ITU-T للشبكات عالية السرعة عبر الأسلاك المنزلية (خطوط الطاقة وخطوط الهاتف والكابلات المحورية)، مزيجًا من TDMA وتمرير الرمز المميز و CSMA/CARP للسماح لأجهزة متعددة بمشاركة الوسيط.

تعريفات خاصة بالتطبيق

تختلف قيود وأنظمة الوصول إلى القنوات باختلاف التطبيقات.

الشبكات المحلية وشبكات المناطق الحضرية

في الشبكات المحلية (LANs) وشبكات المناطق الحضرية (MANs)، تُمكّن طرق الوصول المتعددة من إنشاء شبكات ناقل، وشبكات حلقية، وشبكات نجمية، وشبكات لاسلكية، بالإضافة إلى الاتصالات ثنائية الاتجاه من نقطة إلى نقطة، ولكنها غير مطلوبة في خطوط الاتصال التسلسلي ثنائية الاتجاه من نقطة إلى نقطة بين محولات الشبكة والموجهات. تُعدّ CSMA/CD الطريقة الأكثر شيوعًا للوصول المتعدد، وهي مُستخدمة في الإيثرنت . على الرغم من أن تركيبات الإيثرنت الحالية تستخدم اتصالات ثنائية الاتجاه مباشرة بالمحولات ، إلا أن CSMA/CD لا تزال مُستخدمة لتحقيق التوافق مع مُكررات الإشارة القديمة .

الاتصالات عبر الأقمار الصناعية

في مجال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، تُعرف خاصية الوصول المتعدد بقدرة قمر الاتصالات على العمل كجزء من وصلة اتصال بين أكثر من زوج من المحطات الأرضية في آن واحد. وتشمل أنواع الوصول المتعدد المستخدمة حاليًا في أقمار الاتصالات: الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة ، والوصول المتعدد بتقسيم التردد ، والوصول المتعدد بتقسيم الوقت .

الشبكات الخلوية

في شبكات الاتصالات الخلوية ، تُعدّ تقنيتا CDMA وTDMA الأكثر استخدامًا. تعمل تقنية TDMA من خلال تحديد الفواصل الطبيعية في الكلام واستخدام موجة راديوية واحدة لدعم عمليات إرسال متعددة بالتتابع. أما في تقنية CDMA، فتتلقى كل حزمة بيانات رمزًا فريدًا يُقسّم على نطاق ترددي واسع، ثم يُعاد تجميعه في الطرف الآخر. تُمكّن تقنية CDMA عدة أشخاص من التحدث في الوقت نفسه على التردد نفسه، مما يسمح بنقل المزيد من المحادثات عبر نفس نطاق التردد؛ وهذا أحد الأسباب التي جعلت CDMA في نهاية المطاف الطريقة الأكثر استخدامًا للوصول إلى القنوات في صناعة الاتصالات اللاسلكية. [ 10 ]

تعود أصول تقنية CDMA إلى أربعينيات القرن العشرين، عندما حصلت حكومة الولايات المتحدة على براءة اختراعها واستُخدمت طوال الحرب العالمية الثانية لنقل الرسائل. إلا أنه بعد انتهاء الحرب، انتهت صلاحية براءة الاختراع، وتضاءل استخدام CDMA وحلت محلها على نطاق واسع تقنية TDMA. [ 10 ] استمر هذا الوضع حتى قام إروين إم. جاكوبس، مهندس معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وزملاؤه من شركة Linkabit بتأسيس شركة الاتصالات كوالكوم . [ 11 ] عند تأسيس كوالكوم، كان جاكوبس يعمل بالفعل على معالجة مشاكل الاتصالات للجيش باستخدام التكنولوجيا الرقمية لزيادة سعة الطيف الترددي. [ 12 ] أدركت كوالكوم أن CDMA ستزيد بشكل كبير من كفاءة وتوافر الاتصالات اللاسلكية، لكن قطاع الاتصالات اللاسلكية، الذي استثمر بالفعل ملايين الدولارات في TDMA، كان متشككًا. [ 12 ] أمضى جاكوبس وكوالكوم عدة سنوات في تحسين البنية التحتية وإجراء اختبارات وعروض توضيحية لتقنية CDMA. في عام 1993، اعتُمدت CDMA كمعيار في صناعة الاتصالات اللاسلكية. بحلول عام 1995، تم استخدام تقنية CDMA تجاريًا في صناعة الاتصالات اللاسلكية كأساس لتقنية الجيل الثاني (2G) . [ 10 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 غووانغ مياو؛ ينس زاندر؛ كي وون سونغ؛ بن سليمان (2016). أساسيات شبكات البيانات المتنقلة . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1107143210.
  2. ↑ Howser 2019 ، ص 44.
  3. ↑ دانيال مينولي (3 فبراير 2009). هندسة أنظمة الأقمار الصناعية في بيئة IPv6 . مطبعة CRC. الصفحات 136 وما بعدها. ISBN  978-1-4200-7868-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 يونيو 2012 .
  4. ↑ روم، رافائيل؛ سيدي، موشيه (1990). بروتوكولات الوصول المتعدد . شبكات الاتصالات وأنظمة الحاسوب. سبرينغر-فيرلاغ/جامعة ميشيغان. doi : 10.1007/978-1-4612-3402-9 . ISBN 978-1-4612-7997-6.
  5. ↑ كورنيل تيربلان (2000). دليل الاتصالات السلكية واللاسلكية . مطبعة سي آر سي. ص 266 وما بعدها. رقم ISBN  978-0-8493-3137-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 يونيو 2012 .
  6. ↑ "أساسيات تقنيات الوصول إلى الاتصالات: FDMA، TDMA، CDMA، OFDMA، وSDMA" . التصميم الإلكتروني. 22-01-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-08-2014 .
  7. ↑ هاليت إيرين (16 نوفمبر 2005). أجهزة الاستشعار والأجهزة اللاسلكية: الشبكات والتصميم والتطبيقات . مطبعة CRC. ص 112. ISBN  9781420037401.
  8. ↑ صادق، أبو بكر. "تقنيات الوصول المتعدد في الاتصالات: FDMA، TDMA، CDMA" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-10-09.
  9. ↑ إليناف، دورون؛ روبين، ماتي إي؛ برينر، سنير (6 مارس 2014)، الوصول المتعدد بتقسيم الطاقة ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يونيو 2016
  10. 1 2 3 كوالكوم، كوالكوم. "التكنولوجيا التي غيرت العالم والتي كادت ألا تُرى" . كوالكوم .
  11. ↑ تيبكن، شارا (21 ديسمبر 2011). "مؤسس كوالكوم يستعد للتقاعد" . صحيفة وول ستريت جورنال . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0099-9660 . تاريخ الاسترجاع: 3 ديسمبر 2019 . 
  12. 1 2 موك، ديف (2005). معادلة كوالكوم: كيف شقت شركة اتصالات ناشئة طريقًا جديدًا نحو أرباح طائلة وهيمنة على السوق . أماكوم. ISBN 978-0-8144-2858-0.

مصادر

المجال العام تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).