Симплексная радиосвязь. Дуплексный и полудуплексный режимы работы

Доступ к среде на основе конкуренции

Механизмы доступа к среде

Каждая сеть должна поддерживать определенный механизм управления доступом к среде передачи данных. Реализуется доступ к среде на втором (канальном) уровне эталонной модели OSI. Хотя теоретически механизм доступа к среде должен быть универсальным, на практике различают несколько способов его реализации. В частности, в локальных сетях для управления доступом к среде передачи данных используется четыре различных подхода:

Конкуренция за право доступа;

Передача маркера;

Доступ по приоритету;

Коммутируемый доступ.

В локальной сети, устройства которой соревнуются за право на передачу данных, применяется метод доступа к среде на основе конкуренции (contention-based media access method) . Совокупность устройств, соперничающих друг с другом за полосу пропускания, называются конфликтным доменом (collision domain). Данный метод применяется во многих разновидностях Ethernet.

Технология доступа к среде на основе конкуренции довольна примитивна и не предполагает использования централизованного механизма управления. Вместо этого каждое сетевое устройство берет на себя все функции по организации процесса передачи своих данных. Каждый раз, когда устройство собирается передать данные, оно должно определить, доступен ли кабель для передачи или уже используется другим устройством. Если кабель используется, необходимо подождать и через некоторое время предпринять следующую попытку.

Из приведенного описания механизма доступа к среде на основе конкуренции можно сделать вывод, что все подключенные к сети устройства передают и принимают данные в одном и том же диапазоне частот. Среда передачи способна передавать только один сигнал в отдельный момент времени, и этот сигнал занимает весь диапазон. Другими словами среда передачи данных поддерживает режим моно полосной передачи.

Технология монополосной передачи использует только один канал для транспортировки всех данных. Поэтому:

Только одно устройство может передавать данные в отдельный момент времени;

Устройство может либо передавать, либо получать данные. Такой режим называется полудуплексным (half-duplex).

Полудуплексная сеть позволяет осуществлять передачу данных только одному устройству в данный момент времени – все остальные должны оставаться пассивными и прослушивать трафик на наличие адресованных им кадров.

В дуплексной (full-duplex) сети доступная полоса пропускания делиться на дискретные каналы. В альтернативном варианте физически разделенные проводники могут использоваться для создания избыточного канала, использующего тот же диапазон частот. В типичной дуплексной сети используется технология коммутации. В любом случае каждому устройству предоставляется в единицу времени как принимать, так и передавать данные.

Следует заметить, что полностью в дуплексной сети, предоставляющей доступ на основе конкуренции, только одно устройство в отдельном конфликтном домене имеет право передавать данные в определенный момент времени. Однако при развертывании дуплексной сети каждое устройство оказывается подключенным к коммутируемому порту. Таким образом, количество устройств в каждом конфликтном домене сокращается до двух: само устройство и коммутируемый порт, к которому оно подключено.

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи

данных по линии связи делятся на следующие типы:

□ симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном на-

правлении;

□ полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно

во времени (примером такой передачи служит технология Ethernet);

□ дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Режим, при котором передача ведётся в обоих направлениях, но с разделением по времени называют полудуплексным. В каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении.

Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением.

Этот режим применяется тогда, когда в сети используется коаксиальный кабель или в качестве активного оборудования используются концентраторы.

В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям.

Режим, при котором, в отличие от полудуплексного, передача данных может производиться одновременно с приёмом данных.

Суммарная скорость обмена информацией в данном режиме может достигать вдвое большего значения. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с - передача и 100 Мбит/с - приём).

Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал - исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал - входящая для первого устройства и исходящая для второго.

В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, GigabitEthernet).

Понятие ИКТ

интегральная технология передачи данных и обработки данных.

#ИКТ, именуемая также ITT, появилась в результате объединения технологий обработки и передачи данных в единое целое. Сегодня развитие и использование ИКТ определяет движение к созданию информационного общества. Так, в декабре 1999 г. Европейская Комиссия объявила о новом проекте, именуемом E-Europa - “Электронная Европа”. Его цель - преобразование европейского индустриального общества в информационное. Этот проект включает:

совершенствование сети Internet, расширение набора ее информационных ресурсов;

использование ресурсов Internet для обучения;

обеспечение быстрого и дешевого доступа к Internet;

развитие платежной системы, в том числе - компьютерных карточек;

вовлечение в электронное сообщество нетрудоспособных граждан;

развитие здравоохранения и обеспечение безопасности транспорта на основе информационно-коммуникационных технологий;

обеспечение прозрачности деятельности правительств путем создания множества сайтов Web.

К информационно-коммуникационным технологиям, в первую очередь, относятся:

доступ и работа в информационных сетях;

цифровое телевидение;

электронная почта и факсимильная связь;

работа с базами данных и хранилищами сообщений.

И др.).

• Реализующее дуплексный способ связи устройство может в любой момент времени и передавать , и принимать информацию . Передача и приём ведутся устройством одновременно по двум физически разделённым каналам связи (по отдельным проводникам, на двух различных частотах и др. за исключением разделения во времени - поочерёдной передачи). Пример дуплексной связи - разговор двух людей (корреспондентов) по городскому телефону : каждый из говорящих в один момент времени может и говорить, и слушать своего корреспондента. Дуплексный способ связи иногда называют полнодуплексным (от англ. full-duplex ); это синонимы.

Помимо дуплексной, выделяют полудуплексную и симплексную связь.

• Реализующее полудуплексный (англ. half-duplex ) способ связи устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию. Как правило, такое устройство строится по трансиверной схеме . Пример полудуплексной связи - разговор по рации : каждый из корреспондентов в один момент времени либо говорит, либо слушает. Для обозначения конца передачи и перехода в режим приёма корреспондент произносит слово «приём» (англ. «over »). Управление режимом работы радиостанции (приём или передача) может быть ручным (англ. Push-to-Talk  (PTT ) - кнопка или тангента переключения приём-передача, другое обозначение - MOX от англ. Manual control ), голосовым (VOX - от англ. Voice control ) или программным.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 3

  Режим, когда передача данных может производиться одновременно с приёмом данных (иногда его также называют «полнодуплексным », для того чтобы яснее показать разницу с полудуплексным).

  Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал - исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал - исходящая для второго устройства и входящая для первого.

  Суммарная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме может достигать своего максимума. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит / , то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с - передача и 100 Мбит/с - приём).

  В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, Gigabit Ethernet 1000BASE-T).

  Полудуплексный режим

  В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям .

  Терминология в Регламенте радиосвязи

  Как правило, под симплексной связью понимают одностороннюю связь (например радиовещание , когда радиопередача ведётся в одном направлении: от радиостанции к слушателям), в то время как дуплексная и полудуплексная связь - двухсторонняя (передача возможна в обоих направлениях: дуплексная - одновременно, полудуплексная - с разделением во времени). Однако Регламент радиосвязи даёт отличные определения симплексной и полудуплексной связи, что является причиной недоразумений:

  Симплекс (Simplex) Симплексная связь - способ связи, при котором передача возможна попеременно в каждом из двух направлений канала электросвязи посредством, например, ручного управления (ст. 1.125).

  Дуплекс (Duplex) Дуплексная связь - способ связи, при котором передача возможна в обоих направлениях канала электросвязи (ст. 1.126).

  Полудуплекс (Half-duplex) Полудуплексная связь - способ симплексной связи на одном конце линии и дуплексной связи на другом (ст. 1.127).

  Невозможны одновременная передача, приём беспроводной связью единой частоты. Результатом станет ужасная интерференция. Андре Голдсмит «Беспроводные коммуникации»

  Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременную двустороннюю передачу информации. Исторически первыми концепцию реализовали трансатлантический телеграф (1870-е), телетайпы (1890-е). Идея вызвана необходимостью экономии спектра физического канала. Океанический кабель слишком дорого стоил. Случай телетайпов немного отличен: идея уже была известна, некто придумал способ получения дополнительной прибыли, пользуясь скромными запросами печатающих устройств (ниже голосовой линии).

  Примеры симплексных систем

  Лучше прочувствовать принцип действия симплексной передачи информации помогут примеры систем однонаправленного потока информации:

  1. Вещание.
  2. Микрофоны звукозаписи.
  3. Наушники.
  4. Радионяни.
  5. Беспроводная система управления рольставнями.
  6. Камеры слежения.

  Симплекс характеризуется отсутствием необходимости, возможности двухсторонней передачи информации.

  Принцип действия

  Дуплексная коммуникационная система обычно соединяет две точки (противопоставляя себя вещанию). Современными компьютерными портами (Ethernet) часто осуществляется аналогичный ход, выделяют отдельную витую пару каналам приёма, передачи. После телеграфа, телетайпа концепция настигла телефонные линии. Общеизвестно: абоненты могут говорить одновременно. Расслышать собеседника – вопрос десятый.

  

  Цифровая техника предоставляет видимость эффекта дуплексной радиосвязи. Передатчик давно сжёг бы приёмник, работай каналы одновременно. Однако временное деление функционирует быстро, пакеты коммутируются столь искусно, что собеседники бессильны заметить «подвох». Дуплекс бывает неполным. Полудуплексный метод применяется рациями. Канал разбивается, благодаря внедрению кодовых вызывных комбинаций слов, произносимых абонентами.

  Временное деление каналов

  Разделение каналов с выделением временных слотов абонентам демонстрирует весомые преимущества на линиях с несимметричными скоростями (загрузка, выгрузка данных). Типичный пример – интернет. Весомое неравенство каналов входящей, исходящей информации сделало возможным спутниковый доступ (запрос по местной мобильной сети, ответ – из космоса). Примеры:

  • Стандарт третьего поколения сотовой связи 3G.
  • Беспроводная телефония DECT.
  • WiMAX (3G+).
  • Некоторые разновидности LTE.

  

  Широкое распространение методики дало внедрение импульсных устройств (середина 60-х годов XX века). Причиной существующего положения эксперты называют появление твердотельной электроники. Ламповые дискретные устройства занимали слишком большое пространство. Приёмопередающее оборудование требовало наличия просторного помещения. Первоначально создали два режима сжатия канала:

  1. Синхронная (циклическая) передача подразумевает периодическое подключение к линии абонентов. Последовательность строго оговорена. Разрабатывается структура кадра, внедряются синхронизирующие сигналы. Характер кодирования безразличен.
  2. Асинхронная передача практикуется цифровыми системами. Информация посылается заблаговременно сформированными пакетами размером сотни-тысячи бит. Наличие адресов делает возможным асинхронную схему взаимодействия. Сегодня принцип использует даже сотовая связь. Современные протоколы предусматривают пакеты с чётным количеством байтов. Поэтому отсутствие синхронизации чисто формальное.

  Пакет дополнен заголовком. Состав информации определён стандартом протокола. Канал загружается периодически, с частотой передачи пакетов. Традиционные советские системы использовали 8 кГц (телефонный сигнал дискретизируется со скоростью 64 кбит/с). Методы модуляции несущей:

  • Широтно-импульсная.
  • Амплитудно-импульсная.
  • Время-импульсная.

  

  Двоичный сигнал кодируют прямоугольными импульсами. Спектр выходит бесконечно широким, реальный сигнал обрезают фильтрами. В результате фронты сглаживаются. Растягивание вызывает межимпульсную интерференцию. Помехи по соседнему каналу вызваны пересечением спектров. Параметры систем временного разделения каналов стандартизированы, иерархия получила название плезиохронной:

  1. Первая ступень несёт 32 канала (32 х 64 = 2048 кбит/с). 2 канала отдают служебным сообщениям.
  2. Следующие ступени (120, 480, 1920) формируются путём уплотнения 4 цифровых потоков побитным мультиплексированием. Причём некоторые разделы стандарта были сформированы заблаговременно, не найдя немедленной аппаратной реализации.

  Оптоволоконной альтернативой приведённому методу называют синхронную цифровую иерархию. Алгоритм нацелен обеспечивать крупные ветви сети, где скорости значительные. Требуется повальная синхронизация узлов. Длительность блока (синхронного транспортного модуля) составляет прежние 125 мс (8 кГц). Цифровая длина – 2340 байт. Заголовку отводится 90. Сформирована 5-ступенчатая иерархия согласно размеру пакетов. Мелкие могут являться составными частями крупных.

  

  Частотное деление

  Впервые применил частотное деление войсковой связист Игнатьев Г.Г. (1880). Военный подразумевал повторить опыт трансатлантического кабеля. Хотел расширить рамки проложенного кабеля (поле боя оставляет мало времени сантиментам). Передающая аппаратура формирует набор стандартных аналоговых сигналов (обычно 12) стандартной ширины 300-3500 Гц. Блок включает нужное число генераторов выбранного диапазона связи. Канальный промежуток составляет 900 Гц (ДВ).

  Групповой аналоговый сигнал занимает 48 кГц. Сегодня приёмопередающее оборудование задействует одновременно две частоты (минимум). Принцип широко используется любительской радиосвязью. Дальнобойщики хорошо знают каналы бедствия, вызова. Пример универсален, касается двустороннего общения радиолюбителей планеты. Первые аналоговые сети использовали внеполосный цифровой вызов станции – слабый пример дуплекса.

  Частотное деление – идеальный вариант организации канала симметричного трафика. Базовые станции перестают слышать друг друга, устраняется интерференция. Примеры:

  1. ADSL.
  2. CDMA2000.
  3. IEEE 802.16 (разновидность WiMAX).

  

  Кодовое деление

  Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:

  • 1 – 0 градусов.
  • 0 – 180 градусов.

  Чтобы закодировать цифровой сигнал, бит дополнительно разбивают. Впервые методика продемонстрирована системой Зелёный шершень времён Второй мировой войны. Наложение псевдошумового сигнала сильно озадачило фашистов. Союзники, разделённые Атлантическим океаном, провели свыше 3000 совместных конференций.

  Длину кода называют базой сигнала. Графически нули и единицы наложенной последовательности обозначают +1 и -1, явно отличая от основного информационного сообщения. Наложение расширяет спектр в число раз, равное базе. Искусственное увеличение позволяет избежать интерференции. Особенность прямо касается вышек сотовой связи. Каждый канал получает фиксированную кодирующую последовательность, осуществляя концепцию ортогональности. Число совпадающих битов равно числу не совпадающих.

  

  Приёмник корреляционного типа. Часто заменяют согласованным фильтром. Опорным выступает код канала с фазовой манипуляцией. Пытаясь снизить ширины спектры, применяют специальные коды. Хорошо себя зарекомендовал псевдошумовой сигнал. Межканальные помехи вызваны искажениями группового сигнала:

  • Коррективы, вносимые полосами пропускания радиоэлектронных устройств.
  • Мультипликативные помехи эфира.
  • Недостаточная ортогональность кодов.

  Стандарт IS95 стал основой сотовых сетей CDMA, спутниковой связи Globalstar.

  Устранение эхо

  Двусторонние системы громкой связи создают эффект положительной обратной связи, выражающийся резким свистом. Звук динамика достигает микрофона, усиливается, передаётся оппоненту. Визави повторяет порядок преобразований, возвращая послание. Громкость нарастает.

  Стандарты модемов, компьютерных шин предусматривают подавление эха. Лишённая техники блокировки отражённого сигнала система бессильна развить полную скорость. Работа цифровых сетей требует жёсткой синхронизации.

  Обычно к коммутатору подключаются концентраторы, т.е. на отдельный порт подключается целый сегмент. Однако к порту могут подключаться и отдельные компьютеры (микросегментация). В таком случае, коммутатор и сетевая карта компьютера могут работать в полнодуплексном режиме, т.е. одновременно передавать данные во встречных направлениях, увеличивая пропускную способность сети в два раза. Полнодуплексный режим возможен только если обе стороны - и сетевая карта и коммутатор - поддерживают этот режим. В полнодуплексном режиме не существует коллизий. Наложение двух кадров в кабеле считается нормальным явлением. Для выделения принимаемого сигнала, каждая из сторон вычитает из результирующего сигнала свой собственный сигнал.

  При полудуплексном режиме работы, передача данных осуществляется только одной стороной, получающей доступ к разделяемой среде по алгоритму CSMA/CD. Полудуплексный режим фактически был подробно рассмотрен ранее.

  При любом режиме работы коммутатора (полудуплексном или полнодуплексном) возникает проблема управления потоков кадров. Часто возникает ситуация, когда к одному из портов коммутатора подключен файл-сервер, к которому обращаются все остальные рабочие станции:

  Отношение многие порты – к одному.

  Если порт 3 работает на скорости 10 Мбит/с, а кадры с остальных четырех компьютеров поступают также со скоростью 10 Мбит/с, то не переданные кадры будут накапливаться в буфере порта 3 и, рано или поздно, этот буфер переполнится. Частичным решением данной проблемы было бы выделение для файл сервера порта 3, со скоростью 100 Мбит/с. Однако это не решает проблему, а лишь откладывает ее: со временем пользователи захотят более высоких скоростей работы сети, и коммутатор будет заменен на новый, у которого все порты будут работать на скорости 100 Мбит/c. Более продуманным решением, реализованном в большинстве коммутаторов, является управление потоком кадров, генерируемых компьютерами. В полнодуплексном режиме используются специальные служебные сигналы "Приостановить передачу" и "Возобновить передачу". Получив сигнал "Приостановить передачу" сетевая карта должна прекратить передачу кадров, вплоть до последующего сигнала "Возобновить передачу" (к сожалению в текущем стандарте 802.3x не предусмотрено частичное уменьшение интенсивности передачи кадров, возможен только полный запрет). В полудуплексном режиме используется "метод обратного давления" (backpressure) и "агрессивное поведение порта коммутатора". Оба метода позволяют реализовать достаточно тонкие механизмы управления потоком кадров, частично снижая их интенсивность, но не уменьшая ее до нуля.

  Метод обратного давления (backpressure) состоит в создании искусственных коллизий в сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в коммутатор. Для этого коммутатор обычно использует jam-последовательность (сигналы-помехи создающие и усиливающие коллизию), отправляемую на выход порта, к которому подключен сегмент (или компьютер), чтобы приостановить его активность.

  Метод агрессивного поведения порта коммутатора основан на захвате среды либо после окончания передачи очередного пакета, либо после коллизии. В первом случае коммутатор оканчивает передачу очередного кадра и, вместо технологической паузы в 9,6 мкс, делает паузу в 9,1 мкс и начинает передачу нового кадра. Компьютер не сможет захватить среду, так как он выдержал стандартную паузу в 9,6 мкс и обнаружил после этого, что среда уже занята. Во втором случае кадры коммутатора и компьютера сталкиваются и фиксируется коллизия. Компьютер делает паузу после коллизии в 51,2 мкс, как это положено по стандарту, а коммутатор - 50 мкс. И в этом случае компьютеру не удается передать свой кадр. Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.