Tdma что это такое
TDMA (Time Division Multiple Access)
TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с временным разделением. Это один из трех основных методов множественного доступа, т.е. способов разделения общего ресурса канала связи между участниками информационного обмена. TDMA широко применяется в стандартах второго поколения сотовой связи таких как, например, GSM (Global System for Mobile Communications).
Основной принцип TDMA заключается в том, что имеющийся ресурс разделяется между участниками информационного обмена на циклически повторяющиеся промежутки времени. Промежутки времени получили название «таймслот» (timeslot, TS). При этом абонент может использовать всю ширину пропускания канала, но только в определенные временные отрезки. В такой ситуации главное, чтобы сигналы соседних таймслотов не накладывались друг на друга. Это может быть вызвано как слишком высокой мощностью передачи, так и помехами в канале, несовершенством используемого оборудования. Чтобы избежать подобных межслотовых помех часто вводят специальный защитный временной интервал. Таким образом, если часть энергии одного передатчика просочится за пределы отведенного ему таймслота, то она будет оказывать воздействие лишь на не несущий информацию защитный интервал. Введение такого интервала снижает общую пропускную способность канала связи, но необходимо для поддержания заданных характеристик качества обслуживания.
В стандарте GSM одновременно используются TDMA и FDMA. Весь частотный диапазон разделяется на частотные каналов по 200 кГц каждый, которые в свою очередь состоят из 8 таймслотов. Также TDMA на ряду с другими методами множественного доступа используется в стандартах UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) и LTE (Long Term Evolution).
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
О технологиях мультиплексирования для технологий беспроводной связи
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.
Что такое технология TDMA
Технология TDMA успешно применяется в системах сотовой связи стандартов GSM для расширения ёмкости частотного диапазона.
На оси времени изображены периодические колебания с частотой f=890.2 МГц — это несущая частота в направлении uplink, то есть от мобильной станции к базовой станции.
Отложим на оси t восемь равных промежутков. Длительность каждого такого временного отрезка составляет 576.9 мкс называется time-slot. Обозначается как TS и порядковый номер таймслота (TS0-TS7). 8 таймслотов составляет кадр TDMA. После одного кадра TDMA, следует другой такой кадр, а таймслоты у них циклически повторяются во времени.
Каждый time slot на определенной несущей частоте занят одной мобильной станцией. То есть ваш мобильный телефон получает доступ ко всему частотному каналу только в определенные отрезки времени.
Физический смысл TDMA
Мобильная станция изменяет несущую частоту в соответствии со своим информационным сигналом в течении TS0 и вступает место следующее. Вторая мобильная станция отправляет в базовую станцию уже свои данные.
И третий абонент разговаривает по своему мобильному телефону и модулирует несущую частоту своим информационным сигналом и так далее. Всего 8 различных мобильных станций на одной частоте. Потом процесс передачи данных повторяется с самой первой мобильной станции.
Мультикадр трафика TDMA
Мы узнали, что последовательность из 8 тайм слотов составляет кадр TDMA, который является основой для мультикадров трафика и мультикадров управления в стандарте GSM.
На картинке изображена структура мультикадров трафика TDMA. Такой мультикадр состоит из 26 кадров TDMA по 8 тайм слотов каждый. Длительность одного кадра TDMA составляет 8*576.9 мкс = 4.615 мс. Соответственно, длительность мультикадра трафика в целом составляет 26*4.615 мс.
Для передачи трафика используется 24 кадра TDMA, остальные два (13 и 25 служебные) для организации логических каналов управления. Рассмотрим из чего состоит кадр TDMA в составе мультикадра трафика.
В целом длительность одного пакета тайм слота составляет 576.9 мкс, каждый тайм слот содержит 156,25 бит, пакет содержит 148 бит и длится 0,546 мс — это длительность одного пакета без защитного промежутка.
Всего в мультекадре трафика 32,5 Кбит, зная это можно рассчитать скорость передачи данных по каналу трафика. 32500 бит / 120 мс = 32.5 Кбит / 0.12 с = 270.833 Кбит/с.
Мультикадр управления TDMA
Для организации каналов управления в стандарте gsm применяется мультикадр управления. Виды слотов управления вы можете увидеть на картинке ниже.
В состав такого мультикадра управления входит 51 кадр TDMA по 8 тайм слотов каждый. Различие от мультикадра трафика состоит только в содержании слотов. В мультикадре управления в слотах передается служебная информация. Всего используется 4 слота управления.
Слот подстройки частоты
Слот подстройки частоты нужен для синхронизации по частоте подвижной станции. Все 142 бита являются нулевыми. Это нужно для проверки работы передатчика и приемника при малом частотном разносе каналов в 200 кГц. Слот подстройки частоты содержит защитный интервал 8.25 бит и содержит хвостовые биты.
Слот синхронизации
Применяется для синхронизации по времени базовой и подвижной станции. Состоит он из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере TDMA кадра и идентификационный код базовой станции.
Пустой слот
Пустой слот обеспечивает установление и тестирование канала связи. В нем не передается никакой информации и отсутствуют контрольные биты. Информирует слот лишь о том, что передатчик функционирует.
Слот произвольного доступа
Слот произвольного доступа обеспечивает разрешение доступа мобильной станции к новой базовой станции. Это 1-ый передаваемый мобильной станцией пакет. Сперва передается концевая комбинация в 3 бита. Затем — последовательность синхронизации для BTS (41 бит). Это позволяет БС правильно принять следующие 36 зашифрованных бит. В конце содержится большой защитный интервал (68.25 бит), что обеспечивает достаточное временное разнесение от других пакетов MS.
Tdma что это такое
Примеры TDMA включают IS-136, персональную цифровую сотовую сеть (PDC), интегрированную цифровую расширенную сеть (iDEN) и глобальную систему мобильной связи (GSM) второго поколения (2G).
TDMA позволяет радиокомпоненту мобильной станции прослушивать и транслировать только в назначенный временной интервал. В течение оставшегося периода времени мобильная станция может применять сетевые измерения, обнаруживая окружающие передатчики на разных частотах. Эта функция позволяет межчастотную передачу обслуживания, которая отличается от множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), где частотная передача обслуживания затруднительна. Однако CDMA позволяет осуществлять передачу обслуживания, что позволяет мобильным станциям одновременно обмениваться данными с шестью базовыми станциями.
TDMA используется в большинстве сотовых систем 2G, тогда как системы 3G основаны на CDMA. Однако TDMA остается актуальной для современных систем. Например, комбинированные TDMA, CDMA и дуплекс с временным разделением (TDD) являются универсальными системами наземного радиодоступа (UTRA), которые позволяют нескольким пользователям совместно использовать один временной интервал.
Основные особенности
Но большинство стандартов сотовой связи использует именно технологию ТDМА, что делает ее номером один во всем мире.
Система TDMA предназначена для использования в самых разных средах и ситуациях: от портативного использования в офисе в центре города до мобильного пользователя, путешествующего с высокой скоростью на автостраде. Система также поддерживает множество услуг для конечного пользователя, таких как голос, данные, факс, услуги коротких сообщений и широковещательные сообщения. Она предлагает гибкий воздушный интерфейс, обеспечивающий высокую производительность по мощности, охвату и неограниченную поддержку мобильности и возможностей для обработки различных потребностей пользователей.
Как это работает?
TDMA полагается на то, что аудиосигнал оцифрован; то есть делится на несколько миллисекундных пакетов. Он выделяет один частотный канал в течение короткого времени, а затем переходит на другой канал. Цифровые отсчеты от одного передатчика занимают разные временные интервалы в нескольких диапазонах одновременно.
Чтобы проиллюстрировать этот процесс, рассмотрим следующую ситуацию. Припустим мы имеем четыре разных одновременных беседы.
Один канал может выполнять все четыре сеанса связи, если каждый разговор делится на относительно короткие фрагменты, назначается временной интервал и передается в синхронизированных временных пакетах. После того, как данные в течение четвертого времени переданы, процесс повторяется.
Фактически, реализации TDMA IS-54 и IS-136 сразу утроили пропускную способность сотовых частот, разделив канал 30 кГц на три временных интервала, что позволило трем различным пользователям занять его в одно и то же время. В настоящее время существуют системы, обеспечивающие пропускную способность в шесть раз больше. В будущем с использованием иерархических ячеек, интеллектуальных антенн и адаптивного распределения каналов емкость должна достигать 40-кратной аналоговой емкости.
Расширенный TDMA
TDMA существенно улучшил эффективность аналоговой сотовой связи. Однако, как и FDMA, у него была слабость, что он тратил впустую полосу пропускания: временной интервал был выделен для конкретной беседы независимо от того, говорил ли кто-либо в тот момент.
Расширенная версия TDMA (ETDMA), разработанная Хьюзом, пытается исправить эту проблему. Вместо ожидания, чтобы определить, передает ли абонент информацию, ETDMA динамически назначает абонентов. Когда абонентам есть что передать, они помещают один бит в очередь буфера. Система сканирует буфер, замечает, что пользователь хочет что-то передать, и соответственно распределяет пропускную способность. Если абоненту нечего передавать, очередь просто переходит к следующему абоненту. Таким образом, вместо того, чтобы быть произвольно назначенным, время распределяется в соответствии с потребностью. Если партнеры в телефонном разговоре не говорят друг с другом, этот метод может почти удвоить спектральную эффективность TDMA, что делает его почти в 10 раз более эффективным, чем аналоговая передача.
Преимущества
В дополнение к повышению эффективности передачи, ТDМА предлагает ряд других преимуществ по сравнению со стандартными технологиями. Прежде всего, она легко адаптируется к передаче данных, а также к голосовой связи. TDMA предлагает возможность передачи информации со скоростью от 64 кбит/с до 120 Мбит/с. Это позволяет поставщикам услуг предлагать различные коммуникационные услуги, включая факс, голосовые данные и услуги коротких текстовых сообщений, а также приложения с интенсивным использованием полосы пропускания, такие как мультимедиа и видеоконференции.
В отличие от методов расширенного спектра, которые могут пострадать от помех между пользователями, все из которых находятся в одном и том же диапазоне частот и одновременно передают, технология TDMA, которая отделяет пользователей во времени, гарантирует, что они не будут испытывать помехи от других одновременных передач.
Системы TDMA обеспечивают существенную экономию в оборудовании, пространстве и обслуживании базовой станции, что является важным фактором увеличения размеров ячеек.
Недостатки
Главным недостатком ТDМА является то, что все имеют предопределенные временные интервалы. Тем не менее, пользователи, перемещающиеся из одной ячейки в другую, не выделяют временной интервал. Таким образом, если все временные интервалы в следующей ячейке уже заняты, вызов может быть отключен. Аналогично, если все временные интервалы в ячейке, в которой находится пользователь, уже заняты, пользователь не получит тональный сигнал ответа станции.
Еще одна проблема с TDMA заключается в том, что она подвергается многолучевому искажению. Сигнал, поступающий от вышки, может исходить из любого из нескольких направлений. Он мог бы отскочить от нескольких разных зданий до прибытия, которые могут вызвать помехи.
ТDМА в сравнении с СDМА
С момента внедрения CDMA в 1989г. мир беспроводной связи был занят дебатами над относительными достоинствами этих двух технологий. Сторонники CDMA заявили, что эффективность полосы пропускания в 13 раз превышает пропускную способность TDMA и от 20 до 40 раз больше, чем у аналоговой передачи. Кроме того, они отмечают, что его технология с расширенным спектром является более безопасной и обеспечивает более высокое качество передачи, чем TDMA, из-за ее повышенной устойчивости к искажению многолучевого распространения.
Защитники TDMA, с другой стороны, отмечают, что до настоящего времени не было успешных крупных испытаний технологии CDMA, которые поддерживают требования к мощности. Более того, они отмечают, что к теоретическим улучшениям эффективности полосы пропускания, заявленным для CDMA, в настоящее время обращаются усовершенствования технологии TDMA. Эволюция TDMA позволит увеличить мощность в 20-40 раз по сравнению с аналоговым в ближайшем будущем. Это в сочетании с гораздо более дорогостоящей технологией, необходимой для CDMA (300 000 долл. США на базовую станцию по сравнению с 80 000 долл. Для TDMA), ставит под сомнение то, что может предложить реальная экономия технологии CDMA. До сих пор ISMA-TDMA был признанным лидером как самый экономичный путь цифровой миграции для существующей сети AMPS.
Мы все еще не имеем окончательного слова в этой дискуссии. Однако представляется очевидным, что, по крайней мере, в ближайшем будущем TDMA останется доминирующей технологией на рынке беспроводной связи.
Технология TDMA: гарантия построения надежной беспроводной сети
Покупая сетевое оборудование, даже опытные администраторы не могут не встретить новые термины или определения. Знакомство с ними неизбежно и состояться оно должно точно не во время покупки. Предварительное ознакомление со значением аббревиатур, новых обозначений станет гарантией выбора аппаратуры высокого качества.
К числу таких терминов относится Time Division Multiple Access, сокращенно TDMA, который означает многостанционный доступ с временным разделением каналов. У непосвященного пользователя сразу возникает вопрос: в чем суть технологии TDMA? Как она работает?
Чтобы разобраться с принципами действия новейшей технологии, необходимо проанализировать структуру и работу классических беспроводных сетей.
Технология TDMA устраняет недостатки локальных сетей
Простейший пример традиционной сети LAN – это канал, состоящий из двух узлов, условно обозначенных А и В. К каждому из них подключены пользователи. Оба имеют специальное хранилище данных. Здесь формируется очередь пакетов, которые должны быть последовательно отправлены по локальному каналу. При такой организации работы неизбежно возникают проблемы. К примеру, потеря данных (по TTL), или снижение скорости у некоторых пользователей в том случае, когда кто-либо из абонентов занимает большую часть полосы пропускания. Не редки в такой системе и частые задержки (латентность).
Сложным сетевым решениям удается избежать подобных последствий с помощью специальных программных инструментов. Они пользуются шейперами, планировками пакетов, включают функцию приоритезации. На пропускную способность канала устанавливается ограничение для каждого абонента. Приоретизация устанавливается также с учетом типа трафика. К примеру, сервисы, предоставляющие услугу VoIP телефонии, получают наивысший приоритет. Но такой механизм также не лишен неудобств: для его реализации требуется мощный процессор, большой объем RAM (оперативная память).
В чем преимущества временного разделения каналов
С внедрением технологии TDMA устраняются перечисленные недостатки, достигается надежная работа локальных узлов. Принцип действия нового интерфейса — разделение канала на слоты, ограниченные по времени (Time Slot). Количество и длительность последних определяется числом подключенных абонентов. Подобное соединение характеризуется надежностью и высокой стабильностью, поскольку в рамках отведенного времени пользователю доступна вся полоса пропускания. Пакет данных в промежуточном хранилище разделяется на блоки, сортируясь и заполняя временный слот в очередном порядке. Как только время исчерпывается, наблюдается прекращение передачи для данного пользователя и осуществляется переход к следующему клиенту (после непродолжительного тайминга), третьему, четвертому и т. д.
Где применяется технология TDMA
Длительность time-слота измеряется в миллисекундах, благодаря чему технология получила широкое применение при организации систем VoIP. Видео и аудио контент предаются без малейших задержек. Длительность временного слота определяется многими факторами, в их числе — тип используемой аппаратуры, количество пользователей, сложность системы. Что касается последнего фактора, то технология TDMA успешно применяется как в сложных системах из большого количества подключенных абонентов, так и в простых, состоящих из нескольких клиентов.
Применение time –слотов не ограничивается только отдельными клиентами. Они используются для трафика различных типов. К примеру, если необходимо обеспечить надежную работу мультимедийных видео- и голосовых сервисов, технология TDMA становится альтернативой интерфейсу QoS (резервирование канала). Так, в пределах единой сети одному клиенту предоставляется несколько временных слотов, в зависимости от сетевых настроек. Ярким примером тому может стать распределение слотов в пределах базовой сети, обслуживающей как корпоративный, так и частный сектор. Если первому предоставляется гарантированная полоса пропускания с несколькими тайм-слотами, то второму будет достаточно выделить 1-3 слота (количество зависит от тарифного плана).
При распределении полосы пропускания действуют три закономерности:
1. Скорость передачи данных на одного клиента выше при меньшем количестве слотов.
2. При большем количестве тайм-слотов, длина их сокращается, соответственно, снижается и скорость на каждого клиента.
3. Задержки возрастают пропорционально с увеличением числа подключенных абонентов.
Технологии CDMA и FDMA
Только термином TDMA знакомство с возможностями сетевого оборудования не ограничиваются. Сегодня применяются также технологии FDMA/CDMA. Принцип действия первой, пользующейся большей практичностью и популярностью — разделение полосы пропускания на частотные каналы. Интерфейс CDMA базируется на применении одного канала, но устанавливает различную кодовую модуляцию.
Как работают технологии показывают следующие упрощенные варианты систем.
Пример No1. Есть частотный канал, ширина которого составляет примерно 40 МГц. В данном случае каждому временному слоту отведена вся ширина канала.
Пример No2. Ширина частотного канала, разделенная на виртуальные логические каналы, составляет 100 МГц. Чтобы избежать интерференции, между каналами имеются незаполненные субканалы в пределах 5 МГц. В свою очередь логические каналы разделены на разное количество time-слотов. К примеру, один канал может быть отведен 5 пользователям, второй — 10.
Пример No3. Конфигурацией повторяет предыдущую систему, но применяется в высокоуровневых сетях. В этом варианте абоненту, в зависимости от уровня нагрузки, отводятся time-слоты в различных частотных каналах.
Мировые производители оценили возможности TDMA
Из трех отмеченных технологий, наиболее перспективным специалисты отмечают TDMA. С ее применением создаются надежные и эффективные системы. Именно поэтому данная технология доминирует в GSM-сетях. Интерфейс TDMA используется в беспроводных системах передачи данных ведущих производителей сетевого оборудования Ubiquiti, ePMP, Mikrotik.
Так, проприетарные протоколы NV/NV2 от Mikrotik, имеющие бесспорные преимущества перед другими беспроводными стандартами, базируются именно на этой технологии.
Что касается компании Ubiquiti, то она применила TDMA в оборудовании линеек airFiber, airMAX, использующих функцию гибридного дуплекса. В результате задержки сокращаются до минимального уровня, как в случае использования оптоволокна.
Тем, кто хочет построить высокопроизводительную сеть в Казахстане уже сегодня, мы предлагаем воспользоваться сетевыми решениями Ubiquiti, Mikrotik, базируемых на новейшей технологии TDMA.