Kanal erişim yöntemi

Kanal erişim yöntemi veya çoklu erişim yöntemi telekomünikasyon ve bilgisayar ağlarında, verinin aynı iletim ortamına bağlı ikiden fazla terminalin üzerinde iletilmesini ve terminallerin kapasitesini paylaşmasını sağlar. Paylaşılan fiziksel ortam örnekleri, kablosuz ağlar, veri yolu ağları, halka ağlar ve yarı çift yönlü kipte çalışan noktadan noktaya bağlantılardır.
Kanal erişim yöntemi, birçok veri akışının veya veri sinyalinin aynı iletişim kanalını veya iletim ortamını paylaşmasına izin veren çoğullama (multiplexing) tekniğine dayalıdır. Bu bağlamda, çoğullama fiziksel katman tarafından sağlanır. Kanal erişim yöntemi aynı zamanda ortam erişim kontrolü (MAC) olarak da bilinen çoklu erişim protokolüne ve kontrol mekanizmasına dayanmaktadır. Ortam erişim kontrolü, adresleme, farklı kullanıcılara çok katmanlı (multiplex) kanallar atama ve çarpışmalardan kaçınma (avoiding collisions) gibi konularla ilgilidir. Medya erişim kontrolü, OSI modelinin veri bağlantı katmanında ve TCP/IP modelinin bağlantı katmanının bir bileşeninde bir alt katmandır.
Temel kanal erişim şema türleri
Kanal erişim şemaları genellikle aşağıdaki kategorilere ayrılır:
Frekans bölmeli çoklu erişim (FDMA)
Frekans bölmeli çoklu erişim (FDMA) kanal erişim şeması, farklı veri akışlarına farklı frekans bantları sağlayan frekans bölmeli çoğullama (FDM) şemasına dayanır. FDMA durumunda, frekans bantları farklı düğümlere veya cihazlara ayrılır. FDMA sistemlerinin bir örneği, her bir telefon görüşmesinin belirli bir yukarı bağlantı (uplink) frekans kanalına ve başka bir aşağı bağlantı (downlink) frekans kanalına atandığı birinci nesil (1G) cep telefonu sistemleriydi. Her mesaj sinyali (her telefon araması), belirli bir taşıyıcı frekansta modüle edilmektedir.
İlgili bir teknik, farklı veri akışlarının fiber-optik iletişimde farklı renkler elde ettiği, dalga boyu bölmeli çoğullamaya (WDM - Wavelength-division multiplexing) dayanan dalga boyu bölmeli çoklu erişimdir (WDMA - Wavelength division multiple access). WDMA durumunda, bir veri taşıyıcı veya hub ağındaki farklı ağ düğümleri farklı bir renk alır.
Gelişmiş bir FDMA biçimi, örneğin 4G hücresel iletişim sistemlerinde kullanılan ortogonal frekans bölmeli çoklu erişim (OFDMA - Orthogonal frequency-division multiple access) şemasıdır. OFDMA'da, her düğüm farklı kullanıcılara farklı hizmet kalitesi (farklı veri hızları) sunmayı mümkün kılan birkaç alt taşıyıcı kullanabilir. Alt taşıyıcıların kullanıcılara atanması, mevcut radyo kanalı koşullarına ve trafik yüküne bağlı devingen olarak değiştirilebilir.
Zaman bölmeli çoklu erişim (TDMA)
Zaman bölmeli çoklu erişim (TDMA - Time-division multiple access) kanal erişim şeması zaman bölmeli çoğullama (TDM) şemasına dayanır. TDMA, döngüsel olarak tekrarlayan bir çerçeve yapısında farklı vericilere farklı zaman dilimleri sağlar. Örneğin, başladığında son vericiye kadar düğüm 1 zaman dilimi 1, düğüm 2 zaman dilimi 2, vb. kullanabilir. Gelişmiş bir biçim, vericilerin zaman dilimlerine atanmasının her karede bir değiştiği dinamik TDMA'dır (DTDMA - Dynamic time-division multiple access).
Örnek olarak, 2G hücresel sistemler TDMA ve FDMA birleşimine dayanmaktadır. Her bir frekans kanalı, yedi tanesi yedi telefon görüşmesi için ve bir tanesi veri sinyalleşmesi için kullanılan sekiz zaman dilimine bölünmüştür.
İstatistiki zaman bölmeli çoğullamalı (Statistical time-division multiplexing) çoklu erişim, genellikle zaman alanlı çoğullamaya dayanır, ancak döngüsel olarak tekrarlayan bir çerçeve yapısında değildir. Rastgele karakteri nedeniyle, istatistiki çoğullama yöntemleri olarak sınıflandırılabilir ve devinimli bant genişliği ataması yapılabilir. Bu, bir ortam erişim kontrolü (MAC) protokolü, yani düğümlerin kanalı açması ve çarpışmaları önlemek için bir ilke gerektirir. Yaygın örnekler, Ethernet veri yolu ağlarında ve hub ağlarında kullanılan CSMA/CD (Çarpışma algılaması ile taşıyıcıya duyarlı çoklu erişim) ve IEEE 802.11 gibi kablosuz ağlarda kullanılan CSMA/CA (Çarpışmadan kaçınma ile taşıyıcıya duyarlı çoklu erişim)'dır.
Kod bölmeli çoklu erişim (CDMA)/Yayılı spektrumlu çoklu erişim (SSMA)
Kod bölmeli çoklu erişim (CDMA - Code division multiple access) şeması, Yayılı spektrum'a dayanır, yani bireysel bit akışlarının veri hızından daha geniş bir radyo kanalı bant genişliği kullanılır ve çeşitli ileti sinyalleri aynı taşıyıcı frekans üzerinden aynı anda aktarılır ve farklı yayılım kodları kullanılır. Shannon-Hartley teoremi başına, geniş bant genişliği, 1'den (0 dB'den az) çok daha az bir sinyal-gürültü oranı ile göndermeyi mümkün kılar; iletim gücünün, aynı frekans aralığını paylaşan diğer mesaj sinyallerinden gelen gürültü ve ortak kanal parazitinin seviyesinin altında bir seviyeye indirilebileceği anlamına gelir.
Bir biçim, örneğin 3G cep telefonu sistemlerinde kullanılan doğrudan dizili yayılı spektrumdur (DS-CDMA, Direct-sequence spread spectrum CDMA). Her bilgi biti (veya her simge (symbol)), CDMA temel iletim birimi ile birkaç darbeden oluşan uzun bir kod dizisi ile temsil edilir. Dizi, yayılma kodudur ve her mesaj sinyali (örneğin, her telefon araması), farklı bir yayılma kodu kullanır. Başka bir biçim, frekans atlamalı kod bölmeli çoklu erişimdir (FH-CDMA, Frequency-hopping CDMA); burada kanal frekansı, yayma kodunu oluşturan bir diziye (Sequence) göre hızlı bir şekilde değiştirilir. Örnek olarak, Bluetooth iletişim sistemi, frekans atlamalı ve CSMA/CA istatistiki zaman bölmeli çoğullama iletişimi (veri iletişim uygulamaları için) veya TDMA (ses iletimi için) birleşimine dayanmaktadır. Aynı kullanıcıya ait tüm düğümler (aynı sanal özel alan ağına veya piconet'e) aynı frekans atlamalı diziyi eşzamanlı olarak kullanırlar, yani aynı frekans kanalında gönderirler, ancak VPAN (Virtual private area network) içindeki çarpışmaları önlemek için CDMA/CA veya TDMA kullanılır. Frekans atlamalı kod bölmeli çoklu erişim, Bluetooth tarafından farklı VPAN'lardaki düğümler arasındaki karşılıklı konuşma ve çarpışma olasılığını azaltmak için kullanılır.
Alan bölmeli çoklu erişim (SDMA)
Alan bölmeli çoklu erişim (SDMA, Space division multiple access) farklı fiziksel alanlarda farklı bilgileri iletir. Örnekler, basit hücresel radyo sistemleri ve mekansal iletim kalıplarını iyileştirmek için yönlü antenler ve güç modülasyonu kullanan daha gelişmiş hücresel sistemleri içerir.
Güç bölmeli çoklu erişim (PDMA)
Güç bölmeli çoklu erişim (PDMA, Power division multiple access) şeması, kanaldaki mevcut gücü paylaşmak için kullanıcılar arasında değişken iletim gücü kullanmaya dayanır. Örnekler, kullanıcıların daha yüksek veri hızlarında iletim için güç kitlesinin daha büyük bir payını talep ettikleri bir uydu transponderinde birden fazla SCPC modemi içerir.
Kanal erişim yöntemleri listesi
Devre modu ve kanallaştırma yöntemleri
Yaygın devre modu ve kanallaştırma kanalı erişim yöntemleri şunlardır:
Frekans bölmeli çoklu erişim (FDMA; Frequency-division multiple access), frekans bölmeli çoğullama (FDM; Frequency-division multiplexing)'ya dayanarak
Dalga boyu bölmeli çoklu erişim (WDMA; Wavelength division multiple access)
Ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM; Orthogonal frequency-division multiplexing) temelli Ortogonal frekans bölmeli çoklu erişim (OFDMA; Orthogonal frequency-division multiple access)
Tek taşıyıcılı FDMA (SC-FDMA), diğer adıyla: tek taşıyıcılı frekans-alan dengelemesine (SC-FDE) dayanarak doğrusal olarak önceden kodlanmış OFDMA (LP-OFDMA).
Zaman bölmeli çoklu erişim (TDMA), zaman bölmeli çoklu' ye dayalı olarak (TDM)
Çok Frekanslı Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (MF-TDMA; Multi-frequency time division multiple access)
Kod bölmeli çoklu erişim (CDMA), diğer adıyla: Yayılı spektrumlu çoklu erişim (SSMA; Spread spectrum multiple access)
Doğrudan dizili yayılı spektrum (DSSS; Direct-sequence spread spectrum) temelli Doğrudan sekmeli CDMA (DS-CDMA; Direct-sequence CDMA),
Frekans atlamalı CDMA (FH-CDMA; Frequency-hopping CDMA), Frekans atlamalı yayılı spektrum temelinde (FHSS; Frequency-hopping spread spectrum)
Ortogonal frekans atlamalı çoklu erişim (OFHMA; Orthogonal frequency-hopping multiple access)
Çoklu taşıyıcılı kod bölmeli çoklu erişim (MC-CDMA; Multi-carrier code division multiple access)
Alan bölmeli çoklu erişim (SDMA; Space division multiple access)
Güç bölmeli çoklu erişim (PDMA; Power division multiple access)
Paket kipi yöntemleri
Aşağıdakiler paket kipi kanal erişim yöntemlerinin örnekleridir:
Çekişim tabanlı rastgele çoklu erişim yöntemleri
Aloha
Slotted Aloha
Çarpışma Önleme ile Çoklu Erişim (MACA, Multiple Access with Collision Avoidance)
Kablosuz için Çarpışma Önleme ile Çoklu Erişim (MACAW, Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless)
Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim (CSMA, Carrier sense multiple access)
Çarpışma algılaması ile taşıyıcı algılamalı çoklu erişim (CSMA/CD, Carrier sense multiple access with collision detection) - kablolu ağlar için uygundur
Çarpışmadan kaçınma ile taşıyıcı algılamalı çoklu erişim (CSMA/CA, Carrier sense multiple access with collision avoidance) - suitable for wireless networks
Dağıtık Koordinasyon Fonksiyonu (DCF, Distributed Coordination Function)
Taşıyıcıyı çarpışmadan kaçınma ve Öncelikler kullanarak Çözünürlük ile çoklu erişim (CSMA/CARP, Carrier sense multiple access with collision avoidance and Resolution using Priorities)
Taşıyıcı Algılamalı Çoklu Erişim/Bitwise Tahkim (CSMA/BA, Carrier Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration) Yapıcı girişim temelinde (CAN-bus)
Token passing:
Token ring (Belirteç halkası)
Token bus (Belirteç yolu)
Polling (Seçim)
Kaynak ayırma (tarifeli) paket kipi protokolleri
Devingen Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (Dynamic TDMA)
Paket ayırmalı çoklu erişim (PRMA, Packet reservation multiple access)
Reservation ALOHA (R-ALOHA)
Dupleksleme yöntemleri
Bu yöntemlerin ileri ve geri iletişim kanallarını bölmek için kullanıldığı durumlarda, bunlar aşağıdaki gibi dupleksleme yöntemleri olarak bilinir:
Zaman bölmeli dupleks (TDD, Time division duplex)
Frekans bölmeli dupleks (FDD, Frequency division duplex)
Ortak çoklu erişim protokolleri
Kablolu çoklu bırakmalı ağlar (wired multi-drop networks) için çoklu erişim protokollerine ilişkin ortak istatistiki zaman bölmeli çoğullama örnekleri:
CSMA/CD (Ethernet'te kullanılır) ve IEEE 802.3)
Token bus (IEEE 802.4)
Token ring (IEEE 802.5)
Token passing (FDDI'da kullanılır)
Paket radyo kablosuz ağlarında kullanılabilecek ortak çoklu erişim protokollerine örnekler şunlardır:
CSMA/CA (IEEE 802.11/WiFi ağlarında kullanılır)
ALOHA
Slotted ALOHA
Dynamic TDMA
Reservation ALOHA (R-ALOHA)
Mobile Slotted ALOHA (MS-ALOHA)
CDMA
OFDMA
OFDM
Melez kanal erişim şeması uygulama örnekleri
Bu tekniklerin melezlerinin -ve sıklıkla- kullanılabileceğini unutmayın. Bazı örnekler:
GSM hücresel sistemi, birden fazla cep telefonunun tek bir hücrede çalışmasına izin vermek için FDMA ve TDMA ile dışa ve içe dönüş sinyalleri arasındaki paraziti önlemek için frekans bölmeli dubleks (FDD) kullanımını birleştirir.
GPRS paket anahtarlamalı servisli GSM, FDD ve FDMA'yı rezervasyon talepleri için slotted ALOHA ve gerçek verilerin aktarılması için Dinamik TDMA şemasıyla birleştirir.
Bluetooth paket kipi iletişimi, frekans atlamalı erişimi (aynı odada birkaç özel alan ağı arasında paylaşılan kanal erişimi için) CSMA/CA ile (bir ortam içinde paylaşılan kanal erişimi için) birleştirir.
IEEE 802.11b kablosuz yerel alan ağları (WLAN'lar), bitişik WLAN hücreleri veya erişim noktaları arasında parazitlenmeyi önlemek için FDMA ve DS-CDMA'ya dayalıdır. Bu hücre içinde çoklu erişim için CSMA/CA ile birleştirilmiştir.
HIPERLAN/2 kablosuz ağlar, FDMA'yı devingen TDMA ile birleştirir, yani kaynak ayırmaya paket zamanlaması ile ulaşılır.
G. hn, ev kabloları üzerinden yüksek hızlı ağ bağlantısı için bir ITU-T standardı (elektrik hatları, telefon hatları ve koaksiyel kablolar) ile, birden fazla cihazın ortamı paylaşmasına izin vermek için TDMA, Token passing (Belirteç geçişi) ve CSMA/CARP kombinasyonunu kullanır.
Belirli uygulama alanları içinde tanımı
Yerel ve büyükşehir alan ağları
Yerel alan ağlarında (LAN) ve Metropol alan ağlarında (MAN), çoklu erişim yöntemleri veri yolu ağlarını, halka ağlarını, hub ağlarını, kablosuz ağlar ve 'yarı çift yönlü noktadan noktaya iletişimi' (half duplex point-to-point communication) etkinleştirir, ancak ağ anahtarları ve yönlendiriciler arasındaki 'tam çift yönlü noktadan noktaya seri hatlarda' (full duplex point-to-point serial lines) veya anahtarlamalı ağlarda (mantıksal yıldız topolojisi) gerekli değildir. En yaygın çoklu erişim yöntemi, Ethernet'te kullanılan CSMA/CD'dir. Günümüzün Ethernet kurulumları tipik olarak değiştirilse de, yine de hub'larla uyumluluğu sağlamak için CSMA/CD kullanılmaktadır.
Uydu iletişimi
Uydu iletişimlerinde, çoklu erişim, bir iletişim uydusunun, aynı anda birden fazla uydu terminali çifti arasındaki bir iletişim bağlantısının bir parçası olarak işlev görme kabiliyetidir. Günümüzde iletişim uyduları ile kullanılan üç tür çoklu erişim, kod bölmeli, frekans bölmeli ve zaman bölmeli çoklu erişimdir.
Anahtarlama merkezleri
Telekomünikasyon anahtarlama merkezlerinde, birden fazla erişim, bir kullanıcının tek bir mesaj yönlendirme göstergesi veya telefon numarası kullanarak ayrı erişim hatları ile iki veya daha fazla anahtarlama merkezine bağlanmasıdır.
Literatürde sınıflandırmalar
Literatürde çoklu erişim şemalarını ve protokollerini sınıflandırmanın çeşitli yolları kullanılmıştır. Örneğin, Daniel Minoli (2009) beş temel çoklu erişim programı tanımlamıştır: FDMA, TDMA, CDMA, SDMA, ve rastgele erişim. R. Rom ve M. Sidi (1990) protokolleri Uyuşmazlık içermeyen erişim protokolleri, Aloha protokolleri ve Taşıyıcı Algılama protokolleri olarak sınıflandırmaktadır.
Telekomünikasyon El Kitabı (The Telecommunications Handbook, Terplan ve Morreale, 2000) aşağıdaki MAC kategorilerini tanımlar:
Sabit atanmış: TDMA, FDMA+WDMA, CDMA, SDMA
Talep atanmış (DA, Demand assigned)
Ayrılmış: DA/TDMA, DA/FDMA+DA/WDMA, DA/CDMA, DA/SDMA
Seçimli: Genelleştirilmiş seçimli (Generalized polling), Dağıtılmış seçimli (Distributed polling), Token Passing (), Kapalı seçimli (Implicit polling), Slotted erişim (Slotted access)
rastgele erişim (RA, Random access): Pure RA (ALOHA, GRA), Adaptive RA (TRA), CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA