チャネルアクセス方法

電気通信やコンピュータネットワークでは、チャネルアクセス方式または多重アクセス方式により、同じ伝送媒体に接続された2台以上の端末がその媒体を介して伝送し、その容量を共有することができます。^[1]共有物理媒体の例としては、無線ネットワーク、バスネットワーク、リングネットワーク、半二重モードで動作するポイントツーポイントリンクなどがあります。

チャネル アクセス方式は多重化に基づいており、複数のデータ ストリームまたは信号が同じ通信チャネルまたは伝送媒体を共有できるようにします。このコンテキストでは、多重化は物理層によって提供されます。

チャネル アクセス メソッドは、メディア アクセス制御(MAC)とも呼ばれる多重アクセス プロトコルおよび制御メカニズムの一部である場合もあります。メディア アクセス制御は、アドレス指定、異なるユーザーへの多重チャネルの割り当て、衝突の回避などの問題を扱います。メディア アクセス制御は、 OSI モデルのデータ リンク層のサブ層であり、 TCP/IP モデルのリンク層のコンポーネントです。

文献では、多重アクセス方式とプロトコルを分類するいくつかの方法が使用されています。たとえば、Daniel Minoli (2009) ^{[2] は}、多重アクセス方式の主なタイプをFDMA、TDMA、CDMA、SDMA、ランダムアクセスの 5 つに特定しています。R . RomとM. Sidi (1990) ^{[3] は、}プロトコルを競合のないアクセス プロトコル、アロハ プロトコル、キャリア センシング プロトコルに分類しています。

電気通信ハンドブック（Terplan and Morreale、2000）^[4]では、次のMACカテゴリが特定されています。

• 固定割り当て: TDMA、FDMA+WDMA、CDMA、SDMA
• 需要割り当て (DA)
  • 予約：DA/TDMA、DA/FDMA+DA/WDMA、DA/CDMA、DA/SDMA
  • ポーリング: 一般化ポーリング、分散ポーリング、トークン パッシング、暗黙的ポーリング、スロット アクセス
• ランダム アクセス (RA): ピュア RA (ALOHA、GRA)、アダプティブ RA (TRA)、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

チャネルアクセス方式は一般的に以下のカテゴリに分類されます。^{[1] [5] [6]}

周波数分割多重アクセス(FDMA) チャネル アクセス方式は、異なるデータ ストリームに異なる周波数帯域を提供する周波数分割多重(FDM) 方式に基づく最も標準的なアナログ システムです。FDMA の場合、周波数帯域は異なるノードまたはデバイスに割り当てられます。FDMA システムの例としては、第 1 世代の1G携帯電話システムがあります。このシステムでは、各通話が特定のアップリンク周波数チャネルと別のダウンリンク周波数チャネルに割り当てられていました。各メッセージ信号 (各通話) は、特定の搬送周波数で変調されます。

関連する技術として、波長分割多重（WDM）に基づく波長分割多重アクセス（WDMA）があり、光ファイバー通信では異なるデータストリームに異なる色が割り当てられます。WDMAの場合、バスまたはハブネットワーク内の異なるネットワークノードには異なる色が付けられます。^[7]

FDMA の高度な形式は、たとえば4Gセルラー通信システムで使用される直交周波数分割多重アクセス(OFDMA) 方式です。OFDMA では、各ノードが複数のサブキャリアを使用できるため、異なるユーザーに異なるサービス品質 (異なるデータ レート) を提供できます。ユーザーへのサブキャリアの割り当ては、現在の無線チャネルの状態とトラフィック負荷に基づいて動的に変更される場合があります。シングル キャリア FDMA (SC-FDMA)、別名線形プリコード OFDMA (LP-OFDMA) は、シングル キャリア周波数領域イコライゼーション (SC-FDE) に基づいています。

時分割多重アクセス(TDMA) チャネル アクセス方式は、時分割多重(TDM) 方式に基づいています。TDMA は、周期的に繰り返されるフレーム構造で、異なる送信機に異なるタイム スロットを提供します。たとえば、ノード 1 はタイム スロット 1、ノード 2 はタイム スロット 2 を使用するなどして、最後の送信機がやり直すまで使用します。高度な形式は動的 TDMA (DTDMA) で、送信機のタイム スロットへの割り当てはフレームごとに異なります。

多周波数時分割多重アクセス(MF-TDMA) は、時間と周波数の多重アクセスを組み合わせたものです。たとえば、2Gセルラー システムは、TDMA と FDMA の組み合わせに基づいています。各周波数チャネルは 8 つのタイム スロットに分割され、そのうち 7 つは 7 回の電話通話に使用され、1 つはシグナリングデータに使用されます。

統計的時分割多重アクセスも通常は時間領域多重に基づいていますが、周期的に繰り返されるフレーム構造ではありません。ランダムな特性のため、統計的多重化方式として分類でき、動的な帯域幅割り当てが可能です。これには、メディア アクセス制御(MAC) プロトコル、つまりノードがチャネル上で順番に実行し、衝突を回避するための原則が必要です。一般的な例としては、イーサネットバス ネットワークやハブ ネットワークで使用されるCSMA/CDや、IEEE 802.11などのワイヤレス ネットワークで使用されるCSMA/CAがあります。

符号分割多重接続(CDMA)方式は拡散スペクトルに基づいています。つまり、個々のビット ストリームのデータ レートに必要なよりも広い無線チャネル帯域幅が使用され、異なる拡散コードを使用して、複数のメッセージ信号が同じキャリア周波数で同時に転送されます。シャノン - ハートレーの定理によれば、広い帯域幅により、信号対雑音比を 1 よりはるかに小さく (0 dB 未満) 送信することが可能になります。つまり、送信電力を、同じ周波数範囲を共有する他のメッセージ信号からの雑音および同一チャネル干渉のレベルよりも低いレベルにまで低減できます。

1 つの形式は、直接拡散スペクトル拡散(DSSS)に基づく直接拡散 CDMA (DS-CDMA) で、たとえば3G携帯電話システムで使用されています。各情報ビット (または各シンボル) は、チップと呼ばれる複数のパルスの長いコード シーケンスで表されます。このシーケンスは拡散コードであり、各メッセージ信号 (たとえば各電話通話) は異なる拡散コードを使用します。

もう 1 つの形式は周波数ホッピング CDMA (FH-CDMA) で、周波数ホッピング スペクトラム拡散(FHSS)に基づいています。この方式では、拡散コードを構成するシーケンスに従ってチャネル周波数が急速に変更されます。たとえば、Bluetooth通信システムは、周波数ホッピングと CSMA/CA 統計的時分割多重通信 (データ通信アプリケーション用) または TDMA (オーディオ伝送用) の組み合わせに基づいています。同じユーザー (同じピコネット) に属するすべてのノードは、同じ周波数ホッピング シーケンスを同期して使用します。つまり、同じ周波数チャネルで送信しますが、仮想パーソナル エリア ネットワーク (VPAN) 内での衝突を回避するために CDMA/CA または TDMA が使用されます。Bluetooth では、異なる VPAN 内のノード間のクロストークと衝突の可能性を減らすために周波数ホッピングが使用されます。

その他の技術としては、OFDMA やマルチキャリア符号分割多重アクセス(MC-CDMA) などがあります。

空間分割多重アクセス(SDMA) は、異なる物理領域に異なる情報を送信します。例としては、単純なセルラー無線システムや、指向性アンテナと電力変調を使用して空間伝送パターンを改良するより高度なセルラー システムなどがあります。

電力分割多重アクセス（PDMA）方式は、チャネル上で利用可能な電力を共有するために、ユーザー間で可変送信電力を使用することに基づいています。例としては、衛星トランスポンダー上の複数のSCPCモデムが挙げられ、ユーザーは要求に応じてより大きな電力バジェットを獲得し、より高いデータレートで送信します。^[8]

パケットモードのチャネルアクセス方式では、パケット送信中に単一のネットワーク送信機が選択されます。一部の方式は有線通信に適していますが、他の方式は無線通信に適しています。^[1]

有線マルチドロップ ネットワーク用の一般的な統計的時分割多重化多重アクセス プロトコルには、次のものがあります。

• 衝突検出機能付きキャリア検知多重アクセス（CSMA/CD）は、イーサネットおよびIEEE 802.3で使用されます。
• 衝突回避機能付き多重アクセス(MACA)
• 無線用衝突回避多重アクセス(MACAW)
• キャリア検知多重アクセス(CSMA)
• 衝突回避と優先順位を使用した解決を備えたキャリア検知多重アクセス(CSMA/CARP)
• CANバスで使用される建設的干渉に基づくビット単位の調停
• トークンバス(IEEE 802.4)
• トークンリング(IEEE 802.5)
• FDDIで使用されるトークンパッシング
• 動的時分割多重アクセス(ダイナミック TDMA)

パケット無線ネットワークで使用される一般的な多重アクセス プロトコルには、次のものがあります。

• IEEE 802.11 / WiFiで使用される、衝突回避機能付きキャリア検知多重アクセス(CSMA/CA)。分散調整機能を使用する可能性もあります。
• ALOHAnetで使用されるALOHAとスロット付きALOHA
• 予約ALOHA（R-ALOHA）
• モバイル スロット アロハ(MS-ALOHA)
• 符号分割多重接続(CDMA)
• 直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)
• 直交周波数分割多重方式(OFDM)

これらの方法が順方向と逆方向の通信チャネルを分割するために使用される場合、それらはデュプレックス方式として知られています。デュプレックス通信システムは、半二重または全二重のいずれかです。半二重システムでは、通信は一度に一方向にしか機能しません。トランシーバーは半二重システムの一例です。これは、両方のユーザーが互いに通信できますが、同時には通信できないため、次のユーザーが開始する前に、誰かが送信を終了する必要があるためです。全二重システムでは、両方のユーザーが同時に通信できます。電話は、両方のユーザーがそれぞれの側で同時に話して聞くことができるため、全二重システムの最も一般的な例です。全二重方式には、次のタイプがあります。

• 時分割複信(TDD)
• 周波数分割複信（FDD）
• エコーキャンセル

これらの手法のハイブリッドが頻繁に使用されることに注意してください。例:

• GSMセルラー システムは、周波数分割複信 (FDD) の使用を組み合わせて送信信号と戻り信号間の干渉を防ぎ、FDMA と TDMA を組み合わせて複数の端末が単一セルで動作できるようにします。
• GPRSパケット交換サービスを備えたGSM は、予約照会用のスロット付き Alohaと実際のデータ転送用の動的 TDMA方式を備えた FDD と FDMA を組み合わせています。
• Bluetoothパケット モード通信は、同じ部屋にある複数のプライベート エリア ネットワーク間での共有チャネル アクセスのための周波数ホッピングと、ネットワーク内での共有チャネル アクセスのためのCSMA/CAを組み合わせます。
• IEEE 802.11b 無線ローカル エリア ネットワーク(WLAN) は、隣接する WLAN セルまたはアクセス ポイント間の干渉を回避するために FDMA とDS-CDMAに基づいています。これは、セル内での複数のアクセスのためにCSMA/CAと組み合わされています。
• HIPERLAN/2ワイヤレス ネットワークはFDMAと動的 TDMA を組み合わせており、リソースの予約はパケット スケジューリングによって実現されます。
• G.hn は、家庭内配線 (電力線、電話線、同軸ケーブル) を介した高速ネットワークのITU-T標準であり、TDMA、トークン パッシング、 CSMA/CARPを組み合わせて、複数のデバイスがメディアを共有できるようにします。

アプリケーションごとに異なるチャネル アクセス制約とスキームが適用されます。

ローカル エリア ネットワーク(LAN) およびメトロポリタン エリア ネットワーク(MAN)では、多重アクセス方式によってバス ネットワーク、リング ネットワーク、スター ネットワーク、ワイヤレス ネットワーク、および半二重ポイントツーポイント通信が可能になりますが、ネットワーク スイッチとルーター間の全二重ポイントツーポイント シリアル ラインでは必要ありません。最も一般的な多重アクセス方式は CSMA/CD で、これはイーサネットで使用されます。今日のイーサネット インストールでは、スイッチへの直接の全二重接続が使用されます。CSMA/CD は、古いリピータ ハブとの互換性を実現するために今でも実装されています。

衛星通信において、多重アクセスとは、通信衛星が同時に複数の地上端末間の通信リンクの一部として機能できる機能です。現在通信衛星で使用されている多重アクセスには、コード分割、周波数分割、および時分割多重アクセスの 3 種類があります。

携帯電話ネットワークで最も広く採用されている 2 つの技術は CDMA と TDMA です。TDMA 技術は、自然な音声の中断を識別し、1 つの無線波を利用して複数の送信を順番にサポートします。CDMA 技術では、各パケットは固有のコードを受け取り、そのコードは広い周波数スペクトルに分割され、反対側で再構成されます。CDMA では、複数の人が同じ周波数で同時に話すことができるため、同じ量のスペクトルでより多くの会話を送信できます。これが、CDMA が最終的にワイヤレス業界で最も広く採用されているチャネル アクセス方法となった理由の 1 つです。^[9]

CDMAの起源は1940年代に遡り、米国政府によって特許が取得され、第二次世界大戦中メッセージ送信に使用されていました。しかし、戦後特許が失効し、CDMAの使用は減少し、TDMAに広く置き換えられました。^[9]それは、 MITのエンジニアであるアーウィン・M・ジェイコブスとLinkabit社の同僚が通信会社Qualcommを設立するまでのことでした。^[10] Qualcommが設立された当時、ジェイコブスはすでにデジタル技術を使用してスペクトル容量を増やし、軍の通信問題の解決に取り組んでいました。^[11] Qualcommは、CDMAがワイヤレスの効率と可用性を大幅に向上させることを認識していましたが、ワイヤレス業界はTDMAに何百万ドルも投資していたため懐疑的でした。^[11]ジェイコブスとQualcommは数年を費やしてインフラストラクチャを改善し、CDMAのテストとデモンストレーションを行いました。1993年、CDMAはワイヤレス業界の標準として認められました。 1995年までに、CDMAは2Gの基盤として無線通信業界で商業的に使用されるようになりました。^[9]

• 多様性スキーム
• 動的な帯域幅割り当て
• 基地局間干渉制御のための無線リソース管理

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。