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Mobilkommunikation: Medienzugriff

MobilkommunikationKapitel 3 : Medienzugriff

Motivation SDMA, TDMA, FDMA Aloha Reservierungsverfahren

3.0.2

Kollisionsvermeidung, MACA Polling CDMA im Detail SAMA Vergleich


Medienzugrifffsverfahren

Letztes Kapitel: Physikalische Schicht (Schicht 1 nach ISO/OSI)

Jetzt: Schicht 2: Sicherungsschicht (Data Link Control, DLC)

Medienzugriffssteuerung (Medium Access Control, MAC)

Wie werden die Schicht 1 Mechanismen verwendet um den Zugriff auf das „Medium“ zu regeln?

Verbindungsabschnittssteuerung (Logical Link Control, LLC)

Wie wird eine zuverlässige 1-Hop Kommunikation hergestellt?

Wird später im Rahmen der einzelnen Systeme besprochen!


Motivation

Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden?

Beispiel CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Senden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision

stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE802.3)

Probleme in drahtlosen Netzen Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab CS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision

geschieht beim Empfänger Kollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender

hörbar, d.h. CD versagt weiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z.B. wenn ein

Endgerät „versteckt“ ist

3.1.1


Verstecktes Endgerät (Hidden Terminal) A sendet zu B, C empfängt A nicht mehr C will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt) Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt) A ist „versteckt“

für C

„Ausgeliefertes“ Endgerät (Exposed Terminal) B sendet zu A, C will zu irgendeinem Gerät senden (nicht A oder B) C muß warten, da CS ein „besetztes“ Medium signalisiert da A aber außerhalb der Reichweite von C ist, ist dies unnötig C ist B „ausgeliefert“

Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte

3.2.1

BA C


Endgeräte A und B senden, C soll empfangen die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab daher „übertönt“ das Signal von Gerät B das von Gerät A C kann A nicht hören

Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen

Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakteLeistungskontrolle notwendig!

Motivation - Nahe und ferne Endgeräte

A B C

3.3.2

Mobilkommunikation: Medienzugriff 3.9.2

Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA

SDMA (Space Division Multiple Access) Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen vgl. Zellenstruktur

FDMA (Frequency Division Multiple Access) zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer

Frequenz permanent (z.B. Rundfunk), langsames Springen (z.B. GSM),

schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

TDMA (Time Division Multiple Access) zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf

eine feste Frequenz

Die bereits vorgestellten Multiplexverfahren werden hier also zur Steuerung des Medienzugriffs eingesetzt!


FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM

f

t

124123122

1

124123122

1

20 MHz

200 kHz

890.2 MHz

935.2 MHz

915 MHz

960 MHz

3.25.2

Frequenzduplex (frequency division duplex, FDD)uplink: 124 Frequenzen im Bereich 890.2 – 915downlink: 124 Frequenzen im Bereich 935.2 – 960 (uplink + 45 MHz)

GSM verwendet parallel zur FDMA auch TDMA, dies wird im Kapitel über GSM erklärt


Statisches TDD/TDMA - am Beispiel DECT

1 2 3 11 12 1 2 3 11 12

t

Abwärtsrichtung Aufwärtsrichtung

417 µs

3.26.2

5 ms 5 ms

einfach aber unflexibel!


Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen

ausschließlich gesendet werden darf.

Aloha

Slotted Aloha

Aloha/Slotted Aloha

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

3.17.1

t

t


DAMA - Demand Assigned Multiple Access

Ausnutzung des Kanals bei Aloha (18%) und Slotted Aloha (36%) nur sehr gering (Annahme von Poisson-Verkehr).

Mit Hilfe von Vorabreservierung kann dies auf 80% erhöht werden. Sender reserviert einen zukünftigen Zeitschlitz innerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort

gesendet werden dadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerung typisch für Satellitenstrecken

3.18.2


Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung

Explizite Reservierung: Zwei Modi:

ALOHA-Modus für die Reservierung:In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren.

Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich).

Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden.

Wird zur Satellitenkommunikation eingesetzt: der Satellit empfängt die Sendewünsche der Bodenstationen und erteilt Sendeerlaubnis um hidden/exposed terminal problem zu vermeiden.

3.19.2

Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha

Kollision


Zugriffsverfahren DAMA: PRMA

Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA): Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen

Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem “Slotted

ALOHA”-Prinzip. Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen

darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt.

Rahmen 1

Rahmen 2

Rahmen 3

Rahmen 4

Rahmen 5

1 2 3 4 5 6 7 8Zeitschlitz:

Kollision bei derBelegung

3.20.3

ACDABA-F

ACDABA-F

AC-ABAF-

A---BAFD

ACEEBAFD

Reservierung

A C D A B A F

A C A B A

A B A F

A B A F D

A C E E B A F Dt


Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA

Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen. Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k

Datenzeitschlitze reservieren (d.h. x= N * k). Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß

Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden.

N Minischlitze N * k Datenschlitze

Reservierung fürdiesen Datenbereich

freie Zeitschlitze können zusätzlichgemäß Round-Robin mitbenutzt werden.

z.B. N=6, k=2

3.21.2

Rahmen


MACA - Kollisionsvermeidung

Bisher: Basisstation um die Problemfälle Hidden Terminal/Exposed Terminal zu beheben.

MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) setzt kurze Signalisierungspakete zur Kollisionsvermeidung ein RTS (request to send): Anfrage eines Senders an einen Empfänger

bevor ein Paket gesendet werden kann CTS (clear to send): Bestätigung des Empfängers sobald er

empfangsbereit ist

Signalisierungspakete beinhalten: Senderadresse Empfängeradresse Paketgröße

Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE802.11 als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz

3.4.1


Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte A und C wollen zu

B senden A sendet zuerst RTS C wartet, da es das

CTS von B hört

Vermeidung des Problems „ausgelieferter“ Endgeräte B will zu A, C

irgendwohin senden C wartet nun nicht

mehr unnötig, da es nicht das CTS vonA empfängt

MACA - Beispiele

A B C

RTS

CTSCTS

3.6.1

A B C

RTS

CTS

RTS


MACA-Variante: DFWMAC in IEEE802.11

Ruhe

Warte aufSenderecht

Warte aufQuittung

Sender Empfänger

Paket sendebereit; RTS

time-out; RTS

CTS; Daten

ACK

RxBusy

Ruhe

Warte aufDaten

RTS; RxBusy

RTS; CTS

Daten; ACK

time-out Daten; NAK

ACK: positive EmpfangsbestätigungNAK: negative Empfangsbestätigung

RxBusy: Empfänger beschäftigt

3.5.2

time-out NAK;RTS


Pollingverfahren

Falls empfangstechnisch möglich können mobile Endgeräte von einer Zentralstation nach einem bestimmten Schema nacheinander abgefragt werden (polling) hier können prinzipiell die gleichen Techniken wie in Festnetzen

eingesetzt werden (vgl. Zentralrechner - Terminals).

Beispiel: Randomly Addressed Polling Basisstation signalisiert Empfangsbereitschaft an alle mobilen

Endgeräte sendebereite Endgeräte übertragen gleichzeitig kollisionsfrei eine

Zufallszahl („dynamische Adresse“) mit Hilfe von CDMA oder FDMA Basisstation wählt eine Adresse zur Abfrage der Mobilstation

(Kollision möglich bei zufälliger Wahl der gleichen Adresse) Basisstation bestätigt den korrekten bzw. gestörten Empfang und

fragt sofort nächste Station ab wurden alle Adressen bedient, so beginnt der Zyklus von neuem

3.7.1


ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen „Besetztton“ angezeigt auf der Verbindung von der Basisstation zu den mobilen

Endgeräten zeigt die Basisstation an, ob das Medium frei ist oder nicht

Endgeräte dürfen bei belegtem Medium nicht senden sobald der „Besetztton“ aufhört, können die Endgeräte auf das

Medium zugreifen Kollisionen bei diesem unkoordinierten Zugriff werden wiederum

von der Basisstation über Bestätigungspakete und das Besetztzeichen an die Endgeräte gemeldet

Verfahren wird beim Datendienst CDPD eingesetzt (USA, in AMPS integriert)

3.8.1


Zugriffsverfahren CDMA

CDMA (Code Division Multiple Access) alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so

gleichzeitig die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen

Pseudozufallszahl verknüpft (XOR) Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer

Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren Verwendung der Spreizbandtechnik als Zugriffsverfahren

Nachteil: höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein

Vorteile: alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanung sehr großer Coderaum (z.B. 232) im Vergleich zum Frequenzraum Verschlüsselung leicht integrierbar

3.10.1


CDMA Theorie

Die Autokorrelation einer Chipping Sequenz sollte hoch sein, dabei ist die Autokorrelation einer Chipping Sequence definiert als Skalarprodukt der Chipping Sequenz mit sich selbst:

daher wird in der Chipping Sequence für die logische 0 eine physikalische –1 (z.B. durch Phasenverschiebung um 180 Grad) verwendet.

Die Korrelation zweier verschiedener Chipping Sequences sollte möglichst gering sein. Idealerweise ist sie 0 und die Chipping Sequences stehen damit senkrecht aufeinander.

n

iiiaaaa

1

*

n

iiibaba

1

*


CDMA Theoretisches Beispiel

Sender A sendet Ad = 1, Schlüssel Ak = 010011 (setze: „0“= -1, „1“= +1)

Sendesignal As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, -1, +1, +1)

Sender B sendet Bd = 0, Schlüssel Bk = 110101 (setze: „0“= -1, „1“= +1)

Sendesignal Bs = Bd * Bk = (-1, -1, +1, -1, +1, -1)

Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc.) As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0)

Empfänger will Sender A hören wendet Schlüssel Ak bitweise an (inneres Produkt)

Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Ak = 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6

Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine „1“ analog B

Be = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Bk = -2 + 0 + 0 - 2 - 2 + 0 = -6, also „0“

3.11.3


CDMA - auf Signalebene I

In der Praxis werden längere Schlüssel eingesetzt, um einen möglichst großen Abstand im Coderaum zu erzielen.

3.12.2

1 0 1

10 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1

01 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0

Daten A

Code A

Signal A

Daten Code

Code-Daten A

Ad

Ak

As

in diesem Beispiel: 1=negatives Signal


CDMA - auf Signalebene II

3.13.3

1 0 0

00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

11 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

Signal A

Daten B

Code B

Code-Daten B

Signal B

As + Bs

Daten Code

Bd

Bk

Bs

As


CDMA - auf Signalebene III

3.14.2

1 0 1

Ak

(As + Bs) * Ak

Integrator-Ausgabe

Komparator-Ausgabe

As + Bs

1 0 1Daten A Ad


CDMA - auf Signalebene IV

3.15.3

1 0 0

Integrator-Ausgabe

Komparator-Ausgabe

Bk

(As + Bs) * Bk

As + Bs

1 0 0Daten B Bd


CDMA - auf Signalebene V

3.16.2

(0) (0) ?Komparator-

Ausgabe

Falscher Code K

Integrator-Ausgabe

(As + Bs) * K

As + Bs


Vergleich SDMA/TDMA/FDMA/CDMA

Verfahren SDMA TDMA FDMA CDMA Idee Einteilung des

Raums in Zellen/Sektoren

Aufteilen der Sendezeiten in disjunkte Schlitze, anforderungs-gesteuert oder fest

Einteilung des Frequenzbereichs in disjunkte Bänder

Bandspreizen durch individuelle Codes

Teilnehmer nur ein Teilnehmer kann in einem Sektor ununter-brochen aktiv sein

Teilnehmer sind nacheinander für kurze Zeit aktiv

jeder Teilnehmer hat sein Frequenzband, ununterbrochen

alle Teilnehmer können gleichzeitig am gleichen Ort ununterbrochen aktiv sein

Signal-trennung

Zellenstruktur, Richtantennen

im Zeitbereich durch Synchronisation

im Frequenz-bereich durch Filter

Code plus spezielle Empfänger

Vorteile sehr einfach hinsichtlich Planung, Technik, Kapazitätserhöhung

etabliert, voll digital, vielfältig einsetzbar

einfach, etabliert, robust, planbar

flexibel, benötigt weniger Frequenzplanung, weicher handover

Nachteile unflexibel, da meist baulich festgelegt

Schutzzeiten wegen Mehrweg-ausbreitung nötig, Synchronisation

geringe Flexibilität, Frequenzen Mangelware

komplexe Empfänger, benötigt exakte Steuerung der Sendeleistung

Bemerkung nur in Kombination mit TDMA, FDMA oder CDMA sinnvoll

Standard in Fest-netzen, im Mo-bilen oft kombi-niert mit FDMA

heute kombiniert mit TDMA in z.B. GSM

einige Probleme in der Realität

3.24.2

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