Mobilkommunikationsnetze - Medienzugriff · Mobilkommunikationsnetze Vorlesung 2 Prof. Dr.-Ing....

Mobilkommunikationsnetze

Vorlesung

1

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme

www.tu-ilmenau.de/iks


- Medienzugriff -

Vorlesung

Andreas Mitschele-Thiel


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Motivation

• Problem: gemeinsame Nutzung des Mediums durch

mehrere Teilnehmer wer greift wann zu?

• Unterschied Multiplexing ↔ Medienzugriff:

Multiplexing Medienzugriff


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Motivation

• Verfahren aus drahtgebundenen Netzen, Beispiel

CSMA/CD:

– Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

(IEEE 802.3 Ethernet)

– kontinuierliche Überwachung des Mediums

– senden, wenn Medium frei (Carrier Sense)

– eigene Sendung abhören, bei Kollision → Übertragung

abbrechen, Jam-Signal senden (Collision Detection)

stößt in Funknetzen an seine Grenzen


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Motivation

• Problem von CSMA/CD in Funknetzen

– CD nimmt gleiche „Hörbarkeit“ aller Signale im Medium an

(im Kabel gegeben), aber

– Signalstärke drahtloser Übertragungen fällt (mindestens)

proportional zum Quadrat der Entfernung

– Kollisionen treten am Empfänger auf, Sender überwacht

→ ggf. Kollision vom Sender nicht erkennbar


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Motivation – Hidden Terminal

• Problem: A und C senden gleichzeitig an B

1. A beginnt Übertragung an B

2. C überwacht Medium, sieht „Medium frei“ (Carrier Sense

schlägt fehl) → beginnt Übertragung

3. A & C hören sich gegenseitig nicht (Collision Detection

schlägt fehl)

4. B empfängt beide Signale → Kollision, keine

Dekodierung möglich

A

B

C


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Motivation – Exposed Terminal

• Problem: B möchte an A, C an D (nicht im Bild) senden

1. B beginnt Übertragung

2. C überwacht Medium, erkennt Sendung von B→ wartet

unnötigerweise (Kollision bei A wäre unmöglich)

A B C


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Medienzugriffsverfahren

• SDMA (Space Division Multiple Access)

– räumliche Trennung von Verbindungen ( Richtantennen)

– Sektorierung, Zellenstruktur

• FDMA (Frequency DMA)

– unterschiedliche Frequenzen je Teilnehmer

– dauerhaft (z.B. Radio), slow hopping (GSM), fast hopping

(FHSS)

• TDMA (Time DMA)

– Teilnehmer senden nacheinander (bspw. 802.11)

• CDMA (Code DMA)

– Unterschiedliche Spreizcodes pro Teilnehmer (bspw.

UMTS)


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Verbindungsarten

• eng verwandt mit Medienzugriff

• Klassifikation nach Verbindungsrichtung

• Simplex

– Übertragung in eine Richtung (bspw. Radio, Fernsehen)

• Half-Duplex

– Bidirektional, abwechselnd (bspw. CB-Funk)

• Duplex (manchmal: Full-Duplex)

– Bidirektional, gleichzeitig

• Verfahren:

– Frequency Division Duplex (FDD)

– Time Division Duplex (TDD)


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Duplexarten

Uplink

Downlink

D1

U1

D2

U2

• FDD getrennte Frequenzen für

Up- & Downlink Up- & Downlink-

interferenz getrennt Ressourcen-

verschwendung bei asymmetischer Last

Beispiele: UMTS, GSM

• TDD gemeinsame Frequenz für

Up- & Downlink, aber zeitlich getrennt

anpassbar an asymmetrische Last

Interferenz beider Richtungen im selben Band

Beispiele: DECT, WLAN, UMTS (TDD)


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FDMA/FDD – Beispiel GSM 900

124

1

124

1

200 kHz

⁞

⁞

f

t

935,2 MHz - 960 MHz

890,2 MHz - 915 MHz

Downlink

Uplink


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TDMA/TDD – Beispiel DECT

1 2 3 12 1 2 3 12… …417 µs t

Do

wn

link

Up

link


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TDMA: ALOHA

• Grundidee

– zufälliges, dezentrales Zeitmultiplexverfahren

– sende Pakete, wenn vorhanden

– bei Kollision (durch fehlendes ACK erkannt) warte zufällige

Zeit und sende erneut

• Problem: geringe Kanalauslastung von ~18% (bei

Poissonverteilung der Ankunftsrate und Paketlänge)

Sender A

Sender B

Sender C

Kollisionen und verfälschte Pakete

t


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TDMA: Slotted ALOHA

• ALOHA mit festen Zeitschlitzen

→ Senden von Pakete beginnt immer am Anfang eines

Zeitschlitzes

• steigert maximale Kanalauslastung auf ~36%

Sender A

Sender B

Sender C

t

Kollisionen


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TDMA: Demand Assigned Multiple Access

• Ziel: Steigerung der geringen Kanalauslastung von

ALOHA durch Reservierungen

– Sender reserviert zukünftigen Zeitschlitz

– Übertragung in reserviertem Rahmen ohne Kollisionen

– Auslastung bis 80% möglich, allerdings höherer Delay

– Beispiel: Satellitenübertragungen (VSAT)

• Beispiele:

– explizite Reservierung (Reservation-Aloha)

– implizite Reservierung (PRMA)

– Reservation-TDMA


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• Explizite Reservierung (Reservation ALOHA):

– 2 Betriebsarten:

• ALOHA in der Reservierungsphase: Wettbewerb um kleine

Reservierungsslots mit Kollisionen

• Reserved Mode zur Datenübertragung ohne Kollisionen

– Synchronisierung notwendig (Zeitschlitze müssen bei allen

Teilnehmern synchron sein)

TDMA: DAMA – Explicit Reservation

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision entsprechender Slot bleibt leer


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TDMA: DAMA – Packet Reservation (PRMA)

• Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA):

– n Zeitschlitze = 1 Frame

– leere Slots nach Slotted ALOHA vergeben

– verwendete Slots im folgenden Frame reserviert

Übertragungsende = leerer Slot Neuvergabe

– Vorteil: garantierte Übertragungsrate bei erfolgreicher

Reservierung (kein Verdrängen möglich)

– Nachteil: mangelnde Fairness bei vielen lang laufenden

Übertragungen (neue Teilnehmer kommen nicht zum Zug)


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TDMA: DAMA – Packet Reservation (PRMA)

A C A D E

C A D

E B C

E D B C

D A C

Frame 1

Frame 2

Frame 3

Frame 4

Frame 5

t

Kollisionen

A = erfolgreiche Neureservierung


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TDMA: DAMA – Reservation-TDMA

• Reservation Time Division Multiple Access

– n Mini-Slots + x Slots = 1 Frame

– jeder Teilnehmer kann über seinen eigenen Minislot

maximal k Slots reservieren ( x = n*k)

– Freie Slots können frei verteilt werden (bspw. per Round

Robin oder Slotted ALOHA) Best Effort Traffic

• Vorteil: garantierte (geringe) Datenrate mit geringer

Verzögerung für jeden Teilnehmer

• Nachteile: feste Anzahl an Teilnehmern (= Anzahl Mini-

Slots), globale Koordination


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TDMA: DAMA – Reservation-TDMA

• Beispiel: 4 Teilnehmer (Mini-Slots), 2 Slots je Teilnehmer

t

2 Datenslots von Teilnehmer 4

2*4 Datenslots pro Frame

4 Minislots = 4 Teilnehmer

Freie Slots für Best Effort Traffic


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TDMA: MA with Collision Avoidance – MACA

• Motivation: Hidden/Exposed-Terminal-Problem ohne

zentrale Basisstation lösen

• Signalisierung zur Kollisionsvermeidung:

– RTS (Request To Send): Anfrage Senders Empfänger

– CTS (Clear To Send): Freigabe durch Empfänger

Vermeidung der Kollision dort

• RTS/CTS-Pakete enthalten (mindestens):

– Senderadresse

– Paketgröße Übertragungsdauer

• Kollisionen (im Idealfall) nur bei RTS, aber

unwahrscheinlich, da klein


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TDMA: MACA, Beispiel Hidden Terminal

• A möchte an B senden

– A sendet RTS

– B sendet CTS für A wird von C mitgehört

– C wartet mit Senden bis Zeit t abgelaufen und Kanal frei ist

A B C

RTS (A, t)

CTS(A, t) CTS(A, t)


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TDMA: MACA, Beispiel Exposed Terminal

• B möchte an A, C an D (nicht im Bild) senden

– B sendet RTS

– A antwortet mit CTS

– C empfängt kein CTS A ist nicht in Reichweite, Störung

nicht möglich

– C beginnt (parallele) Übertragung

A B C

RTS (B, t)

CTS(B, t)

RTS (B, t) RTS (D, t2)


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TDMA: MACA

• Vorteile

– Löst Hidden/Exposed Terminal ohne zentrale Kontrolle

– Kollisionen auf kurze RTS-Pakete beschränkt geringere

Verlustrate

• Nachteile

– Hoher Overhead für kleine Pakete

– Größere Latenz durch vorgeschalteten RTS/CTS-Schritt

• Beispiel: IEEE 802.11 (DFWMAC – Distributed

Foundation Wireless MAC)


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TDMA: Polling

• zentraler Teilnehmer (bspw. Basisstation) fragt andere Geräte nach bestimmtem Schema ab (round-robin, random, reservation-based, ...)

• Beispiel: Randomly Addressed Polling

– Basisstation gibt Startsignal

– Terminals senden Zufallszahl per CDMA oder FDMA (Zahl entspricht temporärer Adresse)

– Basisstation wählt zufällig aus der Liste aus und fragt den entsprechenden Teilnehmer ab (gleiche Zufallszahl = Kollision)

– Basisstation bestätigt Paket und setzt mit nächstem Terminal fort

– Wiederholung des Zyklus nach Abfrage aller Terminals

• Beispiele: Bluetooth & 802.11 (mögliche Betriebsart)


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TDMA: Inhibit Sense Multiple Access (ISMA)

• Zustand des Mediums durch „Besetztzeichen“

signalisiert

– Basisstation sendet „Besetztzeichen“ auf Downlink

– Terminals senden nicht bei „besetzt“

– Medium frei Terminals können senden

Kollisionsbehandlung durch Signal der Basisstation

• Beispiel: CDPD (AMPS)


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Code Division Multiple Access (CDMA)

• Verfahren

– alle Teilnehmer nutzen zeitgleich dieselben Frequenzen

zum Senden

– Unterscheidung der Endgeräte durch Code, der mit dem

Signal verknüpft wird (XOR)

– Empfänger kann mittels Korrelation Signal rekonstruieren

Σ

Code 1

Code 2

Code 3

Daten 1

Daten 2

Daten 3

Code 1

Code 2

Code 3

Funkübertragung

Daten 1

Daten 2

Daten 3


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CDMA

• Vorteile:

– alle Teilnehmer verwenden die gleiche Frequenz →

weniger Planungsaufwand

– Coderaum >> Frequenzraum

– Schutz gegen Interferenz

– einfache Integration von Forward Error Correction und

Verschlüsselung

• Nachteile:

– höhere Empfängerkomplexität (Korrelation!)

– bei mehreren Sendern gleiche Empfangsstärke notwendig

Power Control

• Beispiel: http://mkn.dev.geekbetrieb.de/cdma/

http://mkn.dev.geekbetrieb.de/cdma/


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CDMA in der Theorie (1/2)

• Abbildung: 0 Code -1, 1 Code 1

• Sender A

– Daten Ad = 10 ( +1, -1)

Schlüssel Ak = 010011( -1, +1, -1, -1, +1, +1)

– gesendetes Signal As = Ad * Ak =

(-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1)

• Sender B

– Daten Bd = 00 ( -1, -1)

Schlüssel Bk = 110101 (d.h. +1, +1, -1, +1, -1, +1)

– Gesendetes Signal Bs = Bd * Bk =

(-1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, +1, -1)


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CDMA in der Theorie (2/2)

• Addition am Empfänger (vereinfacht, ohne Rauschen)

As = (-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1)

+ Bs = (-1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, +1, -1)

= (-2, 0, 0, -2, +2, 0, 0, -2, +2, 0, 0, -2)

• Korrelation mit Code Ak (Skalarprodukt):

(-2, 0, 0, -2, +2, 0) • (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = 6 > 0 Bit: 1

(0, -2, +2, 0, 0, -2) • (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = -6 < 0 Bit: 0

• äquivalent mit Code Bk

(-2, 0, 0, -2, +2, 0) • (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 Bit: 0

(0, -2, +2, 0, 0, -2) • (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 Bit: 0


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Grundlegende Verfahren im Vergleich

Ansatz SDMA TDMA FDMA CDMA

Idee Unterteilung des Raumes in Zellen/Sektoren

zeitlich getrenntes Senden einzelner Teilnehmer

Aufteilung des Frequenzraumes in Teilbereiche

Spread Spectrum mit orthogonalen Codes

Endgeräte 1 Terminal pro Zelle/Sektor

1 Terminal/Zeitscheibe schnelle Wechsel quasi parallel

1 Terminal pro Frequenz, gleichzeitiger Betrieb

Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals

Signaltrennung Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals

zeitlich synchronisiert Frequenzfilter Korrelation mit bekanntem Code im Empfänger

Vorteile sehr einfach, hohe Kapazität pro Fläche

einfach, weit verbreitet, flexibel

einfach, weit verbreitet, robust

flexibel, weniger Frequenzplanung nötig

Nachteile Unflexibel, Antennen meist fest, Richtfunkstrecken

Guard Space nötig (Mehrwegeausbreitung), Synchronisation

unflexibel, Frequenzen sind begrenzt

komplexe Empfänger, Power Control am Sender

Kommentar oft nur in Kombination mit anderen sinnvoll

Standard im Festnetz, in Kombination mit anderen im Mobilfunk

Verbreitet im analogen Bereich, digital oft kombiniert mit TDMA & SDMA

komplexer, meist mit FDMA kombiniert, in modernen Netzen Standard

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