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Seminar InformatikWS 04/05

Besonderheiten des mobilen Medienzugriffs

Björn Peters

Seminar Informatik: Besonderheiten des mobilen Medienzugriffs

28.10.2004 © B.Peters2

Gliederung:1. Grundlagen2. CSMA/CD3. Probleme drahtloser Netze

1. Versteckte Endgeräte2. Ausgelieferte Endgeräte3. Nahe und ferne Endgeräte

4. Multiplexverfahren1. Raummultiplex2. Frequenzmultiplex3. Zeitmultiplex

1. Statisches TDMA2. Klassisches Aloha3. Slotted Aloha4. DAMA (Demand Assigned Multiple Access)5. PRMA (Packet Reservation Multiple Access)6. TDMA mit Reservierung7. MACA8. Polling9. Inhibit Sense Multiple Access

4. Codemultiplex1. Codemultiplex angewendet2. Bandspreizung3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren4. SAMA (Spreaded Aloha Multiple Access)


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1 Grundlagen

Vermittlung

Sicherung

Bit-Übertragung

3

2

1

Netzwerkprotokolle (IP, IPX, OSI-CLNP/-CONP,…)

LLC-SublayerMAC-Sublayer

Übertragungs-medium

„CSMA/CD“

Licht-Wellen-Leiter

Kuper-Kabel

Physical Layer (Physikalische Übertragungsebene)Hier erfolgt die Anpassung des Bitstroms (phys. Darstellung) an die jeweiligen Übertragungsmedien

Media Access Control (Medien-Zugangs-Verfahren)Die Schicht stellt eigentliche, individuelle (logische) Zugriffsverfahren auf das Transportmedium dar

Logical Link Control (Logistische Verbindungsschicht)Die LLC stellt einen einheitlichen Zugriffsmechanismus für alle darunter liegenden Zugriffsverfahren dar.

Dipl. –Ing. I. Kaleck


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2. CSMA/CD Carrier Sense – Multiple Access with Collision Detection

• dezentrales Konkurrenz-Verfahren • Signalausbreitung gleichmäßig auf dem gesamten Bus• gleichberechtigte Kommunikationspartner• keine Vergabe von Prioritäten• Duplex


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• Carrier Sense– Vor dem Senden wird das Übertragungsmedium auf Belegung abgehört– Wenn Kanal frei ist, wird der Sendevorgang bei Sendewunsch begonnen.

Ansonsten warten• Multiple Access

– Jeder hat die Möglichkeit prinzipiell zu jedem Zeitpunkt zu senden– Gleichberechtigung

• Collision Detection– Während des Sendens wird der Kanal nach Kollisionen abgehört


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Kollision• Wenn zwei Stationen zugleich auf das gleiche Medium zugreifen• Konsequenz: Nach Entdecken d. K. Abbruch des Sendens und Senden eines JAM-

Signals• Warten gemäß Backoff Strategie


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Kanal abhören

Kanal frei?

Daten sendenKanal abhören

Kollision

JAM Signal senden

Warten gemäßBackoff-Strategie

Sendewunsch?

Ja

Nein

Ja

Nein

Ja

Nein


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Backoff-Strategie• Die Grundidee ist, eine zufällige Zeit zu warten, bis die Retransmission wieder

aufgenommen werden kann. • Bei einer weiteren Kollision wird der Zeitintervall verdoppelt, aus der zufällige

Sendezeitpunkt berechnet.


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3. Probleme drahtloser Netze

• Signalstärke nicht, wie bei kabelbasierten Netzen, auf Mindestniveau• Signalstärke nimmt im freien Raum proportional zum Quadrat der Entfernung ab


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3. 1. Versteckte Endgeräte

• A Sendet, erreicht B, aber nicht C• C Sendet, erreicht B, aber nicht A• A und C bekommen nichts voneinander mit und wollen gleichzeitig senden

– A hört ob Medium frei ist– Medium ist in Reichweite von A frei– A beginnt mit dem Senden– C parallel

BA C


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3. 2. ausgelieferte Endgeräte

• B sendet Daten zu A• C will senden• C ist ausgeliefert, weil B sendet• C kann nicht senden

BA C


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3. 3. Nahe und ferne Endgeräte

• Signalstärke nimmt quadratisch mit Entfernung ab• B und A senden gleichzeitig• A wird von B „übertönt“

A B C


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4. Multiplexverfahren

• Probleme– Versteckte, ausgelieferte Endgeräte– Nahe und ferne Endgeräte

• Alle drahtlose Geräte teilen sich das gleiche Medium, die „Luft“

• Jeder kann potentiell jederzeit auf das Medium zugreifen

• Unterteilung es Mediums nach– Raum– Frequenz– Zeit– Signalcodierung

• Mischformen der Multiplexverfahren


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4. 1. Raummultiplex

• SDMA (Space Division Multiple Access)• Einteilung des Raums in Sektoren• Zellenstruktur

+ Robuster gegen Ausfälle+ überschaubare Zellen+ mehr Kapazität+ Weniger Sendeleistung notwendig- Große Schutzabstände und Handover notwendig (Übergang zwischen den Zellen)- Störungen durch andere Zellen- Verbinden der Basisstationen

K2

K5K4

K3K1

K6K7


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4. 2. Frequenzmultiplex

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) • Bandbreite in Frequenzabschnitte unterteilt

– Bestimte Anzahl an Kanäle– Zwischen Kanälen Puffer

+ keine dynamische Koordination notwendig+ auch für analoge Signal geeignet- Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung- Unflexibel

Bsp. FDMA + TDMA: Folge von Frequenzen nach einem bestimmten Muster; vorher verhandelt

Duplexkanal


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GSM-Standard 900 Mhz- FDM + FDD- Uplink zwischen 890,2 und 915 Mhz- Downlink zwischen 935,2 und 960 Mhz- Kanalbandbreite 0,2 Mhz- Kanalanzahl (915-890,2)/0,2=124- Frequenzberechnung

- Uplink: 890 + i*0,2- Downlink: 935 + i*0,2


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f

t

124123122

1

124123122

1

20 MHz

200 kHz

890.2 MHz

935.2 MHz

915 MHz

960 MHz


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4. 3. Zeitmultiplex

• TDMA (Time Division Multiple Access)• Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt

+ pro Zeitabschnitt nur ein Sender+ Durchsatz bleibt auch bei vielen Sendern gleich- Genaue zeitliche Synchronisation notwenig


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4. 3. 1. statisches TDMA

• Feste Zeitschlitze– Vorgegebener Start und Endzeitpunkt fürs Senden– Keine Kollisionen

• Zuweisung der Zeitschlitze im Mobilfunkbereich über die Basisstationen

• Duplexing über weitere Zeitschlitze möglich


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4. 3. 1. statisches TDMA

1 2 3 11 12 1 2 3 11 12

tAbwärtsrichtung Aufwärtsrichtung

417 µs


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4.3.2 klassisches Aloha

• Vgl.: Steuerung der Zugriffe beim statischen TDMA• Zugriff, wenn Sendewunsch besteht

– Kollisionen treten auf– Verlust der gesendeten Daten

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

t


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4.3.3 Slotted Aloha

• Einführung von Zeitschlitzen– Sendebeginn nur am Anfang eines Zeitschlitzes möglich

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

t


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4.3.4 DAMA (Demand Assigned Multiple Access)

• Aloha und Slotted Aloha haben sehr geringen Ausnutzungsgrad• Reservierungsphase und Datenübertragungsphase• Kollisionen nur während Reservierungsphase• Reservierungsphase arbeitet nach Slotted Aloha Verfahren• Durch Vorabreservierung auf 80% erhöhen

– Sender reserviert zukünftigen Zeitschlitz– Innerhalb der Zeitschlitzes Senden ohne Kollision– Höhere Gesamtverzögerung

• Explizites Reservierungsschema

Kollision

Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha


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4. 3. 5. PRMA (Packed Reservation Multiple Access)

• Implizierte Reservierung• Belegungsvektor wird perodisch gesendet• Reservierung per Slotted Aloha möglich• PRMA arbeitet im Duplexbetrieb

Rahmen 1

Rahmen 2

Rahmen 3

Rahmen 4

Rahmen 5

1 2 3 4 5 6 7 8

Kollision bei derBelegung

ACDABA-F

ACDABA-F

AC-ABAF-

A---BAFD

ACEEBAFD

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


28.10.2004 © B.Peters25

4. 3. 6. TDMA mit Reservierung

• Reservierungsphase und Datenübertragungsphase• Zusätzlich Spontanzugriffs• Kein Sendewunsch einer Station anderen Stationen können sich um freien

Zeitschlitz bewerben

• Garantierte Mindesbandbreite• isochrone Datenströme mit festen Bandbreitenanforderungen mgl.

N Minischlitze N * k Datenschlitze

Reservierung fürdiesen Datenbereich

freie Zeitschlitze können zusätzlichgemäß Round-Robin mitbenutzt werden.

z.B. N=6, k=2

Rahmen


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4. 3. 7. MACA (Multiple Access with Collision Avoidance)

• Kollisionsvermeidung durch Senden eines Sendewunsches (RTS – Request To Send)

• Bestätigung des gewünschten Empfängers durch Senden des CTS (Clear To Send)• Vgl. CSMA/CD

• RTS– Senderadresse– Gewünschte Sendedauer

• CTS– Senderadresse– Empfängeradresse– Gewünschte Sendedauer


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4. 3. 7. MACA (Multiple Access with Collision Detection)

Versteckte Endgeräte• A und C wollen zu B senden• A sendet zuerst RTS• C wartet, da es das CTS von B hört

Ausgelieferte Endgeräte• B will zu A,

C irgendwohin senden• C wartet nicht unnötig, da es

nicht CTS von A empfängt

A B C

RTS

CTSCTS

A B C

RTS

CTS

RTS


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4. 3. 9. Polling

• Sendebereich einer Station überschneidet Empfangsbereich aller anderen Stationen• Zentralstation übernimmt Aufgabe der Basisstation• Basisstation fragt mobile Endgeräte nach bestimmten Schema ab

BA C


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4. 3. 10. ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

• Medium belegt: „Besetzt“ Zeichen wird gesendet• Wenn Besetzt darf keine Station senden• Wenn kein „Besetzt“ Zeichen

– Unkoordinierter Zugriff– Kollisionen über Bestätigungspakete an Endgeräte gemeldet


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4. 4. Codemultiplex

• CDMA (Code Division Multiple Access)• Alle Stationen operieren auf derselben Frequenz• Sender codiert Nachricht • Empfänger kann Nachricht decodieren mit

Hilfe des Codes des Senders

+ alle Sender können zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz senden+ Bandbreiteneffizienz+ sehr großer Coderaum+ Störung nicht codiert+ Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar- Höhere Komplexität der Implementierung (Signalgenerierung)- Alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein


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4. 4. 1. Codemultiplex angewendet

• 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“


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4. 4. 2. Bandspreizung

• Codes müssen orthogonal und unabhängig voneinander sein

• Zwei Vektoren eines n-Dimensionalen Raumes sind orthogonal, wenn ihr inneres Produkt gleich null ist

• (4, 5, 0) * (0, 0, 8) = (0, 0, 0); 0 + 0 + 0 = 0• (2, 2, 1) * (-1, 3, 4) = (-2, 6, -4); -2 +6 -4 = 0

• DSSS Codierung mit Chipping Sequence durch XOR


28.10.2004 © B.Peters33

4. 4. 3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren

1 0 1

10 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 101 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0

Daten A

Code A

Signal A

Ad

Ak

As

Ad Ak AsXOR =


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1 0 0

00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 111 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

Signal A

Daten B

Code B

Signal B

As + Bs

Bd

Bk

Bs

As


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4. 4. 4. SAMA (Spread Aloha Multiple Access)

• CDMA und TDMA Kombination• Alle Sender ein Code zum codieren

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