Chapter 3 – Medium Access Control

Wired vs. Wireless

Medium Access Control (MAC)อยใน layer น

ในชน MAC จะยมของ wired (TCP/IP) มาใชกไมเหมาะ ตองพฒนา MAC ส าหรบ wireless โดยเฉพาะ

L1: นกถง analog/digital modulationL2: นกถง full/half duplex การแกปญหา collision

การแยงกนเรมสงขอมล การแกปญหา starvationL2 คอ computer 2 เครองคยกน

L3: มคอมพวเตอรหลาย ๆ เครองตอกนเปน networkL4: ท าใหเสมอนมสายสญญาณเชอมคอมพวเตอร 2 เครอง

เขาดวยกน และสายนคงอยตลอดเวลา ทงทจรงขอมลตองวงผาน network และ network อาจจะตด ๆ ดบ ๆ

Motivation for a Specialized MACเอา MAC ของ wired network มาใชกบ wireless network ไดหรอไม ?

Local area network (LAN) ใช carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD)• Medium คอ wire หรอ coaxial cable• ผสง sense ใน medium กอน ถาวางคอยสง ถา detect ไดวาเกด collision จะสง jamming signal แลวเรมสงใหม• ใน wired network ผสงสามารถ detect ไดวาเกด collision บนสายสญญาณ (สญญาณทกจดบนสาย)• ใน wireless network สญญาณแพรไปในอากาศและออนลงตามระยะทาง ผสงไมทราบวาเกด collision (ม hidden

terminal)

Hidden and Exposed Terminals

B is exposed to A and C. A is hidden to C and vice versa.

Near and Far Terminal

• สมมตวาก าลงสงของ A และ B แรงเทาๆ กน near/far effect ท าให C ไดยนแต B ไมไดยน A (เชน C เปน base station)• Precise power control ทผสงส าคญมาก เพอใหผ รบไดรบสญญาณแรงเทาๆ กน• ระบบ UTMS ปรบก าลงสง 1,500 ครงตอนาท

Multiplexing

สรปม 4 แบบ (เรยงตามพฒนาการ)• Space• Frequency (2G)• Time (2G+) ใช time เพอรองรบผใชงานทเพมขนใน cell

• Code (3G)

1G ใช base station กบ mobile station ท fixed ไมมการท า handovermobile station ตองอยในระยะทสอสารกบ base station ได

Space Division Multiple Access (SDMA)

• แบง space ใน wireless network โทรศพทมอถอตองตดสนใจวาจะเกาะอยกบ base station ใด• SDMA มกจะใชรวมกบวธอนๆ เชน FDMA, TDMA, CDMA• ใช beam-forming antenna array เพอแบง space ท าใหเพม cell capacity วดเปน

bit/s/m2 (data) หรอ call/m2 (voice)

4G / 5G มความหมายกวางมาก โดยรวมหมายถง data rate ทมากขน โดยใชเทคนคหลายอยางผสมผสานกน

Frequency Division Multiple Access (FDMA)• Assign ความถแบบ fixed เชน สถานวทย หรอแบบ dynamic ท assign ความถให base station ตาม demand

driven• ใชแบง channel เพอท า duplex channel ระหวาง mobile device กบ base station• Frequency Division Duplex (FDD) แบงยานความถเปน 2 ชวงคอ uplink และ downlink ในขางลางคอ GSM

standard 900 MHz ม 124 channels ตอ 1 base station ไดพรอมๆ กน uplink/downlink channel ถกจบคกนไวแลว (fixed)

GSM Standard (2G)

Time Division Multiple Access (TDMA)

เหมอน Round Robin ท process ผลกกนใช CPUProcess ผสงขอมลลงมาบน mediumCPU medium (space) ททกคนตองใชรวมกน แตใชไดทละคน

ถาใช TDMA เสยงจะขาดๆ หายๆ หรอไม ท าไมเรายงไดยนเสยงตอเนอง?

Real-time voice data (source)

D1 D3D2

Real-time voice data (playback)

D1 D2 D3

D1 D2 D3

ม delay เลกนอย

t

Fixed TDMแบงแกนเวลาใหม 12 channels ส าหรบ upload และ download ขอเสยคอมน static ไม dynamic ท าใหเปลอง slot ทไมมการใชงาน

CDMA หรอ 3G (สง data bit แคบตเดยว) ผสง A และ B ตองการสงขอมลพรอมๆ กน A ใช code หรอ key Ak = 010011 และ B ใช code หรอ key Bk = 110101

A ม data bit Ad = 1 (แทนดวย +1) และ B ม data bit Bd = 0 (แทนดวย –1)

A สง signal As = Ad * Ak = +1*(–1, +1, –1, –1, +1, +1) = (–1, +1, –1, –1, +1, +1)

B สง signal Bs = Bd * Bk = –1*(+1, +1, –1, +1, –1, +1) = (–1, –1, +1, –1, +1, –1)

สงเกตวา Ak ตงฉากกบ Bk (Ak * Bk = 0) แลวถา key ไมตงฉากกนจะเกดอะไรขน ? สญญาณถกสงออกมาพรอมกน ทความถเดยวกน C = As + Bs = (–2, 0, 0, –2, +2, 0)

ถาผ รบตองการรบสญญาณจาก AC * Ak = (–2, 0, 0, –2, +2, 0) * (–1, +1, –1, –1, +1, +1) = 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = +6ได positive value ดงนน ขอมลทสงมาคอ 1

ถาผ รบตองการรบสญญาณจาก BC * Bk = (–2, 0, 0, –2, +2, 0) * (+1, +1, –1, +1, –1, +1) = –2 + 0 + 0 – 2 – 2 + 0 = –6ได negative value ดงนน ขอมลทสงมาคอ 0

ถามการรบกวน (noise) จะท าใหไดคาลดลง ใกลศนยมากขน ถาม noise มากจะตดสนยากวาเปน 0 หรอ 1

ตองใช key ท orthogonal กนเหมอนภาษาทตางกนมาก key มจ ากด

สมมตวาสญญาณ B แรงกวา A 5 เทา• C' = As + 5*Bs = (–1, +1, –1, –1, +1, +1) + (–5, –5, +5, –5, +5, –5) = (–6, –4, +4, –6, +6, –4)

• ผ รบสญญาณ B: C'*Bk = –6 –4 – 4 – 6 – 6 – 4= –30 (ลบเยอะ มองเหนชดวาขอมลทสงมาคอ 0)

• ผ รบสญญาณ A: C'*Ak = 6 – 4 – 4 + 6 + 6 – 4 = 6 (บวก ขอมลทสงมาคอ 1 สญญาณออนกวา B 5 เทา และอยใกลศนยมาก อาจจะท าใหดไมตางจาก noise)

• ปญหามนเหมอนแบงกนพด 2 ภาษาแลว แตภาษาหนงพดเสยงดงกวามาก กจะไปรบกวนอกภาษาหนง• เครองสงในระบบ CDMA ตองปรบ power บอยมาก (>1,000 ครง/วนาท ในบางระบบ) เปลองพลงงาน

ปจจบน cellular system ใช CDM แทน FDM ดงนนไมมปญหาเรองการจดสรรความถแลว แต CDM cells จะเกดปญหา cell

breathing แทน

ปญหาของ 3G

เอา code ไวใน head

เอา code ไวทาย body เพอใหแสดงผลเรว

แบบ external

jQuery was created in 2006 by John Resig. It was designed to handle Browser Incompatibilities and to simplify HTML DOM Manipulation, Event Handling, Animations, and Ajax.

jQuery vs. Javascript

ใช URL ดกวา เพราะ web browser สวนใหญเกบไวใน cache ไมตองโหลดใหม

โปรแกรมค านวณภาษเงนไดบคคลธรรมดา

เงนไดสทธตอป:

อตราภาษ:

จ านวนภาษทตองจาย:

บาท

%

บาท

ค านวณภาษ

read-only

โปรดกรอกขอมลใหถกตอง

Classic Aloha Aloha = ค าทกทายในภาษาฮาวาย (เกาะทมประชากรไมหนาแนน)

• Classical assumption คอ data packet ทเขามาเปนไปตาม Poisson distribution(ความนาจะเปนทจะเกดเหตการณนนขน k ครง เมอเหตการณนนเปนอสระตอกน เชน โยนเหรยญออกหว k ครง จากทงหมด n ครง)

• ท างานไดดเมอม load นอย ถาเกด collision กใหสงใหม (แกท layer ขางบน)• ได maximum throughput ประมาณ 18% load• Classical assumption เปนจรงกบ telephone network แตไมจรงส าหรบ internet

Slotted Aloha

• เพม maximum throughput จาก 18% เปน 36% (2 เทา) นกภาพออกมย วาท าไม?• ไมรบประกน maximum delay และ minimum throughput (เปนวธท random มากๆ)• ระบบมอถอใหมๆ เชน UMTS ใช Slotted Aloha ส าหรบ initial connection setup

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

• เชคกอนวา carrier วางหรอไม ถาวางกคอยใช (access) จะชวยลด collision แตกมปญหาทเชค hidden terminalถา hidden terminal สงขอมลออกมาพรอมกน กจะเกด collision ทผ รบอยด วธนยงใชใน wireless LAN

• Non-persistent CSMA: sense กอน ถาวางสงทนท ถาไมวางรอ random amount of time• 𝑝-persistent CSMA: sense กอน ถาวางสงดวย probability 𝑝 ไมสง (รอ next slot) ดวย probability

1 − 𝑝• อาจจะเพม back-off algorithm เพอปองกนไมใหผ ทจะสงขอมลตองรอนานจนเกนไป เชน ถารอนานมากกเพม 𝑝• CSMA/CA (CA คอ collision avoidance) ใชใน wireless LAN (IEEE 802.11) อยาสบสนกบ CSMA/CD

(CD คอ collision detection) ทใชใน wired LAN CSMA/CA ใช sense carrier + back-off

algorithm

Demand Assigned Multiple Access (DAMA)หรอ Reservation Aloha• ระบบ DAMA ใชกบ satellite systems• Reservation period ในระยะเวลาน station บนโลกจะจอง time slot ของดาวเทยม ดาวเทยมจะสง

reservation list กลบไปให station บนโลก (แก collision ใหแลว) station บนโลกตองเชอฟงและท าตามreservation list น

• Transmission period ในระยะเวลาน station บนโลกจะสงขอมลดวย time slot ทจองไว• ในรป “Aloha” คอ reservation period “Reserved” คอ transmission period ทจรงในกรณทม

collision ดาวเทยมนาจะเลอก station ทมสทธใช time slot ใหเลย ไมนาจะปลอย slot นนใหวาง• กรณ light load จะเพม delay เลกนอย แตจะเพม throughput เมอม heavy load เพราะลด collision• DAMA เปนแบบ explicit reservation

Packet Reservation Multiple Access (PRMA)

• Implicit reservation, 8 slots รวมเปน 1• คอลมน Reservation ในรปคอ status ของแตละ slot ท base station แจงให mobile station (มอถอ) ทกตว

ทราบ เครองหมายขด “-” คอ reservation fail หรอ free• ใน slot 1 – 8 คอ ทมการสงขอมลกนจรง slot ทวาง เชน frame 2 slot 3, 8 เกดจาก D, F หยดสงขอมล base

station กจะประกาศวา slot 3, 8 วาง จากนน mobile station จะแยงกนจองเพอใชในรอบตอไป

Reservation TDMA

• ใช N mini-slots และ N*k data-slots• แตละ mobile station จะได mini-slot 1 ชอง (กนไวใหเลย) และจอง data-slot ไดไมเกน 2 ชอง รบประกน

bandwidth ขนต า• mobile stations สามารถใช data-slots ทวางได (“ใช” กบ “จอง” ไมเหมอนกน) อาจจะใชแบบ Aloha หรอ

round-robin กได

Multiple Access with Collision Avoidance (MACA)มงแกปญหา hidden terminal ไมตองม base station เปน ad-hoc network ยงรกษาคณสมบต random access

Aloha และ dynamic reservation

• สถานการณ 1: A จะสงขอมลให B (ตองปองกน C มา collide)o A สง request to send (RTS) ประกอบดวย sender, receiver, length of transmissiono B ไดรบ RTS (C ไมไดรบ) B สง clear to send (CTS) ประกอบดวย sender, receiver, length of

transmission ทง A และ C ไดยน CTS อนญาตให A สงขอมลได และไมอนญาตให C สงขอมลในชวงเวลาดงกลาวo A กบ C อาจจะสง RTS มาพรอมๆ กน เกด collision แตโอกาสเกดนอย เพราะ RTS สน ถาเกด collision จรงๆ B ก

จะเลอกตอบ CTS ให A หรอ C อยางใดอยางหนง

• สถานการณ 2: B จะสงขอมลให A ขณะเดยวกน C กก าลงจะสงขอมลให Bo B สง RTS (B -> A)o A สง CTS (B -> A) A กบ B เขาใจกนแลววาจะเรมสงขอมล แต C ไมรเรองดวย C ไดรบ RTS แตไมไดรบ CTS เลย

คดวา A อยนอก detection rangeo B เรมสงขอมลให A ขณะท C ลอง sense carrier ดกพบวาไมวาง (busy) ดงนน C กยงไมเรมสงขอมล อนนปองกน

collision แตเสยโอกาส เพราะถง C สงมนกไมไปท าใหเกด collision ท A (ยกเวน C สงสญญาณไดแรงมาก)

• อธบาย MACA ดวย finite state machine บนเสนเชอมคอ (event; action)

• Assume “symmetrical transmission” mobile station สามารถรบและสงสญญาณกบ x ไดในระยะทางเทาๆ กน ท าไม?

Polling

One master station, many slave stations (centralized system) Master station สงสญญานแรง ทก station ไดยน master จะเปนคนสง slave เองวาจะใหใชวธไหน เชน random

access หรอ reservation เปนตน ใชใน Bluetooth wireless LAN

Inhibit Sense Multiple Access (ISMA) หรอDigital Sense Multiple Access (DSMA)

ใช uplink กบ downlink อยางละ 1 channel จะแบงดวยเวลา (time multiplexing) ส าหรบ mobile

stations หลายๆ ตว Mobile station ตวหนงสงขอมลไปบน uplink โดยไมเกด collision

Base station สงสญญาณ busy บน downlink เพอบอก mobile stations ทกตววา uplink ไมวาง ถาเกด collision ให retransmit และใช back-off algorithm

Code Division Multiple Access (CDMA)

Mobile station (ผใช) แตละเครองจะใช code ตางกน และ code ควรจะมลกษณะดงน

• Good autocorrelation

ถาจากนยามน code ทดกตองเปน vector ของ +1 และ –1 ผสมกน

• Barker code (+1, –1, +1, +1, –1, +1, +1, +1, –1, –1, –1) ใช +1 แทน 1 และ -1 แทน 0o Good autocorrelation (inner product with itself is large, 11)o สมมตวา string s1 และ s2 เกดจากการเอา Barker code มาเรยงตอกนไปเรอยๆ ถา s1 และ s2 align ตรงกน ถง

จะได inner product = 11 (high) ถา align ไมตรงกนจะได inner product = 1 (low) คณสมบตนชวยใหท า autocorrelation ไดงาย

o Autocorrelation ชวย synchronize ระหวางผสงและผ รบo Barker code ใชใน ISDN (Integrated Services Digital Network) และ IEEE802.11

(Wireless LAN)

หนงสอไมไดอธบายวา ในกรณท data bit ยาวหลายบต ถาผ รบไมรจดเรมตนของ symbol (บต 0/1) จะตองท า autocorrelation ยงไง แตถาใช code ทดจะท า autocorrelation ไดงาย

• Orthogonal to other code ตงฉากกบ code อน นยามเหมอน “ตงฉาก” ใน 3D space o Vector 2 ตวทตงฉากกน จะได inner product = 0 เชน (2, 5, 0) * (0, 0, 17) = 0o ถา inner product มคาใกล 0 คอ เกอบ orthogonal เชน (1, 2, 3) * (4, 2, -3) = -1

CDMA (ท าใหดอกครง สง 3 บต)

แทน 0 ดวย positive (เสนบน) และแทน 1 ดวย negative (เสนลาง), กลบกนกบตวอยางแรก (ไมมประเดนอะไร ไมตองสนใจ)

Code sequence ของจรงยาวถง 242-1 chips (pulse), chip rate 1,228,800 chips/s

(code repeats after 41.425 days)o Chip rate (of a code) มหนวยเปน chips (pulses) per second

o Spreading factor (SF) = chip rate / symbol rate ในตวอยาง SF = 6 เพราะ 1 symbol

ถก spread เปน 6 chips

o หนงสอไมไดบอกรายละเอยดวาสราง code sequence ทยาวมากๆ นยงไง แตไมไดเกบเปนตารางแนๆ เพราะใหญมาก และใช code sequence นยงไง เชน synchronous (syn กบเวลา) หรอasynchronous (มตวนบวาใชไปถงไหนแลว) ตองท า autocorrelation หรอไม ยงไง

ท า CDMA แลวตองแยกสงแตละ data bit ดวยความถตางกน เพอลด narrowband interference

เชน ในตวอยาง 1 data bit ถก spread เปน 6 bit เพอแยกสงไปบนแตละความถ (แตละ channel)

สงเกตวา code หรอ key ของแตละ data bit ไมตงฉากกนแลว แตคดวาแคเกอบๆ ตงฉากกนกนาจะพอใชได เหตผลทไมตงฉากกนพอด เพราะใช code sequence ทยาวมาก (ไมซ ากบ code ของ data bit กอนหนา) ท าใหมขอจ ากดวาออกแบบ code ใหตงฉากกนเปะไมได ท าไดแคเกอบๆ ตงฉาก

0

+1

-1

0 -1 -1-2 -3 -3 -4

Integrate แลวต ากวาเสนแดงคอ 1 สงกวาเสนแดงคอ 0

ตอง integrate พนทใตกราฟถาพนทเปนบวกมากๆ คอ 0 ถาพนทเปนลบมากๆ คอ 1 ทจรงผลลพธของ integration กคอinner of product แตเนองจากขอมลเขามาทละบต แทนทจะรอใหขอมลมาครบทกบต (6บต) แลวคอยท า inner ofproduct ทเดยว กคอยๆ ท าinner of product ไปทละบต(ออกแบบฮารดแวรงายกวา)

Spread Aloha Multiple Access (SAMA) อปกรณรบสงขอมลแบบ CDMA นนมขอเสยคอ ซบซอนและแพง เพราะตองรบสงโดยใช code ทตางกนได n แบบ เชน มอปกรณ n ตว ทกค

สามารถสอสารกนไดหมด (ad-hoc network) แตโทรศพทมอถอไมไดยงยากขนาดนน เพราะโทรศพทมอถอหรอ mobile station คยกบ base station เทานน ความซบซอนไปอยท base station แทน (ใช code ตางกน n แบบ) ไมไดอยทโทรศพทมอถอ (ใช code เดยว)

ในกรณทตองการใหอปกรณ n ตวคยกนไดแบบ CDMA (เชน เกดภยพบต base station ลมไปแลว) ใช Spread Aloha multiple

access (SAMA) จะซบซอนนอยกวา แตได bandwidth ลดลง ผสม CDMA + TDMA = SAMA

ผสงแตละคนใช spread code เดยวกน เชนในรปขางลางใช code “110101” และเกด collision ขณะ A สง 101 และ B สง 011

สง null ดวย high power ใน short period of time ผ รบทตองการฟง A ตองพยายาม synchronize กบ A และ ผ รบทพยายามฟง B ตองพยายาม synchronize กบ B

Code จะไมตงฉากกนแลว (ท าไม?) ถงออกแบบ code มาใหตงฉากกน มนกจะไมตงฉากกน เพราะ sender A และ B ไม syn กน Code ทใชตองมคณสมบต autocorrelation แตในขณะเดยวกน code นนตองไม correlate กนมาก ถา phase ตางกน ได maximum throughput 18% เทา Aloha แตได robustness เพมขนจาก spread spectrum ทน narrowband

interference ในรปจะเหนวาสวนทเปน spread spectrum (แทงเลก) สวนทหกลางกน นาจะเสยไป (อานไมได) แตกยงเหลอบางแทงทอานได ในการใชงานจรงทม device หลายๆ ตว ตองใช chipping sequence ทยาวกวานมาก

ชวย syn