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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2. CSMA/CD Carrier Sense – Multiple Access with Collision Detection
• 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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2. CSMA/CD Carrier Sense – Multiple Access with Collision Detection
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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2. CSMA/CD Carrier Sense – Multiple Access with Collision Detection
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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2. CSMA/CD Carrier Sense – Multiple Access with Collision Detection
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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4. 2. Frequenzmultiplex
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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4. 2. Frequenzmultiplex
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
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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
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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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4. 4. 3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren
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. 3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren
1 0 1
Ak
(As + Bs) * Ak
Integrator-Ausgabe
Komparator-Ausgabe
As + Bs
1 0 1Daten A Ad
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4. 4. 3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren
1 0 0
Integrator-Ausgabe
Komparator-Ausgabe
Bk
(As + Bs) * Bk
As + Bs
1 0 0Daten B Bd
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4. 4. 3. Codemultiplex mit Bandspreiztechnik nach DSSS-Verfahren
(0) (0) ?Komparator-
Ausgabe
Falscher Code K
Integrator-Ausgabe
(As + Bs) * K
As + Bs
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4. 4. 4. SAMA (Spread Aloha Multiple Access)
• CDMA und TDMA Kombination• Alle Sender ein Code zum codieren