Übersicht. Drahtlose Kommunikation - Medienzugriffskontrolle WS 12/13 9

Transkript

1 Übersicht Motivation für spezielle MAC-Verfahren Mehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA) Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA) Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA) Code Division Multiple Access (CDMA) WS 12/13 9

2 Wiedervorlage: Antennen: gerichtet und mit Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.b. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) y y z x z x gerichtete Antenne Seitenansicht (xy-ebene) Seitenansicht (yz-ebene) von oben (xz-ebene) z z x x Sektorenantenne von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren WS 12/13 10

3 Übersicht Motivation für spezielle MAC-Verfahren Mehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA) Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA) Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA) Code Division Multiple Access (CDMA) WS 12/13 11

4 Frequency: FDMA Frequency v 4 f 4 Schutzbänder v 3 f 3 v 2 f 2 v 1 f 1 Time WS 12/13 12

5 FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM 960 MHz f MHz 915 MHz MHz 200 khz MHz 1 t WS 12/13 13

6 Übersicht Motivation für spezielle MAC-Verfahren Mehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA) Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA) Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA) Clock-Sync und IFS Statisches TDMA Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Clear-Channel-Assessment (CCA) bei CSMA Klassisches und Slotted Aloha Demand Assigned Multiple Access (DAMA) Polling Inhibit Sense Multiple Access (ISMA) Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) Backoff am Beispiel MACA MACA Durchsatzanalyse Code Division Multiple Access (CDMA) WS 12/13 14

7 Possible Solution: TDMA S 1 T 1 S 2 T 2 Timeslot reserved to s 1 Timeslot reserved to s 2 WS 12/13 15

8 Problem: Clock Drift s 1 t 1 s 2 t 3 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 WS 12/13 16

9 Solution: Time Synchronization v 1 v 2 c v 1 v 2 message msg to send timestamp with t msg(t) sync clock to t+ beacon beacon sync clock sync clock sync clock sync clock beacon sync clock sync clock Possible Solution 1: Using MAC layer timestamps for clock sync Possible Solution 2: Periodic sync beacon of coordinator c WS 12/13 17

10 Problem: Varying Delays s 1 d 1 s 2 d 2 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Propagation delays Processing delays WS 12/13 18

11 Solution: Inter Frame Spacing s 1 t 1 s 2 t 3 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 WS 12/13 19

13 TDD/TDMA - am Beispiel DECT 417 µs Abwärtsrichtung Aufwärtsrichtung t 10 ms WS 12/13 21

15 Possible Solution: CSMA S 1 T 1 S 2 T 2 Wants to send Wait WS 12/13 23

16 CSMA Problem: Collision Still Possible S 1 T 1 S 2 T 2 t 1 t 2 Wants to send Collision t 3 WS 12/13 24

17 Solution: Collision Detection S 1 T 1 S 2 T 2 Detect Collision Cancel Transm. Detect Collision Cancel Transmission Problem: sending and listening for other transmissions on the same channel is not applicable in wireless communication WS 12/13 25

18 Solution: Collision Avoidance (1/2) S 1 T 1 S 2 T 2 Signal first Wait Send if no signal received t 1 t 2 t 3 Wants to send Wait t 4 WS 12/13 26

19 Solution: Collision Avoidance (2/2) S 1 T 1 S 2 T 2 Signal first Wait Don t send but wait t 1 t 2 t 3 Signal first Wait Don t send but wait WS 12/13 27

21 Side note: How to Assess a Clear Channel? occupied free Ideally The reality It follows: testing for -1 dbm is not feasable. Solution? WS 12/13 29

22 Side note: Use Threshold dbm Value free occupied free How to reduce many false negatives on free channel? Image: Copyright 2004 ACM /04/0011, Polastre et al., Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks, SenSys 2004 WS 12/13 30

23 Side note: Removing Outliers Observation: Valid packet will not have an outlier significantly below noise floor Sample n times (e.g. 5 times) No outlier found: channel is busy Else: channel is free s 1 s 2 s 4 s 5 s 3 Noise floor t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 WS 12/13 31

26 Aloha/Slotted Aloha Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf. Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C Slotted Aloha Kollision t Sender A Sender B Sender C t WS 12/13 34

28 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 Beispiele für Reservierungsalgorithmen: Explizite Reservierung nach Roberts Implizite Reservierung (Reservation-ALOHA) Reservation-TDMA WS 12/13 36

29 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. Kollision Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Beispiel: Satellit empfängt Reservierungswünsche und teilt erfolgreiche Reservierungswünsche mit WS 12/13 37

30 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. Reservierung ACDABA-F ACDABA-F AC-ABAF- A---BAFD ACEEBAFD Zeitschlitz: Rahmen 1 Rahmen 2 Rahmen 3 Rahmen 4 Rahmen 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 D t Kollision bei der Belegung WS 12/13 38

31 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 z.b. N=6, k=2 Rahmen Reservierung für diesen Datenbereich freie Zeitschlitze können zusätzlich gemäß Round-Robin mitbenutzt werden. WS 12/13 39

33 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 WS 12/13 41

35 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) WS 12/13 43

36 Busy Tones S 1 T 1 S 2 T 2 Data transm. Busy tone while reception t 1 Other nodes are blocked while receiving busy tone t 2 Data Frequency Busy Tone Frequency WS 12/13 44

37 BT and the Hidden Terminal Problem Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Busy tone prevents S 2 from sending WS 12/13 45

38 BT and the Exposed Terminal Problem Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 Busy tone does not prevent S 2 from sending WS 12/13 46

39 The Problem with Busy Tones (1/2) Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Collision Data and busy tone frequency are subject to different fading and attenuation characteristics. Busy tone may possibly be unable to reach a communication neighbor of T 1. WS 12/13 47

40 The Problem with busy Tones (2/2) Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 Busy tone may reach a node S 2 which is not a communication neighbor. WS 12/13 48

42 MACA - Kollisionsvermeidung 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 IEEE als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz WS 12/13 50

43 Example:CSMA & RTS/CTS S 1 T 1 RTS Respect CTS response time CTS Data NAV indicates busy medium WS 12/13 51

44 MACA-Variante: DFWMAC in IEEE Sender Empfänger Ruhe Ruhe ACK RxBusy time-out NAK; RTS Paket sendebereit; RTS Warte auf Senderecht time-out; RTS Daten; ACK time-out Daten; NAK RTS; CTS Warte auf Quittung CTS; Daten Warte auf Daten RTS; RxBusy ACK: positive Empfangsbestätigung NAK: negative Empfangsbestätigung RxBusy: Empfänger beschäftigt WS 12/13 52

45 RTS/CTS and the HT Problem RTS CTS CTS S 1 T 1 S 2 T 2 CTS prevents S 2 from sending WS 12/13 53

46 RTS/CTS and the ET Problem RTS CTS T 1 S 1 S 2 T 2 S 2 does not hear CTS and is not blocked by NAV WS 12/13 54

47 HT Problem Always Resolved? S 1 T 1 T 2 S 2 S 1 T 1 S 2 T 2 RTS RTS CTS CTS Data Data Example 1: Data-CTS Collision Example 2: Data-Data Collision WS 12/13 55