Mobilkommunikationsnetze. - Medienzugriff -

Transkript

1 - Medienzugriff - Andreas Mitschele-Thiel 1

2 Motivation Problem: gemeinsame Nutzung des Mediums durch mehrere Teilnehmer à wer greift wann zu? Unterschied Multiplexing Medienzugriff: Multiplexing Medienzugriff 2

3 Motivation Verfahren aus drahtgebundenen Netzen, Beispiel CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (IEEE Ethernet) kontinuierliche Überwachung des Mediums senden, wenn Medium frei (Carrier Sense) eigene Sendung abhören, bei Kollision Übertragung abbrechen, Jam-Signal senden (Collision Detection) à stößt in Funknetzen an seine Grenzen 3

4 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 4

5 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 C B 5

6 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 6

7 Medienzugriffsverfahren SDMA (Space Division Multiple Access) räumliche Trennung von Verbindungen (à 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 ) CDMA (Code DMA) Unterschiedliche Spreizcodes pro Teilnehmer (bspw. UMTS) 7

8 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) 8

9 Duplexarten Uplink Downlink D 1 U 1 D 2 U 2 FDD getrennte Frequenzen für Up- & Downlink Up- & Downlinkinterferenz getrennt Ressourcenverschwendung bei asymmetischer Last Beispiele: UMTS, GSM TDD 9 gemeinsame Frequenz für Up- & Downlink, aber zeitlich getrennt anpassbar an asymmetrische Last Interferenz beider Richtungen im selben Band Beispiele: DECT, WLAN, UMTS (TDD)

10 FDMA/FDD Beispiel GSM 900 f 935,2 MHz MHz Downlink 200 khz 890,2 MHz MHz Uplink t 10

11 TDMA/TDD Beispiel DECT Uplink Downlink µs t 11

12 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) Kollisionen Sender A Sender B Sender C t 12

13 TDMA: Slotted ALOHA ALOHA mit festen Zeitschlitzen Senden von Pakete beginnt immer am Anfang eines Zeitschlitzes steigert maximale Kanalauslastung auf ~36% Kollisionen Sender A Sender B Sender C t 13

14 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 14

15 TDMA: DAMA Explicit Reservation 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) Kollision à entsprechender Slot bleibt leer Sender A Sender B Sender C 15

16 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 à Übertragungsende = leerer Slot à Neuvergabe Vorteil: garantierte Übertragungsrate bei erfolgreicher Reservierung (kein Verdrängen möglich) Nachteil: mangelnde Fairness bei vielen lang laufenden Übertragungen (neue Teilnehmer kommen nicht zum Zug) 16

17 TDMA: DAMA Packet Reservation (PRMA) Frame 1 Frame 2 Frame 3 Frame 4 A C A D E C A D E B C E B B C Kollisionen Frame 5 B E A C t A = erfolgreiche Neureservierung 17

18 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 (à x = n*k) Freie Slots können frei verteilt werden (bspw. per Round Robin oder Slotted ALOHA) à Best Effort Traffic Vorteil: garantierte (geringe) Datenrate mit geringer Verzögerung für jeden Teilnehmer Nachteile: feste Anzahl an Teilnehmern (= Anzahl Mini- Slots), globale Koordination 18

19 TDMA: DAMA Reservation-TDMA Beispiel: 4 Teilnehmer (Mini-Slots), 2 Slots je Teilnehmer 4 Minislots = 4 Teilnehmer Freie Slots für Best Effort Traffic 2 Datenslots von Teilnehmer 4 t 2*4 Datenslots pro Frame 19

20 TDMA: MA with Collision Avoidance MACA Motivation: Hidden/Exposed-Terminal-Problem ohne zentrale Basisstation lösen Signalisierung zur Kollisionsvermeidung: RTS (request to send): Anfrage Senders à Empfänger CTS (clear to send): Freigabe durch Empfänger à Vermeidung der Kollision dort RTS/CTS-Pakete enthalten (mindestens): Senderadresse Paketgröße à Übertragungsdauer Kollisionen (im Idealfall) nur bei RTS, aber unwahrscheinlich, da klein 20

21 TDMA: MACA, Beispiel Hidden Terminal A möchte an B senden A sendet RTS B sendet CTS für A à wird von C mitgehört C wartet mit Senden bis Zeit t abgelaufen und Kanal frei ist RTS (A, t) CTS(A, t) CTS(A, t) A B C 21

22 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 à A ist nicht in Reichweite, Störung nicht möglich C beginnt (parallele) Übertragung RTS (B, t) RTS (B, t) RTS (D, t 2 ) CTS(B, t) A B C 22

23 TDMA: MACA Vorteile Löst Hidden/Exposed Terminal ohne zentrale Kontrolle Kollisionen auf kurze RTS-Pakete beschränkt à geringere Verlustrate Nachteile Hoher Overhead für kleine Pakete Größere Latenz durch vorgeschalteten RTS/CTS-Schritt Beispiel: IEEE (DFWMAC Distributed Foundation Wireless MAC) 23

24 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 & (mögliche Betriebsart) 24

25 TDMA: Inhibit Sense Multiple Access (ISMA) Zustand des Mediums durch Besetztzeichen signalisiert Basisstation sendet Besetztzeichen auf Downlink Terminals senden nicht bei besetzt Medium frei à Terminals können senden à Kollisionsbehandlung durch Signal der Basisstation Beispiel: CDPD (AMPS) 25

26 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 Code 1 Code 1 Daten 1 Daten 1 Code 2 Code 2 Daten 2 Code 3 Σ Funkübertragung Code 3 Daten 2 Daten 3 Daten 3 26

27 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 à Power Control Beispiel: 27

28 CDMA in der Theorie (1/2) Abbildung: 0 à Code -1, 1 à Code 1 Sender A Daten A d = 10 (à +1, -1) Schlüssel A k = (à -1, +1, -1, -1, +1, +1) gesendetes Signal A s = A d * A k = (-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1) Sender B Daten B d = 00 (à -1, -1) Schlüssel B k = (d.h. +1, +1, -1, +1, -1, +1) Gesendetes Signal B s = B d * B k = (-1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, +1, -1) 28

29 CDMA in der Theorie (2/2) Addition am Empfänger (vereinfacht, ohne Rauschen) A s = (-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1) + B s = (-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 A k (Skalarprodukt): (-2, 0, 0, -2, +2, 0) (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = 6 > 0 à Bit: 1 (0, -2, +2, 0, 0, -2) (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = -6 < 0 à Bit: 0 äquivalent mit Code B k (-2, 0, 0, -2, +2, 0) (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 à Bit: 0 (0, -2, +2, 0, 0, -2) (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 à Bit: 0 29

30 Grundlegende Verfahren im Vergleich Ansatz SDMA TDMA FDMA CDMA Idee Endgeräte Signaltrennung Vorteile Unterteilung des Raumes in Zellen/Sektoren 1 Terminal pro Zelle/Sektor Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals sehr einfach, hohe Kapazität pro Fläche zeitlich getrenntes Senden einzelner Teilnehmer 1 Terminal/Zeitscheibe à schnelle Wechsel à quasi parallel Aufteilung des Frequenzraumes in Teilbereiche 1 Terminal pro Frequenz, gleichzeitiger Betrieb Spread Spectrum mit orthogonalen Codes Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals zeitlich synchronisiert Frequenzfilter Korrelation mit bekanntem Code im Empfänger 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 30