Mobilkommunikation Kapitel 3 Medienzugriff Motivation q SDMA TDMA

Mobilkommunikation Kapitel 3 : Medienzugriff Motivation q SDMA, TDMA, FDMA q Aloha q Reservierungsverfahren q Kollisionsvermeidung, MACA q Polling q CDMA im Detail q SAMA q Vergleich q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 1

Motivation Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden? Beispiel CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection q Senden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE 802. 3) q Probleme in drahtlosen Netzen Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab q CS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision geschieht beim Empfänger q Kollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender hörbar, d. h. CD versagt q weiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z. B. wenn ein Endgerät „versteckt“ ist q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 2

Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte Verstecktes Endgerät A sendet zu B, C empfängt A nicht mehr q C will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt) q Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt) q A ist „versteckt“ für C q „Ausgeliefertes“ Endgerät A B C B sendet zu A, C will zu irgendeinem Gerät senden (nicht A oder B) q C muss warten, da CS ein „besetztes“ Medium signalisiert q da A aber außerhalb der Reichweite von C ist, ist dies unnötig q C ist B „ausgeliefert“ q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 3

Motivation - Nahe und ferne Endgeräte A und B senden, C soll empfangen die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab q daher „übertönt“ das Signal von Gerät B das von Gerät A q C kann A nicht hören q A B C Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakte Leistungskontrolle notwendig! Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 4

Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen q vgl. Zellenstruktur q FDMA (Frequency Division Multiple Access) zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz q permanent (z. B. Rundfunk), langsames Springen (z. B. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) q TDMA (Time Division Multiple Access) q zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz Die bereits vorgestellten Multiplexverfahren werden hier also zur Steuerung des Medienzugriffs eingesetzt! Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 5

FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM f 960 MHz 935. 2 MHz 124 123 122 200 k. Hz 1 20 MHz 915 MHz 890. 2 MHz 124 123 122 1 t Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 6

TDD/TDMA - am Beispiel DECT 417 µs 1 2 3 11 12 1 2 3 Abwärtsrichtung 11 12 Aufwärtsrichtung Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ t MC SS 05 3. 7

Aloha/Slotted Aloha Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex q Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf. q Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Slotted Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 8

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 q innerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort gesendet werden q dadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerung q typisch für Satellitenstrecken q Beispiele für Reservierungsalgorithmen: Explizite Reservierung nach Roberts q Implizite Reservierung (Reservation-ALOHA) q Reservation-TDMA q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 9

Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung: q Zwei Modi: ALOHA-Modus für die Reservierung: In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren. l Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich). l q 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 Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ Aloha Reserved MC SS 05 Aloha 3. 10

Zugriffsverfahren DAMA: PRMA Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA): Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. q Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem “Slotted ALOHA”Prinzip. q 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. q Reservierung Zeitschlitz: 1 ACDABA-F Rahmen 1 A ACDABA-F Rahmen 2 A AC-ABAFRahmen 3 A A---BAFD Rahmen 4 A ACEEBAFD Rahmen 5 A 2 3 4 5 6 7 8 C D A B A F C A B A F Kollision bei der Belegung B A F D C E E B A F D Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 t 3. 11

Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen. q Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k Datenzeitschlitze reservieren (d. h. x= N * k). q Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden. q N Minischlitze z. B. N=6, k=2 N * k Datenschlitze Rahmen Reservierung für diesen Datenbereich freie Zeitschlitze können zusätzlich gemäß Round-Robin mitbenutzt werden. Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 12

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 q CTS (clear to send): Bestätigung des Empfängers sobald er empfangsbereit ist q Signalisierungspakete beinhalten: Senderadresse q Empfängeradresse q Paketgröße q Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE 802. 11 als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 13

MACA - Beispiele Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte A und C wollen zu B senden q A sendet zuerst RTS q C wartet, da es das CTS von B hört q RTS CTS A CTS B C Vermeidung des Problems „ausgelieferter“ Endgeräte B will zu A, C irgendwohin senden q C wartet nun nicht mehr unnötig, da es nicht das CTS von A empfängt q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ RTS CTS A B MC SS 05 C 3. 14

MACA-Variante: DFWMAC in IEEE 802. 11 Sender Empfänger Ruhe Paket sendebereit; RTS Rx. Busy ACK time-out NAK; RTS Warte auf Senderecht Daten; ACK time-out; RTS time-out Daten; NAK CTS; Daten RTS; CTS Warte auf Daten Warte auf Quittung RTS; Rx. Busy ACK: positive Empfangsbestätigung NAK: negative Empfangsbestätigung Rx. Busy: Empfänger beschäftigt Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 15

Pollingverfahren Falls empfangstechnisch möglich können mobile Endgeräte von einer Zentralstation nach einem bestimmten Schema nacheinander abgefragt werden (polling) q hier können prinzipiell die gleichen Techniken wie in Festnetzen eingesetzt werden (vgl. Zentralrechner - Terminals). Beispiel: Randomly Addressed Polling q q q 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 Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 16

ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen „Besetztton“ angezeigt q q q 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) Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 17

Zugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so gleichzeitig die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals q Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR) q Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren q Nachteil: höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung q alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein q Vorteile: alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanung q sehr großer Coderaum (z. B. 232) im Vergleich zum Frequenzraum q Störungen (weißes Rauschen) nicht kodiert q Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar q Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 18

CDMA in der Theorie Sender A sendet Ad = 1, Schlüssel Ak = 010011 (setze: „ 0“= -1, „ 1“= +1) q Sendesignal As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, +1) q Sender B sendet Bd = 0, Schlüssel Bk = 110101 (setze: „ 0“= -1, „ 1“= +1) q Sendesignal Bs = Bd * Bk = (-1, +1, -1) q Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc. ) q As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) q Empfänger will Sender A hören q wendet Schlüssel Ak bitweise an (inneres Produkt) Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Ak = 2 + 0 + 2 + 0 = 6 l Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine „ 1“ l q analog B l Be = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Bk = -2 + 0 - 2 + 0 = -6, also „ 0“ Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 19

CDMA - auf Signalebene I Daten A 1 0 Ad 1 Code A Code-Daten A 0 1 0 1 1 0 0 1 1 Daten Code 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 As Signal A In der Praxis werden längere Schlüssel eingesetzt, um einen möglichst großen Abstand im Coderaum zu erzielen. Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ Ak MC SS 05 3. 20

CDMA - auf Signalebene II As Signal A Daten B 1 0 Bd 0 Code B Code-Daten B 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 Daten Code 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 Bs Signal B As + Bs Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ Bk MC SS 05 3. 21

CDMA - auf Signalebene III Daten A 1 0 1 As + Bs Ak (As + Bs) * Ak Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 22 Ad

CDMA - auf Signalebene IV Daten B 1 0 0 As + Bs Bk (As + Bs) * Bk Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 23 Bd

CDMA - auf Signalebene V As + Bs Falscher Code K (As + Bs) * K Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe (0) Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ ? MC SS 05 3. 24

SAMA - Spread Aloha Multiple Access Aloha besitzt nur eine sehr geringe Effizienz, CDMA benötigt komplexe Empfänger, die Signale mit verschiedenen Codes gleichzeitig empfangen können. Idee: Anwenden von Spreizspektrumtechnik mit nur einem Code (Chipping-Sequence) für Sender nach dem Aloha-Prinzip Kollision Sender A Sender B 1 0 0 1 1 schmalbandig 1 kürzer senden mit mehr Leistung Spreizen des Signals mit z. B. der Sequenz 110101 („CDMA ohne CD“) t Problem: Finden der richtigen Sequenz! Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ MC SS 05 3. 25

Vergleich SDMA/TDMA/FDMA/CDMA Verfahren Idee Teilnehmer Signaltrennung Vorteile Nachteile Bemerkung SDMA Einteilung des Raums in Zellen/Sektoren nur ein Teilnehmer kann in einem Sektor ununterbrochen aktiv sein Zellenstruktur, Richtantennen TDMA FDMA Aufteilen der Sendezeiten in disjunkte Schlitze, anforderungsgesteuert oder fest Teilnehmer sind nacheinander für kurze Zeit aktiv Einteilung des Frequenzbereichs in disjunkte Bänder Bandspreizen durch individuelle Codes jeder Teilnehmer hat sein Frequenzband, ununterbrochen im Frequenzbereich durch Filter alle Teilnehmer können gleichzeitig am gleichen Ort ununterbrochen aktiv sein Code plus spezielle Empfänger einfach, etabliert, robust, planbar flexibel, benötigt weniger Frequenzplanung, weicher handover geringe Flexibilität, Frequenzen Mangelware komplexe Empfänger, benötigt exakte Steuerung der Sendeleistung einige Probleme in der Realität, geringere Erwartungen, integriert in alle neuen Systeme im Zeitbereich durch Synchronisation sehr einfach etabliert, voll hinsichtlich Planung, digital, vielfältig Technik, einsetzbar Kapazitätserhöhung unflexibel, da meist Schutzzeiten baulich festgelegt wegen Mehrwegausbreitung nötig, Synchronisation nur in Kombination Standard in Festmit TDMA, FDMA netzen, im Mooder CDMA sinnvoll bilen oft kombiniert mit FDMA Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller, http: //www. jochenschiller. de/ heute kombiniert mit TDMA, in z. B. GSM, und SDMA MC SS 05 CDMA 3. 26