Nachrichtentechnik II Teil II Motivation CDMA SDMA TDMA

Nachrichtentechnik II Teil II § Motivation § CDMA, SDMA, TDMA, FDMA 2/25/2021 Kollisionsvermeidung q CDMA im Detail q Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 1

Zugriffsverfahren CDMA – alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so gleichzeitig die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals – Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR) – Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren Nachteil: – höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung – alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein Vorteile: – alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanung – sehr großer Coderaum (z. B. 232) im Vergleich zum Frequenzraum Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 2

Zugriffsverfahren CDMA Prinzip der orthogonalen Kodierung Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 3

Zugriffsverfahren CDMA Prinzip der orthogonalen Kodierung §Kodierung im Sender §Dekodierung im Empfänger Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 4

Zugriffsverfahren CDMA §Kodierung des Teilnehmer-Signals 100 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 5

Zugriffsverfahren CDMA §Dekodierung des CDMA Signals Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 6

Zugriffsverfahren CDMA Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 7

Zugriffsverfahren CDMA Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 8

Zugriffsverfahren CDMA Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 9

CDMA: Anwendung bei UMTS Nutzdatenrate * Spreizfaktor = 3, 84 Mchip/s Nutzrate (kanalkodiert) 960 kb/s 480 kb/s 240 kb/s 120 kb/s 60 kb/s 30 kb/s 15 kb/s 7, 5 kb/s Spreizfaktor * * * * 4 8 16 32 64 128 256 512 Chiprate = = = = 3, 84 3, 84 Mchip/s Mchip/s Nutzraten und deren Spreizfaktoren (UMTS FDD) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 10

CDMA in der Theorie Sender A – sendet Ad = 1, Schlüssel Ak = 010011 (setze: „ 0“= -1, „ 1“= +1) – Sendesignal As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, +1) Sender B – sendet Bd = 0, Schlüssel Bk = 110101 (setze: „ 0“= -1, „ 1“= +1) – Sendesignal Bs = Bd * Bk = (-1, +1, -1) Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft – Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc. ) – As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 11

CDMA in der Theorie Empfänger will Sender A hören – wendet Schlüssel Ak bitweise an (inneres Produkt) • Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Ak = 2 + 0 + 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 - 2 + 0 = -6, also „ 0“ Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 12

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 Ak As Signal A Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 13

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 Bk Bs Signal B As + Bs Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 14

Daten A 1 0 1 Ad As + Bs Ak (As + Bs) * Ak Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 15

Daten B 1 0 0 Bd As + Bs Bk (As + Bs) * Bk Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 16

As + Bs Falscher Code K (As + Bs) * K Integrator. Ausgabe Komparator. Ausgabe (0) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ? 17

Motivation Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden? Beispiel CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – Senden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE 802. 3) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 18

Motivation Probleme in drahtlosen Netzen – Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab – CS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision geschieht beim Empfänger – Kollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender hörbar, d. h. CD versagt – weiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z. B. wenn ein Endgerät „versteckt“ ist Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 19

Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte A B C Verstecktes Endgerät – A sendet zu B, C empfängt A nicht mehr – C will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt) – Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt) – A ist „versteckt“ für C Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 20

Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte A B C D Ausgeliefertes Endgerät – B sendet zu A, C empfängt ebenfalls B – C will zu D senden, Medium ist für C nicht frei – Kollision bei B würde die Übertragung B->A nicht stören – C ist B ausgeliefert Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 21

Motivation - Nahe und ferne Endgeräte 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! (UMTS: 1500 -mal/sek) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 22

Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) – Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen – vgl. Zellenstruktur FDMA (Frequency Division Multiple Access) – zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz – permanent (z. B. Rundfunk), langsames Springen (z. B. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) TDMA (Time Division Multiple Access) – zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 23

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 24

TDD/TDMA - am Beispiel DECT 417 µs 1 2 3 11 12 1 2 3 Abwärtsrichtung 11 12 Aufwärtsrichtung t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 25

Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Kollision Verfahren – zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex – Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf. Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 26

Slotted Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 27

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 sich in IEEE 802. 11 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 28

MACA - Beispiele RTS CTS A CTS B C Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte – A und C wollen zu B senden – A sendet zuerst RTS – C wartet, da es das CTS von B hört Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 29

MACA - Beispiele RTS CTS A B C Vermeidung des Problems „ausgelieferter“ Endgeräte – B will zu A, C irgendwohin senden – C wartet nun nicht mehr unnötig, da es nicht das CTS von A empfängt Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 30

Empfänger MACA in IEEE 802. 11 Ruhe Paket sendebereit; RTS Sender Rx. Busy ACK time-out NAK; RTS Warte auf Senderecht time-out; RTS Daten; ACK RTS; CTS time-out Daten; NAK Warte auf Daten CTS; Daten Warte auf Quittung RTS; Rx. Busy ACK: positive Empfangsbestätigung NAK: negative Empfangsbestätigung Rx. Busy: Empfänger beschäftigt Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 31

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). Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 32

Pollingverfahren 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 33

ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen „Besetztton“ angezeigt – Basisstation zeigt 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 an die Endgeräte gemeldet – Verfahren wird bei – AMPS eingesetzt Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 34

Verfahren SDMA Idee Einteilung des Raums in Zellen/Sektoren Teilnehmer nur ein Teilnehmer kann in einem Sektor ununterbrochen aktiv sein Zellenstruktur, Richtantennen Signaltrennung Vorteile Nachteile Bemerkung sehr einfach hinsichtlich Planung, Technik, Kapazitätserhöhung unflexibel, da meist baulich festgelegt nur in Kombination mit TDMA, FDMA oder CDMA sinnvoll 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, benöigt 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 etabliert, voll digital, vielfältig einsetzbar Schutzzeiten wegen Mehrwegausbreitung nötig, Synchronisation Standard in Festnetzen, im Mobilen oft kombiniert mit FDMA heute kombiniert mit TDMA, in z. B. GSM, und SDMA Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes CDMA 35