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Multiple Access Techniques

Proseminar: Mobile Computing

Carl Brenk und Christian Eiserloh

Wintersemester 2010 - 2011

Gliederung

1. Übersicht

2. Reservierungsbasierte Methoden

a) Schmalbandkommunikation

b) Breitbandkommunikation

3. Zufallsbasierte Methoden

4. Fehlerkontrollmechanismen

2 Multiple Access Techniques

Übersicht

3

Multiple Access Techniques

Reservation

FDMA TDMA CDMA

Random with Reservation

PRMA

Random

ALOHA CSMA ISMA

Multiple Access Techniques

Schmalbandkommunikation

• Je Nutzer ein schmaler Frequenzbereich

• Präzise Kontrolle der Sendefrequenz notwendig

• Verfahren:

– Frequency Division Duplex (FDD)

– Time Division Duplex (TDD)

– Frequency Division Multiple Access (FDMA)

– Time Division Multiple Access (TDMA)

4 Multiple Access Techniques

Frequency Division Duplex (FDD)

Time Division Duplex (TDD)

• FDD:

– Gleichzeitiges Senden (Uplink) und Empfangen (Downlink)

– Frequenzbereiche durch Sicherheitsband getrennt

• TDD:

– Entweder Senden oder Empfangen

– Zeitlich abwechselnd auf demselben Frequenzbereich

– Vorteil: Nur ein Frequenzbereich

– Nachteil: Doppelte Bandbreite nötig

5 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

6 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

• Aufteilung der Signale auf

Trägerfrequenzen

• Trennung durch

Sicherheitsbänder

• Signalrückgewinnung durch Filter

und Demodulation

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

Vorteile:

• Erhöhung der Kapazität des Trägerbands durch effizientere Kodierung

• Technisch einfach zu realisieren

• Kostengünstig

Nachteile:

• Kapazitätsverbesserung bedeutet Verschlechterung der S/I-Rate

• Feste Obergrenze der maximalen Datenübertragungsrate

• Permanente Zuweisung einzelner Frequenzbänder

• Frequenzbänder stören sich gegenseitig (Crosstalk)

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 7

Time Division Multiple Access (TDMA)

• Aufteilung der Nutzer auf

gleichgroße Zeitabschnitte

(„Slots“) innerhalb eines

Frames

• Trennung durch

Sicherheitszeiten

8 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

Time Division Multiple Access (TDMA)

• Aufteilung der Nutzer auf

gleichgroße Zeitabschnitte

(„Slots“) innerhalb eines

Frames

• Trennung durch

Sicherheitszeiten

• Oft kombiniert mit FDMA

9 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

Time Division Multiple Access (TDMA)

Vorteile:

• Datenrate flexibel

• Überprüfung einzelner Frames auf Signalstärke und Bitfehler-Rate möglich

• Effektivere Nutzung des Frequenzbereichs als bei FDMA

Nachteile:

• Synchronisation der Zeitabschnitte:

– Unterschiedliche räumliche Distanzen erhöhen Komplexität

– Hoher Rechenaufwand

– Verlust führt zu Kollisionen

10 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

Effizienz

Spektrale Effizienz 𝜂

• Verhältnis von Datenübertragungsrate zu Bandbreite des Signals

• Abhängig von:

– Spektraler Effizienz der Modulation 𝜂𝑚

– Spektraler Effizienz des Multiple Access-Verfahrens 𝜂𝑎

𝜂 = 𝜂𝑚𝜂𝑎

11 Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation

Spektrale Effizienz der Modulation

𝜂𝑚 =Anzahl der verfügbaren Kanäle im System

Bandbreite Abgedecktes Gebiet

𝜂𝑚 =

𝐵𝑤𝐵𝑐

×𝑁𝑐𝑁

𝐵𝑤 × 𝑁𝑐 × 𝐴𝑐=

1

𝐵𝑐 × 𝑁 × 𝐴𝑐Kanäle/MHz/km²

𝐵𝑤 = Systembandbreite (MHz)

𝐵𝑐 = Kanalabstand (MHz)

𝑁𝑐 = Anzahl der Zellen im abgedeckten Gebiet

𝑁 = Frequenzwiederverwendungsfaktor

𝐴𝑐 = Abgedecktes Gebiet einer Zelle (km²)

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 12

Spektrale Effizienz der Modulation - Beispiel

Kanalabstand: 𝐵𝑐 = 200 kHz

Frequenzwiederverwendungsfaktor: 𝑁 = 4

Abgedecktes Gebiet einer Zelle: 𝐴𝑐 = 8 km²

𝜂𝑚 =1

𝐵𝑐 × 𝑁 × 𝐴𝑐Kanäle/MHz/km²

=1

0,2 MHz × 4 × 8 km²

= 0,15625 Kanäle/MHz/km²

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 13

Spektrale Effizienz des Multiple Access-Verfahrens

FDMA

𝜂𝑎 =Frequenzbereich der Datenübertragung

Gesamter Frequenzbereich

𝜂𝑎 =𝐵𝑐𝑁𝑇

𝐵𝑤≤ 1

𝐵𝑐 = Kanalabstand (MHz)

𝑁𝑇 = Anzahl der Übertragungskanäle im abgedeckten Gebiet

𝐵𝑤 = Systembandbreite (MHz)

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 14

Spektrale Effizienz des Multiple Access-Verfahrens

TDMA (mit FDMA)

𝜂𝑎 =Übertragungszeit der Daten

Gesamtübertragungszeit

𝜂𝑎 =𝜏𝑀𝑇

𝑇𝑓×

𝐵𝑢𝑁𝑢

𝐵𝑤

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 15

𝐵𝑢 = Bandbreite eines Nutzers

𝑁𝑢 = Anzahl der Frequenzbereiche

𝐵𝑤 = Systembandbreite (MHz)

𝜏 = Dauer eines Zeitabschnitts mit Daten

𝑀𝑇 = Anzahl der Zeitabschnitte pro Frame

𝑇𝑓 = Framedauer

Kanalabstand: 𝐵𝑐 = 30 kHz

Anzahl der Kanäle: 𝑁𝑇 = 395

Systembandbreite: 𝐵𝑤 = 12,5 MHz

𝜂𝑎 =𝐵𝑐𝑁𝑇

𝐵𝑤

=0,03 MHz × 395

12,5 MHz

= 0,948

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 16

Spektrale Effizienz von FDMA - Beispiel

Kapazität bei TDMA

𝑁𝑢 =𝜂𝑏𝜇

𝑣𝑓×

𝐵𝑤

𝑅𝑁

𝑁𝑢 = Anzahl Nutzer einer Zelle

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 17

𝜂𝑏 = Bandbreiteneffizienzfaktor (< 1)

𝜇 = Biteffizienz

𝑣𝑓 = Sprachaktivitätsfaktor (= 1 für TDMA)

𝐵𝑤 = Bandbreite einer Richtung

𝑅 = Daten pro Nutzer

𝑁 = Frequenzwiederverwendungsfaktor

Kapazität bei TDMA - Beispiel

Bandbreiteneffizienzfaktor: 𝜂𝑏 = 0,9 Biteffizienz: 𝜇 = 2 Sprachaktivitätsfaktor: 𝑣𝑓 = 1 Bandbreite einer Richtung: 𝐵𝑤 = 12,5 MHz Daten pro Nutzer: 𝑅 = 16,2 kbps Frequenzwiederverwendungsfaktor: 𝑁 = 19

𝑁𝑢 =𝜂𝑏𝜇

𝑣𝑓×

𝐵𝑤

𝑅𝑁

=0,9 × 2

1×

12,5 MHz

16,2 kbps × 19

= 73,1

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 18

Frame Effizienz von TDMA

𝜂 = 1 −𝑏0

𝑏𝑇× 100%

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 19

Overhead-Bits: 𝑏0 = 𝑁𝑟𝑏𝑟 + 𝑁𝑡𝑏𝑝 + 𝑁𝑡 + 𝑁𝑟 𝑏𝑔

𝑁𝑟 = Referenz-Bursts pro Frame

𝑁𝑡 = Datenübertragungs-Bursts pro Frame

𝑏𝑟 = Overhead-Bits pro Referenz-Burst

𝑏𝑝 = Overhead-Bits pro Präambel pro Slot

𝑏𝑔 = Gleiche Bits je Schutzzeit-Intervall

Gesamtanzahl: 𝑏𝑇 = 𝑇𝑓 × 𝑅𝑟𝑓

𝑇𝑓 = Framedauer

𝑅𝑟𝑓 = Bitrate des Frequenzkanals

Frame Effizienz von TDMA - Beispiel

𝜂 = 1 −𝑏0

𝑏𝑇= 1 −

10540 bits

32500 bits= 67,57%

Multiple Access Techniques Schmalbandkommunikation 20

Referenz-Bursts pro Frame: 𝑁𝑟 = 2

Datenübertragungs-Bursts pro Frame: 𝑁𝑡 = 24 (je 8 Zeitabschnitte)

Overhead-Bits pro Referenz-Burst: 𝑏𝑟 = 148 bits × 8

Overhead-Bits pro Präambel pro Slot 𝑏𝑝 = 34 bits × 8

Gleiche Bits je Schutzzeit-Intervall: 𝑏𝑔 = 8,25 bits × 8

𝑏0 = 𝑁𝑟𝑏𝑟 + 𝑁𝑡𝑏𝑝 + 𝑁𝑡 + 𝑁𝑟 𝑏𝑔

= 2 × 1148 + 24 × 272 + 24 + 2 × 66= 10540 bits

Framedauer:

𝑇𝑓 = 120 ms

Bitrate des Frequenzkanals:

𝑅𝑟𝑓 = 270,8333333 kbps

𝑏𝑇 = 𝑇𝑓 × 𝑅𝑟𝑓

= 120 ms × 270,8333333 kbps= 32500 bits

Breitbandkommunikation

• Gesamte Bandbreite für jeden Nutzer

• Frequenzspreizung (spread spectrum)

• Unterscheidung zwischen:

– Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

– Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

• Verfahren:

– Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA)

– FHSS with M-ary Frequency Shift Keying

– Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

– Multicarrier DS-CDMA (MC-DS-CDMA)

21 Multiple Access Techniques

Direct Sequence Code Division Multiple Access

(DS-CDMA)

• Spreizung der Signale eines einzelnen Nutzers auf gesamte

Bandbreite

• Unterscheidung mittels Code Division Multiple Access (CDMA)

• Einzelne Spreizcodes möglichst orthogonal zueinander

• Sender und Empfänger verwenden denselben Code

Multiple Access Techniques Breitbandkommunikation 22

Vergleich von FDMA, TDMA und DS-CDMA

Vorteile von DS-CDMA:

• Gleiche Frequenz

benachbarter Mikrozellen

• Keine Zuweisung von

Frequenzen oder

Zeitabschnitten notwendig

Multiple Access Techniques Breitbandkommunikation 23

FHSS with M-ary Frequency Shift Keying

Multiple Access Techniques Breitbandkommunikation 24

• Frequency Hopping (FH):

– Periodisches Ändern der Übertragungsfrequenz

• M-ary Frequency Shift Keying (MFSK):

– Änderung mehrerer Frequenzen pro Sprung

• FHSS mit MFSK:

– Zufälliges Ändern der Frequenz beim Springen

• Unterscheidung zwischen:

– Schnelles FH: Frequenzänderung nach jedem Symbol

– Langsames FH: Frequenzänderung nach mehreren Symbolen

• Bessere Fehlervermeidung bei Störsignalen oder Signalverlust

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

(OFDM)

• Frequenzspreizung durch Nutzung von FH

• Zueinander orthogonale Trägerfrequenzen

• Überlagerung einzelner Kanäle ohne Störung möglich

• Nutzung mehrerer Kanäle erlaubt:

– Reduzierung der Intersymbolinterferenz

– Erhöhung der Datenrate

• Schutzzeiten zwischen zwei Symbolen notwendig:

– Effektive Datenrate reduziert

Multiple Access Techniques Breitbandkommunikation 25

Multicarrier DS-CDMA (MC-DS-CDMA)

• Bei DS-CDMA:

– Intersymbolinterferenz und Interferenz durch mehrere Nutzer

Hoher Leistungsverlust

• Vorgehensweise von MC-DS-CDMA:

– Aufteilung des gesamten Datenstroms in einzelne Kanäle (OFDM)

– Spreizcodes für einzelne Kanäle (DS-CDMA)

– Versendung über orthogonale Kanäle

• Kombination der Vorteile von OFDM und DS-CDMA für höhere

spektrale Effizienz

• Nachteil: Gegenseitige Störung der Kanäle möglich

Multiple Access Techniques Breitbandkommunikation 26

Zufallsbasierte Methoden

• Zufallsbasierte Verfahren besser geeignet bei unregelmäßiger

Datenübertragung

• Datenübertragung jederzeit möglich

• Nachteil: Kollisionen

• Verfahren:

– ALOHA (Pure / Slotted)

– Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

– Idle Signal Casting Multiple Access (ISMA)

– Packet Reservation Multiple Access (PRMA)

27 Multiple Access Techniques

ALOHA (Pure / Slotted)

Reines (pure) ALOHA:

• Datenübertragung in Paketen

• Empfangsbestätigungen (Acknowledgments)

Unterteiltes (slotted) ALOHA:

• Übermittlungszeit aufgeteilt in Zeitabschnitte

• Nutzer auf diese Zeitabschnitte synchronisiert

• Bei Paketübermittlung Warten bis zum nächsten Zeitabschnitt

• Weniger Kollisionen als bei reinem ALOHA

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 28

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

• Vorteil gegenüber reinem und unterteiltem ALOHA:

– Fähigkeit Senden anderer Benutzer zu erkennen

– Erkennung reduziert Kollisionen noch stärker

• Gatterlaufzeit (Propagation Delay) muss geringer sein als

Übertragungszeit

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 29

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Unbeständiges CSMA:

1. Bei ausgelasteter Leitung nicht dauerhaft abtasten

2. Erneutes Abtasten erst nach zufälligem Zeitintervall

3. Bei freier Leitung senden

P-beständiges CSMA:

1. Leitung abtasten

2. Bei freier Leitung:

a) Senden mit Wahrscheinlichkeit 𝑝

b) Warten bis nächsten Zeitabschnitt mit Wahrscheinlichkeit 𝑞 = 1 − 𝑝

3. Ablauf wiederholen

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 30

CSMA with Collision Detection (CSMA/CD)

• Funktionsweise:

– Betrachten der Wellenform in der Leitung

– Bei Störung ist Spannungsamplitude erhöht

• Bei Erkennen einer Kollision:

1. Stoppen der Übertragung

2. Informieren aller Stationen über Kollision durch Senden von kurzem

Blockiersignal

• Nachteil:

– Verfahren nur bei kabelgebundener Datenübertragung (LAN)

verwendbar

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 31

CSMA with Collision Avoidance (CSMA/CA)

• Vor dem Senden Leitung abtasten:

a) Bei belegter Leitung verschieben der Übertragung

b) Bei freier Leitung:

1. Erneutes Abtasten nach zufälliger Wartezeit

2. Bei freier Leitung Senden

• Nach dem Senden:

– Warten auf Empfangsbestätigung

– Bei nicht Eintreffen erneutes Senden nach zufälliger Zeitspanne

• Vorteil:

– Vermeidung von Störungen, die nicht durch Kollisionen entstehen

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 32

Idle Signal Casting Multiple Access (ISMA)

• Basisstation sendet Signal, welches Netzstatus (frei / belegt) anzeigt

• Vorteil gegenüber CSMA:

– Nutzer muss nur das Signal der Basisstation auswerten

– Keine Überwachung des Netzes notwendig

• CSMA und ISMA sonst identisch

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 33

Packet Reservation Multiple Access (PRMA)

• Mehrere Nutzer können denselben Übertragungsweg verwenden

• Zeit in einzelne Frames unterteilt

– Jedes Frame hat bestimmte Anzahl an Zeitabschnitten

• Jeder Zeitabschnitt entweder „reserviert“ oder „nicht reserviert“

• Bei Datenübertragung:

1. Erstes Paket in freiem Zeitabschnitt eines Frames senden

2. Weitere in entsprechenden Zeitabschnitten der folgenden Frames

Multiple Access Techniques Zufallsbasierte Methoden 34

Fehlerkontrollmechanismen

• Ziel: Leistung von Mobilfunksystemen verbessern

• Einsatz von Automatic Repeat Request (ARQ) Mechanismen

• Verfahren:

– Stop and Wait

– Selective Repeat Protocol (SRP)

– Go-Back-N (GBN)

• Verbesserungen durch:

– Window-control Operation Based on Reception Memory (WORM)

– Veränderliche Zeitfenster und Framegröße bei GBN und SRP

35 Multiple Access Techniques

Stop and Wait

• Ablauf:

1. Senden von Paket mit Nummer 0, Kopie behalten

2. Warten auf Empfangsbestätigung

a) Erneutes Senden einer Kopie bei zu langer Wartezeit

b) Bei rechtzeitigem Eintreffen:

1. Paket 0 verwerfen

2. Paket 1 senden

3. Wiederholung mit vertauschten Paketzahlen

• Vorteil: Sehr einfach und benötigt nur kleinen Zwischenspeicher

• Nachteil: Geringe Effektivität

Multiple Access Techniques Fehlerkontrollmechanismen 36

Selective Repeat Protocol (SRP)

• Sender:

– Speicherung unbestätigter Pakete

– Erneutes Senden von ausgewählten Paketen

• Empfänger:

– Speicherung korrekt eingetroffener Pakete

– Weiterleitung an übergeordnete Schicht, bei Vorlage mehrerer Pakete in

richtiger Reihenfolge

• Effizienz ist abhängig von der Größe des Zwischenspeichers

Multiple Access Techniques Fehlerkontrollmechanismen 37

Go-Back-N (GBN)

• Sender:

– Mehrere unbestätigte Pakete möglich

– Bei Zeitüberschreitung einer Empfangsbestätigung für ein Paket:

• Erneutes Senden von allen Paketen ab diesem Paket

• Empfänger:

– Nur Annahme von Paketen in richtiger Reihenfolge

• Höhere Effizienz als Stop and Wait, aber geringere als SRP

Multiple Access Techniques Fehlerkontrollmechanismen 38

Verbesserungen

Window-control Operation Based on Reception Memory (WORM)

• Kombination von SRP und GBN

• Dynamische Reaktion auf Fehler:

– Bei normalen Fehlern: SRP

– Bei schwerwiegenden Fehlern: GBN

Multiple Access Techniques Fehlerkontrollmechanismen 39

Verbesserungen

Veränderliche Zeitfenster und Framegröße bei GBN und SRP

• Funknetze haben unregelmäßiges Fehleraufkommen

• Einsatz von SRP und GBN mit veränderlichem Zeitfenster und

Framegröße:

– Steigende Fehlerrate: Verringerung

– Sinkende Fehlerrate: Vergrößerung

• Optimale Werte durch Computersimulationen errechnet

Multiple Access Techniques Fehlerkontrollmechanismen 40

Zusammenfassung

• Reservierungsbasierte Verfahren: – Schmalbandkommunikation:

• Jeder Nutzer hat nur einen Teil des Frequenzbereichs

– Breitbandkommunikation: • Jeder Nutzer hat gesamten Frequenzbereich

– Nutzung bei unterbrechungsfreier Datenübertragung

– Nachteil: Lange Wartezeiten verursachen

• Zufallsbasierte Verfahren: – Mehr Flexibilität hinsichtlich der Nutzung der Leitung

– Nachteil: Fehleranfälliger

• Fehlerkontrollmechanismen für beide Verfahren zur Leistungsverbesserung

Multiple Access Techniques 41

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

Quelle: Garg, V. K. (2007): Wireless Communications and Networking