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Motivation für spezielle MAC-VerfahrenMehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA)Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA)Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA)Code Division Multiple Access (CDMA)

Drahtlose Kommunikation - MedienzugriffskontrolleWS 12/13 9

Drahtlose Kommunikation - Medienzugriffskontrolle

Wiedervorlage: Antennen: gerichtet und mit Sektoren

Seitenansicht (xy-Ebene)

x

y

Seitenansicht (yz-Ebene)

z

y

von oben (xz-Ebene)

x

z

von oben, 3 Sektoren

x

z

von oben, 6 Sektoren

x

z

Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)

gerichteteAntenne

Sektoren-antenne

WS 12/13 10

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Motivation für spezielle MAC-VerfahrenMehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA)Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA)Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA)Code Division Multiple Access (CDMA)


Frequency: FDMA

Drahtlose Kommunikation - MedienzugriffskontrolleWS 12/13

Frequency

Time

v1

v2

v3

v4

f1

f2

f3

f4Schutzbänder

12


FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM

f

t

124123122

1

124123122

1

20 MHz

200 kHz

890.2 MHz

935.2 MHz

915 MHz

960 MHz

WS 12/13 13

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Motivation für spezielle MAC-VerfahrenMehrfachzugriff 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)


Possible Solution: TDMA


S1 T1 S2 T2

Timeslotreserved to s1

Timeslotreserved to s2

…

15

Problem: Clock Drift


t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6

s1

t1

s2

t3

16

Solution: Time Synchronization


Possible Solution 1: Using MAClayer timestamps for clock sync

Possible Solution 2: Periodic syncbeacon of coordinator c

cv1 v2 v1 v2

messagemsg to send

timestampwith t

msg(t)

sync clockto t+

beacon

beacon

beacon

syncclock

syncclock

syncclock

syncclock

syncclock

syncclock

17

Problem: Varying Delays


t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6

s1

d1

s2

d2

Processingdelays

Propagationdelays

18

Solution: Inter Frame Spacing


t0 t1 t2 t3 t4 t5

s1

t1

s2

t3

19

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TDD/TDMA - am Beispiel DECT

1 2 3 11 12 1 2 3 11 12

tAbwärtsrichtung Aufwärtsrichtung

417 µs

WS 12/13 21

10 ms

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Possible Solution: CSMA


S1 T1 S2 T2

Wants to send

Wait

23

CSMA Problem: Collision Still Possible


S1 T1 S2 T2

Wants to send

Collision

t1t2

t3

24

Solution: Collision Detection


S1 T1 S2 T2

Detect CollisionDetect Collision

Cancel Transm.Cancel Transmission

Problem: sending and listening for othertransmissions on the same channel

is not applicable in wireless communication

25

Solution: Collision Avoidance (1/2)


S1 T1 S2 T2

Signal first

Waitt1

t3

Send if nosignalreceived

t2 Wants to send

Wait

t4

26

Solution: Collision Avoidance (2/2)


S1 T1 S2 T2

Signal firstWait

t1

t3Don’t sendbut wait Don’t send

but wait

Signal first

Waitt2

27

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Side note: How to Assess a Clear Channel?


occupied free

Ideally The reality

It follows: testing for -1 dBm is not feasable. Solution?29

Side note: Use Threshold dBm Value


Image: Copyright 2004 ACM 1581138792/04/0011, Polastre et al., “Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks”, SenSys 2004

How to reduce many false negatives on free channel?

free occupied free

30

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


t1 t2 t3 t4 t5

Noise floor

s1

s2

s3

s4

s5

31

Side note: Example


Image: Copyright 2004 ACM 1581138792/04/0011, Polastre et al., “Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks”, SenSys 2004

32

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Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen

ausschließlich gesendet werden darf.Aloha

Slotted Aloha

Aloha/Slotted Aloha

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

Sender A

Sender B

Sender C

Kollision

t

t

WS 12/13 34

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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

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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.

Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha

Kollision

WS 12/13 37

Beispiel: Satellit empfängt Reservierungswünsche und teilt erfolgreiche Reservierungswünsche mit


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.

Rahmen 1

Rahmen 2

Rahmen 3

Rahmen 4

Rahmen 5

1 2 3 4 5 6 7 8Zeitschlitz:

Kollision bei derBelegung

ACDABA-F

ACDABA-F

AC-ABAF-

A---BAFD

ACEEBAFD

Reservierung

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 Dt

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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

Reservierung fürdiesen Datenbereich

freie Zeitschlitze können zusätzlichgemäß Round-Robin mitbenutzt werden.

z.B. N=6, k=2

Rahmen

WS 12/13 39

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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

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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

Busy Tones

Data Frequency

Busy Tone Frequency

S1 T1 S2 T2

Busy tonewhile reception

t1

t2

Other nodes are blockedwhile receiving busy tone

Datatransm.

WS 12/13 44Drahtlose Kommunikation - Medienzugriffskontrolle

BT and the Hidden Terminal Problem

S1 T1 S2 T2

Busy tone prevents S2 from sending

Busy Tone


BT and the Exposed Terminal Problem

S1T1 S2 T2

Busy tone does not prevent S2 from sending

Busy Tone


The Problem with Busy Tones (1/2)

S1 T1 S2 T2

Data and busy tone frequency are subject to different fadingand attenuation characteristics. Busy tone may possibly beunable to reach a communication neighbor of T1.

Busy Tone

Collision


The Problem with busy Tones (2/2)

S1T1 S2 T2

Busy tone may reach a node S2 whichis not a communication neighbor.

Busy Tone


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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 istSignalisierungspakete beinhalten:

Senderadresse Empfängeradresse Paketgröße

Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE802.11 als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz

WS 12/13 50

Example:CSMA & RTS/CTS


S1 T1

RTS

CTS

DataNAV indicatesbusy medium

Respect CTSresponse time


MACA-Variante: DFWMAC in IEEE802.11

Ruhe

Warte aufSenderecht

Warte aufQuittung

Sender Empfänger

Paket sendebereit; RTS

time-out; RTS

CTS; Daten

ACK

RxBusy

Ruhe

Warte aufDaten

RTS; RxBusy

RTS; CTS

Daten; ACK

time-out Daten; NAK

ACK: positive EmpfangsbestätigungNAK: negative Empfangsbestätigung

RxBusy: Empfänger beschäftigt

time-out NAK;RTS

WS 12/13 52

RTS/CTS and the HT Problem


S1 T1 S2 T2

CTS prevents S2 from sending

RTSCTS CTS

53

RTS/CTS and the ET Problem


S1T1 S2 T2

S2 does not hear CTS and is not blocked by NAV

RTSCTS

54

HT Problem Always Resolved?


S1 T1 S2T2

RTS

CTS

Data

Example 1: Data-CTS Collision

RTS

CTS

Data

S1 T1 S2 T2

Example 2: Data-Data Collision55

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