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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
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