Multiple‐Access‐Protokolle
Kollisionsfreie und Limited‐Contention Protokolle
Bit‐Map‐Protokoll
Was ist Kanaleffizienz (Nutz‐Bits über insgesamt gesendete Bits)?
N=Anzahl Slots; jeder Slot ein Bit; d=Anzahl Daten‐Bits pro Gerät Bei geringer Last:
Bei hoher Last:
• Wechsel zwischen Contention‐ und Frame‐Übertragungsphasen
• Es gibt eine feste Anzahl N von Knoten
• Jeder knoten hat eine eindeutige Nummer zwischen 0 und N‐1
Binary‐Countdown
Binary‐Countdown am Beispiel
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003
Was ist die Kanaleffizienz (Nutz‐Bits über insgesamt gesendete Bits)?
Bei geringer Last:
Bei hoher Last:
Wenn die Bits am Anfang als
Adresse des Absenders Teil der
Nachricht sind:
Wie erreicht man Fairness bei Binary‐Countdown?
Problem: Knoten mit größeren Adresswerten werden bevorzugt.
Idee: Binary‐Countdown nach Prioritätswerten.
Beispiel:
Knotenadressen: C H D A G B E F Prioritäten: 7 6 5 4 3 2 1 0
Wenn D erfolgreich gesendet hat, ändern sich Prioritäten wie folgt Knotenadressen: C H A G B E F D
Prioritäten: 7 6 5 4 3 2 1 0
Limited‐Contention‐Protokolle
Protokolle mit Contention (z.B. ALOHA, CSMA)
• geringe Latenz bei geringer Last aber
• schlechte Kanaleffizienz bei hoher Last
Kollisionsfreie Protokolle (z.B. Binary Countdown)
• hohe Latenz bei geringer Last aber
• gute Kanaleffizienz bei hoher Last Warum nicht ein Protokoll welches sich
• bei geringer Last wie ein Protokoll mit Contention
• und bei hoher Last wie ein kollisionsfreies Protokoll verhält?
Zunächst: Was ist der Einfluss der Anzahl k Stationen auf die
Performance bei Protokollen mit Contention?
• Also: die Performance degradiert auch schon bei wenigen übertragenden Knoten recht schnell.
• Idee: Versuche alle Teilnehmer in kleine Gruppe einzuteilen.
• Jede Gruppe kommt mal dran.
• Contention findet nur innerhalb der Gruppe statt.
Erfolgswahrscheinlichkeit einer Übertragung
Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003
Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll
Level 1 Level 0
Level 2
Tafelbild
Multiple‐Access‐Protokolle
Wireless‐LAN‐Probleme
Ein ähnliches Problem; nur komplizierter…
S 1 T 1
S 2
T 2
Kollisionsdomäne
Das Hidden‐Terminal‐Problem
S 1 T 1 S 2 T 2
CSMA verhindert nicht, dass S 2 sendet
Collision
61
Das Exposed‐Terminal‐Problem
S 1
T 1 S 2 T 2
CSMA verhindert, dass S 2 sendet
Multiple‐Access‐Protokolle
Vermeiden von Hidden‐ und Exposed‐ Terminal‐Problem
63
Busy Tones
Daten‐Frequenz Busy‐Tone‐Frequenz
S 1 T 1 S 2 T 2
Busy tone
während des Empfangs
t 1
t 2
Andere Knoten sind während des Busy‐Tone‐Empfangs geblockt
Daten‐
übertragung
BT und das Hidden‐Terminal‐Problem
S 1 T 1 S 2 T 2
Busy‐Tone verhindert, dass S 2 sendet
Busy Tone
65
BT und das Exposed‐Terminal‐Problem
S 1
T 1 S 2 T 2
Busy‐Tone verhindert nicht, dass S 2 sendet
Busy‐Tone
Das Problem mit Busy‐Tones (1/2)
S 1 T 1 S 2 T 2
Daten‐ und Busy‐Tone‐Frequenz unterliegen unterschiedlichen Fading‐ und Dämpfungscharakteristiken. Busy‐Tone kann
Busy‐Tone
Collision
67
Das Problem mit Busy‐Tones (2/2)
S 1
T 1 S 2 T 2
Busy‐Tone erreicht möglicherweise Knoten S 2 , welcher kein Kommunikationsnachbar ist.
Busy Tone
Eine bessere Lösung: CSMA & RTS/CTS
S 1 T 1
RTS
CTS
Data
NAV belegt das Medium für die Kommunikations‐
Dauer Beachte CTS‐
Antwortzeit
69
RTS/CTS und das HT‐Problem
S 1 T 1 S 2 T 2
CTS verhindert, dass S 2 sendet
RTS
CTS CTS
RTS/CTS und das ET‐Problem
S 1
T 1 S 2 T 2
S 2 hört CTS nicht und wird damit durch NAV nicht geblockt
RTS
CTS
71
Quiz: wird das HT‐Problem immer verhindert?
S 1 T 1 T 2 S 2
RTS
CTS
Data
Example 1: Data‐CTS Collision
RTS
CTS
Data
S 1 T 1 S 2 T 2
Example 2: Data‐Data Collision
Spread‐Spectrum
Generelles Modell
• Generell: schmalbandiges Signal wird über breites Band ausgedehnt
• Wozu ist diese „Bandbreitenverschwendung“ gut?
– Steigert Robustheit gegenüber schmalbandigen Störungen (z.B.
Jamming)
– Mithören der Nachricht nur möglich, wenn der Spreading‐Code bekannt ist
– „Unabhängige“ Codes ermöglichen zeitgleiches übertragen mehrerer solcher schmalbandiger Signale (also: CDM bzw. CDMA)
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Spread‐Spectrum
Frequency‐Hopping‐Spread‐Spectrum (FHSS)
FHSS Beispiel
• Spreading Code = 58371462
• Nach 8 Intervallen wird der Code wiederholt
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Implementierung ‐ Sender
• Beispiel: BFSK‐Modulation der Daten
• Was ist das Produkt p(t) der Eingabe und des „Chipping‐Signals“?
• Bestimme p(t) und s(t) für das ite Bit
• Bestimme Frequenz des Daten‐Signals s(t) für Datenbit +1 und ‐1
A Amplitude des Signals f
0Basis‐Frequenz
f
iChipping‐Frequenz im iten Hop b
iites‐Datenbit (+1 oder ‐1)
f Frequenz‐Separation
Tafelbild
Implementierung ‐ Empfänger
A Amplitude des Signals f
0Basis‐Frequenz
f
iChipping‐Frequenz im iten Hop b
iites‐Datenbit (+1 oder ‐1)
f Frequenz‐Separation
• Bestimme p(t) für das ite Bit
• Bestimme das ursprüngliche Datensignal anhand desselben Chipping‐Signals
Tafelbild
FHSS mit MFSK
Erinnerung: was war MFSK?
Was ist das ite Signalelement?
Signalelement wird jede T c Sekunden auf eine neue Hopping‐
Frequenz moduliert.
Wir unterscheiden:
f
if
c+ (2i‐1‐M)f
df
cCarrier‐Frequenz f
dDifferenz‐Frequenz
M Anzahl der verschiedenen Signalelemente = 2^L L Anzahl Bits pro Signalelement
T
sZeit für ein Signalelement
Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T c ¸ T s
Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T c < T s
Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
M=4, L=2
Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum
M=4, L=2
Spread‐Spectrum
Direct‐Sequence‐Spread‐Spectrum (DSSS)
DSSS Beispiel
DSSS auf Basis von BPSK: Sender
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
A Amplitude
f_c Carrier‐Frequenz
d(t) +1 für Bit 1 und ‐1 für Bit 0
Tafelbild
DSSS auf Basis von BPSK: Empfänger
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Tafelbild
Beispiel
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Spread‐Spectrum
Code‐Division‐Multiple‐Access (CDMA)
CDMA Beispiel
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
