Quiz: warum 2*Propagation‐Delay?

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Quiz: warum 2*Propagation‐Delay?

Grundlagen der Rechnernetze ‐Medienzugriffskontrolle 47

1 Maximales Propagation‐Delay sei  … 2 Wie weit können Startzeitpunkte von zwei kollidierenden

Nachrichten auseinander liegen?

Wie lange dauert es maximal bis alle die Kollision erkannt haben?

Also ist ab dem erstem Slot der Kanal einem Knoten sicher zugewiesen. Dann kann keine Kollision mehr stattfinden.

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Betrachte ein sehr kurzes Paket und etwas längeres Paket:

Also: Paket sollte groß genug sein, damit Sender die Kollision

erkennen kann. Es sei p der maximale Propagation‐Delay und d die Datenrate. Welche Größe g sollte das Paket mindestens haben?

CD erfordert Mindestpaketlänge

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐Medienzugriffskontrolle 48

Sender 1

Sender 2

Empfänger 1

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Multiple‐Access‐Protokolle

Kollisionsfreie und Limited‐Contention Protokolle

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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

Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 SS 2012

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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:

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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

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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?

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• 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

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Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll

Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003 SS 2012

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Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll

Level 1 Level 0

Level 2

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Tafelbild

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Multiple‐Access‐Protokolle

Wireless‐LAN‐Probleme

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Ein ähnliches Problem; nur komplizierter…

S ₁ T ₁

S ₂

T ₂

Kollisionsdomäne

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Das Hidden‐Terminal‐Problem

S ₁ T ₁ S ₂ T ₂

CSMA verhindert nicht, dass S ₂ sendet

Collision

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Das Exposed‐Terminal‐Problem

S ₁

T ₁ S ₂ T ₂

CSMA verhindert, dass S ₂ sendet

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Multiple‐Access‐Protokolle

Vermeiden von Hidden‐ und Exposed‐ Terminal‐Problem

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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

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BT und das Hidden‐Terminal‐Problem

S ₁ T ₁ S ₂ T ₂

Busy‐Tone verhindert, dass S ₂ sendet

Busy Tone

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BT und das Exposed‐Terminal‐Problem

S ₁

T ₁ S ₂ T ₂

Busy‐Tone verhindert nicht, dass S ₂ sendet

Busy‐Tone

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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

möglicherweise Kommunikationsnachbarn von T ₁ nicht erreichen.

Busy‐Tone

Collision

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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

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Eine bessere Lösung: CSMA & RTS/CTS

S ₁ T ₁

RTS

CTS

Data

NAV belegt das Medium für die Kommunikations‐

Dauer Beachte CTS‐

Antwortzeit

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RTS/CTS und das HT‐Problem

S ₁ T ₁ S ₂ T ₂

CTS verhindert, dass S ₂ sendet

RTS

CTS CTS

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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

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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

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Spread‐Spectrum

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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 SS 2012

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Spread‐Spectrum

Frequency‐Hopping‐Spread‐Spectrum (FHSS)

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FHSS Beispiel

• Spreading Code = 58371462

• Nach 8 Intervallen wird der Code wiederholt

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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

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

A Amplitude des Signals f

₀

Basis‐Frequenz

f

_i

Chipping‐Frequenz im iten Hop b

_i

ites‐Datenbit (+1 oder ‐1)

f Frequenz‐Separation

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Tafelbild

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Implementierung ‐ Empfänger

A Amplitude des Signals f

₀

Basis‐Frequenz

f

_i

Chipping‐Frequenz im iten Hop b

_i

ites‐Datenbit (+1 oder ‐1)

f Frequenz‐Separation

• Bestimme p(t) für das ite Bit

• Bestimme das ursprüngliche Datensignal anhand desselben Chipping‐Signals

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Tafelbild

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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

_i

f

_c

+ (2i‐1‐M)f

_d

f

_c

Carrier‐Frequenz f

_d

Differenz‐Frequenz

M Anzahl der verschiedenen Signalelemente = 2^L L Anzahl Bits pro Signalelement

T

_s

Zeit für ein Signalelement

Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T _c ¸ T _s Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T _c < T _s

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Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum

M=4, L=2

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Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum

M=4, L=2

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Spread‐Spectrum

Direct‐Sequence‐Spread‐Spectrum (DSSS)

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DSSS Beispiel



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DSSS auf Basis von BPSK: Sender

A Amplitude

f_c Carrier‐Frequenz

d(t) +1 für Bit 1 und ‐1 für Bit 0

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Tafelbild

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DSSS auf Basis von BPSK: Empfänger

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Tafelbild

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Quiz: warum 2*Propagation‐Delay?