• Multiplexing und Multiple‐Access

(1)

Grundlagen der Rechnernetze

Medienzugriffskontrolle

(2)

Übersicht

• Multiplexing und Multiple‐Access

• Dynamische Kanalzuweisung Dynamische Kanalzuweisung

• Multiple‐Access‐Protokolle

• Spread‐Spectrum

• Orthogonal Frequency Division Multiplexing

• Orthogonal‐Frequency‐Division‐Multiplexing

(3)

Multiplexing und Multiple‐Access

(4)

Motivation

Generelles Problem in diesem Vorlesungskapitel

Unkontrollierter Medienzugriff führt zu

Multiple‐Access‐Kanal Nachrichtenkollisionen

Kapazität C bps Multiple Access Kanal

Mögliche Lösung: Multiplexing

N S bk äl it K ität N Subkanäle mit Kapazität

jeweils C/N bps

Wie erreicht man eigentlich Multiplexing eines Kanals?

Multiplexer Demultiplexer

Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012

Wie erreicht man eigentlich Multiplexing eines Kanals? ...

(5)

Frequency‐Division‐Multiplexing (FDM)

To Z To Z

(in frequency 1) (in frequency 2) To Z (in frequency 1)

Bildquelle: Prof. Karl, Vorlesung Rechnernetze, WS 2011/2012, Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th Edition, 2003

(6)

FDM‐Implementation

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

(7)

FDM‐Implementation

(8)

Time‐ und Space‐Division‐Multiplexing

Time‐Division‐Multiplexing (TDM)

To Z To Z

Space‐Division‐Multiplexing (SDM)

To Z

(9)

TDM‐Implementation

(10)

TDM‐Implementation

(11)

Code‐Division‐Multiplexing (CDM)

r₁ s₁

ndbreite

Zeit

Ban eBandbreit

eite Zeit

B

r₂

s₂ Bandbre

Zeit

(12)

Multiplexing und Multiple‐Access

• Auf der Physikalischen Schicht

– Multiplexing um eine Leitung für mehrere Multiplexing um eine Leitung für mehrere Übertragungen zugleich zu verwenden

– Beispiele: Kabel TV Telefon – Beispiele: Kabel‐TV, Telefon

• Auf der Verbindungsschicht

– Multiplexing um konkurrenten Zugriff auf ein geteiltes Medium zu kontrollieren

– Man spricht dann von Multiple‐Access – Also: FDMA TDMA CDMA SDMA

– Also: FDMA, TDMA, CDMA, SDMA

(13)

Statisches Multiplexing

• Auf der Physikalischen Schicht

– Medium wird in N Kanäle mit gleicher Bandbreite Medium wird in N Kanäle mit gleicher Bandbreite unterteilt

– Man spricht auch von statischem Multiplexing – Man spricht auch von statischem Multiplexing

• Multiplexing auf der Verbindungsschicht?

• Möglichkeit 1: Jedem Kommunikationspaar wird einer der N Kanäle der der physikalischen Schicht einer der N Kanäle der der physikalischen Schicht zugeordnet

Si ll

• Sinnvoll wenn

 Kanal fasst die Datenrate der Quelle

 Datenrate der Quelle sättigt immer den Kanal

(14)

Problem Traffic‐Bursts

• Datenverkehr mit Bursts bedeutet: große

Differenz zwischen Spitzen‐ und Durchschnittsrate

• Eine Hausnummer in Computer‐Netzen: Spitzen‐

versus Durchschnittsrate = 1000 : 1 versus Durchschnittsrate 1000 : 1

Mean Mean rate

ta rate Ti

Time

Source daS

(15)

Statisches Multiplexing und Traffic‐Bursts

• Statisch aufgeteilte Ressourcen müssen entweder:

 Groß genug sein, um auch die Spitzendatenrate unmittelbar bedienen zu können

 für den mittleren Fall

dimensioniert sein, aber wir benötigen dann einen Puffer

→ Ressourcenverschwendung, da die Linkkapazität im Mittel nicht ausgeschöpft wird

g

→ Was ist der Delay bis ein Paket übertragen werden kann?

Required rate ausgeschöpft wird

Packets

ta rate

Mean Required rate

New packets

MUX

ource dat rate

Queues

MUX

So Time

(16)

Delay‐Rechnung

Betrachte:

• Kanal mit Kapazität C bps

• Exponential verteilte Paket‐Ankunftsrate von  Pakete/Sekunde

• Exponential verteilte Paketlängen mit mittlerer Paketlänge von 1/ Bits/Frame

1/ Bits/Frame

Was ist die mittlere Wartezeit T eines Pakets bei idealem Kanalzugriff mit einer zentralen globalen Warteschlange?

Was ist die mittlere Wartezeit T_FDM von statischem FDM (andere Multiplexing‐Verfahren analog)?

(17)

Delay‐Rechnung an der Tafel

(18)

Dynamische Kanalzuweisung

(19)

Dynamische Kanalzuweisung

• Statisches Multiplexing nicht geeignet für Verkehr mit Bursts

– Wesentlicher Grund: Zeitweise ungenutzte Kanäle Telefon oder TV hat keine Bursts statisches

– Telefon oder TV hat keine Bursts: statisches Multiplexing sinnvoll

– Computer‐Netze hingegen haben Traffic‐Bursts: wir brauchen hier eine andere Form der Kanalzuweisung

• Alternative: Weise Kanal‐Ressourcen den Alternative: Weise Kanal Ressourcen den

Quellknoten zu, die aktuell Daten zu senden haben

haben

(20)

Annahmen für folgende Protokolldefinitionen

• Stationsmodell (oder Terminal‐model)

– N unabhängige Stationen teilen sich eine Ressource

• Single‐Channel‐Annahme

– Ein einziger Kanal für alle Stationen

– Keine weiteren Kanäle über die Kontrollsignale g kommuniziert werden können

• Kollisionsannahme

Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Paket erfolgreich – Zu jedem Zeitpunkt kann nur ein Paket erfolgreich

übertragen werden

– Zwei oder mehr zeitlich überlappende Pakete kollidieren

d d d it ülti

und werden damit ungültig

– (Ausnahmen bestätigen die Regel)

(21)

Annahmen für folgende Protokolldefinitionen

• Zeit‐Modell

– Kontinuierliche Zeit: Übertragungen können zu beliebigem Zeitpunkt

können zu beliebigem Zeitpunkt beginnen

– Zeit‐Slots: Zeit wird in Slots eingeteilt;

Übertragungen können nur zu Slot

Time

Übertragungen können nur zu Slot‐

Startpunkten stattfinden. Jeder Slot kann ungenutzt, erfolgreich oder mit

einer Kollision behaftet sein ^Time

einer Kollision behaftet sein.

• Carrier‐Sensing

– Stationen können bzw. können nicht

k b d K l i ?

erkennen, ob der Kanal von einem anderen benutzt wird oder nicht – Detektion kann immer mit

f (

?

Ungenauigkeiten behaftet sein (z.B., überhören einer laufenden

Übertragung)

(22)

Bewertungen der folgenden Protokolle

i b di ffi i i d i h

• Wie bewertet man die Effizienz eines dynamischen Medienzugriffs?

– Intuition: es sollten soviele Pakete wie möglich so schnell wieIntuition: es sollten soviele Pakete wie möglich so schnell wie möglich erfolgreich übertragen werden

Ü

• Bei hoher Last (viele Übertragungen pro Zeiteinheit):

Durchsatz ist das entscheidende Maß – stelle sicher dass möglichst viele Pakete erfolgreich übertragen werden

möglichst viele Pakete erfolgreich übertragen werden

• Bei geringer Last (wenige Übertragungsversuche pro g g ( g g g p Zeiteinheit):

Delay ist das entscheidende Maß – stelle sicher dass Pakete nicht zu lange warten müssen

nicht zu lange warten müssen

• Fairness: Wird jede Station gleich wie die anderen bedient?

(23)

Durchsatz über angebotener Last

Erfolgreiche Pakete (S)

Ein Paket pro

Ideales MAC‐Protocol

pro

Paketzeit Reale MAC‐Protocolle

Paketankünfte

Ein Paket pro Paketzeit

Angebotene Last G = Anzahl der Pakete pro Paketübertragungszeit die das Protokoll zur Angebotene Last G = Anzahl der Pakete pro Paketübertragungszeit, die das Protokoll zur Abarbeitung erhält

(24)

Stochastisches Modell für die angebotene Last

Große Ankommende

Benutzerpopulation Ankommende

Pakete

Benutzer erzeugen unabhängig voneinander Pakete mit einer voneinander Pakete mit einer Gesamtrate von  Paketen pro Zeiteinheit

(25)

Motivation des Poisson‐Prozesses

(26)

Multiple‐Access‐Protokolle

ALOHA und Slotted‐ALOHA

(27)

ALOHA

Starte Übertragung wann immer ein Datenpaket vorliegt

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

(28)

Wann ist ALOHA sinnvoll?

(29)

Performance von ALOHA

Annahmen für die Analyse:

• Dauer einer Paketübertragung sei konstant t.

• Sehr große Benutzerpopulation

• Gesamtpopulation erzeugt Pakete Poisson‐Verteilt mit einer mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t

• (G beinhaltet neue Pakete und die Pakete die nochmal übertragen werden müssen)g )

Was ist der Durchsatz S an Paketen pro Paketübertragungszeit?

(30)

Tafelbild

(31)

Verbesserung Slotted‐ALOHA

Starte Übertragung wann immer ein Datenpaket vorliegt

Beginne die Übertragung jedoch nur zu Beginn von festen Zeit‐Slots

Zeit‐Slot

Paketankunft Paketübertragung Zeit

(32)

Performance von Slotted‐ALOHA

Gleiche Annahmen für die Analyse:

• Dauer einer Paketübertragung sei konstant t.

• Sehr große Benutzerpopulation

• Gesamtpopulation erzeugt Pakete Poisson‐Verteilt mit einer mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t mittleren Paketrate von G Paketen pro Paketübertragungszeit t

• (G beinhaltet neue Pakete und die Pakete die nochmal übertragen werden müssen)g )

Was ist der Durchsatz S an Paketen pro Paketübertragungszeit?

(33)

Tafelbild

(34)

Vergleich zwischen ALOHA und Slotted‐ALOHA

S 1

Das Ideal

1 G

(35)

Multiple‐Access‐Protokolle

Carrier‐Sense‐Multiple‐Access (CSMA)

(36)

Carrier‐Sensing

• Diese Vorgehensweise nennt man Carrier‐Sense‐

Start

Multiple‐Access (CSMA)

Höre in den Kanal

• Frage: Kann man nach

hören in den Kanal immer sicher sein dass der Kanal

Kanal

frei? nein ???

sicher sein, dass der Kanal frei ist?

Sende Paket ja

• Frage: Was ist mit der

Nachricht zu tun, wenn der Kanal nicht frei ist? Wann

Ende

Kanal nicht frei ist? Wann kann die Nachricht

übertragen werden?

(37)

CSMA und Propagation‐Delay

Beispiel:

2

1 Propagation‐Delay 

(38)

1‐Persistent‐CSMA

Beispiel:

Start

1 2 3

Höre in den Kanal

Kanal frei?

Warte solange bis Kanal frei wird nein

Sende Paket ja

Kollision? Warte zufällige Z i

ja

Ende Kollision?

nein

Zeit Ende

(39)

Nonpersistent‐CSMA

Beispiel:

Start

1 2 3

Höre in den Kanal

Kanal frei?

nein Warte zufällige Zeit

Sende Paket ja

Kollision? ja

Ende Kollision?

nein Ende

(40)

P‐Persistent‐CSMA

Beispiel:

Höre in den Kanal Start

1 2 3

Kanal frei?

nein Warte einen Zeit Slot frei?

Senden?

ja

Zeit‐Slot Warte einen Zeit‐

l d d

nein

(mit WK p) Slot und dann höre in den Kanal nein

ja

Kanal frei?

Sende Paket ja

nein Kollision? ja Warte zufällige

Zeit nein

Ende nein

(41)

Feststellen einer Kollision am Sender?

Beispiel:

1 2 3

(42)

Durchsatz versus angebotene Last

Wir analysieren nur den einfachsten Fall: Nonpersistent‐CSMA

A h

Annahmen:

• Gesamtrate an Nachrichten (d.h. neue und reübertragene) sei G

• Ankunftsrate der Nachrichten sei Poisson‐VerteiltAnkunftsrate der Nachrichten sei Poisson Verteilt (das ist eine vereinfachende Annahme)

• Propagation‐Delay sei a Zeiteinheiten

• Eine Paketübertragung dauert 1 Zeiteinheit

W i t d D h t S üb d b t L t G?

Was ist der Durchsatz S über der angebotenen Last G?

Betrachte die Zufallsgrößen: _S ^{Das Ideal} Betrachte die Zufallsgrößen:

• B = Länge einer „Busy‐Periode“

• I = Länge einer „Idle‐Periode“

S 1

Das Ideal

• C = Länge eines „Busy‐Idle‐Zyklus“ ₁ _G

(43)

Tafelbild

(44)

Durchsatz von ALOHA und CSMA

(45)

CSMA mit Kollisionsdetektion: CSMA/CD

Beispiel:

Start

1 2 3

1‐Persistent P‐Persistent P Persistent Nonpersistent

Starte

Paketübertragung Kollision

derweil?

ja Stoppe

Paketübertragung Ende

nein

(46)

Binary‐Exponential‐Backoff

Setze maximale Anzahl Slots N auf 2

Start

Letztes

Nächstes Frame Contention‐Periode

Wähle einen zufälligen Zeit‐Slot k in {0,...,N‐1} und starte

Slots N auf 2 Frame Nächstes Frame

{ , , }

Übertragung zum Slot k

nein Kollision?

nein

ja

Setze N auf 2*N Mehr als 16

Versuche?

Bemerkung: dies sind die Parameter aus Ethernet.

Die Länge eines Zeitslots

ja

nein

Die Länge eines Zeitslots wird auf 2*Maximum‐

Propagation‐Delay

Teile höherer Schicht mit, dass Paket nicht ausstellbar

ja

Propagation Delay festgelegt.

Ende

(47)

Quiz: warum 2*Propagation‐Delay?

1 Maximales Propagation‐Delay sei 

…

2

1 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 i D k k i K lli i h t ttfi d

zugewiesen. Dann kann keine Kollision mehr stattfinden.

(48)

CD erfordert Mindestpaketlänge

Betrachte ein sehr kurzes Paket und etwas längeres Paket:

Sender 1 Sender 1 Empfänger 1

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

Sender 2

g g g ,

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

(49)

Multiple‐Access‐Protokolle

ll f d d k ll

Kollisionsfreie und Limited‐Contention Protokolle

(50)

Bit‐Map‐Protokoll

• 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

• Jeder knoten hat eine eindeutige Nummer zwischen 0 und N‐1

Was ist Kanaleffizienz (Nutz‐Bits über insgesamt gesendete Bits)?

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:

(51)

Binary‐Countdown

Binary‐Countdown am Beispiel 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 Adresse des Absenders Teil der Nachricht sind:

(52)

Wie erreicht man Fairness bei Binary‐Countdown?

P bl K t it öß Ad t d b t

Problem: Knoten mit größeren Adresswerten werden bevorzugt.

Idee: Binary‐Countdown nach Prioritätswerten 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

Knotenadressen: C H A G B E F D Prioritäten: 7 6 5 4 3 2 1 0

(53)

Limited‐Contention‐Protokolle

P t k ll it C t ti ( B ALOHA CSMA) Protokolle mit Contention (z.B. ALOHA, CSMA)

• geringe Latenz bei geringer Last aber

• schlechte Kanaleffizienz bei hoher Lastschlechte 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 Contentionbei 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?

(54)

Erfolgswahrscheinlichkeit einer Übertragung

• Also: die Performance degradiert auch schon bei wenigen übertragenden Knoten recht schnell.g

• Idee: Versuche alle Teilnehmer in kleine Gruppe einzuteilen.

• Jede Gruppe kommt mal dran.

• Contention findet nur innerhalb der Gruppe statt.

(55)

Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll

(56)

Adaptive‐Tree‐Walk‐Protokoll

Level 0

Level 1

Level 2 Level 2

(57)

Tafelbild

(58)

Multiple‐Access‐Protokolle

Wireless‐LAN‐Probleme

(59)

Ein ähnliches Problem; nur komplizierter…

S

Kollisionsdomäne

S

₂

T

₂

S

₁

T

₁

S

₁ ¹

(60)

Das Hidden‐Terminal‐Problem

Collision

S T S T

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

hi d i h d d

CSMA verhindert nicht, dass S₂ sendet

(61)

Das Exposed‐Terminal‐Problem

T

₁

S S

₁

S T

T

₁

S

₂

T

₂

hi d d d

CSMA verhindert, dass S₂ sendet

(62)

Multiple‐Access‐Protokolle

V id Hidd d E d T i l P bl

Vermeiden von Hidden‐ und Exposed‐ Terminal‐Problem

(63)

Busy Tones

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

Busy tone

während des Empfangs Daten‐

übertragung

t₁

übertragung

Andere Knoten sind während des Busy‐Tone‐Empfangs geblockt

t₂

Daten‐Frequenz Daten Frequenz Busy‐Tone‐Frequenz

(64)

BT und das Hidden‐Terminal‐Problem

Busy Tone

S T S T

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

hi d d d

Busy‐Tone verhindert, dass S₂ sendet

(65)

BT und das Exposed‐Terminal‐Problem

Busy‐Tone

T

₁

S S

₁

S T

T

₁

S

₂

T

₂

hi d i h d d

Busy‐Tone verhindert nicht, dass S₂ sendet

(66)

Das Problem mit Busy‐Tones (1/2)

Busy‐Tone

S T S T

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

Collision

Daten‐ und Busy‐Tone‐Frequenz unterliegen unterschiedlichen Fading‐ und Dämpfungscharakteristiken. Busy‐Tone kann

möglicherweise Kommunikationsnachbarn von T₁ nicht erreichen.

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐Medienzugriffskontrolle 66

(67)

Das Problem mit Busy‐Tones (2/2)

Busy Tone

T

₁

S S

₁

S T

T

₁

S

₂

T

₂

Busy Tone erreicht möglicherweise Knoten S welcher Busy‐Tone erreicht möglicherweise Knoten S₂, welcher kein Kommunikationsnachbar ist.

(68)

Eine bessere Lösung: CSMA & RTS/CTS

S

₁

T

₁

RTS

CTS Beachte CTS‐

Antwortzeit

NAV b l t d Data

NAV belegt das Medium für die Kommunikations‐

Dauer Dauer

(69)

RTS/CTS und das HT‐Problem

RTS

S T S T

RTS

CTS CTS

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

hi d d d

CTS verhindert, dass S₂ sendet

(70)

RTS/CTS und das ET‐Problem

RTS

T

₁

S S T

RTS CTS

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

h i h d i d d i d h i h bl k

S₂ hört CTS nicht und wird damit durch NAV nicht geblockt

(71)

Quiz: wird das HT‐Problem immer verhindert?

S

₁

T

₁

T

₂

S

₂

S

₁

T

₁

S

₂

T

₂

RTS RTS

RTS

CTS

RTS

CTS

Data Data

Example 1: Data‐CTS Collision Example 2: Data‐Data Collision

(72)

Spread‐Spectrum

(73)

Generelles Modell

•

Generell: schmalbandiges Signal wird über breites Band g g ausgedehnt

•

Wozu ist diese „Bandbreitenverschwendung“ gut?

– Steigert Robustheit gegenüber schmalbandige Störungen (z.B.

Jamming)

Mithören der Nachricht nur möglich wenn der Spreading Code – Mithören der Nachricht nur möglich, wenn der Spreading‐Code

bekannt ist

– „Unabhängige“ Codes ermöglichen zeitgleiches übertragen mehrerer solcher schmalbandiger Signale (also: CDM bzw. CDMA)

(74)

Spread‐Spectrum

Frequency‐Hopping‐Spread‐Spectrum (FHSS)

(75)

FHSS Beispiel

• Spreading Code = 58371462

• Nach 8 Intervallen wird der Code wiederholt

(76)

Implementierung ‐ Sender

A Amplitude des Signals f₀ Basis‐Frequenz

f_i Chipping‐Frequenz im iten Hop b ites Datenbit (+1 oder 1)

• Beispiel: BFSK‐Modulation der Daten

b_i ites‐Datenbit (+1 oder ‐1)

f Frequenz‐Separation

• 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

(77)

Tafelbild

(78)

Implementierung ‐ Empfänger

A Amplitude des Signals f₀ Basis‐Frequenz

f_i Chipping‐Frequenz im iten Hop b ites Datenbit (+1 oder 1)

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

(79)

Tafelbild

(80)

FHSS mit MFSK

Erinnerung: was war MFSK?

f_i f_c + (2i‐1‐M)f_d f_c Carrier‐Frequenz f_d Differenz‐Frequenz

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

T_s Zeit für ein Signalelement

Was ist das ite Signalelement?

s

Signalelement wird jede T_c Sekunden auf eine neue Hopping‐

Frequenz moduliert Frequenz moduliert.

Wir unterscheiden: Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T_c ≥ T_s

F t F H S d S t T T

Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum T_c < T_s

(81)

Slow‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum

M=4, L=2

(82)

Fast‐Frequency‐Hop‐Spread‐Spectrum

M=4, L=2

(83)

Spread‐Spectrum

Direct‐Sequence‐Spread‐Spectrum (DSSS)

(84)

DSSS Beispiel



(85)

DSSS auf Basis von BPSK: Sender

A Amplitude A Amplitude

f_c Carrier‐Frequenz

d(t) 1 fü Bit 1 d 1 fü Bit 0

d(t) +1 für Bit 1 und ‐1 für Bit 0

(86)

Tafelbild

(87)

DSSS auf Basis von BPSK: Empfänger

(88)

Tafelbild

(89)

Beispiel

(90)

Spread‐Spectrum

Code‐Division‐Multiple‐Access (CDMA)

(91)

CDMA Beispiel

1 ‐1 ‐1 1 ‐1 1

1 1 ‐1 ‐1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 1 ‐1 1 1 ‐1

User A, B und C senden gleichzeitig

(92)

Tafelbild

(93)

Orthogonalität von Codes

Codes für zwei Knoten A und B mit

S_A(c_B) = S_B(c_A) = 0

t th l

nennt man orthogonal.

Nicht so einfach solche Codes zu konstruieren.

Orthogonalität nicht zwingend notwendig. Es genügt:

S (C ) h t i kl i b l t W t fü X ! Y S_X(C_Y) hat einen kleinen absoluten Wert für X != Y

Betrachte in vorigem Beispiel B und C...

(94)

Tafelbild

(95)

Beispiel: CDMA auf Basis von DSSS und BPSK

(96)

Orthogonal‐Frequency‐Division‐Multiplexing

(97)

Orthogonal‐Frequency‐Division‐Multiplexing

Verwendete Bandbreite?

Bit‐Rate pro Subcarrier?

Der wesentliche Vorteil:

• Frequenzselektive Störungen

• Frequenzselektive Störungen (Fading) betrifft nur wenige Bits (Fehlerkorrektur)( )

• Inter‐Symbol‐Interferenz

signifikant reduziert. Was ist die Bit‐Zeit pro Kanal?

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

(98)

Was bedeutet Orthogonalität bei OFDM?

(99)

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(100)

Zusammenfassung und Literatur

(101)

Zusammenfassung

h h l d b d b

• MAC‐Schicht ist Teil der Verbindungsebene

• Kategorien

–

Kollisionsbehaftet

–

Kollisionsfrei

Li it d C t ti

–

Limited‐Contention

• Es gibt nicht „Das MAC‐Protokoll“; hängt z.B. ab von

Hä fi k it Z iff

–

Häufigkeit von Zugriffen

–

Anzahl Nutzer

Beispiel: CSMA versus TDMA

–

Beispiel: CSMA versus TDMA

• Hauptkriterien für die Güte eines MAC‐Protokolls

Durchsatz

–

Durchsatz

–

Delay

–

Fairness Fairness

(102)