Mobilkommunikationsnetze
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Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme
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- Medienzugriff -
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Motivation
• Problem: gemeinsame Nutzung des Mediums durch
mehrere Teilnehmer wer greift wann zu?
• Unterschied Multiplexing ↔ Medienzugriff:
Multiplexing Medienzugriff
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Motivation
• Verfahren aus drahtgebundenen Netzen, Beispiel
CSMA/CD:
– Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
(IEEE 802.3 Ethernet)
– kontinuierliche Überwachung des Mediums
– senden, wenn Medium frei (Carrier Sense)
– eigene Sendung abhören, bei Kollision → Übertragung
abbrechen, Jam-Signal senden (Collision Detection)
stößt in Funknetzen an seine Grenzen
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Motivation
• Problem von CSMA/CD in Funknetzen
– CD nimmt gleiche „Hörbarkeit“ aller Signale im Medium an
(im Kabel gegeben), aber
– Signalstärke drahtloser Übertragungen fällt (mindestens)
proportional zum Quadrat der Entfernung
– Kollisionen treten am Empfänger auf, Sender überwacht
→ ggf. Kollision vom Sender nicht erkennbar
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Motivation – Hidden Terminal
• Problem: A und C senden gleichzeitig an B
1. A beginnt Übertragung an B
2. C überwacht Medium, sieht „Medium frei“ (Carrier Sense
schlägt fehl) → beginnt Übertragung
3. A & C hören sich gegenseitig nicht (Collision Detection
schlägt fehl)
4. B empfängt beide Signale → Kollision, keine
Dekodierung möglich
A
B
C
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Motivation – Exposed Terminal
• Problem: B möchte an A, C an D (nicht im Bild) senden
1. B beginnt Übertragung
2. C überwacht Medium, erkennt Sendung von B→ wartet
unnötigerweise (Kollision bei A wäre unmöglich)
A B C
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Medienzugriffsverfahren
• SDMA (Space Division Multiple Access)
– räumliche Trennung von Verbindungen ( Richtantennen)
– Sektorierung, Zellenstruktur
• FDMA (Frequency DMA)
– unterschiedliche Frequenzen je Teilnehmer
– dauerhaft (z.B. Radio), slow hopping (GSM), fast hopping
(FHSS)
• TDMA (Time DMA)
– Teilnehmer senden nacheinander (bspw. 802.11)
• CDMA (Code DMA)
– Unterschiedliche Spreizcodes pro Teilnehmer (bspw.
UMTS)
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Verbindungsarten
• eng verwandt mit Medienzugriff
• Klassifikation nach Verbindungsrichtung
• Simplex
– Übertragung in eine Richtung (bspw. Radio, Fernsehen)
• Half-Duplex
– Bidirektional, abwechselnd (bspw. CB-Funk)
• Duplex (manchmal: Full-Duplex)
– Bidirektional, gleichzeitig
• Verfahren:
– Frequency Division Duplex (FDD)
– Time Division Duplex (TDD)
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Duplexarten
Uplink
Downlink
D1
U1
D2
U2
• FDD getrennte Frequenzen für
Up- & Downlink Up- & Downlink-
interferenz getrennt Ressourcen-
verschwendung bei asymmetischer Last
Beispiele: UMTS, GSM
• TDD gemeinsame Frequenz für
Up- & Downlink, aber zeitlich getrennt
anpassbar an asymmetrische Last
Interferenz beider Richtungen im selben Band
Beispiele: DECT, WLAN, UMTS (TDD)
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FDMA/FDD – Beispiel GSM 900
124
1
124
1
200 kHz
⁞
⁞
f
t
935,2 MHz - 960 MHz
890,2 MHz - 915 MHz
Downlink
Uplink
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TDMA/TDD – Beispiel DECT
1 2 3 12 1 2 3 12… …417 µs t
Do
wn
link
Up
link
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TDMA: ALOHA
• Grundidee
– zufälliges, dezentrales Zeitmultiplexverfahren
– sende Pakete, wenn vorhanden
– bei Kollision (durch fehlendes ACK erkannt) warte zufällige
Zeit und sende erneut
• Problem: geringe Kanalauslastung von ~18% (bei
Poissonverteilung der Ankunftsrate und Paketlänge)
Sender A
Sender B
Sender C
Kollisionen und verfälschte Pakete
t
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TDMA: Slotted ALOHA
• ALOHA mit festen Zeitschlitzen
→ Senden von Pakete beginnt immer am Anfang eines
Zeitschlitzes
• steigert maximale Kanalauslastung auf ~36%
Sender A
Sender B
Sender C
t
Kollisionen
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TDMA: Demand Assigned Multiple Access
• Ziel: Steigerung der geringen Kanalauslastung von
ALOHA durch Reservierungen
– Sender reserviert zukünftigen Zeitschlitz
– Übertragung in reserviertem Rahmen ohne Kollisionen
– Auslastung bis 80% möglich, allerdings höherer Delay
– Beispiel: Satellitenübertragungen (VSAT)
• Beispiele:
– explizite Reservierung (Reservation-Aloha)
– implizite Reservierung (PRMA)
– Reservation-TDMA
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• Explizite Reservierung (Reservation ALOHA):
– 2 Betriebsarten:
• ALOHA in der Reservierungsphase: Wettbewerb um kleine
Reservierungsslots mit Kollisionen
• Reserved Mode zur Datenübertragung ohne Kollisionen
– Synchronisierung notwendig (Zeitschlitze müssen bei allen
Teilnehmern synchron sein)
TDMA: DAMA – Explicit Reservation
Sender A
Sender B
Sender C
Kollision entsprechender Slot bleibt leer
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TDMA: DAMA – Packet Reservation (PRMA)
• Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA):
– n Zeitschlitze = 1 Frame
– leere Slots nach Slotted ALOHA vergeben
– verwendete Slots im folgenden Frame reserviert
Übertragungsende = leerer Slot Neuvergabe
– Vorteil: garantierte Übertragungsrate bei erfolgreicher
Reservierung (kein Verdrängen möglich)
– Nachteil: mangelnde Fairness bei vielen lang laufenden
Übertragungen (neue Teilnehmer kommen nicht zum Zug)
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TDMA: DAMA – Packet Reservation (PRMA)
A C A D E
C A D
E B C
E D B C
D A C
Frame 1
Frame 2
Frame 3
Frame 4
Frame 5
t
Kollisionen
A = erfolgreiche Neureservierung
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TDMA: DAMA – Reservation-TDMA
• Reservation Time Division Multiple Access
– n Mini-Slots + x Slots = 1 Frame
– jeder Teilnehmer kann über seinen eigenen Minislot
maximal k Slots reservieren ( x = n*k)
– Freie Slots können frei verteilt werden (bspw. per Round
Robin oder Slotted ALOHA) Best Effort Traffic
• Vorteil: garantierte (geringe) Datenrate mit geringer
Verzögerung für jeden Teilnehmer
• Nachteile: feste Anzahl an Teilnehmern (= Anzahl Mini-
Slots), globale Koordination
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TDMA: DAMA – Reservation-TDMA
• Beispiel: 4 Teilnehmer (Mini-Slots), 2 Slots je Teilnehmer
t
2 Datenslots von Teilnehmer 4
2*4 Datenslots pro Frame
4 Minislots = 4 Teilnehmer
Freie Slots für Best Effort Traffic
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TDMA: MA with Collision Avoidance – MACA
• Motivation: Hidden/Exposed-Terminal-Problem ohne
zentrale Basisstation lösen
• Signalisierung zur Kollisionsvermeidung:
– RTS (Request To Send): Anfrage Senders Empfänger
– CTS (Clear To Send): Freigabe durch Empfänger
Vermeidung der Kollision dort
• RTS/CTS-Pakete enthalten (mindestens):
– Senderadresse
– Paketgröße Übertragungsdauer
• Kollisionen (im Idealfall) nur bei RTS, aber
unwahrscheinlich, da klein
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TDMA: MACA, Beispiel Hidden Terminal
• A möchte an B senden
– A sendet RTS
– B sendet CTS für A wird von C mitgehört
– C wartet mit Senden bis Zeit t abgelaufen und Kanal frei ist
A B C
RTS (A, t)
CTS(A, t) CTS(A, t)
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TDMA: MACA, Beispiel Exposed Terminal
• B möchte an A, C an D (nicht im Bild) senden
– B sendet RTS
– A antwortet mit CTS
– C empfängt kein CTS A ist nicht in Reichweite, Störung
nicht möglich
– C beginnt (parallele) Übertragung
A B C
RTS (B, t)
CTS(B, t)
RTS (B, t) RTS (D, t2)
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TDMA: MACA
• Vorteile
– Löst Hidden/Exposed Terminal ohne zentrale Kontrolle
– Kollisionen auf kurze RTS-Pakete beschränkt geringere
Verlustrate
• Nachteile
– Hoher Overhead für kleine Pakete
– Größere Latenz durch vorgeschalteten RTS/CTS-Schritt
• Beispiel: IEEE 802.11 (DFWMAC – Distributed
Foundation Wireless MAC)
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TDMA: Polling
• zentraler Teilnehmer (bspw. Basisstation) fragt andere Geräte nach bestimmtem Schema ab (round-robin, random, reservation-based, ...)
• Beispiel: Randomly Addressed Polling
– Basisstation gibt Startsignal
– Terminals senden Zufallszahl per CDMA oder FDMA (Zahl entspricht temporärer Adresse)
– Basisstation wählt zufällig aus der Liste aus und fragt den entsprechenden Teilnehmer ab (gleiche Zufallszahl = Kollision)
– Basisstation bestätigt Paket und setzt mit nächstem Terminal fort
– Wiederholung des Zyklus nach Abfrage aller Terminals
• Beispiele: Bluetooth & 802.11 (mögliche Betriebsart)
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TDMA: Inhibit Sense Multiple Access (ISMA)
• Zustand des Mediums durch „Besetztzeichen“
signalisiert
– Basisstation sendet „Besetztzeichen“ auf Downlink
– Terminals senden nicht bei „besetzt“
– Medium frei Terminals können senden
Kollisionsbehandlung durch Signal der Basisstation
• Beispiel: CDPD (AMPS)
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Code Division Multiple Access (CDMA)
• Verfahren
– alle Teilnehmer nutzen zeitgleich dieselben Frequenzen
zum Senden
– Unterscheidung der Endgeräte durch Code, der mit dem
Signal verknüpft wird (XOR)
– Empfänger kann mittels Korrelation Signal rekonstruieren
Σ
Code 1
Code 2
Code 3
Daten 1
Daten 2
Daten 3
Code 1
Code 2
Code 3
Funkübertragung
Daten 1
Daten 2
Daten 3
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CDMA
• Vorteile:
– alle Teilnehmer verwenden die gleiche Frequenz →
weniger Planungsaufwand
– Coderaum >> Frequenzraum
– Schutz gegen Interferenz
– einfache Integration von Forward Error Correction und
Verschlüsselung
• Nachteile:
– höhere Empfängerkomplexität (Korrelation!)
– bei mehreren Sendern gleiche Empfangsstärke notwendig
Power Control
• Beispiel: http://mkn.dev.geekbetrieb.de/cdma/
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CDMA in der Theorie (1/2)
• Abbildung: 0 Code -1, 1 Code 1
• Sender A
– Daten Ad = 10 ( +1, -1)
Schlüssel Ak = 010011( -1, +1, -1, -1, +1, +1)
– gesendetes Signal As = Ad * Ak =
(-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1)
• Sender B
– Daten Bd = 00 ( -1, -1)
Schlüssel Bk = 110101 (d.h. +1, +1, -1, +1, -1, +1)
– Gesendetes Signal Bs = Bd * Bk =
(-1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, +1, -1)
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CDMA in der Theorie (2/2)
• Addition am Empfänger (vereinfacht, ohne Rauschen)
As = (-1, +1, -1, -1, +1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, -1)
+ Bs = (-1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, +1, -1)
= (-2, 0, 0, -2, +2, 0, 0, -2, +2, 0, 0, -2)
• Korrelation mit Code Ak (Skalarprodukt):
(-2, 0, 0, -2, +2, 0) • (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = 6 > 0 Bit: 1
(0, -2, +2, 0, 0, -2) • (-1, +1, -1, -1, +1, +1) = -6 < 0 Bit: 0
• äquivalent mit Code Bk
(-2, 0, 0, -2, +2, 0) • (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 Bit: 0
(0, -2, +2, 0, 0, -2) • (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = -6 < 0 Bit: 0
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Grundlegende Verfahren im Vergleich
Ansatz SDMA TDMA FDMA CDMA
Idee Unterteilung des Raumes in Zellen/Sektoren
zeitlich getrenntes Senden einzelner Teilnehmer
Aufteilung des Frequenzraumes in Teilbereiche
Spread Spectrum mit orthogonalen Codes
Endgeräte 1 Terminal pro Zelle/Sektor
1 Terminal/Zeitscheibe schnelle Wechsel quasi parallel
1 Terminal pro Frequenz, gleichzeitiger Betrieb
Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals
Signaltrennung Gleichzeitiger Betrieb aller Terminals
zeitlich synchronisiert Frequenzfilter Korrelation mit bekanntem Code im Empfänger
Vorteile sehr einfach, hohe Kapazität pro Fläche
einfach, weit verbreitet, flexibel
einfach, weit verbreitet, robust
flexibel, weniger Frequenzplanung nötig
Nachteile Unflexibel, Antennen meist fest, Richtfunkstrecken
Guard Space nötig (Mehrwegeausbreitung), Synchronisation
unflexibel, Frequenzen sind begrenzt
komplexe Empfänger, Power Control am Sender
Kommentar oft nur in Kombination mit anderen sinnvoll
Standard im Festnetz, in Kombination mit anderen im Mobilfunk
Verbreitet im analogen Bereich, digital oft kombiniert mit TDMA & SDMA
komplexer, meist mit FDMA kombiniert, in modernen Netzen Standard