random access: einleitung tdma-, fdma- oder cdma-mehrfachzugriffssysteme benutzertrennung über die...
TRANSCRIPT
Random Access: Einleitung
TDMA-, FDMA- oder CDMA-Mehrfachzugriffssysteme Benutzertrennung über die Zeit, die Frequenz oder über Codes
Random Access Systeme („Contention Systems“)unkoordinierte Benutzer „streiten“ sich um den Kanalzugriff
es können Konflikte entstehen bzw. KollisionenKanalzuteilung / Benutzertrennung durch Wettbewerbinteressant für grosse Anzahl Stationen mit variablem Verkehr
oft verwendet für PaketdatenkommunikationMAC-Protokolle (Medium Access Control)
u.a. ALOHA, CSMA/CD (Ethernet), CSMA/CA (WLAN)Referenzen
D. Bertsekas, R. Gallager: „Data Networks“, Prentice-Hall, 1992.A.S. Tannenbaum: „Computer Networks“, Prentice-Hall, 1989.
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 52
Random Access: Aloha
Grundidee: N. Abramson, 1970, Universität von HawaiiBenutzer senden wann immer sie Daten zu übertragen habenallfällige Kollisionen zerstören ganze Datenpakete (CRC-Fehler)Sender stellt via Feedback Übertragungserfolg oder Misserfolg festbei Misserfolg Übertragungswiederholung nach zufälliger WartezeitAloha: Paketversand fast zeitverzugslos, gelegentlichen Kollisionen
TDMA: keine Kollisionen, dafür grosse Wartezeit
Maximaler Durchsatz = 1 / (2e) = 18.4 %Annahme: unabhängiges, Poisson-verteiltes Datenpaketaufkommen
Station 1
Station 2
Station 3
Kanal
Übertragungszeit (Delay)
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 53
Wartezeit Sendezeit
Random Access: Aloha
Throughput-versus-Delayje mehr Kollisionen, desto grösser wird die mittlere Übertragungszeit
Übertragungszeit (Delay) = Wartezeit + Sendezeit Sendezeit = Paketlänge / R
Slotted AlohaStationen dürfen Pakete nur in diskreten Zeitintervallen sendenHalbierung der „vulnerability period“ gegenüber reinem AlohaDurchsatz = 1 / e = 36.8 %
37% leere Slots, 37% Slots mit 1 Paket, 26% Slots mit >1 Paket
Problem Instabilitätmit Kollisionen wächst Anzahl noch zu übertragende Pakete an=> noch mehr Kollisionen=> Durchsatz sinkt auf Null=> Delay pro Paket geht gegen ∞
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 54
Random Access: Aloha
Stabilisierung z.B. mit „binary exponential backoff“vom Ethernet her bekannt
nach i Misserfolgen wird „zufällig“ (Gleichverteilung) einer der nächsten 2i Slots für den nächsten Versuch verwendet
Throughput-versus-Delay für stabilisiertes slotted Aloha
Delay
Durchsatz1/e
exponentieller Anstieg
Achtung: Buffer-Dimensionierung in den Stationen
Backoff-Intervall (i=1) Backoff-Intervall (i=2)
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 55
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 56Random Access IEEE 802.11
Standard ISM-Band Rmax
IEEE 802.11a 5.15 - 5.725 GHz 54 Mb/sIEEE 802.11b 2.4 - 2.4835 GHz 11 Mb/sIEEE 802.11g 2.4 - 2.4835 GHz 54 Mb/s
Carrier Sense Multiple Access (CSMA)Stationen senden nur, wenn sie nichts auf dem Kanal „hören“Kollisionen sind aber trotzdem möglich
wegen Laufzeiten auf Leitungen, Dämpfungen auf Funkkanal CSMA/CD (Ethernet)
„collision detection“ innerhalb einiger Bits auf einer Leitung möglich im wireless Umfeld kann CD nicht verwendet werden
IEEE 802.11 verwendet CSMA/CACA steht für Collision Avoidance
CSMA/CA
doppeltes Carrier Sensingauf der Luftschnittstelle (physical carrier sensing, via RSSI)
RSSI: Received Signal Strength Indicatorauf dem MAC-Sublayer (virtual carrier sensing, via NAV-Timer)
NAV: Network Allocation Vector (Reservationsmechanismus)
NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 57
Collision Avoidance (CA) mit Zufalls-Backoff-Prozedurnach Kanal frei wartet Station DIFS-Periode lang
DIFS: DCF Interframe Spacewenn Kanal immer noch frei, Wahl zufällige Backoff-Zeitbackoff-Zeit = floor( 22+k·rand() ) · Slot-Zeit
wobei k die Anzahl Sendeversuche darstelltbackoff-Timer wird angehalten, wenn Kanal wieder “busy” wird
ACK
Data
Random Access: IEEE 802.11NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 58
Paketdatenübertragung ohne RTS/CTS
Source
Destination
DIFS
SIFS
DIFS
OtherNAV
defer access backoff after defer
Legende:DIFS DCF Interframe Space SIFS Short Interframe Space (nur NAV Network Allocation VectorCW Collision Window
CW
CTS
RTS
Random Access: IEEE 802.11NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 59
Paketdatenübertragung mit RTS/CTSCA für lange Pakete bei hidden terminals
Source
Destination
DIFS
SIFS
DIFS
OtherNAV (CTS)
defer access backoff startedLegende:
RTS DCF Interframe SpaceCTS Short Interframe Space
CW
SIFS
Data
ACK
SIFS
NAV (RTS)
NAV (Data)