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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)


Wartezeit Sendezeit


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 ∞



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, 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)


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)

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