BMS 0x2 Přístup k médiu

Transkript

1 BMS 0x2 Přístup k médiu Petr Hanáček Faculty of Information Technology Technical University of Brno Božetěchova Brno tel. (05) hanacek@fit.vutbr.cz BMS0x Slide 1

2 Motivace TC CC downlink (Paging Channel, PCH) CC uplink (Random Access Channel, RACH) CC uplink TCn downlink CC downlink TCn uplink BMS0x Slide 2

3 Motivace Můžeme aplikovat metody přístupu k médiu, které známe z pevných sítí? Například zkusme CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Vysílej, jakmile je médium volné, poslouchej co jsi vyslal, zda nedošlo ke kolizi (původní metoda u IEEE 802.3) Problémy v bezdrátových sítích Síla signálu klesá proporcionálně se čtvercem vzdálenosti Vysílač aplikuje princip CS (Carrier Sense, poslouchání média) a CD (Collision Detection, detekce kolize), ale ke kolizi dojde až u příjímače Může se totiž stát, že vysílač neslyší kolizi, tj. CD nefunguje CS nemusí fungovat v případě skrytého terminálu BMS0x Slide 3

4 Motivace skryté terminály Skryté terminály (nedetekovaná kolize) A vysílá pro B, C neslyší A C chce vysílat pro B, C slyší volné médium (CS selhává) Vzniká kolize u B, A neslyší kolizi (CD selhává) A je skrytý pro C ALE případ, kdy se blokuje zbytečně: B vysílá pro A, C chce vysílat pro jiný terminál (ani A ani B) C musíčekat, protože CS říká, že médium je obsazené ALE A je mimo dosah rádiového pokrytí C, takže čekání je zbytečné Rušení vzniká na straně příjímajícího, ne vysílajícího! Říká se, že C je exposed pro B A B C BMS0x Slide 4

5 Motivace blízké a vzdálené terminály Terminály A a B vysílají, C přijímá Síla signálu klesá se čtvercem vzdálenosti Signál terminálu B překrývá signál terminálu A C neslyší A A B C Pokud by C byl například arbiter, který rozhoduje o přidělení pásma jednotlivým terminálům, terminál B by pro něj překryl signál terminálu A Jde například o vážný problém u sítí CDMA je třeba precizní řízení výkonu! BMS0x Slide 5

6 Přístupové metody SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) Rozdělení prostoru do sektorů, použití směrových (sektorových) antén Buňková struktura FDMA (Frequency Division Multiple Access) Pro přenos přiřadí konkrétní frekvenci Permanentní (např. rozhlasové vysílání), slow hopping (např. GSM), fast hopping (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) TDMA (Time Division Multiple Access) Pro přenos přiřadí konkrétní frekvenci po určitý časový interval (timeslot) Metody, použité v předchozí přednášce pro multiplexování jsou nyní použity pro řízení přístupu k médiu! BMS0x Slide 6

7 FDMA schéma, příklad GSM 960 MHz f MHz 915 MHz MHz 200 khz MHz 1 t BMS0x Slide 7

8 TDMA schéma, příklad DECT Uplink a downlink jsou na stejné frekvenci! 417 µs downlink uplink t BMS0x Slide 8

9 Mechanismus CD Máš-li data, vysílej (na rozdíl od CSMA/CD, který napřed poslouchá) Došlo-li ke kolizi, zkus to později Slotted Aloha navíc používáčasové sloty, vysílání musí vždy začít na hranici slotu Aloha TDMA - Aloha/slotted aloha stanice A stanice B kolize stanice C Slotted Aloha kolize t stanice A stanice B stanice C BMS0x Slide 9 t

10 DAMA - Demand Assigned Multiple Access Aloha má využití kanálu pouze 18%, Slotted Aloha 36% (pro Poissonovo rozložení okamžiku příchodu paketů a délek paketů) Rezervace může zvýšit využití na 80% Dojde-li ke kolizi, vysílač si rezervuje nějaký budoucí timeslot Vysílání v tomto slotu je již bezkolizní Rezervace způsobuje větší zpoždění Typické schéma pro satelitní spoje Příklady rezervačních algoritmů: Explicitní rezervace (Reservation-ALOHA) Implicitní rezervace (PRMA) Rezervující TDMA BMS0x Slide 10

11 Metoda DAMA: Explicitní rezervace Explicitní rezervace (Reservation Aloha): Střídání dvou režimů:» ALOHA režim: souboj o malinké rezervační sloty, kolizní» Rezervovaný režim pro přenos dat pomocí rezervovaných datových slotů (bezkolizní)» Pokud dojde ke kolizi, odpovídající datový slot se nevyužije Je důležité, aby si všechny stanice držely konzistentní seznam rezervovaných slotů Přesná časová synchronizace collision Aloha reserved Aloha reserved Aloha reserved Aloha t BMS0x Slide 11

12 Metoda DAMA: PRMA Implicitní rezervace (PRMA - Packet Reservation MA): Určitý počet slotů tvoří rámec, rámce se opakují Stanice bojují o prázdné (nerezervované) sloty podle algoritmu slotted Aloha Jakmile se stanici podaří získat slot, tento slot je automaticky rezervován stanici i v následujících rámcích, dokud má stanice data k vysílání Jakmile je slot uvolněn (nebyl využit pro data), je opět předmětem souboje rezervace ACDABA-F ACDABA-F AC-ABAF- A---BAFD ACEEBAFD rámec 1 rámec 2 frame 3 frame 4 frame time-slot A C D A B A F A C A B A A B A F A B A F D A C E E B A F D t Kolize při pokusu o rezervaci BMS0x Slide 12

13 Metoda DAMA: Rezervující TDMA Princip: Každý rámec se skládá z N minislotů a z X datových slotů Každá stanice má svůj vlastní minislot a pomocí něj si může rezervovat k datových slotů (typicky X = N * k). Nerezervované datové sloty mohou být využity podle principu round-robin N minislotů N * k datových slotů Např. N=6, k=2 rezervace datových slotů Volné datové sloty mohou být využity podle principu round-robin BMS0x Slide 13

14 MACA - Collision Avoidance MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) využívá krátké signalizační pakety pro předcházení kolizím RTS (request to send): vysílač požaduje od přijímače právo vysílat krátkým RTS paketem, který vyšle před vysláním datového paketu CTS (clear to send): jakmile je přijímač schopen přijímat, dává vysílači právo vysílat paketem CTS Signalizační pakety obsahují Adresu vysílače Adresu přijímače Velikost paketu Varianty této metody je možno nalézt v IEEE jako mechanismus DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) BMS0x Slide 14

15 MACA odstraňuje problém skrytého terminálu A a C chtějí vysílat pro B A pošle RTS jako první C musíčekat, dokud nedostane CTS od B Příklad MACA RTS CTS CTS A B C MACA odstraňuje problém exposed terminálu B chce vysílat pro A, C chce vysílat pro jiný terminál nyní C nemusí čekat, protože je mimo dosah A a to pozná tak, že neslyší CTS od terminálu A RTS CTS RTS A B C BMS0x Slide 15

16 Varianta MACA: DFWMAC v IEEE sender receiver idle idle ACK RxBusy time-out NAK; RTS packet ready to send; RTS wait for the right to send CTS; data time-out; RTS data; ACK time-out bad_data; NAK RTS; CTS wait for ACK wait for data Pakety: ACK: positive acknowledgement NAK: negative acknowledgement RxBusy: receiver busy RTS; RxBusy Notace: AAA;BBB AAA: vstupní událost/přijatý paket BBB: odeslaný paket BMS0x Slide 16

17 Periodické vyzývání (polling) Pokud existuje terminál, který slyší všichni, tento centrální terminál (obvykle základnová stanice) může periodicky vyzývat ostatní terminály Příklad: Randomly Addressed Polling Základnová stanice oznámí terminálům připravenost Terminály, které chtějí vysílat, vyšlou náhodnéčíslo (bezkolizně, například pomocí CDMA) Náhodné číslo se chápe jako dočasná adresa terminálu Základnová stanice vybere jednu hodnotu ze seznamu přijatých náhodných čísel (může dojít ke kolizi, pokud dva terminály zvolily stejné náhodnéčíslo) Základnová stanice komunikuje s terminálem a po skončení, osloví následující terminál ze seznamu Po oslovení všech terminálů ze seznamu se celý postup periodicky opakuje BMS0x Slide 17

18 ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) Momentální stav média je signalizován pomocí obsazovacího tónu - busy tone Základnová stanice signalizuje na downlinku, jestli je médium volné nebo ne Terminály nesmí vysílat, pokud je médium obsazené Terminály přistupují k médiu, až umlkne obsazovací tón Základnová stanice signalizuje kolize a úspěšné přenosy pomocí obsazovacích tónů a potvrzení Mechanismus použitý např. pro CDPD (USA, integrované do AMPS) BMS0x Slide 18

19 CDMA BMS0x Slide 19

20 CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) Všechny stanice vysílají na stejné frekvenci, ve stejnou dobu a využívají celou šířku komunikačního pásma Každá stanice má jedinečné náhodné číslo, ze kterého si vytvoří jedinečnou pseudonáhodnou sekvenci Pokud přijímač zná toto náhodnéčíslo, může se naladit na odpovídající vysílač Nevýhody: Značná složitost přijímače Signály všech vysílajících stanic by na anténě přijímače měly mít stejnou úroveň (pokud ne, přicházejí velké komplikace) Výhody: Žádné frekvenční plánování K dispozici je velké množství kódů pro různé stanice (typicky více než frekvencí u FDMA) Teoreticky úplné odstranění interferencí BMS0x Slide 20

21 Rozprostřené spektrum - motivace Přenosový kanál: AWGN (Additive white Gaussian noise), únik (fading) Rušivé signály (impulsní, trvalé, interference) Úmyslné rušení (jamming) (vojenské a bezpečnostní aplikace)» Kontinuální tón» Pulzní AWGN Sdílení jedné frekvence více stanicemi Všichni vysílají současně na stejné frekvenci Systémy s rozprostřeným spektrem Šířka pásma > Požadovaná šířka pásma (obvykle mnohem větší) Demodulace: pomocí korelace BMS0x Slide 21

22 Rozprostřené spektrum - realizace Dá se realizovat pomocí Direct sequence Frequency-hopping Time-hopping Hybridní metody Na přijímací straně je třeba inverzní operace Mapování musí být deterministické a snadno implementovatelné Jsou třeba dodatečné synchronizační mechanismy BMS0x Slide 22

23 Model komunikačního systému s rozprostřeným spektrem BMS0x Slide 23

24 Typy SS sytémů (I) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) BMS0x Slide 24

25 Typy SS sytémů (II) Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) BMS0x Slide 25

26 Typy SS sytémů (III) Time-Hopped (TH) system BMS0x Slide 26

27 Rozprostřené spektrum - vlastnosti Vysoká tolerance proti neúmyslnému rušení / interferenci Rušení jinými službami, únik Vysoká tolerance proti úmyslnému rušení Rušičky je obtížné realizovat Snížení pravděpodobnosti odposlechu Odposlech je obtížný bez znalosti pseudonáhodné sekvence Současný přístup několika stanic ke stejné frekvenci Ortogonální sekvence BMS0x Slide 27

28 Vliv kvality signálu Kvalita kanálu Úzkopásmové kanály frekvence Úzkopásmový signál guard space Kvalita kanálu Kanál s rozprostřeným spektrem Signál s rozprostřeným spektrem frekvence BMS0x Slide 28

29 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I XOR signálu s pseudonáhodnou posloupností (PN sekvence, chipping sequence) Hodně chipů na bit (např. 128) znamenají mnohem větší šířku pásma Výhody Redukuje frekvenčně závislý únik V buňkových sítích Nevýhody» Základnové stanice používají stejné frekvence» Je možno zároveň přijímat signál několika stanic» Soft handover Je nutný přesný management výkonu t b 0 1 t c t b : perioda bitu t c : perioda chipu data XOR chipping sequence = Výsledný signál BMS0x Slide 29

30 DS/SS systém - Spreading BMS0x Slide 30

31 DS/SS systém - Despreading BMS0x Slide 31

32 DS/SS systém - schéma Data X Rozprostřený signál modulátor Vysílaný signál Chipping sequence Nosná Vysílač Korelátor Přijatý signál demodulátor Filtrovaný signál X integrátor Rozhodovací blok Data Nosná Chipping sequence Přijímač BMS0x Slide 32

33 data A klíč A klíčová sekvence A data klíč CDMA příklad I A d A k signál A A s V reálu jsou použity mnohem delší klíčové sekvence BMS0x Slide 33

34 CDMA příklad II signál A A s data B B d klíč B Klíčová sekvence B data klíč B k signál B B s A s + B s BMS0x Slide 34

35 data A CDMA příklad III A d A s + B s A k (A s + B s ) * A k výstup integrátoru výstup komparátoru BMS0x Slide 35

36 data B CDMA příklad IV B d A s + B s B k (A s + B s ) * B k výstup integrátoru výstup komparátoru BMS0x Slide 36

37 CDMA příklad V A s + B s nesprávný klíč K (A s + B s ) * K výstup integrátoru výstup komparátoru (0) (0)? BMS0x Slide 37

38 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I Diskrétní změny frekvence nosné Posloupnost změn frekvence je určována pseudonáodnou posloupností Dvě verze Rychlá - Fast Hopping: během jednoho bitu je použito několik frekvencí Pomalá - Slow Hopping: několik bitů je na stejné frekvenci Vhody Omezuje vliv frekvenčně omezeného úniku a úzkopásmovéo rušení Jednoduchá implementace V jednom okamžiku využívá malou část spektra Nevýhody Není tak robustní jako DSSS BMS0x Slide 38

39 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II t b data f f 3 f 2 f 1 f f 3 f 2 f t d t d t b : bit period t t t t d : dwell time slow hopping (3 bits/hop) fast hopping (3 hops/bit) BMS0x Slide 39

40 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III Data modulátor Úzkopásmový signál modulátor Vysílaný signál Vysílač syntetizér Posloupnost (hopping Sequence) Přijatý signál demodulátor Úzkopásmový signál demodulátor Data Posloupnost (hopping Sequence) syntetizér Přijímač BMS0x Slide 40

41 Time-Hopping (TH) SS System BMS0x Slide 41

42 PN sekvence BMS0x Slide 42

43 PN Sekvence Používají se Pseudo-noise (PN) sekvence pro Pro vytvoření DS/SS signálu Pro řízení frekvence nosné u FH/SS Někdy se nazývají pseudonáhodné (pseudo random) Vlastnosti: Vyváženost (Balanced property)» Relativní četnost jedniček a nul je stejná Run-length property» Test běhů (run-length) je počet sousedních jedniček a nul» Délky běhů mají exponenciální rozložení Vlastnost Delay and Add» Stejný počet shod a neshod mezi PN sekvencí a posunutou PN sekvencí» Ochrana před vícecestným šířením BMS0x Slide 43

44 M-sekvence Typy PN sekvencí Sekvence s maximální délkou Zlaté sekvence (Gold sequences) Používají se především tam, kde je důležitý současný přístup několika stanic k médiu Jiné PN sekvence Jiné pseudonáhodné generátory BMS0x Slide 44

45 M-sekvence Maximum-Length Shift Register Jsou generované pomocí LFSR (linear feedback shift register) na základě generujícího polynomu Pro LFSR s m bity je nejdelší možná perioda PN sekvence rovná n=2 m -1 Sekvence s největší periodou (bývá jich více) se nazývá Maximum-Length Sequence nebo m- sekvence BMS0x Slide 45

46 LFSR - Linear Feedback Shift Registers Shift registr (binárně) R = (r n, r n-1,..., r 1 ) Tap sequence (binárně) T = (t n, t n-1,..., t 1 ) (zpětné vazby) Generování bitu: r 1 se dá na výstup Ostatní bity se posunou doprava r n = TR mod 2 = t 1 r 1 XOR t 2 r 2 XOR... XOR t n r n. r n r n-1... r 1 key stream t n t n-1 t 1 BMS0x Slide 46

47 Maximální perioda Maximální perioda je 2 n - 1. Dosáhneme jí, je-li polynom T(x) = t n x n + t n-1 x n t 1 x + 1 primitivní Existují tabulky primitivních polynomů Příklad: T(x) = x 4 + x + 1 je primitivní r 4 r 3 r 2 r 1 key stream T = (1, 0, 0, 1) BMS0x Slide 47

48 Některé primitivní polynomy The right-most bit represents the coefficient of the highest degree term, e. g., x 2 +x 3 +x 5 +x 6 BMS0x Slide 48

49 Vlastnosti m-sekvencí Cyklicky posunutá m-sekvence je opět m-sekvence Vlastnost Shift-and-add Součet modulo-2 m-sekvence a posunuté té samé m-sekvence dává jiný posuv té samé m-sekvence Obsahuje o jednu víc jedniček než nul Protože (0,0,,0) není povolený stav registru Splňuje požadavek na vyváženost Pro každou m-sekvenci má 1/2 k běhů délku k Splňuje požadavek na test běhů BMS0x Slide 49

50 Zlaté sekvence Vzniká jako součet modulo-2 mezi jednou sekvencí a posunutou verzí jiné sekvence BMS0x Slide 50

51 Idea Terminály Sdílení Porovnání SDMA/TDMA/FDMA/CDMA SDMA TDMA FDMA CDMA rozdělení prostoru na buňky/sektory v jedné buňce/sektoru může být aktivní pouze jeden terminál buňková struktura, směrové antény rozděluje vysílací čas na timesloty (podle požadavků nebo fixně) terminály sdílí frekvenci, ale mohou být aktivní pouze část času synchronizace podle času rozděluje vysílací pásmo na oddělené kanály každý terminál má trvale přidělenu svou frekvenci filtrování jednotlivých frekvenčních kanálů dělí spektrum pomocí ortogonálních kódů všechny terminály jsou aktivní současně, trvale, na stejné frekvenci pomocí detekce kódu Výhody Nevýhody Poznámka velmi jednoduché, zvyšuje kapacitu na km² není flexibilní, antény jsou pevné použitelná pouze v kombinaci s TDMA, FDMA nebo CDMA zavedená technologie, plně digitální, flexibilní je třeba ochranný interval (multipath), obtížná synchronizace standard v pevných sítích, společně s FDMA/SDMA i v mobilních sítích zavedená technologie, jednoduchá, robustní není flexibilní, nešetří frekvence typicky kombinováno s TDMA (frequency hopping) a SDMA (frequency reuse) flexibilní, netřeba frekvenční plánování, soft handover složitý přijímač, je třeba složité řízení výkonu komplikovaná, větší složitost, kombinuje se s TDMA/FDMA BMS0x Slide 51