View page as slide show

Langaton tietoliikenne: MAC

MAC (medium access control)

  • Määrittää kuinka siirtotietä käytetään yhteyden muodostamiseen kahden tai usemman laitteen välille.
  • On osa OSI:n kerroksesta kaksi. (linkki kerros) (data link control layer)
    • Logical Link Controller (LLC) hoitaa loput kerroksen kaksi toiminnoista
  • Käyttäjiien hallintaan MAC kerroksella hyödynnetään eri kanavointi (multipleksaus, multiplexing) tekniikoita
  • Määritetään, kuinka useampi käyttäjä voi käyttää samaa kommunikointi menetelmää (minimihäiriöllä)

Langallinen vs langaton

  • Ethernetissä käytetään CSMA/CD:tä (carries sense multiple access with collision detection)
    • Ennen lähetystä tarkistetaan että media on vapaa (carrier sense) muilta lähettäviltä laitteilta (multiple access)
    • Mikäli lähetyksen aikana tulee törmäys, lopetetaan lähetys ja yritetään uudestaan myöhemmin
      • Törmäyksen tunnistus onnistuu lukemalla johtimen signaalia
  • CSMA/CD lähestymisen ongelmat langattomassa maailmassa
    • törmäyksen tunnistaminen ei ole mahdollista radiokommunikoinnissa
  1. Near - far ongelma
    • Lähempänä olevat laitteet peittävät kauempana olevien kuuluvuuden.
  2. hidden node
    • Lähetin kuulee vain niiden laitteiden lähetyksen jotka ovat sen omalla kantoalueella
    • Tukiaseman kanssa voi kuitenkin kommunikoida laitteita, jotka eivät kuulu päätelaitteelle. Saman aikainen lähetys aiheuttaa törmäyksen tukiasemalla.
  3. exposed node
    • Päätelaite kuulee yhden tukiaseman lähettävän signaalia toiselle päätelaitteelle.
    • Päätelaite odottaa turhaan siirtotien vapautuvan, vaikka se hyvin voisi lähettää toiselle tukiasemalle aiheuttamatta häiriöitä

Kanavointi (Multipleksaus)

  • Kommunikointi median jako käyttäjien kesken
    • Yritetään minimoida muille kommunikoijille aiheutuvat häiriöt
  • Tilan/alueen mukaan: SDM (space division multiplexing)
  • Taajuuden mukaan: FDM (Frequence division multiplexing)
  • Ajan mukaan: TDM (time division multiplexing)
  • Koodin mukaan: CDM (Code division multiplexing)

SDM

  • Kommunikointi on sallittu vain tietyille laitteille tietyllä alueella
    • Esimerkiksi eri radioasemat voivat käyttää samaa taajuuttaa samaan aikaan kun ovat tarpeeksi kaukana toisistaan
  • Verkkosuunnittelussa samaa taajuuttaa käyttävät tukiasemat sijoitetaan toisistaan riittävälle etäisyydelle.
  • Laitteiden kantamien väliin voidaan jättää lisäksi vielä suojaväli (häiriöiden välttäminen)
  • Oman tilan varaaminen ei ole useinkaan mahdollista
  • Käytetään yhdessä muiden menetelmien kanssa.

FDM

  • Jokaiselle käyttäjälle varattu oma taajuuskaista (kanava).
  • Kanavien välillä on suojaväli, jotta vältytään esim ajdacent channel häiriöiltä
    • Esim saman alueen radiokanavat toimivat eri taajuuksilla
  • Yksinkertainen toteuttaa
    • Vastaaotin vain viritetään lähettimelle määritelly taajuudelle
  • Jokaiselle lähettimelle oman taajuuden antaminen aiheuttaa taajuuksien hukkakäyttöä.

TDM

  • Kanava on jaettu ajallisesti viipaleisiin (timeslot)
    • suojaväli aikaviipaleiden välissä, vähentämään päällekkäisten lähetysten riskiä.
  • Jokaiselle päätelaitteelle määritellään oma/omat aikaviipaleensa.
    • Mikäli kommunikointia tapahtuu oman aikaviipaleen yli syntyy co-channel interference
  • Vaatii synkronoituja kelloja kaikkien kommunikoivien laitteiden välillä
    • Vastaanottimen pitää kuunnella oikeaan aikaan jotta saa lähettimen viestin
    • Signaalin kulkuviiveet otettava huomioon.
  • Joustava malli
    • Aikakanavia voidaan antaa enemmän niille jotka lähettävät enemmän dataa.

CDM

  • Kanavan käyttäjät tunnistetaan käytetyn koodin pohjalta
  • Koodit ortogonaalisia toisilleen
    • Eri koodilla tulevat viestit näkyvät toisilleen taustakohinana eli eivät häiritse toisiaan
  • Mahdollisia koodeja paljon verrattuna vaikka mahdollisiin taajuuksiin
    • Kaikille lähettimille voidaan antaa omat koodinsa
  • Vastaanottajan on tiedettävä oikea koodi signaalin tulkitsemiseksi
  • Vastaanottimen on oltava synkronissa lähettäjän kanssa.
  • Vaatii lähettimeltä lähetystehon kontrollointia.
    • Kaikkien lähettimien signaalien tulisi olla vastaanottajalla samalla voimakkuudella, jotteivat ne peitä toisiaan.

Access menetelmät

  • Access menetelmät hyödyntävät multipleksausmenetelmiä
    • eri multipleksausmenetelmiä käyteään usein yhdessä
    • multipleksauksen lisäksi sisältävät algoritmit joiden pohjalta esimerkiksi taajuus tai lähetys aika valitaan
  • Vaihtoehdot vastavaat kuin kanavoinnissa
    • SDMA (space division multiple access)
    • FDMA (Frequency division multiple access)
    • TDMA (Time division multiple access)
    • CDMA (Code division multiple access)

SDMA

  • Määritellään käyttäjille erilliset alueet langattomissa verkoissa.
  • SDMA MAC algoritmi valitsee esimerkiksi käytettävän tukiaseman.
    • Valitaan paras kuuluvuuden, vapaana olevien taajuuksien, aikaviipaleiden ja koodien pohjalta.
  • Käytetään yhdessä muiden access metodien kanssa, ei yksinään.
  • Suunnattujen säteiden avulla voidaan jakaa alueita pienempiin osiin.
    • vrt. analoginen maailma, jossa jokaisella tillajalla oma kuparikaapeli puhelinkeskukseen

FDMA

  • Määrittellään millä taajuudella mikäkin laite lähettää (FDM:n pohjalta)
    • Määrittelyt joko kiinteitä (esim FM-radio) tai dynaamisia (tarpeen mukaan)
  • Taajuuksia voidaan vaihdella ajan funktiona
    • TDMA + FDMA yhteistoiminta
      • vrt. FHSS
      • taajuuden vaihtelut sovittava etukäteen.
  • Useiden eri taajuuksien kuuntelu vaatii monimutkaisen vastaanottimen
  • Kaksi toiminta mallia
  1. Lähetin ja vastaanotin käyttävät samaa kanavaa kommunikointiin
    • Half duplex (vuorolähetys)
    • Aikajaolla (TDD, Time division duplex) avuilla jäljitellään full duplexia
  2. Lähetin ja vastaanotin käyttävät kommunikoinnissa eri kanavia
    • full duplex
    • FDD (frequency division duplex)
    • uplink → päätelaitteelta tukiasemalle
    • downlink→ tukiasemalta päätelaitteelle

TDMA

  • Määritellään mitä aikaviipaleita kukakin käyttää
    • Lähetysvuorot kiertävät laitteelta toiselle
  • Vastaanotin voi kuunnella koko ajan samaa taajuutta.
    • vastaanotin hyvin yksinkertainen toteuttaa
  • Laitteet synkronoitava tarkasti keskenään.
    • Signaalin pitää saapua oikeaan aikaan vastaanottimelle
    • Etäisyydet. siirtoviiveet, häiriöt otettava huomioon
  • Aikaviipaleet voidaan jakaa joko kiinteästi tai dynaamisesti.
  • Dynaaminen aikajako vaatii jokaisen lähetyksen tunnistamisen
  • Tunnistamisene käytetään esim. MAC osoitetta
  • Kiinteä TDM (fixed TDM)
    • yksinkertaisin tapa jakaa aika siivuja.
    • Kiinteä kaistanleveys
    • Kiinteä viive (odotus aika viipaleesta toiseen)
    • Ei sovi purskeiseen tai asymmetriseen datan siirtoon.
    • Hukkaa kaistaa.
  • Kiinteä TDM on käytössä monissa puhelin ratkaisuissa (mm. DECT, GSM)
    • Puheliikenteessä kaistantarve ei muutu
  • Voidaan jakaa kahteen toiminta malliin kuten FDMA:kin
  1. lähetin ja vastaanotin käyttävät samaa aikaviipaletta kommunikointiin
    • half duplex
  2. Lähetin ja vastaanotin käyttävät kommunikoinnissa eri aikaviipaletta kommunkointiin
    • Full Duplex (TDD, Time division duplex )
      • jokaiselle yhteydelle varattu oma up- ja downlink pari
  • Slotted Aloha
    • Aloha pohjainen, pääsyä siirtoteille ei koordinoida
    • kaikki laitteet synkronoitu
    • lähetys ainoastaan aikasiivun alussa
  • DAMA (Demand assigned multiple access) (reservation aloha)
    • Jokainen käytettävä viipale täytyy varata erikseen
  • ISMA (inhibit sense multiple access)
    • tukiasema lähettää busy signaalia down linkkiinsä kun on varattu
    • AMPS
  • Pollaus (polling)
    • Laitteita pyydetään erikseen lähettämään
  • CSMA / CA (CSMA with Collision Avoidance)
    • Yritetään välttää törmäyksiä tarkkailemalla siirtotietä ennen lähetystä.
    • Ongelmana esim. hidden node
    • IEEE 802.11
  • MACA (Multiple access with collision avoidance)
    • Lähetystä varten pyydetään erikseen lupa (RTS→ request to send)
    • Luvan saamisen (CTS→ Clear to send) jälkeen voi viestin lähettää
    • ratkaisee hidden terminal ongelman
    • ad hoc verkkoihin soveltuva malli
    • IEEE 802.11(a,b,g) (tarkastellaan tarkemmin wlan luennoilla)

CDMA

  • Kuinka valitaan käytettävä koodi kommunikoinnissa
    • Valitaan tarpeen mukaan
  • Ortogonaaliset koodit ovat helppo erottaa toisistaan
    • koodien keskinäinen tulo on nolla (nollat koodissa kuvataan -1:llä)
    • esim (+1.-1.+1,-1) ja (1,1,-1.-1) ovat ortogonaalisia
  • Koodilla on hyvä autokorrelaatio (autocorrelation)
    • Kuinka hyvin ajan suhteen siirtynyt signaali vastaa alkuperäistä
    • Koodi kerrottuna itsellään tuottaa korkean arvon.
  • Esim Barker koodi: (+1,-1,+1,+1,-1+1,+1,+1,-1,-1,-1)
    • sisäinen tulo on (1*1)+(-1*-1)+(1*1)+(1*1)+(-1*-1)+(1*1)+(1*1)+(1*1)+(-1*-1)+(-1*-1)+(-1*-1)=11
    • Yhden bitin shiftaus tuottaa tulokseksi ykkösen→ synkronointi helpottuu.
  • Esimerkki: A:lla koodi: 010011 ja B:llä koodi 110101. A lähettää bitin 1 ja B bitin 0
    • Koodit ortogonaalisia (-1,1,-1,-1,1,1)*(1,1,-1,1-1,1) = 0
    • molemmat hajauttavat bittinsä koodinsa avulla A=1*(-1,1.-1,-1,1,1)=(-1,1,-1,-1,1,1)B=-1*(1,1,-1,1,-1,1)=(-1,-1,1,-1,1,-1)
    • Molemmat lähettävät bittinsä yhtäaikaa C:lle jolloin tulos C:lle on (-1,1,-1,-1,1,1)+(-1,-1,1,-1,1,-1) =(-2,0,0,-2,+2,0)
    • C haluaa lukea A:n datan eli kertoo saadun datan a:n avaimella (-2,0,0,-2,+2,0)*(-1,1.-1,-1,1,1) = 6 joka on suurempi kuin 0 eli lähetetty bitti on 1
    • B:n avaimella tulo olisi -6 joka on pienempi kuin nolla eli lähetetty bitti on 0
  • Mitä jos signaali B on 5 kertaa vahvempi (kerrotaan B:n arvot viidellä)
  • tulos A:n avaimella 6 ja B:n avaimella -30
  • A:n arvo suhteellisen lähellä nollaa jos verrataan B:n arvoon. Voidaan tulkita kohinaksi.
  • CDMA järjestelmissä pitää olla hyvä tehonsäätö.
    • Toisaalta esim 1000 kertaa sekunnissa tehtävä säätö vie paljon energiaa
  • Lähetysten tullessa eriaikaan ei ortogonaalisuus pure.
  • koodit yleensä pitkiä (esim IS-95 2^42-1 bittiä)
    • Lähettimen ja vastaanottimen täytyy olla synkronissa koodin käytössä
  • Lähettimet ja vastaanottimet vaikeita toteuttaa
  • Tekniikkaa kehitetty eteenpäin paremman suorituskyvyn saamiseksi
    • W-CDMA ja cdma2000

Tekniikoiden vertailua

  • Tekniikoita käytetään yleensä yhdessä esim:
    • SDMA,TDMA,FDMA (GSM, DECT, PACS, Iridium ….)
    • CDMA, SDMA (IS-95, globalstar)
    • CDMA:n kapasiteettia voidaan kasvattaa yhdistämällä sitä TDMA ja FDMA tekniikoihin
  • Handover eli solusta toiseen liikkumisen
    • CDMA mahdollistaa yksinkertaisen handoverin
      • kommunikointia voidaan suorittaa yhtäaikaa kahden tukiaseman kanssa (soft handover)
    • TDMA ja FDMA järjestelmissä vaihto täytyy tapahtua tietyllä hetkellä (hard handover)
  • Käyttäjien lisääminen
    • TDMA ja FDMA järjestelmissä on tiukka raja käyttäjä määriin
      • tukiaseman taajuuksien/aikaviipaleiden ollessa täynnä ei lisää käyttäjiä voi tulla soluun
    • CDMA:n uuden käyttäjän tullessa kohina taso nousee,
      • solun kantama voi pienentyä jolloin kauimpana olevat käyttäjät voivat pudota
  • Perusmallit vaativat tukiaseman jakamaan koodeja, aikaviipaleita tai taajuuksia
    • Hajautetuissa (tukiasemattomissa) malleissa tarvitaan muita ratkaisuja
    • Eri tilanteet ja käyttötarpeet vaativat erilaisia ratkaisuja.
Last modified: 2013/07/01 14:42