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. Kollisionen Kanalzuteilung / Benutzertrennung durch Wettbewerb interessant für grosse Anzahl Stationen mit variablem Verkehr oft verwendet für Paketdatenkommunikation MAC-Protokolle (Medium Access Control) u.a. ALOHA, CSMA/CD (Ethernet), CSMA/CA (WLAN) Referenzen D. Bertsekas, R. Gallager: „Data Networks“, Prentice-Hall, A.S. Tannenbaum: „Computer Networks“, Prentice-Hall, NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 52

Random Access: Aloha Grundidee: N. Abramson, 1970, Universität von Hawaii Benutzer senden wann immer sie Daten zu übertragen haben allfällige Kollisionen zerstören ganze Datenpakete (CRC-Fehler) Sender stellt via Feedback Übertragungserfolg oder Misserfolg fest bei Misserfolg Übertragungswiederholung nach zufälliger Wartezeit Aloha: 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-Delay je mehr Kollisionen, desto grösser wird die mittlere Übertragungszeit Übertragungszeit (Delay) = Wartezeit + Sendezeit Sendezeit = Paketlänge / R Slotted Aloha Stationen dürfen Pakete nur in diskreten Zeitintervallen senden Halbierung der „vulnerability period“ gegenüber reinem Aloha Durchsatz = 1 / e = 36.8 % 37% leere Slots, 37% Slots mit 1 Paket, 26% Slots mit >1 Paket Problem Instabilität mit 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 2 i Slots für den nächsten Versuch verwendet Throughput-versus-Delay für stabilisiertes slotted Aloha Delay Durchsatz 1/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, 56 Random Access IEEE StandardISM-BandR max IEEE a GHz54 Mb/s IEEE b GHz11 Mb/s IEEE g GHz54 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 verwendet CSMA/CA CA steht für Collision Avoidance

CSMA/CA doppeltes Carrier Sensing auf der Luftschnittstelle (physical carrier sensing, via RSSI) RSSI: Received Signal Strength Indicator auf 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-Prozedur nach Kanal frei wartet Station DIFS-Periode lang DIFS: DCF Interframe Space wenn Kanal immer noch frei, Wahl zufällige Backoff-Zeit backoff-Zeit = floor( 2 2+k ·rand() ) · Slot-Zeit wobei k die Anzahl Sendeversuche darstellt backoff-Timer wird angehalten, wenn Kanal wieder “busy” wird

ACK Data Random Access: IEEE NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 58 Paketdatenübertragung ohne RTS/CTS Source Destination DIFS SIFS DIFS Other NAV defer accessbackoff after defer Legende: DIFSDCF Interframe Space SIFSShort Interframe Space (nur NAVNetwork Allocation Vector CWCollision Window CW

CTS RTS Random Access: IEEE NTM 2006/04, Multiplexverfahren, Rur, 59 Paketdatenübertragung mit RTS/CTS CA für lange Pakete bei hidden terminals Source Destination DIFS SIFS DIFS Other NAV (CTS) defer accessbackoff started Legende: RTSDCF Interframe Space CTSShort Interframe Space CW SIFS Data ACK SIFS NAV (RTS) NAV (Data)