Técnicas de Múltiplo Acesso em Redes sem Fio, LANs, MANs

Transcrição

1 Técnicas de Múltiplo Acesso em Redes sem Fio, LANs, MANs UERJ-FEN-DETEL

2 Técnicas de Acesso Múltiplo na Comunicação sem Fio Vários esquemas de acesso múltiplo tem sido utilizados para permitir que vários usuários possam usar de maneira compartilhada uma quantidade restrita do espectro de rádio O compartilhamento do espectro énecessário para obter o desempenho requerido na comunicação A implementação do esquema de acesso múltiplo deve ser feito de maneira a suportar a demanda de tráfego

3 Comunicação Bidirecional Sem sistemas de comunicação sem fio freqüentemente énecessária a comunicação bidirecional (duplexação), onde cada estação pode enviar e receber dados de maneira simultânea. Num sistema de telefone fixo (ou celular), por exemplo, épossível falar e ouvir simultaneamente A duplexaçãopode ser implementada através de divisão em freqüência (FDD=Frequency Division Duplexing) e em tempo (TDD=Time Division Duplexing)

4 O Esquema FDD Num esquema de FDD, usa-se uma freqüência de transmissão entre estação base e estação móvel e outra entre a estação móvel e estação fixa Um dispositivo denominado duplexador permite o uso de uma mesma antena para os módulos de recepção e transmissão do terminal móvel A separação de freqüências de transmissão e recepção geralmente éfixa em todo o sistema. Sendo suficientemente alta para permitir pouco acoplamento entre os módulos receptor e transmissor de um terminal de assinante

5 Padrão GSM Assinante para base Base para assinante

6 O Duplexador (Duplexer) FDD Duplexador implementado através de filtros passa alta e passa baixa acoplados

7 O Esquema TDD A transmissão só ocorre em momentos permitidos e prédeterminados, atribuídos através de Time Slots Os terminais móveis são mais simples, pois o duplexador não é necessário e os circuitos receptor e transmissor podem ter partes comuns (ex.: oscilador local e de portadora) Ao invés do duplexador (do FDD), emprega uma chave T/R (transmite / recebe)

8 Acesso Múltiplo por Divisão em Freqüência (FDD) e Tempo (TDD)

9 Exemplos de Esquemas de Múltiplo Acesso

10 Comparação FDD x TDD O FDD évoltado mais para sistemas onde cada freqüência é alocada a um usuário. Pois a intensidade de sinal entre receptor e transmissor pode ser maior que 100dB, o que requer boa separação de freqüências de transmissão e recepção O TDD, ao permitir que transmissor e receptor ocupem a mesma freqüência, não requer cuidados na separação entre freqüências. Sendo os equipamentos mais simples e baratos. No TDD existe um tempo de latência na comutação entre transmissão e recepção, pois a comunicação não é verdadeiramentefull-duplex. Esta latência torna o sistema TDD sensível aos atrasos de propagação particulares de cada estação Devido ao rígido esquema de temporização necessário no TDD e a sensibilidade aos atrasos de propagação, o TDD érestrito a telefones sem fio e ou sistemas de pequeno alcance. Ou onde as estações são estacionárias, para que os atrasos de propagação não variem com o tempo

11 Alocação estática de canais em LANse MANs A maneira tradicional de alocar um único canal, tal como um tronco telefônico, entre vários usuários concorrentes, é usar a FDM (Frequency Division Multiplexing) Se existem N usuários, a largura de banda édividida em N partes de mesmo tamanho (ver figura abaixo) e a cada usuário seráatribuída uma parte. Como cada usuário tem uma banda de freqüência particular, não háinterferência entre eles

12 Alocação estática de canais em LANse MANs Quando existe apenas um número pequeno e constante de usuários, cada um dos quais com uma carga de tráfego pesada (armazenada em buffer) por exemplo, centrais de comutação de concessionárias a FDM éum mecanismo de alocação simples e eficiente No entanto, quando o numero de transmissores égrande e continuamente variável, ou quando o trafego ocorre em rajadas, a FDM apresenta alguns problemas Se o espectro for dividido em N partes, e menos de N usuários estiverem interessados em estabelecer comunicação no momento, uma grande parte do espectro serádesperdiçada. Se mais de N usuários quiserem se comunicar, alguns deles terão o acesso negado por falta de largura de banda, mesmo que alguns dos usuários aos quais foi alocada uma banda de freqüência raramente transmitam ou recebam dados Além disso, na maioria dos sistemas de computadores, quase todo o tráfego de dados ocorre em rajadas (são comuns relações de 1000:1 entre o tráfego de pico e o tráfego médio). Em conseqüência disso, a maioria dos canais, num sistema de alocação estática de canais, permanecerá ociosa na maior parte do tempo

13 Alocação estática de canais em LANse MANs O fraco desempenho da FDM estática pode ser analisado através da teoria de filas, conforme já mostrado Vamos começar com o retardo médio, r, para um canal com capacidade C bps, taxa de chegada de λ quadros/s e taxa de serviço de μquadros/s O comprimento de cada quadro édefinido por uma função densidade de probabilidade exponencial, com media de L bits/quadro. A taxa de serviço média depende do tamanho médio dos quadros, conforme: C µ = L Pela teoria de filas, pode-se mostrar que, o tempo de residência no sistema será: r = µ 1 λ

14 Alocação estática de canais em LANse MANs Num sistema de capacidade C bpssubdividido em N canais FDM ou TDM, conforme jámostrado, possui tempo de resposta: 1 N r N = = = N.r µ λ µ λ N N O retardo de tempo usando FDM ou TDM én vezes pior em relação a uma situação hipotética (?), onde os quadros seriam enfileirados numa grande fila única

15 Contexto de Acesso Múltiplo (alocação do canal sob demanda) Premissa de canal único compartilhado Possibilidade de colisão mecanismo de tratamento Tempo contínuo transmite a qualquer tempo Tempo segmentado (slotted) transmite em momentos pré determinados Detecção de portadora mecanismo de tratamento

16 Controle de Acesso AlohaPuro Colisão Diversas estações (A, B,..., E) podem transmitir a qualquer momento, arbitrariamente. Problemas?

17 Controle de Acesso AlohaPuro A idéia básica de um sistema ALOHA ésimples: permitir que os usuários transmitam sempre que tiverem dados a ser enviados. Naturalmente, haverá colisões, e os quadros que colidirem serão danificados Não érealizada escuta prévia e nem durante a transmissão, sendo necessária mensagem de confirmação da estação receptora (o que atrasa o processo) Se o quadro foi destruído, o transmissor apenas espera um período de tempo aleatório e o envia novamente O tempo de espera deve ser aleatório, pois senão os mesmos quadros continuarão a colidir repetidas vezes. Por outro lado, nas LANsum transmissor consegue descobrir se seu quadro foi ou não destruído, da mesma maneira que o fazem outros usuários, bastando para isso escutar o canal durante a transmissão Em uma LAN, esse feedback é quase imediato Em um satélite, háuma demora de 270 msantes de o transmissor saber se houve êxito na transmissão Os sistemas em que vários usuários compartilham um canal de forma que possa haver conflitos são conhecidos como sistemas de disputa (ou contenção)

18 Controle de Acesso AlohaPuro No sistema ALOHAos quadros são criados sempre com o mesmo comprimento pois o throughputémaximizado quando o comprimento dos quadros éuniforme em vez de variável Sempre que dois quadros tentarem ocupar o canal ao mesmo tempo, haveráuma colisão e ambos serão danificados. Se o primeiro bit de um novo quadro se sobrepuser apenas ao último bit de um quadro quase terminado, os dois quadros serão totalmente destruídos e terão de ser retransmitidos posteriormente O Checksumnão consegue (e não deve) fazer distinção entre uma perda total e uma perda parcial. Quadro com erro é quadro com erro, não há distinções

19 Controle de Acesso AlohaPuro Intervalo de tempo de vulnerabilidade, perda de quadros

20 Controle de Acesso SlottedAloha Time Slot Colisão Estações só transmitem em momentos determinados (slots)

21 Controle de Acesso AlohaPuro Até este ponto não ocorrem nova tentativas de envio Desempenho do Aloha e Slotted Aloha x tentativas de envio

22 Controle de Acesso AlohaPuro Na figura anterior mostra que o throughput máximo ocorre em G = 0,5, com S = 1/2e, que corresponde aproximadamente a 0,184 Em outras palavras, o melhor que podemos esperar éuma utilização de canal de 18% Esse resultado não émuito encorajador, mas com todas as pessoas transmitindo àvontade, dificilmente poderíamos esperar uma taxa de 100% de êxito

23 Controle de acesso CSMA Com o SlottedALOHA, a melhor utilização do canal que é possível conseguir é1/e. Pois as estações transmitem sem prestarem atenção ao que as outras estações estão fazendo, sendo provável que ocorram muitas colisões Porém, nas LANsas estações podem detectar o que outras estão fazendo, adaptando o seu comportamento de acordo com essa situação No protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 1- persistente, quando uma estação tem dados a transmitir, primeiramente escuta o canal para ver se mais alguém está transmitindo no momento. Se o canal estiver ocupado, a estação esperaráatéque ele fique ocioso. Quando detectar um canal desocupado, a estação transmitiráum quadro. Se ocorrer uma colisão, a estação esperaráum intervalo de tempo aleatório e começará tudo de novo. Esse protocolo é denominado 1-persistente, porque a estação transmite com probabilidade 1 sempre que encontra o canal desocupado.

24 Controle de Acesso AlohaPuro Comparação da quantidade de tentativas para vários tipos de protocolos de acesso

25 CSMA com Detecção de Colisão No período de contenção podem haver colisões Modelo de CSMA/CD, que pode estar em três estados: transmissão sem erros, contenção ou livre