Metodi di accesso al mezzo - FDMA, TDMA, ALOHA e CSMA
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Il problema
In molte reti i nodi condividono lo stesso mezzo (un canale radio, un bus: Sistemi di telecomunicazioni e modello ISO-OSIUn servizio di telecomunicazioni porta informazione da una sorgente a una destinazione lontana attraverso trasmettitore, canale e ricevitore. Le comunicazioni si classificano per destinatari (unicast, broadcast, multicast) e per direzione (simplex, half-duplex, full-duplex); le reti hanno una topologia (stella, mesh, albero, anello, bus) e usano commutazione di circuito o di pacchetto. Le funzioni di rete sono divise in strati: nel modello ISO-OSI sono 7 e questo corso studia quasi solo lo strato fisico.Sistemi di telecomunicazioni e modello ISO-OSI →). Se due trasmettono insieme i segnali si sommano e nessuno è decodificabile: c'è una collisionedue o più nodi trasmettono insieme e i segnali si sommano: i pacchetti vanno persi. Il sottostrato MACmedium access control: sottostrato che decide chi usa il mezzo condiviso e quando (medium access control) del livello di collegamento dati decide chi trasmette e quando. Due famiglie:
- accesso deterministico: le risorse sono assegnate in anticipo, nessuna collisione (FDMAaccesso a divisione di frequenza: a ogni utente una sottobanda, TDMAaccesso a divisione di tempo: ogni utente trasmette nel proprio slot, polling, token);
- accesso aleatorio: i nodi trasmettono quando hanno dati, e si gestiscono le collisioni (ALOHA, CSMAcarrier sense multiple access: si ascolta il canale prima di trasmettere).
Per confrontarli si usa il throughput normalizzatofrazione di tempo in cui il canale trasporta pacchetti utili ricevuti correttamente : la frazione di tempo in cui il canale trasporta pacchetti utili ricevuti correttamente, , in funzione del traffico offerto normalizzatonumero medio di trasmissioni, nuove e ripetute, per ogni tempo di pacchetto (numero medio di pacchetti trasmessi, nuovi più ritrasmessi, per tempo di pacchetto ). Con ( bit per pacchetto, compresa l'intestazione) il numero di pacchetti ricevuti correttamente per secondo è e il bit-rate utile è .
Accesso deterministico
FDMA (frequency division multiple access): la banda totale è divisa tra utenti in sottobande di larghezza (più eventuali bande di guardia). Ogni utente ha un canale permanente di bit-rate .
TDMA (time division multiple access): il tempo è diviso in trame di durata , ciascuna con slotintervallo di tempo della trama assegnato a un utente; l'utente trasmette solo nel suo slot, a tutto il bit-rate . Se ogni slot contiene un intervallo di guardia (e preambolo) oltre ai di dati, l'efficienza è e il bit-rate medio per utente Se i dati sono protetti da un codice a blocco (Codifica di canale - codici a blocco, distanza minima, rivelazione e correzioneLa codifica di canale aggiunge ridondanza ai bit per rivelare o correggere gli errori del canale. Un codice a blocco $(n,k)$ trasforma $k$ bit in $n$ bit (rendimento $R_c=\frac kn$). Con la distanza di Hamming minima $d_{min}$ il codice rivela fino a $d_{min}-1$ errori e ne corregge $t=\left\lfloor\frac{d_{min}-1}2\right\rfloor$ (decodifica a minima distanza). Vale il limite di Singleton $d_{min}\le n-k+1$. Su un canale binario simmetrico con errore $p$, la probabilità di parola sbagliata è $P_w\le\sum_{i>t}\binom nip^i(1-p)^{n-i}$ e, con $p$ piccola, $P_{bit}\approx\frac{d_{min}}n\binom n{t+1}p^{t+1}$.Codifica di canale - codici a blocco, distanza minima, rivelazione e correzione →) il rate utile è ancora ridotto di : per Gbit/s, utenti e codice , Mbit/s (Esercizio 27 · TDMA, codice a blocco (63,45) e PAM a quattro livelli (tema d'esame luglio 2021)).
Pro e contro. Nessuna collisione e ritardo prevedibile, ma risorse sprecate se un utente non ha dati, sincronismo necessario, difficile da adattare a un numero variabile di utenti o a traffico a raffiche.
Accesso aleatorio: ALOHA
ALOHA puro. Ogni nodo trasmette un pacchetto appena lo ha. Se riceve conferma bene; altrimenti (collisione) attende un tempo casuale (backoffattesa casuale prima di ritrasmettere, per non ricollidere, per esempio esponenziale) e ritrasmette. Un pacchetto di durata ha successo se nessun altro inizia una trasmissione nell'intervallo attorno al suo inizio (finestra di vulnerabilitàintervallo in cui un'altra trasmissione provoca la collisione ). Con traffico offerto di Poissonarrivi indipendenti con un tasso medio costante: il numero di arrivi in un intervallo segue la legge di Poisson di intensità (pacchetti per ) la probabilità di nessun altro arrivo in è , quindi
Slotted ALOHA. Il tempo è diviso in slot di durata e le trasmissioni cominciano solo all'inizio di uno slot: la finestra di vulnerabilità si riduce a (si collide solo con chi usa lo stesso slot): Con nodi che trasmettono in ogni slot con probabilità probabilità con cui ogni nodo trasmette in uno slot (), il successo è , che tende a per grande; per il massimo () è .
Grafico interattivo: Throughput dello slotted ALOHA S = G·e^(−G) in funzione del traffico offerto G: massimo 0,368 in G = 1; oltre G = 1 le collisioni fanno calare S
Per il sistema è instabile senza controllo: troppi pacchetti, più collisioni, più ritrasmissioni, e . Il backoff casuale serve a ridurre le collisioni ripetute. Valori (verificati con simulazione, slot o pacchetti): puro: : ; : ; : ; slotted: : ; : .
Esempio (tema d'esame gennaio 2021). sensori, pacchetti di bit più byte di intestazione ( bit), Mbit/s: s. Con slotted ALOHA il massimo di pacchetti ricevuti è pacchetti/s, cioè pacchetti/s per sensore ( kbit/s), contro i pacchetti/s per sensore ( kbit/s) di un TDMA ideale (Esercizio 29 · rete di sensori con slotted ALOHA (tema d'esame gennaio 2021)).
CSMA
Nel CSMA (carrier sense multiple access) il nodo ascolta il canale prima di trasmettere: se lo sente occupato non trasmette. Collisioni restano possibili solo perché il segnale impiega un tempo ritardo di propagazione: tempo che il segnale impiega a percorrere il mezzo (propagazione) ad arrivare: due nodi che iniziano entro l'uno dall'altro non si accorgono. Si definisce (ritardo normalizzato); il CSMA funziona bene se . Varianti:
- 1-persistent: se il canale è occupato aspetta e trasmette appena si libera (causa collisioni se in attesa ci sono più nodi);
- non persistentese il canale è occupato attende un tempo casuale e riascolta, senza restare in ascolto: se è occupato attende un tempo casuale e riascolta; per piccolo
- CSMA/CDcollision detection: si interrompe la trasmissione appena si rileva una collisione (collision detection): si ascolta anche durante la trasmissione e la si interrompe appena si rileva una collisione (Ethernet su cavo coassiale); CSMA/CA (collision avoidance): nelle reti radio, dove non si può ascoltare mentre si trasmette, si ricorre a backoff e conferme (Wi-Fi).
Il massimo di (calcolo numerico) è per (in ) e per : l'accesso con ascolto è molto più efficiente dell'ALOHA se il ritardo di propagazione è piccolo rispetto alla durata del pacchetto, e peggiora quando cresce (reti satellitari: grande, l'ascolto non serve).
| Protocollo | Note | |
|---|---|---|
| ALOHA puro | nessun sincronismo | |
| slotted ALOHA | slot sincronizzati | |
| CSMA non persistente () | serve ascolto, piccolo | |
| TDMA/FDMA | meno le guardie | nessuna collisione, risorse fisse |
Errori comuni
- Applicare all'ALOHA puro (la finestra è : ).
- Dimenticare che conta tutte le trasmissioni (nuove e ritrasmesse), non solo i pacchetti nuovi.
- Prendere come numero di pacchetti/s: va diviso per (con che comprende l'intestazione).
- Usare un throughput normalizzato come bit-rate senza moltiplicare per e per la frazione di bit di dati.
Versione ripasso
- MAC (Sistemi di telecomunicazioni e modello ISO-OSIUn servizio di telecomunicazioni porta informazione da una sorgente a una destinazione lontana attraverso trasmettitore, canale e ricevitore. Le comunicazioni si classificano per destinatari (unicast, broadcast, multicast) e per direzione (simplex, half-duplex, full-duplex); le reti hanno una topologia (stella, mesh, albero, anello, bus) e usano commutazione di circuito o di pacchetto. Le funzioni di rete sono divise in strati: nel modello ISO-OSI sono 7 e questo corso studia quasi solo lo strato fisico.Sistemi di telecomunicazioni e modello ISO-OSI →): più nodi sullo stesso mezzo collisioni; deterministico (FDMA, TDMA) o aleatorio (ALOHA, CSMA). throughput normalizzato, traffico offerto (per ); pacchetti/s .
- FDMA/TDMA: per utente, per TDMA (e con codice: Codifica di canale - codici a blocco, distanza minima, rivelazione e correzioneLa codifica di canale aggiunge ridondanza ai bit per rivelare o correggere gli errori del canale. Un codice a blocco $(n,k)$ trasforma $k$ bit in $n$ bit (rendimento $R_c=\frac kn$). Con la distanza di Hamming minima $d_{min}$ il codice rivela fino a $d_{min}-1$ errori e ne corregge $t=\left\lfloor\frac{d_{min}-1}2\right\rfloor$ (decodifica a minima distanza). Vale il limite di Singleton $d_{min}\le n-k+1$. Su un canale binario simmetrico con errore $p$, la probabilità di parola sbagliata è $P_w\le\sum_{i>t}\binom nip^i(1-p)^{n-i}$ e, con $p$ piccola, $P_{bit}\approx\frac{d_{min}}n\binom n{t+1}p^{t+1}$.Codifica di canale - codici a blocco, distanza minima, rivelazione e correzione →). Gbit/s, , : Mbit/s.
- ALOHA puro: , (). Slotted: , (); nodi: , : . : instabile; backoff casuale.
- CSMA (): non persistente , max (), (); CD (cavo), CA (radio).
- Esempio: sensori, bit, Mbit/s: s; slotted: pkt/s ( per sensore) contro TDMA .
- Errori tipici: per l'ALOHA puro; senza ritrasmissioni; non diviso per .