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Note per Studenti Metodi di accesso al mezzo - FDMA, TDMA, ALOHA e CSMA

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 SS: la frazione di tempo in cui il canale trasporta pacchetti utili ricevuti correttamente, 0≤S≤10\le S\le1, in funzione del traffico offerto normalizzatonumero medio di trasmissioni, nuove e ripetute, per ogni tempo di pacchetto GG (numero medio di pacchetti trasmessi, nuovi più ritrasmessi, per tempo di pacchetto tPt_P). Con tP=LRbt_P=\frac L{R_b} (LL bit per pacchetto, compresa l'intestazione) il numero di pacchetti ricevuti correttamente per secondo è StP\frac S{t_P} e il bit-rate utile è S Rb⋅LdatiLS\,R_b\cdot\frac{L_{dati}}L.

Accesso deterministico

FDMA (frequency division multiple access): la banda totale BB è divisa tra NN utenti in NN sottobande di larghezza BN\frac BN (più eventuali bande di guardia). Ogni utente ha un canale permanente di bit-rate ≈RbN\approx\frac{R_b}N.

TDMA (time division multiple access): il tempo è diviso in trame di durata TfT_f, ciascuna con NN slotintervallo di tempo della trama assegnato a un utente; l'utente ii trasmette solo nel suo slot, a tutto il bit-rate RbR_b. Se ogni slot contiene un intervallo di guardia (e preambolo) tgt_g oltre ai tut_u di dati, l'efficienza è η=tutu+tg\eta=\frac{t_u}{t_u+t_g} e il bit-rate medio per utente Rutente=RbN η.R_{utente}=\frac{R_b}{N}\,\eta. Se i dati sono protetti da un codice a blocco (n,k)(n,k) (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 kn\frac kn: per Rb=10R_b=10 Gbit/s, N=20N=20 utenti e codice (63,45)(63,45), Rutile=101020⋅4563=357R_{utile}=\frac{10^{10}}{20}\cdot\frac{45}{63}=357 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 tPt_P ha successo se nessun altro inizia una trasmissione nell'intervallo (−tP,tP)\left(-t_P,t_P\right) attorno al suo inizio (finestra di vulnerabilitàintervallo in cui un'altra trasmissione provoca la collisione 2tP2t_P). 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 GG (pacchetti per tPt_P) la probabilità di nessun altro arrivo in 2tP2t_P è e−2Ge^{-2G}, quindi SALOHA=G e−2G,Smax=12e=0,184 per G=12.\boxed{S_{ALOHA}=G\,e^{-2G},\qquad S_{max}=\frac1{2e}=0{,}184\ \text{per }G=\tfrac12.}

Slotted ALOHA. Il tempo è diviso in slot di durata tPt_P e le trasmissioni cominciano solo all'inizio di uno slot: la finestra di vulnerabilità si riduce a tPt_P (si collide solo con chi usa lo stesso slot): Sslotted=G e−G,Smax=1e=0,368 per G=1.\boxed{S_{slotted}=G\,e^{-G},\qquad S_{max}=\frac1e=0{,}368\ \text{per }G=1.} Con NN nodi che trasmettono in ogni slot con probabilità qqprobabilità con cui ogni nodo trasmette in uno slot (G=NqG=Nq), il successo è S=Nq(1−q)N−1S=Nq(1-q)^{N-1}, che tende a Ge−GGe^{-G} per NN grande; per N=15N=15 il massimo (q=1Nq=\frac1N) è (1−1N)N−1=0,380(1-\frac1N)^{N-1}=0{,}380.

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 G>1G>1 il sistema è instabile senza controllo: troppi pacchetti, più collisioni, più ritrasmissioni, e S→0S\to0. Il backoff casuale serve a ridurre le collisioni ripetute. Valori (verificati con simulazione, 2⋅1062\cdot10^6 slot o 4⋅1054\cdot10^5 pacchetti): puro: G=0,25G=0{,}25: S=0,152S=0{,}152; G=0,5G=0{,}5: 0,1840{,}184; G=1G=1: 0,1350{,}135; slotted: G=0,5G=0{,}5: 0,3030{,}303; G=1,5G=1,5: 0,3350{,}335.

Esempio (tema d'esame gennaio 2021). N=15N=15 sensori, pacchetti di 10001000 bit più 33 byte di intestazione (L=1024L=1024 bit), Rb=2R_b=2 Mbit/s: tP=512 μt_P=512\ \mus. Con slotted ALOHA il massimo di pacchetti ricevuti è 1/etP=718,5\frac{1/e}{t_P}=718{,}5 pacchetti/s, cioè 47,947{,}9 pacchetti/s per sensore (4949 kbit/s), contro i 130,2130{,}2 pacchetti/s per sensore (133133 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 τP\tau_Pritardo di propagazione: tempo che il segnale impiega a percorrere il mezzo (propagazione) ad arrivare: due nodi che iniziano entro τP\tau_P l'uno dall'altro non si accorgono. Si definisce a=τPtPa=\frac{\tau_P}{t_P} (ritardo normalizzato); il CSMA funziona bene se a≪1a\ll1. 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 aa piccolo Snp=G e−aGG(1+2a)+e−aG;S_{np}=\frac{G\,e^{-aG}}{G(1+2a)+e^{-aG}};
  • 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 SnpS_{np} (calcolo numerico) è 0,8150{,}815 per a=0,01a=0{,}01 (in G≈9,5G\approx9{,}5) e 0,5150{,}515 per a=0,1a=0{,}1: 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 aa cresce (reti satellitari: aa grande, l'ascolto non serve).

Protocollo SmaxS_{max} Note
ALOHA puro 0,1840{,}184 nessun sincronismo
slotted ALOHA 0,3680{,}368 slot sincronizzati
CSMA non persistente (a=0,01a=0{,}01) ≈0,82\approx0{,}82 serve ascolto, aa piccolo
TDMA/FDMA ≈1\approx1 meno le guardie nessuna collisione, risorse fisse

Errori comuni

  • Applicare Ge−GGe^{-G} all'ALOHA puro (la finestra è 2tP2t_P: Ge−2GGe^{-2G}).
  • Dimenticare che GG conta tutte le trasmissioni (nuove e ritrasmesse), non solo i pacchetti nuovi.
  • Prendere Smax=1eS_{max}=\frac1e come numero di pacchetti/s: va diviso per tP=LRbt_P=\frac L{R_b} (con LL che comprende l'intestazione).
  • Usare un throughput normalizzato come bit-rate senza moltiplicare per RbR_b e per la frazione di bit di dati.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata