L6 Multiple Radio Access

Multiple Radio Access Protocols

行動與無線通訊中用來讓多個使用者在共享的頻譜或頻道上有效通訊的技術集合

Multiple Access Protocols 分類:

  • Contention-based - 競爭通道使用權，可能發生碰撞
    • Aloha
    • CSMA
    • 對應 Control channel - L6
  • Conflict free - 預先分配資源，避免碰撞
    • FDMA
    • TDMA
    • CDMA
    • 對應 Data channel (traffic channel) - L7

Pure ALOHA

  • 最早的 random-access method
  • Rules:
    • Multiple access: a station sends a frame when it has a frame to send
    • Acknowledgment: the station waits for an ACK after its
      transmission
      • Allotted time: 2 times the max propagation delay
      • Retransmission if needed
  • 如果發生碰撞，會在隨機延遲之後重傳
  • 最大通道利用率約 18%

Slotted ALOHA

  • 將時間分割為 Slot (時槽)，使用者只能在 Slot 的開頭進行傳送
  • Slot time = frame transmission time (封包傳送時間)
  • 最大通道利用率約 37% (Pure ALOHA 的兩倍)

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

  • 發送前先偵測 (Listen) 通道是否空閒 - 避免碰撞
  • Need an algorithm to specify what a station should do if the
    medium is found busy - 產生三種分類:
    • Nonpersistent CSMA
      • 通道空閒時直接傳送，否則等待隨機時間後重新檢查
      • 減少碰撞機率
      • 可能浪費通道容量 (沒有隨時監聽)
    • 1-Persistent CSMA
      • 通道空閒時直接傳送，否則持續監聽直到通道為空
      • 如果有兩個用戶都在等待 (監聽)，則會產生碰撞
    • p-Persistent CSMA
      • 通道空閒時以機率 p 直接傳送，否則等待一個 time unit 後重新檢查
      • time unit = maximum propagation delay
      • 每個時間點試圖傳輸的使用者數 = np (let np < 1)

CSMA/CD

CD: Collision Detection

  • 傳送邏輯與 1-Persistent CSMA 類似，但是增加了碰撞後的處理
  • 當發生碰撞後，傳送一個 Jamming Signal(干擾信號) 給所有使用者，讓他們知道發生了碰撞，之後等待一段隨機時間重新檢測通道是否空閒
  • Exponential Backoff
    • Waiting time = [0,2N∗T][0, 2^N*T]
    • N: 重傳次數 (發生碰撞的次數)
    • T: Maximum propagation time
  • Used in traditional Ethernet

CSMA/CA

CA: Collision Avoidance

  • 當發現通道為空閒後，會等待一段固定時間 (DIFS) 之後才傳送
  • 傳送之後會等待 ACK，如果在固定時間 (SIFS) 內沒有收到 ACK，則進行 Backoff 並重傳
  • SIFS 使用時機 (SIFS < DIFS)
    • 資料 - ACK
    • RTS - CTS
    • CTS - 資料
  • RTS & CTS: 避免 hidden terminal problem
    • RTS: Ready To Send
    • CTS: Clear To Send

Hidden Terminal Problem

  • MS A & MS B 同時傳送資料給 AP
  • MS A & MS B 監聽通道時沒有發現彼此的存在，造成碰撞
  • 解決: 使用 RTS & CTS
    • MS A & MS B 聽到 AP 發送的 CTS 就知道此時有人正在使用通道，暫停傳送資料

Exposed Terminal Problem

  • AP1 正在傳送資料給 MS A，MS B 準備要傳資料給 AP2
  • MS B 聽到 AP1 正在進行傳輸，認為傳送資料會干擾，導致通道浪費
  • 解決: 使用 RTS & CTS
    • 如果只有收到 AP1 的 RTS，而沒有收到 MS B 的 CTS，代表不會產生干擾