Übungsblatt 5: UMTS & IEEE Wireless Local Area Networks (WLANs)

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1 Universiä Paderborn Fachgebie Rechnerneze Winersemeser 2007/2008 Mobilkommunikaion Übungsbla 5: UMTS & IEEE Wireless Local Area Neworks (WLANs) Universal Mobile Telecommunicaions Sysem (UMTS): UMTS Terresrial Radio Access (UTRA) and Handover (a) Calculae he maximum and minimum oal rae (including payload and conrol ) on he UTRA-FDD and UTRA-TDD inerface. Assume a chip rae of R C = 3.84 MChip/s and QPSK modulaion. i. FDD Modus: Die maximale Daenrae is für den Uplink und Downlink mi dem gleichen Spreizfakor SF = 4 angegeben. R max = 3, = 1, 92 Mbi/s Für die minimale Daenrae is der maximale Spreizfakor enscheidend, der bei FDD im Uplink und Downlink unerschiedlich definier is. R min,downlink = 3, = 15 kbi/s, R min,uplink = 3, = 30 kbi/s ii. TDD Modus: Es dürfen maximal 14 von 15 Zeischlizen pro Rahmen für eine Richung beleg werden, da mindesens 1 Zeischliz für die andere Richung reservier wird. Für die maximale Daenrae beräg der Spreizfakor SF = 1. R max = 3, = 7, 168 Mbi/s Die minimale Daenrae ergib sich für den Spreizfakor SF = 16 und der Belegung eines Zeischlizes. R min = 3, = 32 kbi/s (b) Explain he fundamenal difference beween hard and sof handover. When are hese mehods used? How do we preven o loose during hard handovers? Wha changes are required in he UTRAN o suppor sof handovers? Ein Hard Handover ergib sich aus der Trennung der Funkverbindung zwischen dem Nez und dem MT/UE (Mobile Terminaion/User Equipmen). Insbesondere gib es einen Hard Handover bei Iner Frequency Handover und Iner Sysem Handover. Eine Zuweisung von Funkfrequenzen/Zeischlizen is nowendig. In der GSM- Sysemarchiekur und UMTS/TDD-Sysemarchiekur gib es nur hare Handover. Bei UTRA/TDD (Universal Terresrial Radio Access) wird pro Zelle jeweils der gleiche Scrambling Code verwende, daher kann ein Signal nich zusäzlich von einer benachbaren Basissaion empfangen werden. Mobikom Winersemeser 2007/2008 Übungsbla 5 1

2 Dami ein UE in GSM oder ein anderes Frequenzband hineinhören kann, ha UMTS eine komprimiere Überragung (Compressed Mode) eingeführ. Ein Daenverlus kann durch die Anpassung des Spreizfakors (d.h. Überragung von mehr Daen in der gleichen Zei) vor oder nach der Überragungsunerbrechung vermieden werden. Ein Sof Handover bei UTRA/FDD nuz die Makrodiversiä aus, die vergleichbar mi der Mehrwegeausbreiung (mulipah propagaion) is. Die Daen können auf mehreren Funksrecken (Zellen) empfangen werden. Hierfür wird die selbe Frequenz in den Zellen verwende. Es gib drei Aren der Makrodiversiä: Inra-Node B (gleicher Node mi mehreren Anennen), Inra-RNC und Iner-RNC (RNC = Radio Nework Conroller). Beim Iner-RNC wird die Schniselle I ur eingeführ, über die die RNCs (SRNC (Serving RNC) und DRNC (Drif RNC)) mieinander kommunizieren können. 2. IEEE in general (a) Lis and describe he basic funcions in he Physical layer (PHY) and Daa Link Conrol layer (DLC). Die PHY-Schich erfüll die Aufgaben: i. Unersüzung der drei Funkechnologien: IR (Infraro), DSSS (Direc Sequence Spread Specrum), FHSS (Frequency Hopping Spread Specrum), weiere Überragungsverfahren werden von den Erweierungen 11a, 11b, 11g und (kommend) 11n unersüz. ii. Unerschich: Physical Layer Convergence Proocol (PLCP): CCA, einheilicher PHY- Dienszugangspunk (SAP), unabhängig von der Überragungsechnik iii. Unerschich: Physical Medium Dependen (PMD): Modulaion, Kodierung und Dekodierung. Die DLC-Schich erfüll die Aufgaben: i. Medienzugriff, Medium Access Conrol (MAC) sublayer ii. Fragmenierung iii. Verschlüsselung. iv. Unersüzung von Roaming, Auhenifizierung, Energiesparmaßnahmen (b) How does does IEEE saions es for a free channel? Die Belegung eines Mediums wird mi dem Clear Channel Assessmen (CCA) fesgesell. Das Medium wird für einen gewissen Zeiraum abgehör. Is die Empfangsenergie während dieser Zei uner einem Schwellwer wird der Kanal als frei angenommen. (c) Explain he purpose of he MAC iming parameers Shor Iner-Frame-Space (), Poin (coordinaion funcion) Inerframe Space (PIFS), and Disribued (coordinaion funcion) Inerframe Space (). Explain, why hey should be careful seleced. Why has a saion a leas o wai one prior o ransmission? Für die Medienzugriffseuerung werden drei Prioriäsparameer definier, die die einer Saion besimmen, bevor auf das Medium zugegriffen wird. <PIFS<, wih: PIFS = + sloime and = + 2 sloime Example IEEE a values: = 16µs, sloime = 9µs PIFS = 25µs; = 34µs Shor Iner-Frame-Spacing () sell die höchse Prioriä für Seuernachrichen und Besäigungen dar. Dann folg PIFS (PCF IFS) für den Infrasrukurmodus. Zulez wird (DCF IFS) für den Ad-hoc Modus definier. Die Dimensionierung dieser Parameer erfolg in Absimmung mi der daruner liegenden physikalischen Schich (Verzögerung zw. Sender u. Empfänger, Verzögerung in Mobikom Winersemeser 2007/2008 Übungsbla 5 2

3 der Sende-Empfangselekronik, weiere phys. Parameern) und deren Eigenschafen, z.b. Direc Sequence Spread Specrum (DSSS) (20µs) oder Frequency Hopping Spread Specrum (FHSS) (50µs). Weiere Parameer sind: Congesion Window (CW) + Backoff Time (siehe Aufg. 1.2) Nachdem die sendewilligen Saionen ein freies Medium fesgesell haben (carrier sense), wird nich sofor gesende. Das generelle Waren dien einerseis der Kollisionsvermeidung. Die Dauer (> ) dien dazu, den Empfang der Seuernachrichen, die nach der gesende werden, zu ermöglichen. (d) Explain he funcion of he Nework Allocaion Vecor (NAV)? Im NAV wird der Zeipunk definier, ab dem eine Saion wieder auf das Medium zugreifen kann. (e) Compare he IEEE infrasrucure and ad-hoc mode according o heir archiecure, services, and MAC funcions. Modus Archiekur Diensangebo Medienzugriffsverfahren Infrasrukur AP als Koordinaor, asynchron, zenral, PCF, Polling BSS zeibeschränk Ad-hoc kein Koordinaor, asynchron dezenral, DCF, (CSMA/CA + IBSS RTS/CTS) BSS: Basic Service Se, ESS: Exended Service Se, PCF: Poin Coordinaion Funcion, DCF: Disribued Coordinaion Funcion, IBSS: Independen BSS (f) Discuss he suiabiliy of using CSMA/CD (collision deecion) and CSMA/CA (collision avoidance) in WLANs. Provide examples where hese mehods are inefficien. CSMA/CD: Eine Kollisionserkennung (collision deecion) in WLAN is nich möglich, weil die Teilnehmer nich gleichzeiig im drahlosen Medium hören und überragen können. Dies lieg insbesondere daran, dass wir nur eine Anenne und einen Transceiver haben. CSMA/CA: Kollisionsvermeidung (collision avoidance) durch en beim Sendeversuch: wenn ein freies Medium erkann wird, kann ers nach einer besimmen gesende werden. Wird ein besezes Medium erkann, so muss zusäzlich zur vordefinieren noch eine zufällige Zei (random backoff) geware werden, bis wieder auf das Medium zugegriffen werden darf. Um Fairhei zu gewährleisen, wird der Backoff-Zähler nach einem verlorenden Medienzugriffsversuch beim nächsen Versuch nich neu iniialisier sondern von seinem alen Wer weier herunergezähl. Ineffizienz bei sehr leicher oder sehr sarker Las! Dann liegen die zufälligen Backoff-Were abhängig von Conenion Window (CW) sehr eng zusammen oder sehr wei auseinander. => Viele Kollisionen oder unnöig lange en. Das Hidden Saion Problem kann durch opionales RTS/CTS gelös werden. Das Exposed Saion Problem kann nich durch RTS/CTS gelös werden. Mobikom Winersemeser 2007/2008 Übungsbla 5 3

4 3. IEEE Medium Access Conrol (MAC): Disribued Foundaion Wireless MAC (DFWMAC) wih RTS/CTS (a) CSMA/CA provides reliable ransmission and avoids collusions. Explain he benefis of addiional using he RTS/CTS echnique in his case. How can we decrease he delays and overhead inroduced by his echnique? Mi RTS/CTS kann das Hidden Terminal Problem gelös werden. Das Exposed Terminal Problem kann mi RTS/CTS nich gelös werden. Eine Verzögerung für das Senden von Daen für ein Terminal beseh weierhin (siehe Folie 3.24, Kapiel Medienzugriff). Eine Maßnahme zur Reduzierung der Nezlas und Zugriffsverzögerung kann mi einem RTS Schwellwer erreich werden, der eine besimme Rahmengröße definier ab der RTS/CTS eingesez werden kann. Nur bei größeren Rahmenlängen wird RTS/CTS genuz. Bei kleineren Rahmen sink die Wahrscheinlichkei für eine Kollision durch Hidden Saions, so dass auf RTS/CTS verziche werden kann. (b) Assume he below opology wih he nodes A, B, C, D, and E. A C E B D This following lis describes which nodes can reach each oher. Saring wih a free channel, provide one iming diagram for each of he 3 possible connecions. (a) B D and E D (b) C B and E D (c) A B and C Für eine übersichliche Darsellung nehmen wir an, dass nur eine Saion zu Beginn mi der Überragung beginn bzw. nach einer zufälligen Verzögerung (Backoff) plus die Zei den gegenüber anderen Saionen gewinn. Sender B RTS Empfänger D CTS ACK Sender E weiere Saionen A, C zufällige Verzögerung NAV (RTS) Figure 1: Lösung zu 3.b(a), Annahme: B sende zuers. (c) Assume ha in scenario 3.b(a) Saion B wins he conenion phase. For his case, calculae he overhead and effecive rae (so-called goodpu) for he ransmission of a single DLC frame. Assume sandard IEEE a parameers, in paricular, a ransmission rae of 6 Mbi/s for conrol frames and 12 Mbi/s for frames of 1500 Byes. Conrol frames are 20 Byes Mobikom Winersemeser 2007/2008 Übungsbla 5 4

5 Sender E RTS Sender C NAV (RTS) Empfänger B Empfänger D CTS ACK zufällige Verzögerung Figure 2: Lösung 3(b), Annahme: E sende zuers. Sender A Daen Empfänger B, C Daen Figure 3: Lösung zu Aufgabe 3c (Mulicas) (RTS), 14 Byes (CTS), and 14 Byes (ACK) long. Wih IEEE a an is 16 µs and an is 34 µs. Aggregraed lengh of all conrol frames: 48 8 = 384 bis Transmission ime of all conrol frames: 384 bis/(6 Mbis/s) = 64 µs Transmission ime for single frame of = 12000,: 1 ms Goodpu: bis/1064 s=11.3 Mbis Mobikom Winersemeser 2007/2008 Übungsbla 5 5