Funkkommunikationstechnik. Systembetrachtungen: Reichweiten, Modulationsverfahren...

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1 Funkkommunikationstechnik Systembetrachtungen: Reichweiten, Modulationsverfahren... Lösungen

2 Netzstruktur: Prinzip

3 Systembetrachtungen Einleitung 1 Am Beispiel der verschollenen MH370 hat sich gezeigt, dass ein globales Positionserfassungssystem für Flugzeuge auch über Meeresflächen notwendig wäre. Ein Lösungsansatz ist im Schaubild auf der vorangegangenen Seite dargestellt. Dabei senden Flugzeuge ihre Positionsdaten mit ADS-B oder evtl. in Zukunft mit LDACS1 aus (Beide Systeme nutzen das L-Band). Von Schiffen werden diese Daten empfangen und an Satelliten weitergeleitet. Mit LDACS1 könnten auch weitere Datendienste auf dieses System aufbauen. Am Schiffsverkehr beteiligte Objekte (Schiffe, Häfen, Bojen) tauschen Positionsdaten über das AIS-Funksystem aus. Für die Schiffs-Satelliten-Kommunikation müsste dieser Standard mit einem neuen Verfahren AIS+ erweitert werden. Um eine möglichst lückenlose Verfügbarkeit des Positionserfassungssystem zu erreichen, müssten genügend Schiffe mit ADS-B/LDACS1 und AIS+ aufgerüstet werden. Aufgabe 1 (1 Punkt) (1 Punkt). Was könnte einen Reeder dazu bewegen, ein zusätzliches Funksystem an Board zu installieren? Geld Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

4 Systembetrachtungen Einleitung 2 Betrachten Sie dazu zunächst mal den als AIS+ bezeichneten Kommunikationsstrang aus dem Schaubild. Die benötigten Satelliten können entweder als: (A) Geostationäre oder (B) Low Earth Orbit Satelliten realisiert sein Für beide Fälle gilt dann: (A) Konstante Umlaufbahnhöhe über der Erdoberfläche beträgt ca km (B) Typische Umlaufbahnhöhe beträgt ca. 800 km. Der Satellit bewegt sich dabei mit einer Geschwindigkeit, die um Faktor 20 höher ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Erde. Dabei sollen Frequenzen im VHF-Band (~ 160 MHz) verwendet werden. ıaufgabe 2 (3 Punkte) (2 Punkte) Welche Art von Antennen sind für beide Fälle sinnvoll? Betrachten Sie sowohl den möglichen Gewinn wie auch die Richtcharakteristik der Antennen. (A) Antenne mit einer ausgeprägten Richtwirkung, da der Abstand zum Satelliten sehr groß ist und der Strahlungswinkel weitgehend konstant bleibt. (B) Antenne mit einer flachen Strahlungscharakteristik, da der Satellit ständig seine Position ändert. (1 Punkt) Wie ist die Verfügbarkeit eines jeweiligen Satelliten am bestimmten Ort der Erde in 24 Stunden? Hinweis: Eine qualitative Aussage genügt (A) ständig verfügbar, zumindest wenn er sich auf der richtigen Seite der Erde und nicht gerade über den Polen befindet (B) Je nach Umlaufgeschwindigkeit taucht er nur einige wenige Male innerhalb von 24 Stunden auf, für eine Dauer von typisch 10 min Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

5 Funkkommunikationstechnik Elektromagnetische Wellenausbreitung 1 Die Sende-/Empfangsantenne sowohl am Schiff wie am Satellit wird als λ/4-stab über leitender Fläche ausgeführt. Die verfügbare Sendeleistung betrage jeweils 10 W effektiv. Aufgabe 3 (6 Punkte) (4 Punkte). Für den Fall (B) auf der Vorgängerseite berechnen Sie die Signalstärke des ankommenden Signals. Dabei wird für die gesamte Strecke Freifelddämpfung angenommen und zwar für die Entfernung zwischen Satellit und Schiff bei der der Satellit gerade am Horizont auftaucht. Der Erdradius sei 6400 km und der Gewinn beider Antennen sei Die effektive Antennenhöhe beträgt λ/(2π). Hinweis: Die Feldstärke wird üblicherweise in dbµv/m angegeben. Abstand zum Satelliten: d = h {(1+2 R / h)} = [km] Freifelddämpfung: att = 20 log10(4 p d f / c) = [db] Effektive Antennenhöhe: heff = 0.3 [m] Rx_power = 10 log10(10000) att + 10 log10(3.28) + 10 log10(3.28) = 96.6 [dbm] = [3.3 µv] Feldstärke: E_rx = 20 log10(rx_power/heff) = 20.9 [dbµv] (2 Punkte) Wodurch könnte die tatsächliche Streckendämpfung wesentlich höher ausfallen als die oben berechnete Freifelddämpfung? Streckendämpfung kann durch den langen Weg durch die Atmosphäre erheblich höher sein. Richtwerte für z.b. dichten Nebel (Sichtweite ~100m) : exp. Attenuation Coefficient = 50[1/km] Auch Mehrwegeausbreitung, durch geringen Einfallswinkel begünstigt, kann die effektive Dämpfung erhöhen. Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

6 Funkkommunikationstechnik Elektromagnetische Wellenausbreitung 2 Ein LEO-Satellit bewegt sich auf einer Umlaufbahn, die senkrecht zur Rotationsbewegung der Erde liegt, mit einer Geschwindigkeit von typischerweise 8 km/s. Damit taucht er für einen stationären Beobachter auf der Erde 4 Mal am Tag am Horizont auf und verschwindet wieder nach ca. 5 bis 15 Minuten, je nach Standort des Betrachters. Aufgabe 4 (4 Punkte) (2 Punkte) Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf der Doppler- Verschiebung während der Satellit für den Betrachter sichtbar ist. Siehe Bild rechts (1 Punkt) Wie groß ist die maximale Frequenzverschiebung im VHF-Band 160 MHz? Wie ändert sich dieser Wert für L-Band (~ 1GHz)? Doppler-Verschiebung VHF: fd = f / (1 v/c) = 4267 [Hz] Im L-Band vergrößert sich die Frequenzverschiebung um mehr als Faktor 6. (1 Punkt) Was bedeutet dies für ein Mehrträgerverfahren? Der Trägerabstand muss deutlich geringer sein als die max. mögliche Dopplerverschiebung Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

7 Funkkommunikationstechnik Linkbudget: Flugzeug zu Basisstation Nun soll die Funkstrecke: Flugzeug zu den möglichen Basisstationen betrachtet werden. Die Modulationsart ist 2-fach FSK unter Verwendung eines kohärenten Demodulators, die äquivalente Rauschbandbreite beträgt 25 khz. Ein Codierungsgewinn wird außer Acht gelassen. Sowohl die Empfangs- als auch die Sendeantenne können als λ/4-monopole über einer unendlichen, leitenden Fläche angenähert werden. Die Bitfehlerhäufigkeit ist durch die nachstehende Formel gegeben: Aufgabe 5 (5 Punkte) (5 Punkte) Der Satellit, dessen Umlaufbahn 800 km beträgt ist gerade sichtbar am Horizont. Wie ist die maximale Rauschleistung des Empfängers zu dimensionieren, damit eine Bitfehlerhäufigkeit von 10^-6 erreicht werden kann. Die Sendeleistung sei 10 Watt. Berücksichtigen Sie dabei eine Systemreserve von 10 db. Empfangsleistung: Rx = [dbm] (siehe Aufgabe 3. Teil 1) Rauschzahl: F = log10 (kt0) 10 log10 (BW/Hz) 10 log10 (E b /N0 BER=10^-6 ) 10 db = 9.9 [db] Anmerkung: Die geforderte Bitfehlerhäufigkeit wird bei einem Störabstand von Eb/N0=13.5 db erreicht. Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

8 Funkkommunikationstechnik Systemische Störfestigkeit (Co-site) ı Am Schiff, das als See-Basisstation fungieren soll, müssen verschiedene Funksysteme koexistieren, ohne sich gegenseitig negativ zu beeinflussen. ı In unserem Fall wird im selben Frequenzband (VHF ~ 160 MHz) gleichzeitig ein Signal über AIS gesendet und über AIS+ empfangen. Die Sende- und Empfangsfrequenz liegen mindestens 1% auseinander. (Zur Erinnerung: Sendeleistung = 10 W) ı Als Faustregel für die Entkopplungsdämpfung zwischen zwei Antennen gilt: Ein Abstand von 10 Wellenlängen entspricht 40 db Dämpfung. Hinweis: Als Vereinfachung nehmen Sie an, dass die Entkopplungsdämpfung mit dem Quadrat der Entfernung zwischen den Antennen steigt R&S Fallstudienwettbewerb

9 Funkkommunikationstechnik Alternativlösung 1 Störfestigkeit im System(Co-site) Antennengewinn +5.2 dbi Aufgabe 6 (7 Punkte) (5 Punkte) Wie ist die minimale Entfernung in Metern zwischen den beiden VHF Antennen zu wählen, damit ein Störabstand von mindestens 13.5 db gewährleitet werden kann? Der installierte Sender weise ein Störabstand von 150 dbc/hz in einer Frequenzablage zum Träger von 1 % auf. Die Nutzbandbreite sei 25 khz. Das Nutzsignal muss noch mit einem minimalen Pegel von dbm empfangen werden können. Das Rauschmaß, das der Empfänger selbst hat, ist hier ausnahmsweise zu vernachlässigen. Senderauschleistungsdichte in % Abstand: +40 [dbm] [dbi] 150 [dbc/hz] = [dbm/hz] Erlaubte Rauschleistungsdichte am Empfänger: 92.5 [dbm] [db] + 10 log10 (BW/Hz) 5.2[dBi] = [dbm/hz] Mindestentkopplung Rx-Tx: = [dbm/hz] ( [dbm/hz]) = 50.4 [db] 40 db ~ 10 Wellenlängen, für die zusätzlichen 10.4 db muss der Abstand um Faktor: /20 = 3.3 vergrößert werden Damit ergibt sich ein Abstand von [m] = 62 [m] (2 Punkte) Der Reeder hat nur einen begrenzten Raum für die Unterbringung von Antennenmasten verfügbar, so dass ein Abstand von nur ca. 6 m möglich ist. Um wieviel verringert sich die Entkopplungsdämpfung in diesem Fall? Dämpfungsverringerung: 20 log10 (d1/d2) = 19.5 [db], (d1 = 56.6 m, d2 = 6 m) Welche Maßnahmen könnte er ergreifen, um die Anforderung an den Störabstand zu erfüllen? Welche Kosten sind damit verbunden? Einen Sender mit -170dBc/Hz in 1% gibt s nicht zum Kaufen, daher Sendefilter installieren. Teuer! Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

10 Funkkommunikationstechnik Alternativlösung 2 Störfestigkeit im System(Co-site) Antennengewinn 0dBi Aufgabe 6 (7 Punkte) (5 Punkte) Wie ist die minimale Entfernung in Metern zwischen den beiden VHF Antennen zu wählen, damit ein Störabstand von mindestens 13.5 db gewährleitet werden kann? Der installierte Sender weise ein Störabstand von 150 dbc/hz in einer Frequenzablage zum Träger von 1 % auf. Die Nutzbandbreite sei 25 khz. Das Nutzsignal muss noch mit einem minimalen Pegel von dbm empfangen werden können. Das Rauschmaß, das der Empfänger selbst hat, ist hier ausnahmsweise zu vernachlässigen. Senderauschleistungsdichte in % Abstand: +40 [dbm] + 0 [dbi] 150 [dbc/hz] = [dbm/hz] Erlaubte Rauschleistungsdichte am Empfänger: 92.5 [dbm] [db] + 10 log10 (BW/Hz) 0 [dbi] = [dbm/hz] Mindestentkopplung Rx-Tx: = [dbm/hz] ( [dbm/hz]) = 40.0 [db] Entkopplung von 40 db entspricht einem Abstand von ~ 10 Wellenlängen. Damit ergibt sich ein notwendiger Abstand von [m] = 18.8 [m] (2 Punkte) Der Reeder hat nur einen begrenzten Raum für die Unterbringung von Antennenmasten verfügbar, so dass ein Abstand von nur ca. 6 m möglich ist. Um wieviel verringert sich die Entkopplungsdämpfung in diesem Fall? Dämpfungsverringerung: 20 log10 (d1/d2) = 10.0 [db]. Welche Maßnahmen könnte er ergreifen, um die Anforderung an den Störabstand zu erfüllen? Welche Kosten sind damit verbunden? Einen Sender mit -160dBc/Hz in 1% oder Sendefilter installieren. Teuer! R&S Fallstudienwettbewerb

11 Netzstrukturen Betrachtung von selbstorganisierenden Netzwerken, Datenaufbereitung und kompression und CDMA.

12 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Problemstellung ı Die von Flugzeugen ausgesandten Positionsdaten sollen auf See von speziellausgestatteten Schiffen empfangen und an ein Satellitennetzwerk weitergeleitet werden. ı Um die Datenlast zu reduzieren, sollen nur Schiffe Positionsdaten weiterleiten, die die Netzabdeckung für Flugzeuge maximieren R&S Fallstudienwettbewerb

13 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Vorgaben Für Schiff-zu-Schiff Verbindungen beträgt die Reichweite etwa 20nm (37km). Für Flugzeug-zu-Schiff Verbindungen beträgt die Reichweite etwa 200nm (370km). Schiffe sind nicht homogen auf der Wasseroberfläche verteilt sondern bilden Cluster (Häfen) oder folgen in der Regel Seestraßen. Schiffe die zu einer Satellitenkommunikation fähig sind, senden diese Information zusammen mit den Positionsdaten aus. Diese besitzen Up-Link- Fähigkeiten. Die Netzstruktur organisiert sich selbstständig ohne Einfluss zentraler Stellen (Satellit oder Bodenstationen) R&S Fallstudienwettbewerb

14 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Algorithmus Der folgende Algorithmus bestimmt für jedes Schiff mit Up-Link-Fähigkeit, ob es Flugzeugdaten an den Satellit weiterleiten soll oder nicht. Dabei werden im folgenden nur empfangene Schiffspositionen berücksichtigt, die eine Up-Link- Fähigkeit besitzen. 1. Wenn kein weiteres Schiff sichtbar ist, ist dieses Schiff eine Vermittlungsstation, sonst 2. Bestimme anhand aller Schiffspositionen das Gravizentrum (Center of Gravity) 3. Bestimme den Abstandsvektor aller Schiffspositionen zum Gravizentrum. 4. Bestimme die Entfernung aller Schiffspositionen bezogen auf die Richtung vom Gravizentrum zur eigenen Position. 5. Falls eigene Position größte Entfernung zum Gravizentrum aufweist, dann ist dieses Schiff eine Vermittlungsstation R&S Fallstudienwettbewerb

15 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke Mit dem vorgestellten Algorithmus sollen folgende Zielvorgaben erreicht werden. ı Zielvorgaben Positionsdaten von Flugzeugen sollen lückenlos an das Satellitensystem weitergeleitet werden. Die Anzahl der Schiffe, die Informationsdaten von Flugzeugen weiterleiten, soll minimal sein. Das Netzwerk organisiert sich selbstständig R&S Fallstudienwettbewerb

16 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Aufgabe 7 (6 Punkte) Bestimmen Sie das Gravizentrum für Schiff E für das Beispielszenarios. Ist Schiff E eine Vermittlungsstation? Schiffskennung X-Position [km] Y-Position [km] ı Kartesisches A Koordinartensystem B C D E F G H I J K L M N ı Darstellung auf nächster Seite R&S Fallstudienwettbewerb

17 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Aufgabe 7 (6 Punkte) Bestimmen Sie das Gravizentrum für Schiff E für das Beispielszenarios. Ist Schiff E eine Vermittlungsstation? ı Lösung 7 (6 Punkte) Zentrum befindet sich bei (116, 172) Nein. Aus Sicht von E ist D eine geeignetere Vermittlungsstation. Team Punkte Footer: >Insert >Header & Footer 17

18 Netzstrukturen Selbstorganisierende Netzwerke ı Kartenansicht des Beispielszenarios: ı Bezugspunkt ist die untere linke Ecke (0, 0) R&S Fallstudienwettbewerb

19 Network structures Self-organizing networks ı Aufgabe 8 (6 Punkte) Leider hat der vorgestellte Algorithmus Schwächen. Welche Probleme können bei diesem Algorithmus auftreten? Können alle Zielvorgaben erreicht werden? Lösung Folgende Schwächen des Algorithmus können zu Tage treten (bitte hierzu auch die Grafik betrachten): 1. Zuständigkeiten werden wechselseitig zugeordnet (Aus Sicht von E wäre D, aus D wiederum E besser geeignet. Dadurch entstehen Lücken in der Abdeckung, obwohl Schiffe vorhanden wären (hier zwischen H, E und D) 2. Zuständigkeiten werden nicht delegiert (G und I sehen den Cluster mit 5 Schiffen (Graviszentrum ist identisch), beide nehmen an, dass sie geeignet sind, liegen jedoch eng beieinander. Wäre E weiter entfernt, würden sich alle Schiffe des Clusters als zuständig betrachten. Fortsetzung auf nächster Folie R&S Fallstudienwettbewerb

20 Network structures Self-organizing networks Lösung 8 (Fortsetzung): 1. Der Bezugsradius ist zu klein. Aus Sicht des Flugzeuges würde ein einzelnes Schiff bereits als Vermittlungsstation ausreichen, da sich alle Schiffe in Empfangsreichweite befinden. Team Punkte Footer: >Insert >Header & Footer 20

21 Network structures Self-organizing networks ı Aufgabe 9 (6 Punkte) Welchen Algorithmus würden Sie stattdessen verwenden? ı Lösung 9 (6 Punkte) Hier ist der Kreativität freien Lauf gelassen. Eine Möglichkeit: Schiffe unterteilen die Fläche in Zuständigkeitsbereiche, in dem sie zwischen sich und anderen Grenzlinien ziehen. Überfliegt ein Flugzeug das eigene Zuständigkeitsgebiet, so muss das Schiff die Positionsdaten weiterleiten, sonst nicht. Team Punkte Footer: >Insert >Header & Footer 21

22 Netzstrukturen Datenaufbereitung und -kompression ı In der folgenden Tabelle sind durch das Schiff E empfangene Flugzeugpositionen exemplarisch angegeben. (Siehe Verlauf auf Kartenansicht) ı Aufgabe 10 (3 Punkte) Wie würden Sie die Daten aufbereiten, so dass die zu sendende Datenmenge weiter reduziert wird? Welche Probleme treten hierbei in der Praxis auf? Zeit [min] X-Position [km] Y-Position [km] R&S Fallstudienwettbewerb

23 Netzstrukturen Datenaufbereitung und -kompression Team Punkte ı Aufgabe 10 (3 Punkte) Wie würden Sie die Daten aufbereiten, so dass die zu sendende Datenmenge weiter reduziert wird? Welche Probleme treten hierbei in der Praxis auf? ı Lösung 10 (3 Punkte) Die Daten sind absolute Positionsangaben. Diese können in einen Bewegungsvektor umgerechnet werden. Da die Daten mit Rauschen belegt sind, sollten nur Änderungen übertragen werden, die einen Schwellwert überschreiten. Dabei dürfen leichte Kursänderungen nicht unterdrückt werden, d.h. Ableitung des V-Vektors ist ungeeignet für den Schwellwert. Stattdessen kann der Fehler des Prädiktorschätzwertes als Schwellwert verwendet werden. Fortsetzung nächste Seite R&S Fallstudienwettbewerb

24 Netzstrukturen Datenaufbereitung und -kompression ı Lösung 10 (3 Punkte): Folgende Daten wären sinnvoll: Zeit [min] Tatsächliche Position AC Geschätzte Position Abweichung Aktueller Bewegungsvektor , , , , , , , , , , , , , , , , , , 8.6 ı (Die Daten weichen geringfügig von der Aufgabenstellung ab, da die Daten im Script zufällig erzeugt wurden) R&S Fallstudienwettbewerb

25 Netzstrukturen CDMA Kommunikation ı Für die Schiffs-Satelliten Kommunikation soll CDMA eingesetzt werden. Damit der Satellit in der Lage ist, die Daten jedes Schiffes, das als Vermittlungsstation fungiert, zu decodieren, muss jedes Schiff einen einzigartigen Spreizcode verwenden. Die Satellitenkommunikation muss auf 8000 Schiffe ausgelegt sein. ı Aufgabe 11 (6 Punkte) Wie würden Sie einen Spreizcode aus der Menge der verfügbaren Codes ohne eine zentrale Management Station den Schiffen zuordnen? Wodurch ist die Mächtigkeit der Menge der Spreizcodes beeinflusst? Kann der Satellit durch Ihr Verfahren die Anzahl der zu dekodierenden Verbindungen reduzieren? R&S Fallstudienwettbewerb

26 Netzstrukturen Punkte CDMA Kommunikation Team Aufgabe 11 (6 Punkte) Wie würden Sie einen Spreizcode aus der Menge der verfügbaren Codes ohne eine zentrale Management Station den Schiffen zuordnen? Wodurch ist die Mächtigkeit der Menge der Spreizcodes beeinflusst? Kann der Satellit durch ihr Verfahren die Anzahl der zu dekodierenden Verbindungen reduzieren? Lösung 11 (6 Punkte): Jedes Bit wird auf Chips (Symbole mit Informationsgehalt < 1bit) gespreizt; dabei ist die Anzahl der Chips fix (z.b.: 32). Dadurch verbreitert sich die Bandbreite um Faktor 32. Bei einem RM-Code (32, 6, 16) können lediglich 64 Chipfolgen (Codewörter entspr. Anzahl Teilnehmer) verwendet werden (64 aus 4 Mrd. Kombinationen). Mächtigkeit ist beeinflusst von der Anzahl gültiger Codewörter und verfügbaren Bandbreite. Ein CDMA mit 8000 Teilnehmern ist daher nicht machbar?! Fortsetzung nächste Seite R&S Fallstudienwettbewerb

27 Netzstrukturen CDMA Kommunikation Aufgabe 11 (6 Punkte) Wie würden Sie einen Spreizcode aus der Menge der verfügbaren Codes ohne eine zentrale Management Station den Schiffen zuordnen? Wodurch ist die Mächtigkeit der Menge der Spreizcodes beeinflusst? Kann der Satellit durch ihr Verfahren die Anzahl der zu dekodierenden Verbindungen reduzieren? Lösung 11 (6 Punkte): Zuordnung der Spreizcodes über eine Funktion, die aus der Schiffsposition den Index für die Spreizcodetabelle errechnet. Problem: Zwei Schiffe dürfen nicht den selben Code verwenden, wenn sie nahe beieinander liegen. Bewegt sich ein Schiff von einer Zelle in eine andere, muss der Spreizcode geändert werden. Zuordnung über Schiffskennung ist nicht möglich, da es wesentlich mehr Schiffe als Speizcodes gibt, und der Satellit nicht wissen kann, welches Schiff sich gerade wo befindet R&S Fallstudienwettbewerb

28 Security und Nachrichteninhalte Betrachtung von Verschlüsselung und Integrität

29 Security Verschlüsselung ı Bei der Übermittlung von Positionsdaten durch Flugzeuge und Schiffe ist immer ein gewisses Vertrauen gefragt. Stellen Sie sich vor, ein Flugzeug übermittelt Daten an ein Schiff. Das Schiff dient als Repeater und soll die Daten weiter an einen Satelliten senden. Wenn die Besatzung des Schiffes feindselig gegenüber ziviler Luftfahrt ist, kann mit der Manipulation der Positionsdaten bzw. des Positionsvektors sensibel in die Flugruten eingegriffen werden. Der veränderte Positionsvektor gelangt zu einer Bodenstation (ATC) wo die Daten ausgewertet werden. Kommt es nun aufgrund des veränderten Positionsvektors zu vermeintlichen Zusammenstößen, kann dies zu drastischen Konsequenzen führen (Ausweichmanöver werden bspw. angeordnet). Um solche Szenarien zu verhindern, sollte die Positionsübertragung zwischen Bodenstation und Flugzeug verschlüsselt sein R&S Fallstudienwettbewerb

30 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Da es sich bei verschlüsselten Verbindungen um digitale Verfahren handelt, müssen sich am Anfang jeder Verbindung der Empfänger und der Sender synchronisieren. ı Aufgabe 1 (2 Punkte) Wie könnte eine Synchronisation des Datenstromes in einem solchen Szenario funktionieren? ı Lösung 1 Die Synchronisation muss unverschlüsselt übertragen werden (bspw. Eine Folge aus ). In diesem Fall geht kein Bit des Datenstromes verloren. Mit einer PLL die Frequenz anhand eines zufälligen Datenstromes zu synchronisieren dauert ggf. zu lange es gehen Daten verloren R&S Fallstudienwettbewerb

31 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Neben der Synchronisation am Anfang sollte der Empfänger auch wissen, wann ein verschlüsseltes Signal endet. ı Aufgabe 2 (2 Punkte) Was findet man am Ende eine verschlüsselten Datenstroms und wofür könnte es Verwendung finden? ı Lösung 2 Ein sogenanntes EOM (End Of Message) wird benötigt. Dieses dient dazu, dem Empfangendem Radio zu signalisieren, dass der Datenstrom zu ende ist (Squelch schließt sich, Radio ist bereit für neue Secure Übertragung) R&S Fallstudienwettbewerb

32 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Bei Funkübertragungen kommt es vor, dass periodische Signale übertragen werden. Stellen Sie sich vor ein reines Sinus Signal soll verschlüsselt übertragen werden. ı Aufgabe 3 (4 Punkte) Wie wird sichergestellt, dass der Sinus nicht in dem verschlüsselten Signal erkennbar ist und was für eine Art Verschlüsselung würden Sie bevorzugen? Erklären Sie das vorgehen (warum ein Sinus Signal nicht aus dem verschlüsseltem Signal extrahiert werden kann) und zeichnen Sie ein Blockschaltbild die eine solche Vorrichtung exemplarisch Umsetzt. ı Lösung 3 Es kommen Linear Feedback Shift Register (LFSR) zum Einsatz (i.d.r. 3 oder mehr). Mit diesem wird eine Pseudozufallsfolge generiert, die keinerlei Rückschluss auf den Klartext zulässt, auch wenn dieser sich wiederholt R&S Fallstudienwettbewerb

33 Security Verschlüsselung ı Mögliche Antworten sind: ı Output Feedback Mode oder Cipher Feedback Mode, Blockchiffre. ı Linear Feedback Shift Register, Stromchiffre. ı OFB Mode (Blockschaltbild kann stark variieren)*: ı Der Bitstrom ist pseudozufällig, weil er von der Blockchiffre, dem Schlüssel und dem Initialisierungsvektor abhängig ist *. ı *: Quelle Wikipedia, R&S Fallstudienwettbewerb

34 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Es gibt immer wieder Situationen in denen dritte Personen an dem Inhalt der Nachricht Interessiert sind. ı Aufgabe 4 (2 Punkte) Welche Methoden sind Ihnen bekannt um das Abhören (Gewinnung von lesbaren Informationen) des Datenstroms zu erschweren? ı Lösung 4 COMSEC: Verschlüsselung des Datensignals. TRANSEC: Hopping-Verfahren mit großen Frequenzsprüngen erschwert das Aufzeichnen R&S Fallstudienwettbewerb

35 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Am Flughafen wird versehentlich eine Frequenz dauerhaft gestört. Die Ortung des Störers läuft bereits im vollem Gange. Bis dahin müssen die Flugzeuge dennoch mit der Bodenstation in Kontakt bleiben. ı Aufgabe 5 (2 Punkte) Wie könnte man dieses Problem auf Radio-Ebene lösen? ı Lösung 5 TRANSEC Modul: Frequenzsprünge oder sehr breitbandige Kanäle benutzen R&S Fallstudienwettbewerb

36 Security Verschlüsselung ı In ein Flugfunkgerät soll ein Verschlüsselungsmodul integriert werden. Hierbei sollten einige Dinge beachtet werden, da es um die Sicherheit auf der Kommunikationsebene geht. ı Aufgabe 6 (5 Punkte) Wie würden Sie ein Verschlüsselungsmodul in ein Funkgerät integrieren? Zeichnen Sie ein Blockschaltbild auf Modul-Ebene (Transmitter, Receiver, Verstärker ). Markieren Sie anschließend die Bereiche in denen der Datenfluss unverschlüsselt ist mit roter Farbe, Bereiche in denen die Daten verschlüsselt vorliegen sollen Schwarz markiert sein R&S Fallstudienwettbewerb

37 Security Verschlüsselung ı Lösung 6 Team Punkte R&S Fallstudienwettbewerb

38 Security Verschlüsselung ı Ein Verschlüsselungsmodul benötigt eine Schnittstelle zum Rest des Funkgerätes. ı Aufgabe 7 (5 Punkte) Erstellen Sie eine Schnittstellenbeschreibung. Beachten Sie, dass neben Sprache auch Daten verschlüsselt werden sollen. Es soll ebenfalls möglich sein Einstellungen wie Schlüssel oder Datenrate verstellen zu können. ı Lösung 7 Bezeichnung I/O Team Punkte Data In (black) (Receiver) Data Out (black) (Transmitter) Audio In (red) Audio Out (red) Data In (red) Data Out (red) Fill In (Keys) I O I O I O I/O Control Bus (Data / Adr. / Ctrl.) I/O R&S Fallstudienwettbewerb

39 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Damit der Schlüssel im Funkgerät nicht an unberechtigte Personen gelangt ist es wichtig das Verschlüsselungsmodul vor Manipulation zu schützen. Aber auch das Schlüsselladegerät muss sicher sein. ı Aufgabe 8 (2 Punkte) Was für Mechanismen würden Sie wählen, damit unberechtigte Personen weder Zugang zu den Schlüsseln im Funkgerät noch zu denen am Schlüsselladegerät erhält? Beschreiben Sie wie der Schlüsselladevorgang mit den Mechanismen funktioniert R&S Fallstudienwettbewerb

40 Security Verschlüsselung ı Lösung 8 Team Punkte Schlüsselladegerät: Schlüssel sollten nur verschlüssel gespeichert werden. Zusätzlich gibt es an Schlüsselladegeräten sogenannte Cipher Ignition Keys mit denen das Gerät Freigeschaltet werden muss. Im COMSEC werden die Schlüssel entschlüsselt mit Hilfe eines Key Encryption Keys. Die Schlüssel werden unverschlüsselt abgelegt. Sollte jemand das COMSEC Modul ausbauen oder manipulieren wollen, sorgen Schutzschalter dafür, dass die Schlüssel gelöscht werden, bspw. Eine Schutzschaltung die sich durch das komplette Funkgerät zieht: wird ein Modul oder Deckel entfernt, werden sofort die Schlüssel gelöscht R&S Fallstudienwettbewerb

41 Security Verschlüsselung Team Punkte ı Teils gibt es sensible Anforderungen bzgl. Funkgerätezertifizierung. Beispielsweise können ohne direkten Kontakt zum Funkgerät Informationen gewonnen werden obwohl eine Verschlüsselung im Funkgerät stattfindet. Dazu werden hochsensible Geräte benötigt. ı Aufgabe 9 (2 Punkte) Auf was wird hier angespielt? Wie kann man ein Funkgerät gegenüber solchen Angriffen robuster machen? ı Lösung 9 Es wird auf TEMPEST oder offizielle Van-Eck-Phreaking angespielt. Dabei werden elektromagnetische Wellen, die das beobachtete Objekt abstrahlt aufgenommen und ausgewertet. Um ein Funkgerät gegen diese Attacke robust zu machen kommt eine Stromkompensation zum Einsatz. Dadurch wird das Phänomen der Abstrahlung stark gemildert R&S Fallstudienwettbewerb

42 Messplatz Teilaspekte des Systementwurfs Senderarchitektur und Verstärkerauswahl MUSTERLÖSUNG

43 Messplatz Aufgabe 1 Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 Überprüfen Sie die Einsatzmöglichkeit des Vorverstärkers im Sender! Messen Sie hierfür den Frequenzgang (Betrag) und den Verstärkungsfaktor: Stellen Sie die Signalleistung am Ausgang des Generators zunächst auf -20dBm. Der Messaufbau hat eine frequenzunabhängige Einfügedämpfung von 13dB. ı Welchen Betrag hat der maximale Verstärkungsfaktor? (2 Punkte) 24.3dB +/- 10% (22 26dB) ı Wie groß ist die Variation der Verstärkung über Frequenz maximal. (Im Frequenzbereich 100MHz 1GHz) (3 Punkte) 1.7dB +/- 15% (1.5 2dB) ı Ermitteln Sie den 1dB-Kompressionspunkt (P1dB) bei 160 MHz**! (6 Punkte) 18.5 dbm +/- 10% ( dbm) Für die Auswertung/Erfassung obiger Messungen nutzen Sie die Hilfsblätter auf den nächsten Folien R&S Fallstudienwettbewerb

44 1dB Kompression Hilfsblatt 30 OIP3 P1dB Pout /dbm Achtung! Die Leistung am Eingang des DUT darf -5dBm nicht überschreiten! Bis -5dBm (entspricht +1,5dBm am Generator) kann gefahrlos gearbeitet werden Pin /dbm R&S Fallstudienwettbewerb

45 Pegelplan Hilfsblatt VSWR 3 = 6dB return loss = 25% d. Leistung reflektiert, 75% d. Leistung abgestrahlt -10*log(0.75)= 1.25dB 1dB+1.25dB+0.75dB=3dB Digital + IF Block Upconverter Variable Attenuator Pre- Amp. (DUT) RF Switch Driver Amp. Power Amp. Harm. Filter. Directional Coupler UHF Ant MHz 54dBm radiated < VSWR 3 DAC LO Var. Att. >16 db db 38dB - 40dB NF=12dB 21dB - 23dB NF=6dB 17dB - 19dB NF=10dB 15dB - 18dB NF=10dB max. 1dB max. 1dB < VSWR 3 VHF Ant. 43dBm radiated -10 dbm nom. -12 dbm -2 dbm dbm Filter loss, Antenna mismatch + margin 0.75dB = -26 dbm 10 dbm dbm 3dB db dbm dbm R&S Fallstudienwettbewerb

46 Messplatz Aufgabe 2 (keine eigene Messung notwendig) Wie groß ist die nach Ihrem Pegelplan geforderte Leistung am Ausgang des Vorverstärkers (DUT) ı Minimal und -2dBm (+/-1dB wg. Rundungsfehlern) ı Maximal +10dBm (+/-1dB wg. Rundungsfehlern) Befindet sich diese auch unterhalb des P1dB? (5 Punkte) Ja (+10dBm vs. 18.5dBm), somit verwendbar Der sich aus der gemessenen Verstärkungsfaktoren (min./max.) und der notwendigen Ausgangsleistung ermittelte Dynamikbereich am Eingang des Vorverstärkers beträgt wie viel db? ı Wie groß muss daher das variable Dämpfungsglied davor mindestens gewählt >16dB Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 werden? (1 Punkt) ı Reicht bei gegebener Ausgangsleistung des Mischers die Verstärkung des Vorverstärkers in jedem Fall aus? (1 Punkte) Ja, (10dBm-22dB=-12dBm) R&S Fallstudienwettbewerb

47 Messplatz Aufgabe 3 Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 Eine wesentliche Verstärkereigenschaft ist dessen Verzerrungsverhalten. ı Ermitteln Sie den OIP3**** mit einem 2-Ton Testsignal***** bei 160MHz mit Tonabstand 10kHz. (4 Punkte) OIP3 = 25dBm Ergebnisse zwischen 20dBm und 28dBm sind okay, da sich je nach Messgenauigkeit große Streuungen ergeben können. Verifizieren Sie den Intermodulationsabstand 3. Ordnung (hier: Schulterabstand) mit dem FSW_WF1 Testsignal das sie bereits aus der Vorstudie kennen. ı Könnte ein Abstand von 50dB bei einer Ausgangsleistung von +10dBm eingehalten werden? Wie groß ist dieser? (2 Punkte) Nein, 44dB (Werte zwischen 40dB bis 49.5dB sind Okay) ı Deckt sich das Ergebnis mit Ihrer Erwartung aus dem Resultat der 2-Ton Messung? Falls dem nicht so ist: Worin sehen Sie die Ursache begründet? (2 Punkte) Nein, bei 2-Ton 51dB Ursache: Crest-Faktor, ggf. Bandbreite R&S Fallstudienwettbewerb

48 Messplatz Aufgabe 4 (keine eigene Messung notwendig) Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 ı Wie groß darf das Rauschmaß des Vorverstärkers maximal sein, wenn das Rauschmaß des Senders im schlechtesten Fall 3dB nicht überschreiten soll? (3 Punkte) mit F1=? F2= 12dB -> lin 15,8 F3= 10dB -> lin 10 G1= 22dB -> lin 158,5 G2= 38dB -> lin 6310 vernachlässigbar F1= 1,99 0,09 = 1,9 NF1= 2,78dB R&S Fallstudienwettbewerb