Übung zu Drahtlose Kommunikation. 8. Übung

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1 Übung zu Drahtlose Kommunikation 8. Übung

2 Aufgabe 1 a) Erläutern Sie die drei Grundprobleme, die beim drahtlosen Medienzugriff auftreten können und die verhindern, dass die gleichen Mechanismen wie in herkömmlichen Netzen eingesetzt werden können 8. Übung Drahtlose Kommunikation 2

3 Aufgabe 1 CSMA/CA Funkverbindungen steht normaler Weise nur eine Antenne zur Verfügung. Daher ist gleichzeitiges Senden und Empfangen nicht möglich. Somit ist das herkömmliche CSMA/CD Verfahren, das auch während des Sendens das Medium abhört, bei Wireless LAN nicht möglich. WLAN verwendet CSMA with Collision Avoidance. Es vermeidet unnötiges zusätzliche Kollisionen. Dies geschieht indem die Abarbeitung der Sendeversuche nicht zufällig, sondern durch Prioritäten erfolgt. Eine sendewillige Station hört zunächst das Medium ab. Wenn die laufende Sendung beendet ist, wartet die Station noch eine zufällige Zeit (Backoff-Zeit) und hört dabei das Übertragungsmedium ab. Wird in dieser Wartezeit eine Sendung von einer anderen Station festgestellt, halt die Wartezeit an, bis das Medium wieder frei ist. Somit muss die Station nicht noch mal die volle Backoff-Zeit abwarten. Sie erhält eine höhere Priorität als die anderen Stationen. Bei Ablauf der Wartezeit sendet die Station, wenn das Medium frei ist. Dabei kann es aber trotzdem zu Kollisionen oder Störungen kommen. Eine Kollision tritt auf, wenn zwei Stationen gleichzeitig mit der gleichen zufälligen Backoff-Zeit starten. Falls das Senden ohne Fehler stattgefunden hat sendet der Empfänger eine Quittung, das Acknowledgement (ACK). Wenn diese Quittung nicht bei der Station eintrifft wird ein neuer Sendeversuch gestartet 8. Übung Drahtlose Kommunikation 3

4 Aufgabe 1 Hidden-Station-Problem Eine Hidden Station bezeichnet den unerwünschten Umstand, dass bei einer Übertragung zwischen zwei Teilnehmern (A und B) ein weiterer potentieller Sender (C, das Hidden Terminal) in der Nähe des Empfängers (B) ist, der vom eigentlichen Sender (A) nicht gesehen werden kann (sehen bedeutet hier durch Carrier Sense erkannt werden). Dieser potentielle Sender (C) kann die Kommunikation der anderen beiden Knoten (A und B) stören, indem er ebenfalls eine Nachricht an den Knoten in der Mitte (B) sendet, dies kann zu einer Kollision an dem Empfänger (B) führen. Durch die Verwendung von RTS/CTS wird versucht das Hidden-Station-Problem zu vermeiden. Wenn B auf einen Request-to-send von A mit einem Clear-to-send antwortet hört C dies mit und wartet für die Zeit der Übertragung zwischen A und B. Dies kann das Problem aber nicht vollständig verhindern. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 4

5 Aufgabe 1 Exposed-Station-Problem Unter einer Exposed Station versteht man, wenn in eine Station B an A sendet und nun C an irgendeine andere Station senden möchte, die nicht im Sendebereich von B liegt. C erkennt die Signale von B und wartet, bis die Übertragung zwischen B und A vorbei ist. Da die Funkwellen von C aber Station A gar nicht erreichen können, wäre es gar nicht nötig zu warten: bei A könnte gar kein Konflikt auftreten. Dennoch ist C von der Sendung der anderen beiden Stationen abhängig (ausgeliefert). 8. Übung Drahtlose Kommunikation 5

6 The Hidden Terminal Problem Collision S 1 T 1 S 2 T 2 CSMA does not prevent S 2 from sending 8. Übung Drahtlose Kommunikation

7 The Exposed Terminal Problem T 1 S 1 S 2 T 2 CSMA prevents S 2 from sending 8. Übung Drahtlose Kommunikation

8 Nahe und ferne Endgeräte Endgeräte A und B senden, C soll empfangen die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab daher übertönt das Signal von Gerät B das von Gerät A C kann A nicht hören A B C Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakte Leistungskontrolle notwendig! 8. Übung Drahtlose Kommunikation

9 Aufgabe 1 b) Wie können die obigen Probleme mittels Busy tones behoben werden. Erläutern Sie Vor und Nachteile des Einsatzes von Busy tones. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 9

10 Busy Tones S 1 T 1 S 2 T 2 Data transm. Busy tone while reception t 1 Other nodes are blocked while receiving busy tone t 2 Data Frequency Busy Tone Frequency 8. Übung Drahtlose Kommunikation

11 BT and the Hidden Terminal Problem Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Busy tone prevents S 2 from sending 8. Übung Drahtlose Kommunikation

12 BT and the Exposed Terminal Problem Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 Busy tone does not prevent S 2 from sending 8. Übung Drahtlose Kommunikation

13 The Problem with Busy Tones Busy Tone S 1 T 1 S 2 T 2 Collision Data and busy tone frequency are subject to different fading and attenuation characteristics. Busy tone may possibly be unable to reach a communication neighbor of T Übung Drahtlose Kommunikation

14 The Problem with busy Tones Busy Tone T 1 S 1 S 2 T 2 Busy tone may reach a node S 2 which is not a communication neighbor. 8. Übung Drahtlose Kommunikation

15 Aufgabe 2 In einem Netzwerk arbeiten 1000 Teilnehmer und greifen unabhängig voneinander mit einer Wahrscheinlichkeit von p = 0,01 zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Netzwerk zu. 1. Wie hoch ist der Erwartungswert E(x) für die Anzahl der gleichzeitigen Zugriffsversuche? 2. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit P(x) für den Zugriff von genau 0; 1; 2 und mehr als einem Teilnehmer? 3. Berechnen Sie den obigen Sachverhalt mit der Poisson-Verteilung und interpretieren Sie die Ergebnisse! 8. Übung Drahtlose Kommunikation 15

16 Aufgabe 2 In einem Netzwerk arbeiten 1000 Teilnehmer und greifen unabhängig voneinander mit einer Wahrscheinlichkeit von p = 0,01 zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Netzwerk zu. 1. Wie hoch ist der Erwartungswert E(x) für die Anzahl der gleichzeitigen Zugriffsversuche? 1. E(x) = n * p = 1000 * 0,01 = Übung Drahtlose Kommunikation 16

17 Aufgabe 2 In einem Netzwerk arbeiten 1000 Teilnehmer und greifen unabhängig voneinander mit einer Wahrscheinlichkeit von p = 0,01 zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Netzwerk zu. 2. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit P(x) für den Zugriff von genau 0; 1; 2 und mehr als einem Teilnehmer? 8. Übung Drahtlose Kommunikation 17

18 Aufgabe 2 In einem Netzwerk arbeiten 1000 Teilnehmer und greifen unabhängig voneinander mit einer Wahrscheinlichkeit von p = 0,01 zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Netzwerk zu. 3. Berechnen Sie den obigen Sachverhalt mit der Poisson-Verteilung und interpretieren Sie die Ergebnisse! Die Poisson-Verteilung sagt zu erwartende Ergebnis einer Serie von Bernoulli- Experimenten vorhersagt => Zufallsexperiment, das nur zwei mögliche Ergebnisse besitzt (z. B. Erfolg und Misserfolg ). Führt man ein solches Experiment sehr oft durch und ist die Erfolgswahrscheinlichkeit gering, so ist die Poisson-Verteilung eine gute Näherung für die entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die Poisson-Verteilung erlaubt zwar die Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass kein Blitz einschlägt, aber die Frage danach, wie oft der Blitz nicht einschlägt, ist wegen der kontinuierlichen Beobachtung sinnlos. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 18

19 Aufgabe 2 In einem Netzwerk arbeiten 1000 Teilnehmer und greifen unabhängig voneinander mit einer Wahrscheinlichkeit von p = 0,01 zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Netzwerk zu. 3. Berechnen Sie den obigen Sachverhalt mit der Poisson-Verteilung und interpretieren Sie die Ergebnisse! P(X>1) = 1- P(0) P(1) = 0, Übung Drahtlose Kommunikation 19

20 Aufgabe 3 a) Was begrenzt die maximale Anzahl gleichzeitig aktiver Benutzer in einem System das CDMA verwendet? 8. Übung Drahtlose Kommunikation 20

21 Aufgabe 3 a) Was begrenzt die maximale Anzahl gleichzeitig aktiver Benutzer in einem System das CDMA verwendet? CDMA: Die maximal akzeptable Interferenzen durch das Senden der Teilnehmer auf der selben Frequenz zur selben Zeit. TDMA+FDMA: Die Anzahl der Frequenzen multipliziert mit der Anzahl der Zeitschlitze. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 21

22 Aufgabe 3 Was passiert wenn die maximale Anzahl an Teilnehmern überschritten wird? CDMA: Die Fehleranzahl für alle Teilnehmer erhöht sich, es gibt hier keine feste Grenze. TDMA+FDMA: Der neue Teilnehmer wird abgewiesen, oder er stört jeweils einen anderen Teilnehmer. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 22

23 Multiple Access Space Division Multiple Access Jedem Teilnehmer wird ein Übertragungsweg exklusiv zur Verfügung gestellt. Time Division Multiple Access Zeitraum wird in Intervalle unterteilt, die exkluiv einem Sender zugeordnet werden. Freqency Division Multiple Access Frequenzband wird unterteilt. Jedem Sender wird exklusiv ein Frequenzband zugeordnet. Code Division Multiple Access Jedem Teilnehmer wird ein Übertragungsweg exklusiv zur Verfügung gestellt. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 23

24 Code Division Multiple Access (CDMA) Beispiel: CDMA Verfahren: Codebreite von 4 Chips Station A : (1,-1,-1,1) Station B : (1,1,-1,-1) Station C : (-1,1,-1,1) Alle drei Stationen beginnen nun zeitgleich zu senden. Station A high, low (1,-1) Station B high (1) Station C high, high (1,1) Zu Berechnen! das gespreizte Signal jeder Station, das Signal das die Empfänger erhalten und welche Datensignale die Empfänger der Stationen A, B und C aus dem empfangen Signal wieder dekodieren. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 24

25 Code Division Multiple Access (CDMA) Beispiel: CDMA Verfahren: Station A : (1,-1,-1,1) Station B : (1,1,-1,-1) Station C : (-1,1,-1,1) Alle drei Stationen beginnen nun zeitgleich zu senden. Station A high, low (1,-1) Station B high (1) Station C high, high (1,1) Codebreite von 4 Chips -> Sender 8. Übung Drahtlose Kommunikation 25

26 Code Division Multiple Access (CDMA) Beispiel: CDMA Verfahren: Station A : (1,-1,-1,1) Station B : (1,1,-1,-1) Station C : (-1,1,-1,1) Alle drei Stationen beginnen nun zeitgleich zu senden. Station A high, low (1,-1) Station B high (1) Station C high, high (1,1) Codebreite von 4 Chips -> Dekodieren bei den Empfängern 8. Übung Drahtlose Kommunikation 26

27 CDMA in der Theorie Sender A sendet A d = 1, Schlüssel A k = (setze: 0 = -1, 1 = +1) Sendesignal A s = A d * A k = (-1, +1, -1, -1, +1, +1) Sender B sendet B d = 0, Schlüssel B k = (setze: 0 = -1, 1 = +1) Sendesignal B s = B d * B k = (-1, -1, +1, -1, +1, -1) Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc.) A s + B s = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Empfänger will Sender A hören wendet Schlüssel A k bitweise an (inneres Produkt) A e = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) A k = = 6 Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine 1 analog B B e = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) B k = = -6, also 0 8. Übung Drahtlose Kommunikation 27

28 CDMA - auf Signalebene I Daten A A d Code A Code-Daten A Daten Code A k Signal A A s 8. Übung Drahtlose Kommunikation 28

29 CDMA - auf Signalebene II Signal A A s Daten B Code B Code-Daten B Daten Code B d B k Signal B B s A s + B s 8. Übung Drahtlose Kommunikation 29

30 CDMA - auf Signalebene III Daten A A d A s + B s A k (A s + B s ) * A k Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe Übung Drahtlose Kommunikation 30

31 CDMA - auf Signalebene IV Daten B B d A s + B s B k (A s + B s ) * B k Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe Übung Drahtlose Kommunikation 31

32 CDMA - auf Signalebene V A s + B s Falscher Code K (A s + B s ) * K Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe (0) (0)? 8. Übung Drahtlose Kommunikation 32

33 Aufgabe 4 Betrachten Sie CDMA bei einer zufälligen Störung X. Gegeben ist dazu das (gestörte) Signal welches beim Empfänger ankommt. Dekodieren Sie das Signal wie in der Vorlesung besprochen. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 33

34 Aufgabe 4 Betrachten Sie CDMA bei einer zufälligen Störung X. Gegeben ist dazu das (gestörte) Signal welches beim Empfänger ankommt. Dekodieren Sie das Signal wie in der Vorlesung besprochen. 8. Übung Drahtlose Kommunikation 34