Übung 2: Multiplexverfahren (2)

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1 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 1 Übung 2: Multiplexverfahren (2) Aufgabe 1: CDMA im Mobilfunk. In einer isolierten CDMA-Zelle verwendet jeder Benutzer N=100 mal mehr Bandbreite, als zur Übertragung mit der Bitrate R b eigentlich erforderlich wäre. Die Basisstation empfängt alle Benutzer gleich stark (perfekte Power Control). Für eine zuverlässige Datenkommunikation ist ein Carrier-to-Interference Ratio C/I = E b /I 0 > 5 db erforderlich. Das thermische Rauschen darf vernachlässigt werden. Bestimmen Sie die maximale Anzahl Benutzer K in der CDMA-Zelle, die gleichzeitig Daten mit der Bitrate R b übertragen kann. Aufgabe 2: Slotted Aloha. Ein Anmeldekanal eines Mobilfunksystems weist Zeitschlitze von 10 ms Länge auf. Die mobilen Teilnehmer können auf dem Anmeldekanal ihre Anmeldebegehren nach dem slotted-aloha-verfahren zum System übertragen. Ein einzelnes Anmeldebegehren besteht aus einem 10 ms langen Datenpaket. Wieviele Benutzer können sich maximal pro Sekunde am System anmelden? Aufgabe 3: Slotted Aloha, binary exponential backoff. Zwei Terminals haben in einem slotted Aloha System bei der Übertragung eines Datenpakets schon 2 Kollisionen untereinander verursacht. a) Wieviel gross ist der neue Backoff [Slots]? b) Wie wahrscheinlich ist es, dass die beiden Kontrahenten im neuen Backoff-Intervall wieder eine Kollision verursachen?

2 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 2 Aufgabe 4: Durchsatz Slotted Aloha. Man kann zeigen, dass unter vernünftigen Annahmen für die Wahrscheinlichkeit P n, dass in einem Slotted Aloha System in einem Slot total n Pakete (von n verschiedenen Teilnehmern) gesendet werden, gilt: n G G Pn (G) e n! wobei G die mittlere Anzahl Pakete pro Slot bezeichnet. a) Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit P 1 (G), dass in einem Slot genau 1 Paket erfolgreich gesendet wird. b) Skizzieren Sie P 1 (G). Welches G=G m maximiert die Success-Wahrscheinlichkeit P 1 (G)? c) Wie gross ist P 1 (G m ) bzw. der Durchsatz von Slotted Aloha? d) Wie viele Slots sind noch leer, wenn der Durchsatz von Slotted Aloha maximal ist? e) In wie vielen Slots kommt es zu einer Kollision, wenn der Durchsatz von Slotted Aloha maximal ist? f) Wie verändern sich die Idle-, Success- und die Kollisions-Wahrscheinlichkeiten, wenn G < G m (wenig Verkehr)? Aufgabe 5: TDMA und Slotted Aloha. M=100 Terminals senden sporadisch 10 ms lange Datenpakete über den gleichen Kanal. Die mittlere Anzahl Pakete pro Zeiteinheit sei für alle Terminals gleich gross. Die Bitrate auf dem Kanal betrage R = 100 kb/s. a) Skizzieren Sie die Throughput-versus-Delay -Kurve für den Fall, dass die M Terminals nach dem TDMA-Verfahren senden. Schreiben Sie alle Eckwerte auf den Achsen an. Geben Sie insbesondere den maximalen Durchsatz an. Hinweise: Mit Throughput ist der mittlere Durchsatz [kb/s] bzw. die mittlere erfolgreiche Datenübertragungsrate aller M Terminals zusammen gemeint. Mit Delay ist die durchschnittliche Wartezeit [ms] gemeint, bis ein Terminal ein Paket erfolgreich senden kann (exklusive Übertragungszeit). b) Skizzieren Sie die Throughput-versus-Delay -Kurve für den Fall, dass die M Terminals nach dem Slotted-Aloha-Verfahren senden. Schreiben Sie alle Eckwerte auf den Achsen an. Geben Sie insbesondere den maximalen Durchsatz an. c) Vergleichen Sie die Vor- und Nachteile der beiden Mehrfach-Zugriffsverfahren. d) Wie gross ist der maximale Durchsatz [kb/s] pro Terminal für slotted Aloha?

3 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 3 Aufgabe 6: Random Access. Betrachten Sie das folgende Flugzeug-Kollisionswarnsystem 1. Flgz 1 Flgz 2 Rx-Bereich von Flgz 1 aktuelle Position von Flugzeug 1 0 k 99 0 i 99 Flgz 1 Zeit 100 Slots pro s 1s aktuelle Position von Flugzeug Flgz 2 Zeit Jedes Flugzeug generiert jede Sekunde GPS-synchron einen Rahmen mit 100 Slots. Jedes Flugzeug wählt in jedem Rahmen zufällig 1 der 100 Slots aus und sendet darin seine aktuelle GPS-Position aus, z.b. im k-ten Slot und im nächsten Sekundenintervall im i-ten Slot. Wenn 2 oder mehrere Flugzeuge den gleichen Slot wählen, kollidieren die betreffenden Positionsaussendungen und können in einm Empfänger nicht mehr dekodiert werden. Jedes Flugzeug empfängt pro Sekunde maximal 1 Positionsangabe von jedem anderen Flugzeug im Empfangsbereich, vergleicht sie mit der eigenen Position und warnt, wenn sich eine Kollision abzeichnet. 1 Ähnlich zum Kollisionswarnsystem FLARM der CH-Firma FLARM Technology GmbH, das weltweit in der Segelsportfliegerei eingesetzt wird.

4 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 4 a) Um was für ein Random-Access-Zugriffsverfahren handelt es sich? b) Nehmen Sie an, dass sich K=100 andere Flugzeuge im Rx-Bereich von Flugzeug 1 aufhalten. b1) Wie gross ist das mittlere Verkehrsaufkommen G [Pakete / Slot]? b2) Wie viele der 100 Slots tragen im Mittel keine Positionsangabe, genau 1 Positionsangabe und mehr als 1 Positionsangabe? b3) Mit welcher Wahrscheinlichkeit kann Flugzeug 2 seine Positionsangabe kollisionsfrei zu Flugzeug 1 übertragen? Hinweis: Flugzeug 2 kann seine Positionsangabe nur dann kollisionsfrei übertragen, wenn es einen Slot wählt, den alle anderen K=100 Flugzeuge nicht wählen (inkl. Flugzeug 1)! b4) Wie lange dauert es dann im Mittel, bis Flugzeug 1 eine neue Positionsangabe von Flugzeug 2 erhält? c) Nehmen Sie jetzt an, dass sich im Rx-Bereich von Flugzeug 1 nur noch K=10 andere Flugzeuge aufhalten. c1) Wie gross ist das mittlere Verkehrsaufkommen G [Pakete / Slot] jetzt? c2) Mit welcher Wahrscheinlichkeit kann Flugzeug 2 seine Positionsangabe kollisionsfrei zu Flugzeug 1 übertragen? c3) Wie lange dauert es dann im Mittel, bis Flugzeug 1 eine neue Positionsangabe von Flugzeug 2 erhält? d) Nennen Sie einen Hauptvorteil des hier gewählten Random-Access-Verfahrens gegenüber dem TDMA-Zugriffsverfahren? e) In der Praxis dürfte es viel capturing geben. Wie wirkt sich capturing aus?

5 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 5 Musterlösung Aufgabe 1 Vom k-ten Benutzer aus gesehen erscheinen die anderen K-1 Benutzer als additive, weisse, Gauss sche Störung mit der Interferenzrauschleistungdichte (K-1) E c, wobei E c die Chip-Energie darstellt. Der k-te Benutzer hat aber selbst eine Bitenergie N E c. Das SNR bzw. das C/I-Verhältnis beträgt also N / (K-1). [E b /I 0 ] lin = N / (K-1) => K 1+N / [E b /I 0 ] lin = / = / = 32.6 Aufgabe 2 Es gibt 100 Zeitschlitze pro Sekunde. In einem slotted Aloha System ist die Paketdatenübertragung in maximal 100/e 36 Zeitschlitzen erfolgreich. Also können maximal 36 Benutzer pro Sekunde ein Anrufbegehren erfolgreich übermitteln. Aufgabe 3 a) Backoff = 4 Slots b) P(erneute Kollision) = 1/4 Begründung siehe folgende Tabelle (alle Einträge sind gleich wahrscheinlich) Terminal 1 \ 2 Slot n+1 Slot n+2 Slot n+3 Slot n+4 Slot n+1 Kollision Erfolg Erfolg Erfolg Slot n+2 Erfolg Kollision Erfolg Erfolg Slot n+3 Erfolg Erfolg Kollision Erfolg Slot n+4 Erfolg Erfolg Erfolg Kollision

6 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 6 Aufgabe 4 a) P 1 = G e -G b) dp 1 / dg = e -G - G e -G = 0 => G m =1 maximiert P 1 P 1 1/e G m =1 G c) P 1 (G m ) = 1/e = 37% d) P 0 (G) = e -G => P 0 (G m ) = 1/e = 37% e) P(Kollision) = 1 - P 0 (G m ) P 1 (G m ) = 26% f) Fall G < G m : Success- und Kollisions- Wahrscheinlichkeiten nehmen ab, die Idle- Wahrscheinlichkeit nimmt zu. Aufgabe 5 a) Mittlere Wartezeit für TDMA (ohne Übertragungszeit) = (M/2) Zeitschlitz = 500 ms Throughput versus Delay, siehe unten b) Mittlere Wartezeit (ohne Übertragungszeit) = (1/2) Zeitschlitz = 5 ms, wenn der Durchsatz bzw. der Verkehr fast Null ist Mittlere Wartezeit strebt gegen Unendlich, wenn der Durchsatz bzw. der Verkehr gegen 100/e = 36.8 kb/s strebt. Delay [ms] slotted Aloha 500 TDMA Throughput [kb/s] c) Slotted Aloha: + fast keine Wartezeit, solange der Durchsatz bzw. der Verkehr klein ist + keine Koordination erforderlich - relativ bescheidener Durchsatz TDMA: + grosser Durchsatz + garantierter Durchsatz - Wartezeit relativ hoch, auch wenn der Durchsatz klein ist - Koordination erforderlich d) Der maximale (mittlere) Durchsatz pro Terminal beträgt (100/e)/M = 368 Bit/s.

7 ZHAW, NTM2, FS2011, Rumc, 7 Aufgabe 6 a) Slotted Aloha (im Sekundenintervall, ohne Sendewiederholung) b) b1) G=1 b2) Slotted Aloha weist den maximalen Durchsatz von 1/e auf, wenn es im Mittel 1 Übertragungsversuch pro Slot gibt, d.h., wenn das mittlere Verkehrsaufkommen G 1 Paket / Slot beträgt. ca. 37 der 100 Slots sind idle, ca. 37 der 100 Slots enthalten genau 1 Positionsangabe und die ca. 26 restlichen Slots enthalten mehr als 1 Positionsangabe b3) P(2->1 Erfolg) = P(Flgz 2 wählt von den 100 Slots einen der 37 idle Slots aus) = 1/e b4) Flugzeug 1 empfängt im Mittel alle 2.7 s eine Positionsangabe von Flugzeug 2 c) c1) G = 0.1 Pakete / Slot c2) P idle (G) = e -G = e -0.1 = 0.9, d.h. Flugzeug 2 kann 90 von 100 Slots wählen, um seine Position kollisionsfrei zu übertragen. c3) Flugzeug 1 empfängt im Mittel also alle 1.1 s eine Positionsangabe von Flugzeug 2 d) Beim TDMA-Verfahren braucht es Koordination bzw. Polling, wenn mehr als 100 Flugzeuge mit dem Warnsystem ausgerüstet werden sollen. Zudem muss ein Flugzeug den Master in seiner Umgebung spielen, was ziemlich kompliziert und nicht robust ist. Das Wartezeit-Argument für Slotted Aloha spielt hier weniger eine Rolle, weil in diesem System nur jede Sekunde eine Position übertragen wird. e) Ein Kollisionswarngerät kann ein starkes Positionssignal eines nahen Flugzeugs trotzdem empfangen, obwohl eine Kollision mit einem schwachen Positionssignal eines weiter entfernten Flugzeuges stattgefunden hat. Beides, Erfolg statt Kollision und nahe Position dekodierbar ist sehr positiv für s System.