Aufgaben für den Messplatz Charakterisierung zweier Wellenform-Kandidaten für einen zukünftigen Flugsicherungsstandard
Messplatz Einrichtung Geräte: SMU 200 A 10 N-Kabel Vektorieller Signalgenerator SMU 200 A db Dämpfungsglied (>1W) FSU (FSP, FSV,..) Spektrum-/Signalanalysator FSU, FSP, FSV, oder vergleichbar Beschreibung: Ausgang A (RF A) des Generators über ein 10dB Dämpfungsglied mit dem HF Eingang des Spektrumanalysators verbinden. 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 2 Vorbereitung durch Betreuer
Messplatz Einstellungen ı Geräte einschalten, hochfahren ı Beide Geräte anschließend über den grünen [PRESET] Knopf zurücksetzen. Am Spektrumanalysator folgende Einstellungen vornehmen: ı Mittefrequenz mit [FREQ] auf 1GHz setzen ı Span mit [SPAN] auf 1MHz einstellen ı Auflösung (Resolution, Res BW) über [BW] manuell auf 1kHz setzen. ı Reference Pegel über [AMPT] auf -30dBm stellen. ı Hinweis: Für spätere Messungen können diese Parameter nach eigenem Ermessen geändert werden. Dabei ist sicherzustellen, dass das HF- und ZF- Frontend des Gerätes nicht übersteuert wird. 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 3
Messplatz Einstellungen Einstellung des Signalgenerators zunächst über [Baseband config] Hier eine Wellenform laden über [Load Waveform] In der sich öffnenden Liste [ARB ] auswählen Aus dem Verzeichnis d:\fsw die Datei fsw_wf1 mit [Select] wählen 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 4
Messplatz Einstellungen Nun das Basisband-Signal einschalten über [State] [On] Abschließend den HF-Singal-Ausgang einschalten [RF/A Mod A On] 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 5
Messplatz Einstellungen ı Das Ergebnis der Voreinstellungen sollte auf dem Spektrumanalysator nun so aussehen: 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 6
Messplatz Aufgaben Das Szenario ı Für die Realisierung eines zukünftigen Flugsicherungsbetriebes stehen zwei unterschiedliche Wellenformen in der engeren Auswahl ı Diese stellen später den Physical Layer der Luftschnittstelle ı Vor- und Nachteile besitzen beide Kandidaten Die Wellenformen sind für Sie zunächst gänzlich unbekannt: Um sich einen Überblick zu verschaffen, nehmen Sie daher einige Eckparameter mit dem vorhandenen Equipment auf! 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 7
Messplatz Aufgaben ı Laden Sie die Wellenform FSW_WF1 wie in der Einleitung beschrieben. ı Bestimmen Sie zunächst die Bandbreite sowie den Crest-Faktor des Signals. Erläutern Sie das Messprinzip bzw. die Definition beider Parameter! (3+3 Punkte) ı Um Welche Modulationsart könnte es sich handeln und woran machen sie Ihre Beobachtung fest? (5 Punkte) ı Bestimmen Sie die selben Parameter für die Wellenform FSW_WF2 (3 Punkte) Hinweis: Denken Sie auch an die Möglichkeit der Zeitbereichsmessung! Stichwort Zero-Span. Keine Berührungsängste; spielen Sie mit den Einstellmöglichkeiten des Geräts. Außerdem: moderne Spektrum-Analysatoren bieten automatische Messfunktionen. Nutzen Sie diese bei Bedarf! 17.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 8
AUFGABENSTELLUNG DER VORRUNDE
Funkkommunikationstechnik Betrachtung von Reichweiten, Modulationsverfahren...
Funkkommunikationstechnik Wellenausbreitung im Freifeld ı Funksignale sollen sowohl zwischen Flugzeugen als auch von Bodenstation zu Flugzeugen übertragen werden. Zunächst sollen die erzielbaren Reichweiten betrachtet werden. Dazu werden folgende Angaben gemacht: P S = Sendeleistung, P E = Empfangsleistung, d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger Leistungsdichte in Entfernung d: Effektive Fläche für die isotrope Antenne ist gegeben durch : Freifelddämpfung zwischen 2 isotropen Antennen, in [db]: ı Aufgabe 1 (5 Punkte) Berechnen Sie die Freifelddämpfung für: f = 1000 MHz, d = 100 km, c = 300 000 000 m/s Anstatt der isotropen soll nun eine λ/2-dipol-antenne betrachtet werden. Um welchen Betrag verringert sich die Dämpfung zwischen Sender und Empfänger bezogen auf die isotrope Antenne? Die Effektivfläche der Sende- und Empfangsantenne beträgt in diesem Fall 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 3
Funkkommunikationstechnik Wellenform/Duplexverfahren-Auswahl ı Zur Auswahl stehen 2 Wellenformen: (I) Single Carrier, constant envelope (II) Multicarrier ı 2 verschiedene Duplex-Techniken kommen in Frage: (A) FDD (Frequency Domain Duplex) (B) TDD (Time Domain Duplex) ı Aufgabe 2 (8 Punkte) Vergleichen Sie die Eigenschaften der beiden Wellenformen, bzgl. : - Linearitätsanforderungen an die Sende-Endstufe - Störfestigkeit, vor allem gegenüber Mehrwegeausbreitung In der Praxis wird oft das verfügbare Frequenzband für Senden und Empfang getrennt (A). Warum verwendet man für die Anschaltung von Sender und Empfänger an die Antenne eine Frequenzweiche und keinen Leistungsteiler? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 4
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: Flugzeug- und Bodenstation-Antenne ı Für die Berechnung des Link-Budgets wird zunächst die Flugzeugantenne betrachtet. Die Azimut-Charakteristik soll hier die ideale Kreisform aufweisen, mit 0 db i Gewinn, siehe Bild rechts oben (nur blaue Kurve verwenden). Die Elevations-Charakteristik ist für 2 ausgewählte Winkel von Interesse: 2 und -31. Die relative Verstärkung ist dem Bild rechts unten zu entnehmen. ı Die Bodenstation-Antenne habe einen omnidirektionalen Gewinn von +7 db i 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 5
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: 1. Wellenform ı Single Carrier Wellenform ı Modulationsart: QPSK ı Anwender-Datenrate: 291,2 kb/s. ı Effektive Informationsrate (Code rate): 0,45 ı Bandbreite 325 khz 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 6
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: 2. Wellenform ı Für die Berechnung des Link-Budgets wird ein AWGN-Kanal angenommen: ı Das Diagramm zeigt die uncodierte BER 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 7
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: 3. System ı Für eine Datenverbindung Boden-Flugzeug sind folgende, systembedingte Annahmen zu treffen, siehe Tabelle unten ı Aufgabe 3 (12 Punkte) Berechnen Sie die Reichweite für eine Anwender-Datenrate von 291,2 kb/s (bitte die effektive Code-Rate berücksichtigen!), bei der noch mindestens eine Bitfehlerrate von 0,1% erreicht wird (Diagramm, vorige Seite). Verwenden Sie dabei die Formel aus Seite 2 und die angegebenen Antennengewinne. Die Kanalmittenfrequenz beträgt 1,05 GHz. Das thermische Grundrauschen entspricht einer Rauschleistungsdichte von -174 dbm/hz. Berücksichtigen Sie in Ihrer Betrachtung auch, dass die Rechnung Systemverluste und Reserven verwenden muss. Ausgang s-leistung [dbm] Sendezweig Bodenantenne Gewinn [dbi] Kabel- Verluste Boden [db] Diplexer- Verluste Boden [db] 42,0 7,0 2,5 1,0 Rauschzahl [db] Empfangszweig Flugzeugantenne Gewinn [dbi] Kabel- Verluste Flugzeug [db] Diplexer- Verluste Boden [db] 8,0 0,0 4,0 1,0 Weitere Systemverluste Div. Systemverluse [db] System Reserve [db] 10,0 2,0 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 8
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: 4.Betrachtungen ı Die erzielte Reichweite liegt unter 100 km. Aufgabe 4 (3 Punkte) In Reichweitenberechnungen müssen Reserven enthalten sein. ı Was könnte diese Reserven im realen Funkbetrieb aufbrauchen? ı Betrachten Sie nun die Antennencharakteristik der Flugzeugantenne, Bild auf Seite 5. zwei Flugzeuge kommunizieren über die direkte Verbindung (Hauptkeule). Es kann dabei vorkommen, dass der direkte Pfad für mehrere Sekunden um 20 db gedämpft wird. Der indirekte, vom Erdboden reflektierte Pfad, der im Übrigen etwas länger ist, ist von dieser Schwankung nicht betroffen. Die Bodenreflektionsdämpfung (Abstrahlwinkel -31 (Seite 5)) betrage immer 9 db. Die Differenz der Signalleistung zwischen dem direkten (Nutz-) Pfad und dem reflektierten Pfad wir als SIR (Signal-to-Interference-Ratio) bezeichnet. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 9
Funkkommunikationstechnik Linkbudget: 4.Betrachtungen, Fortsetzung ı Aufgabe 5 (6 Punkte) Berechnen Sie den SIR-Wert an der Empfangsantenne (in db) für die unten dargestellte Konstellation für den ungünstigsten Fall. Welche Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Ausbreitungswegen sind zu erwarten, wenn beide Flugzeuge eine Reisehöhe von 10 km aufweisen? Was kann diese Situation für die Übertragungsqualität bedeuten? 31 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 10
Funkkommunikationstechnik Endstufe ı Eine OFDM-Wellenform bedingt im allgemeinen einen hohen Crestfaktor, in der Literatur auch als PAPR (Peak-to-Average-Power-Ratio) bezeichnet. Aufgabe 6 (2 Punkte) Was ist beim Verstärkerentwurf hier zu beachten? Die Reichweite wird durch die mittlere, gesendete Leistung bestimmt. Aufgabe 7 (3 Punkte) Um welchen Faktor verringert sich die Reichweite eines OFDM-basierenden Übertragungssystems mit einem Crestfaktor von 9 db gegenüber einem FM-basierenden Übertragungsverfahren mit gleicher Spitzenleistung? ı Nicht nur bei den Smartphones sondern auch im Flugzeug ist auf eine Optimierung des Leistungsverbrauchs besonders zu achten. Aufgabe 8 (3 Punkte) Welche moderne Technik bietet sich an, um das Verhältnis der ausgesendeten Ausgangsleistung zur zugeführten Gleichleistung zu maximieren? Welche Zusatzmaßnahmen sind eventuell erforderlich, um die Nichtlinearitäten gering zu halten? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 11
Funkzellen
Funkzellen Infrastruktur Teil 1 Stellen Sie sich vor, Sie entwickeln ein weltweites zellen-basiertes ATC Funkkommunikationsnetz, in dem Flugzeuge, Flughäfen (Tower) und Bodenstationen teilnehmen sollen. Ähnlich zum Mobilfunknetz soll die Erdoberfläche mit Funkzellen abgedeckt werden. Die Zellgrößen können dabei variieren. Für die folgenden Aufgaben sollen gelten: Mittlerer Erdradius 6371 km; Erdkugel; Träger bei 1 GHz; Flughöhe 37000 ft; Bodenstationen auf Normalnull. Schönwetter 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 13
Funkzellen Infrastruktur Teil 1 ı Aufgabe 9: (3 Punkte) Berechnen Sie die maximale realisierbare Zellgröße (Line-of-site Reichweite). ı Aufgabe 10: (3 Punkte) Bei kleinen Zellstrukturen müssen Maßnahmen getroffen werden, dass sendende Flugzeuge nicht die Kommunikation anderer (auch übernächster) Zellen stören. Welche Maßnahmen würden Sie hierfür vorschlagen? Berücksichtigen Sie, dass die Zellen recht klein sein können (z.b. in der Nähe von Flughäfen). 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 14
Funkzellen Infrastruktur Teil 2 ı Aufgabe 11: (2 Punkte) Kann innerhalb einer Zelle keine Bodenstation zur Verfügung gestellt werden, könnten geostationäre Satelliten ihre Aufgaben übernehmen. Ist das Funkkommunikationssystem damit weltweit verfügbar? ı Aufgabe 12: (10 Punkte) Die Bodenstationen sollen im Idealfall in einem Raster basierend auf gleichschenkligen Dreiecken (Abbildung 1) auf der Erdoberfläche platziert werden. Wie weit sind die Basisstationen voneinander entfernt, wenn Flugzeuge nie weiter als 70 NM (nautische Meilen) von einer Bodenstation entfernt sein sollen? (Flughöhe 37000 ft) Abbildung 1: Raster der Basisstationen 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 15
Funkzellen Infrastruktur Teil 2 Innerhalb einer Funkzelle sollen zwei Funkkanäle zur Verfügung stehen. Der eine wird genutzt, um Daten von der Bodenstation zu den Flugzeugen (Forward Link), der andere, von den Flugzeugen zur Bodenstation (Reverse Link) zu senden. ı Aufgabe 13: (3 Punkte) Welche Gründe könnte es geben, dass nicht nur ein Funkkanal für Senden und Empfang genutzt wird? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 16
Zellenkommunikation Teil 2 Die physikalischen Funkkanäle werden mittels TDMA in mehrere logische Kanäle unterteilt. Einigen logischen Kanälen sind stets eine feste Anzahl von Zeitschlitzen (synchroner Kanal), den anderen eine beliebige Anzahl von Zeitschlitzen zugeordnet (asynchroner Kanal). Nehmen wir an, dass für Sprachnachrichten kein synchroner Kanal genutzt werden soll. Aufgabe 14: (3 Punkte) Welche Gründe könnte es für diese Systementscheidung geben? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 17
Zellenkommunikation Teil 2 Das verwendete Zeitschlitzverfahren für den Forward-Link sieht innerhalb einer Runde(Frame) 75 Zeitschlitze (Slots) vor, wobei 15 bereits für synchrone Kanäle reserviert sind. Eine Sekunde ist in 16 Frames aufgeteilt. Zwischen den Slots ist stets eine Pause von 30 µs einzuhalten, die für die Umschaltung der Sender und als Kollisionsschutz benötigt wird. Die Nutzdatenrate des Forward- Links ist 300 kb/s d.h. in einer Sekunden können 300.000 Bits durch den Kanal geschleust werden. Eine Sprachkommunikation ist mit 4.8 kb/s möglich. ı Aufgabe 15: (8 Punkte) Zu wie vielen Flugzeugen könnte der Tower eine Kommunikation gleichzeitig aufrechterhalten? ı Aufgabe 16: (10 Punkte) Teilen Sie das Zeitschlitzverfahren neu auf (Anzahl der Slots), so dass bei unveränderten Symboldauer und Anzahl der synchronen Kanäle, die Anzahl der bedienten Flugzeuge erhöht werden kann. Bestimmen Sie hierzu auch den maximalen Datendurchsatz Ihres Verfahrens. Bestimmen Sie den Auslastungsfaktor des Kanals. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 18
Ressourcen Management Teil 3 Ein Großteil der Flugfunkkommunikation wird nicht durch sporadische Ereignisse hervorgerufen sondern durch periodische und deterministische Prozesse, z.b. Leistungsdaten der Triebwerke oder Ergebnisse der Selbsttests, erzeugt. Die Nachrichtenintervalle sind dabei ganzzahlige Teiler der Frame-Anzahl pro Sekunde. In der Tabelle 1 sind Nachrichtentypen exemplarisch aufgelistet, die in einen jede Sekunde wiederkehrenden Aufbau aus 16 Frames einzubetten sind. Diese Nachrichten müssen durch einen Scheduler auf die Slots der einzelnen Frames aufgeteilt werden. In der Tabelle 2 ist eine Zuordnung als Beispiel gegeben. Da auch andere Flugzeuge Slots belegen, muss der Algorithmus vor dem eigentlichen Verbindungsaufbau die verfügbaren Slots bestimmen und dann eine Zuordnung vornehmen. ı Aufgabe 17: (12 Punkte) Füllen Sie die 16 Frames einer Sekunde mit den in Tabelle 1 (Seite 19) vorgegebenen Nachrichtentypen. Nach welchen Kriterien haben Sie diesen Ansatz optimiert? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 19
Ressourcen Management Teil 3 ı Beispiel-Kanal: 16 Frames pro Sekunde. 10 Slots pro Frame. ı Folgende Nachrichten sollen eingeplant werden: Nachrichten Typ Größe [Belegte Slots] Intervall A 3 Jeden zweiten Frame B 5 Jeden 16sten Frame C 1 Jeden Frame D 4 Jeden 8ten Frame E 3 Jeden 4ten Frame F 4 Jeden 4ten Frame G 2 Jeden 8ten Frame H 1 Jeden zweiten Frame 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 20
Ressourcen Management Teil 3 ı Beispiel-Kanal: Graue Slots bereits durch andere Kommunikationsteilnehmer belegt. Frame Slot 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 21
Security und Nachrichteninhalte Betrachtung von Verschlüsselung, Integrität, Authentisierung und Nachrichteninhalten.
Security Übertragungsprotokolle ı Das verwendete (nicht-ideale) Funknetz benutzt das IP-Übertragungsprotokoll. Hier gibt es sowohl verbindungsorientierte- als auch verbindungslose Protokolle. Es soll eine verschlüsselte Verbindung zwischen zwei Parteien aufgebaut werden (Flugzeug Bodenstation). Inhalt der Übertragungen sind zumeist Daten. ı Aufgabe 18 (3 Punkte) Welches Protokoll würden Sie in Ihrem Produkt verwenden? Begründen Sie Ihre Entscheidung (Vor- und Nachteile). Legen Sie auch dar, warum Sie das andere Protokoll nicht verwenden. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 23
Security Verschlüsselung ı Um einen sicheren Kanal aufzubauen, benötigen beide Seiten einen Schlüssel mit dem die Nachrichten verschlüsselt werden. Der Schlüsselaustausch soll über die Luft erfolgen kann demnach von potentiellen Angreifern abgefangen werden. ı Aufgabe 19 (10 Punkte) Das Diffie-Hellman Austauschverfahren findet hier Verwendung. Erfüllen folgende Parameter die Voraussetzung für einen DH-Schlüsselaustausch? Austauschparameter sind p (Primzahl), g (Primitivwurzel) Gegeben sind p = 17, g = 5 Überprüfen Sie die Primzahl und die Primitivwurzel auf Richtigkeit mit Hilfe eines Tabellenkalkulations-Programmes. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 24
Security Verschlüsselung ı Aufgabe 20 (4 Punkte) Aus p und g werden A = g a mod p und B = g b mod p berechnet, wobei a und b private, geheime Zufallszahlen sind. Aus diesen Werten wird der gemeinsame Schlüssel K berechnet: K 1 = B a mod p und K 2 = A b mod p wobei K 1 = K 2 ist. Gegeben sind a = 11, b = 9. Berechnen Sie A und B sowie den gemeinsamen Schlüssel K. Welche Probleme sehen Sie wenn das DH Schlüsselaustauschverfahren mit sicheren Parametern (sehr großes a, b, p) in ein Mikroprozessorsystem integriert werden soll? 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 25
Security Authentifizierung ı Um sicherzustellen, dass der Funkpartner derjenige ist, für den er sich ausgibt, werden sogenannte Zertifikate zur Hilfe genommen. Die Übertragung wird dann mit einer digitalen Signatur gesichert. ı Aufgabe 21 (4 Punkte) Erläutern Sie kurz wie eine digitale Signatur in der Praxis Verwendung findet bzw. diese funktioniert. ı Aufgabe 22 (2 Punkte) Angenommen, es soll sich nur ein Funkpartner mittels digitaler Signatur authentifizieren, welche Seite sollte den privaten Schlüssel benutzen, Bodenstation oder Flugzeug? Begründen Sie Ihre Antwort. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 26
Security Nachrichteninhalte ı Zwischen Flugzeug und Bodenstation werden Informationen ausgetauscht, die den Piloten in seiner Tätigkeit unterstützen sollen. Es ist sicherzustellen, dass die Kommunikation mit dem richtigen Piloten stattfindet und keine Informationen geändert werden können. ı Aufgabe 23 (4 Punkte) Auf welche Sicherheits-Aspekte sollte besonders Wert gelegt werden (z.b. Vertraulichkeit)? Zeigen Sie zu jedem Aspekt auch ein Beispiel. 11.04.2014 R&S Fallstudienwettbewerb 2014 27