Übung zu Drahtlose Kommunikation

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Übung zu

Drahtlose Kommunikation

8. Übung

17.12.2012

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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

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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

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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.

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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

₂

CSMA prevents S

₂

from sending

The Exposed Terminal Problem

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• 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

• Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen

• Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakte Leistungskontrolle notwendig!

Nahe und ferne Endgeräte

A B C

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Aufgabe 1

b) Wie können die obigen Probleme mittels Busy tones behoben werden. Erläutern Sie Vor und Nachteile des Einsatzes von Busy tones.

₂

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 .

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!

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Aufgabe 2

1. Wie hoch ist der Erwartungswert E(x) für die Anzahl der gleichzeitigen Zugriffsversuche?

1. E(x) = n * p

= 1000 * 0,01

= 10

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Aufgabe 2

2. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit P(x) für den Zugriff von genau 0; 1; 2 und mehr als einem Teilnehmer?

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Aufgabe 2

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.

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Aufgabe 2

P(X>1) = 1- P(0) – P(1) = 0,9995

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.

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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.

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Code Division Multiple Access (CDMA)

• Station A : (1,-1,-1,1)

• Station B : (1,1,-1,-1)

• Station C : (-1,1,-1,1)

Codebreite von 4 Chips -> Sender

Station A → high, low (1,-1) Station B → high (1)

Station C → high, high (1,1)

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Code Division Multiple Access (CDMA)

• Station A : (1,-1,-1,1)

• Station B : (1,1,-1,-1)

• Station C : (-1,1,-1,1)

Codebreite von 4 Chips -> Dekodieren bei den Empfängern

Station A → high, low (1,-1) Station B → high (1)

Station C → high, high (1,1)

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CDMA in der Theorie

• Sender A

– sendet A_d = 1, Schlüssel A_k = 010011 (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 = 110101 (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= 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6

• Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine „1“

– analog B

• B_e = (-2, 0, 0, -2, +2, 0)  B_k = -2 + 0 + 0 - 2 - 2 + 0 = -6, also „0“

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CDMA - auf Signalebene I

1 0 1

1

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 Daten A

Code A

Signal A Daten  Code Code-Daten A

A_d

A_k

A_s

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CDMA - auf Signalebene II

1 0 0

0

0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1

1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 Signal A

Daten B Code B Code-Daten B

Signal B

A_s + B_s Daten  Code

B_d

B_k

B_s A_s

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CDMA - auf Signalebene III

1 0 1

A_k

(A_s + B_s) * A_k Integrator-

Ausgabe Komparator- Ausgabe A_s + B_s

1 0 1

Daten A A_d

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CDMA - auf Signalebene IV

1 0 0

Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe B_k

(A_s + B_s) * B_k A_s + B_s

1 0 0

Daten B B_d

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CDMA - auf Signalebene V

(0) (0) ?

Komparator- Ausgabe Falscher Code K

Integrator- Ausgabe (A_s + B_s) * K A_s + B_s

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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.

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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.