Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Christian Schindelhauer

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Christian Schindelhauer"—  Präsentation transkript:

1 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Christian Schindelhauer

2 2 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Einführung (aus Tanenbaum, Computer Networks, Prentice Hall, 1996) Referenzmodel (OSI ↔Internet) Physikalische Schicht –Frequenzbänder –Elektromagnetische Wellenausbreitung –Übertragungsprobleme Verbindungsschicht (data link) –Medium Access Control (MAC) Durch Frequenz, Zeit, Frequenz&Zeit-Multiplexing Durch Code-Multiplexing  CDMA (Code Division Multiple Access) Durch Raum&Frequenz-Multiplexing  Zellulare Netze & Frequenzzuteilung (Frequency Assignment) (eigenes Kapitel)

3 3 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Referenzmodell OSI (Open Systems Interconnection) Vorlesung (Computer Networks, Tanenbaum) Internet TCP/IP Application PresentationNicht vorhanden Session Transport Transport (TCP/UDP) Network Network (IP) Data Link Host-to-network Physical

4 4 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Ausbreitungsverhalten (I) Geradlinige Ausbreitung im Vakuum Empfangsleistung nimmt proportional 1/d² ab –Theoretisch, praktisch mit höheren Exponenten bis zu 4 oder 5 Einschränkung durch –Dämpfung in der Luft (insbesondere HF, VHF) –Abschattung –Reflektion –Streuung an kleinen Hindernissen –Beugung an scharfen Kanten

5 5 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Ausbreitungsverhalten (II) VLF, LF, MF-Wellen –folgen der Erdkrümmung (bis zu 1000 km in VLF) –Durchdringen Gebäude HF, VHF-Wellen –Werden am Boden absorbiert –Werden von der Ionosphäre in km Höhe reflektiert Ab 100 MHz –Wellenausbreitung geradlinig –Kaum Gebäudedurchdringung –Gute Fokussierung Ab 8 GHz Absorption durch Regen

6 6 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Ausbreitungsverhalten (III) Mehrwegeausbreitung (Multiple Path Fading) –Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an –Zeitliche Streuung führt zu Interferenzen Fehlerhafter Dekodierung Abschwächung Probleme durch Mobilität –Kurzzeitige Einbrüche (schnelles Fading) Andere Übertragungswege Unterschiedliche Phasenlage –Langsame Veränderung der Empfangsleistung (langsames Fading) Durch Verkürzen, Verlängern der Entfernung Sender-Empfänger

7 7 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Digitale Modulationstechniken Amplitudenmodulation (ASK) –Störanfällig –Technisch einfach Frequenzmodulation (FSK) –Benötigt größere Bandbreite Phasenmodulation –Komplexe Demodulation

8 8 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Empfang von Daten Empfangsleistung = Sendeleistung  Abstandsverlust –Abstandsverlust (path loss) ~ 1/r β – β  [2,5] Signal zu Interferenz & Rauschverhältnis (Signal to Interference + Noise Ration  SINR) –S = Empfangsleistung von gewünschten Sender –I = Empfangsleistung von störenden Sender(n) –N = Sonstiges Störungen (z.B. Rauschen) Notwendig:

9 9 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Mehrfachnutzung des Mediums (I) Raumaufteilung (Space-Multiplexing) –Ausnutzung des Abstandsverlusts zum parallelen Betriebs verschiedener Funkzellen → zellulare Netze –Verwendung gerichteter Antennen zur gerichtenen Kommunikations GSM-Antennen mit Richtcharakteristik Richtfunk mit Parabolantenne Laserkommunikation Infrarotkommunikation Frequenzmultiplex –Aufteilung der Bandbreite in Frequenzabschnitte

10 10 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Mehrfachnutzung des Mediums (II) –Zeitaufteilung (Time-Multiplexing) Zeitliche Aufteilung des Sende-/Empfangskanals –Spreizen der Kanäle und Hopping Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) –Xor eines Signals mit einer Folge Pseudozufallszahlen beim Sender und Empfänger (Verwandt mit Codemultiplex) –Fremde Signale erscheinen als Hintergrundrauschen Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) –Frequenzwechsel durch Pseudozufallszahlen –Zwei Versionen »Schneller Wechsel (fast hopping): Mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit »Langsamer Wechsel (slow hopping): Mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz –Kodierung (Codemultiplex)…

11 11 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Code-Multiplexing CDMA Code Division Multiple Access (CDMA): Annahmen: –Alle Sender erreichen die Empfangsstation mit gleicher Leistung –Alle Sender senden synchron –Der Empfänger kann feststellen, wieviele Sender das Bit 0 und das Bit 1 gesendet haben Z.B. Bei durch Empfangsstärke bei Amplitudenmodulation Verfahren: –Jedes Sender/Empfänger-Paar arbeitet mit einem m-Bit-Code, genannt Chip-Sequenz Besteht aus m  {64,128} Chips (=Bits) Eine Chip-Sequenz kodiert ein Bit

12 12 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (II) Jedes Sender/Empfänger-Paar i  {1,..,n} –arbeitet mit zwei m-Bit-Code-Wort C i  {-1,+1} m und  C i = (  C i,1,  C i,2,…,  C i,m ) –Die Chip-Sequenz (  1) b C i kodiert das Bit b  {0,1} Für alle i≠j muß das normalisierte innere Produkt 0 ergeben, d.h.: CDMA verwendet m orthogonale Codes

13 13 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (III)

14 14 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (IV)

15 15 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (V) Wenn nun Empfänger gleichzeitig Chip-Sequenz A und B empfängt, misst er den Vektor V=A+B Dann berechnet er für Sender i: V C i und erhält Sequenz 1 für Bit = 0,  1 für Bit = 1 –oder 0 für kein Bit gesendet Warum?

16 16 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (VI)

17 17 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II CDMA (VII) Beispiel: –Code C 1 = (+1,+1,+1,+1) –Code C 2 = (+1,+1,-1,-1) –Code C 3 = (+1,-1,+1,-1) 1 sendet Bit 0, 2 sendet Bit 1, 3 sendet nicht: –V = C 1 + (-C 2 ) = (0,0,2,2) 1 dekodiert: V C 1 = (0,0,2,2) (+1,+1,+1,+1) = 4/4 = 1 –Entspricht Bit 0 2 dekodiert: V C 2 = (0,0,2,2) (+1,+1,-1,-1) = -4/4 = -1 –Entspricht Bit 1 3 dekodiert: V C 3 = (0,0,2,2) (+1,-1,+1,-1) = 0

18 18 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Zeit/Frequenzmultiplexing Zeitaufteilung (Time-Multiplexing) –Zeitliche Aufteilung des Sende-/Empfangskanals –Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitraum –Genaue Synchronisation notwendig –Koordination notwendig, oder starre Einteilung Frequenzmultiplex –Feste Zuweisung eines Frequenzabschnitts über gesamten Zeitraum –Funktioniert auch für analoge Signale –Keine dynamische Koordination notwendig –Bandbreitenverschwendung, unflexibel

19 19 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Zeit&Frequenzmultiplex Kombination: –Beispiel GSM Sendungen belegen für Zeitabschnitt bestimmten Kanal Relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen Höhere Benutzerdatenrate durch Verwendung vieler Frequenzbereiche Aber genaue Koordination notwendig –Z.B. durch Basisstation

20 20 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Zellulare Netze (I) Ursprüngliche Problemstellung: –Starres Frequenzmultiplexing für gegebene Menge von Basisstationen Gegeben: –Positionen der Basisstationen Gesucht: –Frequenzzuteilung, welche die Interferenzen minimiert Wie modelliert man zulässige Frequenzzuteilungen?

21 21 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Zellulare Netze (II) Wie modelliert man zulässige Frequenzzuteilungen? Seien f 1 < f 2 <…< f k mögliche Frequenzen –In benachbarten Gebieten dürfen nicht f i und f i+1 zugewiesen werden sonst Interferenzen –Nachbarschaft reicht nicht als Kriterium Frequenzzuteilung im allgemeinen ist kombinatorisch schwierig


Herunterladen ppt "HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken II Christian Schindelhauer"

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen