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

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

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

2 2 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Organisation (I) Vorlesungsbegleitende Web-Seite: –http://www.upb.de/cs/ag-madh/vorl/AlgPFunk/ –Mit Skript, Folien und Übungsaufgaben Termine: –Vorlesung (V2) Mi F1.110 –Übung (Ü1) 1. Übung: 23. Oktober 2002 Mi 10: :45 F1.110 Übung & Vorlesung in Zusammenarbeit mit –Klaus Volbert

3 3 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Organisation (II) Übungsabgabe (freiwillig) montags in F1.110 –1. Übungsblatt erhältlich ab heute, 16. Oktober –Abgabe: Montag, 21. Oktober 2002 Prüfung –Benotete 30-minütige mündliche Prüfung im Anschluß an die Veranstaltung –Exemplarische Prüfungsfragen werden zum Vorlesungsende veröffentlicht Sprechstunde: –Nach Vereinbarung oder auf Zuruf Tel:

4 4 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Projektgruppe (I) Mobile und drahtlose Netzwerkkommunikation Vorlesungsnahe Projektgruppe Algorithmische Aspekte mobiler und drahtloser Datenkommunikation werden vorgestellt, diskutiert und experimentell untersucht. Vorstellung (Seminarphase) –Praktische Lösungen wie Bluetooth, WirelessLAN, Standardisierung von , HIPERLAN, MobileIP) werden für drahtlose Netzwerke im Rahmen einer Seminarphase präsentiert –Theoretische Ansätze (u.a. PRN-Modell, Broadcasting, Punkt-zu-Punkt Kommunikation, Routing) zur Analyse der Netzwerkkommunikation in drahtlosen Netzen

5 5 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Projektgruppe (II) Mobile und drahtlose Netzwerkkommunikation Projektphase –Integration und Analyse der Verfahren auf Miniroboter Khepera (hardwarenah, C) –In Simulationsumgebung SAHNE (objektorientiert, C++) –Mit Netzwerk-Simulator ns-2 (objektorientiert, C++, OTcl) Ziel der Projektgruppe –Geeignete verteilte Algorithmen zur Kommunikation in mobilen ad hoc Netzwerken (MANET) –D.h. ohne zentrale Steuerung und Infrastruktur, selbst organisierend.

6 6 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Projektgruppe (III) Mobile und drahtlose Netzwerkkommunikation Schwerpunkte der Projektarbeit: –Routing: Wegewahl für Nachrichten bei dynamischer Topologie –Mobilität: Modellierung und Simulation –Interferenzen: Zeit- und Kanalscheduling bei direkter Datenübertragung –Algorithmen: Entwicklung/Implementierung dynamischer, verteilter Datenstrukturen Je nach Seminarthema kann sowohl theoretischer als auch praktischer Seminarschein erworben werden Letzte Anmeldemöglichkeit nach dieser Vorlesung: 13:15 Uhr Raum F1.310

7 7 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Vorlesungsüberblick Kapitel: –Einführung –Zellulare Netzwerke –Radio Broadcasting –Wireless LAN –Mobile Ad Hoc Netzwerke (MANET) Darin u.a. folgende Algorithmische Probleme –Frequenzzuweisungsproblem –Interferenzauflösung –Verschlüsselungsmethoden –Netzwerkaufbau für MANETs

8 8 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken 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)

9 9 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken 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

10 10 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Physikalische Grundlagen Bewegte elektrisch geladene Teilchen verursachen elektromagnetische Wellen –Frequenz f : Anzahl der Oszillationen pro Sekunde Maßeinheit: Hertz –Wellenlänge  : Distanz (in Metern) zwischen zwei Wellenmaxima –Durch Antennen können elektro-magnet. Wellen erzeugt und empfangen werden –Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektro-magnet. Wellen im Vakuum ist konstant: Lichtgeschwindigkeit c  3  10 8 m/s Zusammenhang:  f = c

11 11 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Amplitudendarstellung Amplitudendarstellung einer Sinusschwingung s(t) = A sin(2  f t +  ) –A : Amplitude  : Phasenverschiebung –f :Frequenz = 1/TT:Periode AtAt  T

12 12 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Fouriertransformation Fouriertransformation einer periodischen Funktion: –Zerlegung in verschiedene Sinuskurven Dirichletsche Bedingungen einer periodischen Funktion f: –f(x) = f(x+2  ) –f(x) is in (- ,  ) in endlich vielen Intervallen stetig und monoton –Falls f nicht stetig in x 0, dann ist f(x 0 )=(f(x 0 -0)+f(x 0 +0))/2 Satz von Dirichlet: –f(x) genüge in (- ,  ) den Dirichletschen Bedingungen. Dann existieren Fourierkoeffizienten a 0,a 1,a 2,…,b 1,b 2,… so dass gilt:

13 13 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Berechnung der Fourierkoeffizienten Die Fourierkoeffizienten a i, b i können wie folgt berechnet werden: – Für k = 0,1,2,… – Für k = 1,2,3,… Beispiel: Sägezahnkurve

14 14 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Frequenzbereiche LFLow Frequency = LW Langwelle MFMedium Frequency = MWMittelwelle HFHigh Frequency = KWKurzwelle VHFVery High Frequency= UKWUltrakurzwelle UHFUltra High Frequency SHFSuper High Frequency EHFExtra High Frequency UVUltraviolettes Licht X-rayRöntgenstrahlung

15 15 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Frequenzbänder für Funknetzwerke VHF/UHF für Mobilfunk –Antennenlänge (Übungsaufgabe) SHF für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation Drahtloses (Wireless) LAN: UHF bis SHF –Geplant: EHF Sichtbares Licht –Kommunikation durch Laser Infrarot –Fernsteuerungen –Lokales LAN in geschlossenen Räumen

16 16 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Ausbreitungsverhalten (I) Geradlinige Ausbreitung im Vakuum Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab –Theoretisch, praktisch mit höheren Exponenten bis zu 4 oder 5 Einschränkung durch –Dämpfung in der Luft (insbesondere HV, VHF) –Abschattung –Reflektion –Streuung an kleinen Hindernissen –Beugung an scharfen Kanten

17 17 Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachbereich Mathematik/Informatik Algorithmische Probleme in Funknetzwerken 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


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