Algorithmische Probleme in Funknetzwerken Christian Schindelhauer schindel@upb.de

Organisation (I) Vorlesungsbegleitende Web-Seite: Termine: http://www.upb.de/cs/ag-madh/vorl/AlgPFunk/ Mit Skript, Folien und Übungsaufgaben Termine: Vorlesung (V2) Mi 11.15 - 12.45 F1.110 Übung (Ü1) 1. Übung: 23. Oktober 2002 Mi 10:00 - 10:45 F1.110 Übung & Vorlesung in Zusammenarbeit mit Klaus Volbert (kvolbert@upb.de)

Organisation (II) Übungsabgabe (freiwillig) montags in F1.110 Prüfung 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 Mail: schindel@upb.de Tel: 606452

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 802.11, 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

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.

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

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

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)

Referenzmodell OSI Vorlesung (Computer Networks, Tanenbaum) Internet (Open Systems Interconnection) Vorlesung (Computer Networks, Tanenbaum) Internet TCP/IP Application Presentation Nicht vorhanden Session Transport Transport (TCP/UDP) Network Network (IP) Data Link Host-to-network Physical

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  108 m/s Zusammenhang:   f = c

Amplitudendarstellung Amplitudendarstellung einer Sinusschwingung s(t) = A sin(2 f t + ) A: Amplitude : Phasenverschiebung f : Frequenz = 1/T T: Periode T At 

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 x0, dann ist f(x0)=(f(x0-0)+f(x0+0))/2 Satz von Dirichlet: f(x) genüge in (-,) den Dirichletschen Bedingungen. Dann existieren Fourierkoeffizienten a0,a1,a2,…,b1,b2,… so dass gilt:

Berechnung der Fourierkoeffizienten Die Fourierkoeffizienten ai, bi können wie folgt berechnet werden: Für k = 0,1,2,… Für k = 1,2,3,… Beispiel: Sägezahnkurve

Frequenzbereiche LF Low Frequency = LW Langwelle MF Medium Frequency = MW Mittelwelle HF High Frequency = KW Kurzwelle VHF Very High Frequency = UKW Ultrakurzwelle UHF Ultra High Frequency SHF Super High Frequency EHF Extra High Frequency UV Ultraviolettes Licht X-ray Röntgenstrahlung

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

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

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 100-500 km Höhe reflektiert Ab 100 MHz Wellenausbreitung geradlinig Kaum Gebäudedurchdringung Gute Fokussierung Ab 8 GHz Absorption durch Regen