Eksamen Tele3004 med Løsningsforslag / Sensorveiledning. Tele3004_14h_eks Oppgave 1 (ca. 20 %) a) Hva er, og hva tilbyr, et lag i en protokollstakk? Et lag er en samling relaterte funksjoner som tilbyr tjenester til laget over og bruker tjenester fra laget under. b) Hvilke egenskaper defineres vanligvis av fysisk lag i en trådløs protokoll? Frekvens, kanal, modulasjon, koding, lytting etter ledig kanal, mekanismer for overføring av rådata (bits). c) Hva er multiple medium aksessmetoder, og hva brukes de til? Mekanismer for håndtering av kommunikasjon i store nettverk. De benyttes for å unngå interferens innad i et nettverk. d) Forklar prinsippene for TDMA. Med TDMA deles kommunikasjonen inn i tidsluker hvor det er plass til sending av data og tilhørende kvittering (ACK) mellom en bestemt sender og mottaker. e) Forklar prinsippene for FDMA. Med FDMA deles kommunikasjonen inn i flere kanaler som er adskilt i frekvens slik at flere enheter kan kommunisere samtidig uten å forstyrre hverandre. f) Hva er CDMA? Forklar kort hvordan radiospekteret brukes i tid og frekvens. CDMA står for: Code Division Multiple Access, Spredt spekter (kodedelt multippel aksess). Det er ingen restriksjoner på bruk av sendere i tid og frekvens. Hver sender bruker en unik spredekode. De kodene som brukes kalles ofte for pseudo random støy (PRN) som er en såkalt maksimallengde sekvens. Dersom det er flere sendere så må de bruke forskjellige koder. Spredekodene må velges slik at det er ortogonale koder. g) Nevn to metoder for å lage spredt spekter (CDMA). CDMA kan lages ved at informasjonsbitene multipliseres med se såkalt spredekode (direktesekvens). Den andre metoden er å bruke såkalt frekvenshopping. Det brukes også en i dette tilfelle en pseudo random sekvens (spredekode) som bestemmes hvilken frekvens det skal hoppes til. h) Hva er interferens og hvordan oppstår det? Interferens er radiosystemer som har negativ påvirkning på hverandre. Interferens oppstår når 2 radiosystemer sender på samme frekvens, på samme tidspunkt og på samme sted. i) Hva er støy? Støy er negative påvirkninger på et radiosystem som kommer fra maskiner og utstyr som sender ut elektromagnetisk stråling. j) Hva kan skje med et radiosystem som blir utsatt for støy og interferens? Støy og interferens kan gi bitfeil i overføringen som igjen kan føre til pakketap. k) Hvorfor er 2.4 GHz et populært frekvensbånd? 2.4 GHz er et åpent og lisensfritt frekvensbånd (ISM) som er globalt tilgjengelig.
l) Hvilke egenskaper ved radiokommunikasjon påvirkes av valg av frekvens (lav, høy)? Valg av frekvens påvirker rekkevidde, datarate og demping fra materialer. Høy frekvens gir generelt sett økt datarate men kortere rekkevidde og høyere demping fra materialer, mens lav frekvens gir lengre rekkevidde og mindre demping fra materialer, men lavere datarate. m) Forklar hva vi mener med 3-dB båndbredden for ei antenne. Det er frekvensavstanden mellom høyeste frekvens og laveste frekvens hvor antennevinninga har falt 3 db i forhold til maksimum antennevinning. n) Forklar hovedprinsippet til ei parabolantenne (sett navn på elementene). Primær antenne (dipol, horn eller lignende) plassert i fokus av en parabolsk reflektor. En parallell stråle inn mot reflektoren fokuserer strålen til et punkt hvor primærantenna står. Alle strålene har samme gangavstand. o) Hvilke to parametre bestemmer strekningsdempningen (bølgeutbredelse)? Strekningsdempningen er avhengig av avstanden og frekvensen. p) Forklar begrepet bitfletting («interleaving»). Bitfletting vil si at påfølgene bit spres ut over i tid for å unngå virkningen av skurfeil. Det kan for eksempel gjøres ved at en leser bitstrømmen inn i et register og leser ut i en annen rekkefølge. q) Hva er antenneforsterkning (vinning, «gain»). Forklar. Ei antennes forsterkning er strålingen i en retning (vanligvis maks. stråling) sammenlignet med ei isotrop antenne. r) Hva er QPSK? Forklar. QPSK står for kvadratur faseskiftnøkling. Dvs at vi har fire tilstander av fasedreiing (for eksempel 0, 90, 180 og 270 ) som representere en kode hver.
Oppgave 2 (ca 25 %) a) Tegn blokkdiagram for en dobbeltsuperheterodynmottaker. Du skal lage en mottaker (dobbelsuperheterodyn) for mobiltelefoni med fast inngangsfilter. Filteret dekker frekvensbåndet (1805 MHz -1880 MHz). 1. lokaloscillatorfrekvensen (LO) (innstillbar) ligger over mottakerfrekvensen. 2. LO-frekvens ligger lavere enn signalet fra 1. LO. Det skal være en mottaker med to mellomfrekvenser (MF). De to mellomfrekvensfiltrene har senterfrekvens på henholdsvis 170 MHz og 10,7 MHz. Krav til minimum speilfrekvensdempning er 60 db. b. Skriv på blokkskjemaet de nødvendige frekvenser i mottakeren når den er innstilt til 1850 MHz. Hva er mottakerens speilfrekvenser? a+b: AGC Inngangsfilter P RFforst. 1.MF-filt 170MHz 2.MF-filt 10,7MHz 1.MFforst. 2.MFforst. Detektor LFforst. 1..LO 2020 MHz 2..LO 159,3 MHz 1.speilfrekvens vil bli: fim1 = fs + 2 f1mf = 1850 MHz + 2 170 MHz = 2190 MHz 2.speilfrekvens vil bli: fim2 = f s - 2 f2mf = 170 MHz - 2 10,7 MHz = 148,6 MHz 1.LO-frekvens: flo1 = fs1 + fmf1 = 1850 MHz + 170 MHz = 2020 MHz 2.LO-frekvens: flo2 = fs2 - fmf2 = 170 MHz - 10,7 MHz = 159,3 MHz c. Tegn filterkarakteristikken for inngangsfilteret slik at speilfrekvensdempningen akkurat er lik kravet ved den mest ugunstige frekvensen. Anta et symmetrisk båndpassfilter. Kommenter resultatet. Når vi har innstilt den laveste frekvensen 1805 MHz vil vi ha den laveste speilfrekvensen. fim1 = fs + 2 f1mf = 1805 MHz + 2 170 MHz = 2145 MHz 0 db -60 db 1540 Inngangsfilter 1805 1880 2145 f[mhz]
d. Skisser karakteristikken til 2. mellomfrekvensfilter. Anta +/ 200 khz båndbredde ( 6dB). Anta 60 db båndbredde på +/ 400 khz. Angi frekvensene. db -6-60 10,3 10,5 10,7 10,9 11,1 f [MHz] 2. mellomfrekvensfilter e. Forklar hvorfor det er gunstig å bruke to mellomfrekvenser. (Hva oppnår vi i første mellomfrekvenstrinn, og hva oppnår vi i andre mellomfrekvenstrinn?) Med høy første mellomfrekvens er det enkelt å filtrere ut speilfrekvensen (v.hj.a. inngangsfilteret). Med andre konvertering på en lav frekvens er det enkelt å gjøre kanalfiltreringen. Oppgave 3 (ca. 20 %) a) Fortell om egenskapene til det fysiske laget til IEEE 802.15.4 i 2.4 GHz båndet. Forklar 2 av metodene for vurdering av ledig kanal (clear channel assessment) som kan benyttes av IEEE 802.15.4. Hvilke nettverkstopologier støttes av IEEE 802.15.4? Lag en enkel skisse for hver av topologiene. IEEE 802.15.4 definerer 16 kanaler med 2 MHz båndbredde i 2.4 GHz. Maksimal datarate er 250 kbps. Maksimal utsendt effekt er 10 mw. Typisk rekkevidde er rundt 100 m, men det er avhengig av sensitivitet til radiomodulen. IEEE 802.15.4 definerer følgende metoder for "clear channel assessment": - CCA Mode 1: Energi over terskel. - CCA Mode 2: Deteksjon av bærebølge. - CCA Mode 3: Deteksjon av bærebølge med energi over terskel. - CCA Mode 4: ALOHA, dvs. medium er antatt alltid tilgjengelig. IEEE 802.15.4 støtter stjernenett, maskenett og stjerne-maskenett.
b) Hva er formålet med WirelessHART og ISA100.11a? Hvilken egenskap er det som gjør at WirelessHART og ISA100.11a er mer robust mot støy og interferens enn ZigBee og 6LoWPAN? Hvilke(n) multiple aksessmetode(r) bruker WirelessHART og ISA100.11a? Nevn 2 forskjeller mellom WirelessHART og ISA100.11a. Hva mener man med trådløs instrumentering? WirelessHART og ISA100.11a er spesielt utviklet for industrielle anvendelser. I motsetning til 6LoWPAN og ZigBee benytter WirelessHART og ISA100.11a frekvenshopping, noe som er gunstig for å motstå støy og interferens. WirelessHART og ISA100.11a benytter en kombinasjon av TDMA og FDMA, hvor kommunuikasjon deles inn i tidsluker og kanaler. Hovedforskjellene mellom WirelessHART og ISA100.11a er: - Kommandobasert versus objektorientert applikasjonslag - Mekanismer for tjenestekvalitet - Mekanismer for sameksistens med IEEE 802.11 Trådløs instrumentering defineres som trådløse sensornettverk anvendt til prosessautomatisering (industri). c) Vi har et WirelessHART-nettverk som skissert nedenfor, med 5 noder og en nettverksadministrator. Pilene i figuren representerer alle linker som er definert. Linkene er to-veis, dvs. at det f.eks. er en link for kommunikasjon fra A til B, og en for B til A. Gitt at systemet har 2 tilgjengelige kanaler, hva er minimum antall tidsluker man trenger for å få plass til alle linkene? Illustrer fordelingen av linker i en tabell med kanal og tidsluker. Bruk gjerne bokstaven N for nettverksadministratoren. Svar: 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kanal 1 A-B B-A A-C C-A A-D D-A A-N N-A B-N N-B Kanal 2 C-D D-C B-E E-B C-E E-C B-C C-B D-E E-D Oppgave 4 (ca. 10 %) En sender med senderfrekvens på 2,4 GHz (i et trådløst nett) har en sendereffekt på 1 mw. Mottakeren har en følsomhet på -100 dbm. S/N antas lik 10 db. Anta at vi har ei antennevinning på 3 db både på sender og mottaker. Mottakerbåndbredden er 2 MHz. a) Hvor lang avstand kan vi teoretisk kommunisere på i åpent lende? Utfør beregningen. Vi gjør om til lineære enheter =3 =10=2, = 100 =10 =100 10 = 100 10 Forhold mellom utsendt og mottatt effekt er: = ( π ) ="# # & $ ' ( π ) Innsatt tallverdier: =" $ = 200 10 & $$ $ % 9,947 10 & =1989 2. ( π,) $ ) Kommentar: Dette er ved ideelle betingelser uten støy/interferens fra andre sendere.
b) På grunn av støy måler du kortere rekkevidde. Du måler støygulvet til -70 dbm med 200 khz båndbredde. Hva blir da det laveste signalet som kan mottas? Når støygulvet er -70 dbm ved 200 khz vil støyen bli 10 db høyere ved 2 MHz båndbredde. Det vil si at støyen er -60 dbm ved 2 MHz båndredde. Dersom vi regner et S/N = 10 db så vil laveste mottatte signal være -50 dbm = 10-5 mw = 10-8 W = 0,1 nw c) Hva blir da teoretisk rekkevidde med denne støyen? Dersom du ikke har funnet støyeffekten i forrige spørsmål kan du anta en støyeffekt. Innsatt tallverdier: =" $ & $ ' = 0,633 10 & $ ' 9,947 10 & =6,3 6 ( π,) $ ) Oppgave 5 (ca 25 %) a) Hva er formålet med 6LoWPAN? 3. IPv6 trafikk. b) Hvor mange lag er det i OSI-modellen? 3. 7 c) Hvor mange dbm er 100 mw? 2. 20 10 log(100) = 10 2 d) Hvor mange mw er -13 dbm? 1. 0,05 10-13/10 e) På hvilken frekvens opererer Bluetooth? 3. 2,4 GHz f) Hva er båndbredden på en kanal i Bluetooth? 1. 1 MHz g) Hvor mange slaver kan det maksimalt være i et Bluetooth piconett? 3. 7 h) På hvilken frekvens opererer IEEE 802.11n? 3. 2,4 GHz og 5 GHz i) Hva er båndbredden på en kanal i IEEE 802.11b/g? 4. 20 MHz j) Hvordan kan man få to kopier av samme datapakke i et sensornettverk? 2. Data kommer frem ok, kvitteringen blir tapt k) Hva er lengden på en tidsluke i WirelessHART? 3. 10 ms l) Maksimal rekkevidde for WiMax er inntil... 3. 50 km m) En RFID tag uten batteri kalles... 1. En passiv tag. n) I GSM er det en systembegrensning for maksimal rekkevidde gitt av 1. transmisjonstidsforsinkelsen o) For å få refleksjoner fra ionosfæren vil denne frekvensen kunne være gunstig: 1. 3 MHz p) Du måler 100 mv/m fra ei antenne i avstand 10 m. På 1000 m måler du... 2. 1000 µv/m E2 = E1 d1/d2 q) Du måler 10µW/m 2 fra ei antenne i avstand 10 m. På 1 km måler du... 4. 0,001 µw/m 2 P2 = P1 (d1/d2) 2 r) Sammenligner vi en foldet dipol med en enkel dipol har en enkel dipol. 2. høyere impedans s) Ei dipolantenne 2. er ei smalbåndet antenne t) En PLL syntetisator (faselåst) brukes fordi.. 3. den går høyere i frekvens enn en DDS