Funkkommunikation und drahtlose Netze

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Funkkommunikation und drahtlose Netze Prüfung im Modul ET5310 (Masterstudiengang) Professor Dr.-Ing. Martin Werner Juli 2015 Hinweise zur Bearbeitung der Klausur Die Klausur besteht aus zwei Teilen. - Teil I besteht 40 Richtig-Falsch-Fragen bzw. Lückentextaufgaben und ist ohne Hilfsmittel in maximal 40 Minuten zu beantworten. - Teil II enthält 4 Aufgaben und ist in maximal 60 Minuten zu bearbeiten. Außer üblichen Schreib- und Zeichengeräten sind keine weiteren Hilfsmittel zugelassen. Die Lösungen der Aufgaben sind gegebenenfalls in dem jeweils dafür vorgesehenen Raum (Bild, Textlücke, Tabelle) auf den Aufgabenblättern einzutragen. Die Lösungen sind in einer dem Beruf des Ingenieurs angemessenen Form zu erstellen. Dies betrifft insbesondere Formelzeichen und mathematische Gleichungen. Skizzen und Diagramme sind zu beschriften, physikalische und technische Größen zu benennen und gegebenenfalls mit ihren Dimensionen zu versehen. Die Lösungen müssen eindeutig erkennbar sein. Nicht zu wertende Teile sind durch einfaches Durchstreichen kenntlich zu machen. Verwenden von „Tintenkillern“, „Korrekturrollern“ o. Ä. ist unzulässig. Nichtbeachtung der Regeln kann zu Punktabzug oder Nichtbewertung der Aufgabe führen. Identifikationsteil Bevor Sie beginnen füllen Sie bitte den Identifikationsteil vollständig aus.

Vor- und Nachname

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Matrikelnummer

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Fulda, Juli 2015

: ...................................................................................................... (Unterschrift)

Viel Erfolg bei der Bearbeitung der Klausur Aufbau und Bewertung der Klausur Aufgabe

1

2

3

4

5

Summe

Maximal erreichbare Punktzahl

40

15

15

15

15

100

Note

Erreichte Punktzahl

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Aufgabe 1

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Maximale Punktzahl 40

Kreuzen () Sie nur richtige Aussagen an oder ergänzen Sie die Textlücke sinngemäß ( _ ). Markieren bzw. Nicht-Markieren aller Fragen wird nicht gewertet. Beispiel

2010 betrug die Marktdurchdringung des Mobilfunks in Deutschland über 133 % (über 112 Mio. Vertragsverhältnisse)

 richtig

J. C. Maxwell weist 1864 die von H. R. Hertz vorhergesagte Ausbreitung elektromagnetischer Wellen experimentell nach.

 falsch

Die elektromagnetischen Wellen des Mobilfunks liegen im Spektrum der nichtionisierenden Strahlung. Ja-Nein-Fragen/ Lückentextfragen 1



Die Freiraumdämpfung ist abhängig von der Frequenz. Der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Wellenlänge

2 ist _________________________________________________________________ . 3

Die spezifische Absorptionsrate (SAR) wird in Watt pro Meter (W/m) Körpergröße gemessen und bezieht sich auf die Erwärmung des Körpers durch hochfrequente elektromagnetische Felder.



Zahlreiche unspezifische Beeinträchtigungen des Wohlbefindens werden unter dem 4 Begriff _______________________________________________ zusammengefasst. 5



Die Empfangsleistung im terrestrischen Mobilfunk ist frequenzabhängig. Sektorantennen bündeln die Funkstrahlen wie ein „Scheinwerfer“ vertikal und

6 ____________________________________________________________________. 7

Eine Verdoppelung des Abstandes von Sender und Empfänger erhöht die Freiraumdämpfung um 6 dB.



In die Leistungsbilanz gehen allgemein die Gewinne durch die Antennen und die Verluste durch die Ausbreitungsdämpfung, die Beugungsdämpfung und 8 _________________________________________________________________ ein.

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10

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Gebäudeteile, wie Wände aus Beton, Ziegel oder Lehm, dämpfen beim Durchgang die Funksignale mit 2,4 GHz mehr als die mit 5 GHz.



Der Leistung 0,1 W entspricht im logarithmischen Maß __________________ dBm . Bei der Funkübertragung kann für die Empfangsleistung ein exponentielles Dämpfungsgesetz bzgl. des Abstandes und der Frequenz beobachtet werden.



Die Leistung eines Funksignal mit 2,4 GHz wird bereits auf dem ersten Meter durch 12 die Freiraumdämpfung um ___________________________________ dB gedämpft. 

13

Die Funkreichweite wird durch die Empfängerempfindlichkeit beschränkt.

14

Mit einem Channel Sounder wird _________________________________________ des Funkkanals gemessen.

15 16



In GSM steht das Akronym MSC für Mobile Switching Center.

GSM sieht Frequenzkanäle mit der Bandbreite von ________________________ vor.

17

Bei der Half-Rate-Sprachübertragung teilen sich zwei Teilnehmer einen Frequenzkanal.

18

Die Clustergröße sollte so _______________________ wie möglich gewählt werden.

19

In GSM kann die Gleichkanalstörung durch das Frequenzspringen reduziert werden.

20

Die GSM-Weiterentwicklung _________________________ ermöglicht in der Praxis Teilnehmerbitraten von circa 300 kbit/s (brutto).

21

22





Bei OFDM werden mehrere _______________________________________ benutzt ohne dass sie sich gegenseitig stören. Schutzintervalle (GI) machen OFDM-Symbole weniger anfällig gegen Funkstörungen aus den Nachbarbändern.



Die OFDM-Bedingung für den Frequenzabstand und die Symboldauer lautet 23 ____________________________________________________________________ . 24

Die Nullträger erlauben die Vermessung des Funkkanals und können so die Entzerrung des Empfangssignals unterstützen.

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

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Im WLAN nach IEEE 802.11a/g wird OFDM mit __________________-Modulation eingesetzt. Die Steigerung der spektralen Effizienz beim High-Troughput-OFDM ist auf weniger Pilotträger, ein kürzeres Schutzintervall und schmälere Schutzbänder zurückzuführen.



Im Frequenzband von 2,4 bis 2,48 GHz lassen sich an einem Ort gleichzeitig bis zu 27 _________ WLAN-Funkzellen (AP) betreiben, ohne dass sie sich gegenseitig stören. 28

Unter dem Begriff MIMO werden im WLAN nach IEEE 802.11n verschiedene Empfehlungen zur Modulation zusammengefasst.



Um Vorgaben zur Außerbandstrahlung einzuhalten, werden im WLAN nach IEEE 802.11für alle OFDM-Übertragungen Schutzbänder durch sogenannte 29 ___________________________________________________________ realisiert. 30

WLAN nach 802.11b sieht unter anderem eine Funkübertragung mit differenzieller BPSK-Modulation mit 1 Mbit/s vor.



Bei der dynamischen Anpassung der Stufenzahl der QAM-Modulation wird die 31 Übertragungsqualität des ____________________________________ berücksichtigt. 32

Bei der Coderate 4/5 werden im WLAN pro fünf Bit an Information vier Prüfbit für den Fehlerschutz gesendet.



33

Um einen reibungslosen Übergang von einem AP auf einen anderen zu ermöglichen, müssen alle AP im ESS in nichtüberlappenden Frequenzbändern senden.



Zur zentralen Authentifizierung in einem hochschulweiten WLAN kann ein 34 _______________________________________________-Server eingesetzt werden. 35

Um die Daten bei der WLAN-Übertragung zuverlässig vor Abhören zu schützen, sollte die Verschlüsselung nach dem Wired-Equivalent-PrivacyStandard eingestellt werden.

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

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Bluetooth sieht eine wechselseitige Authentifizierung nach dem 36 ________________________________________________________-Verfahren vor. 37

Für das Frequenzspringen stehen Bluetooth im ISM-Band 79 Kanäle zur Verfügung.



38

Bei der Bluetooth-Funkübertragung gibt ____________________________________ die Sprungfolge im Pico-Netz vor.

39

Sicherheitsmaßnahmen sind in Bluetooth optional.



Mit der Version 4.0 wurde eine Bluetoothvariante mit besonders geringem 40 ____________________________________________________________eingeführt.

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Funkkommunikation und drahtlose Netze Prüfung im Modul ET5310 (Masterstudiengang) Professor Dr.-Ing. Martin Werner Juli 2015

Teil II Hinweise zur Bearbeitung der Klausur - Teil II enthält 4 Aufgaben und ist in maximal 60 Minuten zu bearbeiten. Außer üblichen Schreib- und Zeichengeräten sind keine weiteren Hilfsmittel zugelassen. Die Lösungen der Aufgaben sind gegebenenfalls in dem jeweils dafür vorgesehenen Raum (Bild, Textlücke, Tabelle) auf den Aufgabenblättern einzutragen. Die Lösungen sind in einer dem Beruf des Ingenieurs angemessenen Form zu erstellen. Dies betrifft insbesondere Formelzeichen und mathematische Gleichungen. Skizzen und Diagramme sind zu beschriften, physikalische und technische Größen zu benennen und gegebenenfalls mit ihren Dimensionen zu versehen. Die Lösungen müssen eindeutig erkennbar sein. Nicht zu wertende Teile sind durch einfaches Durchstreichen kenntlich zu machen. Verwenden von „Tintenkillern“, „Korrekturrollern“ o. Ä. ist unzulässig. Nichtbeachtung der Regeln kann zu Punktabzug oder Nichtbewertung der Aufgabe führen!

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Viel Erfolg bei der Bearbeitung der Klausur

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Aufgabe 2 - GSM

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Maximale Punktzahl 15 = 5 + 4 + 4 + 2

a) Beschriften Sie Bild 2-1 indem Sie die jeweils benutzten GSM-Kanäle eintragen.

Mobilstation (MS)

Basisstation (BTS)

1. Frequenzsynchronisation

2. Zeitsynchronisation

3. Anklopfen

4. Horchen

5. Weitere Signalisierung

Bild 2-1 Verbindungsaufbau MS − BTS b) Ordnen Sie die Fehlerarten verlorenes Paket (a), dupliziertes Paket (b), Nachricht in Paket verfälscht (c) und Paket in falscher Reihenfolge (d) in Tabelle 2-1 den Gegenmaßnahmen in GPRS zu. Tabelle 2.1 Zur Zuordnung von Fehlerarten und Gegenmaßnahmen Gegenmaßnahmen

Fehlerarten

Durchsatz Echtzeitübertragung Flusskontrolle Kanalcodierung Verlässlichkeit

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c) Welche Möglichkeiten stehen bei der Funkübertragung in EDGE für die Anpassung an die Übertragungsbedingungen in der Funkzelle zur Verfügung? Hinweis: Im Vergleich zu GSM; Antwort im Telegrammstil genügt. d) Nach welchem Kriterium wird die Anpassung vorgenommen? Hinweis: Antwort im Telegrammstil genügt. Lösungen

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Aufgabe 3 - Funkausbreitung

Maximale Punktzahl 15

Es soll die Möglichkeit für eine Bluetooth-Übertragung zwischen zwei Laborräumen abgeschätzt werden, siehe vereinfachte Lageskizze in Bild 3-1. Aus Sicherheitsgründen sind die Räume mit 48 cm starkem Stahlbeton umgeben. Zwischen ihnen befindet sich eine Leichtbetonwand mit der Wandstärke von 11,5 cm. Einen Durchgang oder Fenster zwischen den Räumen gibt es nicht. Wegen der vorgesehenen elektro-sensiblen Einrichtung in den Räumen sind nur BluetoothGeräte der Klasse 3, d. h. mit maximaler Sendeleistung von 0 dBm, zulässig. Die BluetoothGeräte sollen frei in den Räumen platzierbar sein. Zur Auswahl stehen die Angebote zweier Lieferanten mit den Empfängerempfindlichkeiten von −70 dBm für preiswerte Bluetooth-Module nach Standard (Typ1) und mit verbesserten Empfängern mit −94 dBm (Typ 2). Die Bluetooth-Geräte sollen nur von einem Lieferanten beschafft werden.

8m

BD2 8m Tür

BD1

Zwischenwand

Tür

Schätzen Sie die Möglichkeiten für eine Bluetooth-Übertragung für die beiden Typen ab. Zur Sicherheit planen Sie eine Leistungsreserve entsprechend 6 dB ein. Treffen Sie geeignete Annahmen und Vereinfachungen. Runden sie Rechenergebnisse gegebenenfalls konservativ. Begründen Sie Ihre Antwort.

8m

Bild 3-1 Lageskizze (Draufsicht, Bluetooth-Gerät (BD)) Für Ihre Notizen und Lösungen

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Für Ihre Notizen und Lösungen

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Aufgabe 4 - WLAN

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Maximale Punktzahl 15 = 5 + 5 + 5

Füllen Sie die Textlücken sinngemäß. a) Was ist ein Extended Service Set (ESS)? In einem Extended Service Set (ESS) gibt es mehrere _______________________________, die per ___________________________________________________________ miteinander verbunden sind. Alle Access Points strahlen die gleiche ________________________________________ aus und ermöglichen es so Endgeräten, frei zwischen den Access Points zu _________________ . Auf diese Weise kann der ___________________________________________________ des Wireless LANs erhöht werden. b) Welche Aufgabe hat die SSID und in welchen Frames wird diese verwendet? Die SSID ist die __________________________________________________________ und dient zur Identifizierung des Wireless LANs. Auf diese Weise ist es möglich, an einem Ort mehrere unabhängige _______________________________________________ zu betreiben. Wird ein Endgerät für ein bestimmtes Wireless Netzwerk konfiguriert, wird die ________________________________________________ vorgegeben. Somit wird erreicht, dass bei erneuter Verbindungsaufnahme das richtige Netzwerk ausgewählt wird, wenn mehrere Netzwerke zur Verfügung stehen. Die SSID wird in den _____________________________________________________________ übertragen, die ein __________________________________________ mehrere Male pro Sekunde überträgt.

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c) Welche Stromsparmechanismen gibt es in den Wireless LAN Standards? Um Strom zu sparen, gibt es bei Wireless LAN den _________________________________. Um in diesen Modus zu gelangen, sendet das Endgerät ein leeres Datenpaket an den Access Point, in dessen Header das ______________________________________________ auf den Wert „1“ gesetzt ist. Danach schaltet das Endgerät den Empfänger ab, um Strom zu sparen. Der Access Point puffert daraufhin alle eingehenden Pakete für das Endgerät. Von Zeit zu Zeit aktiviert das Endgerät seine Empfangsstufe und überprüft in der ___________________ __________________________________ (TIM) eines ______________________________ ob Daten für ihn gepuffert sind. Falls nicht wird der Empfänger wieder abgeschaltet und die TIM zu einem späteren Zeitpunkt erneut überprüft. Sind Daten für das Endgerät vorhanden pollt das Endgerät den ___________________________________ für die gepufferten Pakete.

Quelle: Sauter, M. (2013). Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme (5. Aufl.). Wiesbaden: Springer

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Aufgabe 5 - Bluetooth

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Maximale Punktzahl 15 = 9 + 6

a) Bluetooth bietet die drei Stromsparmoden Connection-Hold, Connection-Sniff und Connection-Park an. Wie verhält sich das Endgerät jeweils? b) Bluetooth ermöglicht eine dynamische Zeitschlitz-Aggregation um ACL-Rahmen unterschiedlicher Länge zu realisieren. Was bedeutet das für den Durchsatz bei der Funkübertragung. Begründen Sie ihre Antwort.

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Kleine Sammlung von Formeln, Tabellen und Diagrammen

rq =

q⋅λ ⋅

υ =⋅ h

d1 ⋅ d 2 d1 + d 2

2 d1 + d 2 ⋅ λ d1 ⋅ d 2

24

Dämpfung in dB

20 16 12 8 4 0 −4

−2

0

2

v

4

Bild A1 Fresnel-Kirchhoff-Beugungsparameter

Tabelle A1 Durchgangsdämpfungen (Rech, 2012) Ungefähre Dämpfung bei den Frequenzen Material Hochlochziegel, 11,5 cm Leichtbeton, 11,5 cm Lehmstein, 11,5 cm Kalksandstein, 24 cm Leichtbeton, 30 cm Stahlbeton, 16 cm Hochlochziegel, 36 cm Tondachziegel, 1,3 cm 2-fache Wärmeschutzverglasung

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2,4 GHz 7 dB 12 dB 22 dB 9,5 dB 26 dB 20 dB 26 dB 3 dB 33 dB

5 GHz 10 dB 19 dB 36 dB 23 dB 35 dB 32 dB 50 dB 8 dB 27 dB

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1

0.9

0.8

0.7

log 10(x)

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x

Bild A2 Logarithmusfunktion

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