TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü ELE 463/563 Haberleşme Ağları.

Transkript

1 TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü ELE 463/563 Haberleşme Ağları Final Sınavı 8 Temmuz 2014 Adı ve Soyadı: Bölüm: No: Sınav süresi 6 gündür. 14 Ağustos :30 a kadar Oda:168 veya ELE posta kutuma döndürülecektir. ÖNEMLİ UYARI Yükseköğretim Kurumları Öğrenci Disiplin Yönetmeliği Madde 9-m ye göre sınavlarda kopya yapmak veya yaptırmak veya bunlara teşebbüs etmek fiilinin suçu YÜKSEKÖĞRETİM KURUMUNDAN BİR VEYA İKİ YARIYIL İÇİN UZAKLAŞTIRMA cezasıdır. UYARI VE KURALLARI OKUDUM. İmza: Başarılar!

2 (0,0.5) 0.5 km km (0,0) 0.5 km (0, 0.5) km Figure 1: Geometry of the nodes Design Question: In this exam, you are supposed to provide a rough design for a mobile ad-hoc network where 19 nodes with full-duplex transceivers attempt to communicate with each other. The spatial node distribution is shown in Figure 1. For simplicity, it is assumed that the closest nodes to any given node in the network is identical and equals to 0.5 km. You are given a clean 100 MHz channel which you can split into smaller bandwidth channels and assign to different nodes. For example, if each smaller channel is selected as 5 MHz, then you will have 20 channels that can be shared among the 19 nodes. Note that due to full-duplex operation, each node is assumed to employ 2 different channels with sufficient frequency separation. A transmission between any node pair is subject to a log-distance pathloss where the received power P r (in dbm) is given by P r = P t P L(d) (1) with P t denoting the transmit power, P L the pathloss, and d the distance between the nodes in kilometres. The distance dependant pathloss (including all antenna gains, channel gains, etc..) in db is given as P L(d) = 43 log 10 (d) (2) The signal to noise ratio, ρ (in db) at the receiver node, in an interference-free environment, is defined as ρ = P r N (3) where N denotes the thermal noise level in dbm and can be calculated using N(W ) = log 10 (W ) (4) with W denoting the channel bandwidth. Thus, SNR (in db) can be expressed as ρ = P t 43 log 10 (d) 133 ( log 10 (W )) = P t [db] 43 log 10 (d[km]) 10 log 10 (W [Hz]) (5) 2

3 Assume that no communication is possible for ρ 0 db. For 0 ρ 4 db, a rate 1/2 channel encoder with QPSK modulation can be used, while for ρ > 4 db, a rate 1/2 encoder with 16 QAM modulation can be used. The channel varies significantly every 1 ms, however, you wish each packet to be affected by the same channel, therefore, you need to specify a maximum length for each frame to be transmitted with the air interface. The maximum transmit power at any node is P t = 1000 mwatt, e.g., 30 dbm. (Here dbm is the db miliwatt, the db scale of the power level with respect to 1 miliwatt.) You are supposed to create a fully-connected wireless network with at most 3 hops. That is, any two nodes in the network shall communicate with each other with at most 3 hops. For your design, you need to determine certain parameters and protocols that enable multihop transmission links, with each hop having a sufficient signal-to-noise ratio. 1. Network Entry Specify a network entry/re-entry mechanism in a step-by-step procedure. Think about how a network can initiate or enable a new node to enter the network. Also specify how a call-setup is performed. You may try a contention based mechanism (similar to IEEE n) or partial contention based mechanism (similar to IEEE ). Which one is more suitable for the scenario in this question. For your choice, provide the details (the parameters and their rough values for your design ) for the network entry/re-entry mechanism. 2. Physical Layer Design Determine the channel bandwidths, data rates, end-to-end data rates for the allowed hop distances. Keep in mind that no more than 3 hops is allowed to reach from any node in the network to any other node. Specify an OFDM based PHY scheme (symbol duration, frame duration (e.g., number of consecutive OFDM symbols per MAC protocol data unit transmission)), subcarrier spacing, number of subcarriers, etc.., and achievable data rate with this OFDM PHY for the two allowed modulation &coding scheme level described above (1/2-QPSK, 1/2-16 QAM) 3. MAC Layer Design Specify your preferred multiple access scheme (TDMA/FDMA/CDMA, etc..). Determine your MAC protocol, along with the MAC protocol data unit (with MAC headers, payloads, etc.). Specify your maximum packet sizes. Depict your MAC data unit in detail showing each information field and the number of bits for each field. Do not miss to include any field for enabling your MAC layer optimization algorithms, such as modulation/coding scheme selection, packet size optimization, fragmentation/defragmentation, etc.. What is your MAC header overhead, e.g., ratio of control overhead (including checksums) to payload. You shall consider the fregmentation/defragmentation as well the error control mechanism/retransmission mechanism if needed, e.g., ARQ/Hybris-ARQ, etc.. Would you prefer an end-to-end retransmission process or hop-by-hop retransmission process. In any choice, make sure your MAC message design covers the retransmission procedure. 3

4 What is your maximum round-trip delay (assuming 10 µ seconds processing time at each node for both transmission and reception, and any forwarding processing if necessary.) for your maximum packet size? 4. Network Layer Design Specify your routing algorithms, path management mechanisms, required MAC control messages to set up connecting paths. Take into account your PHY layer design in multihop transmission. Specify your buffering requirements in presence of intermediate nodes if transmissions need to be carried over multiple hops. 5. Transport Layer Design Due to channel variations, the link quality for each hop may vary. Thus, it is possible to have SNRs below 0 db for some links in which case you need to control your flow and/or have large buffers until the next hop in your routing path is resumed. Specify your TCP layer flow control mechanism and the required MAC messaging to achieve successful end-to-end transmissions. For a node pair with the largest distance from each other, what is the peak rate your design can achieve? Similarly, for a node pair with the closest distance from each other, what is the peak rate your design can achieve? What is the average capacity of your network (in megabits/sec)? You can perform any approximation as long as you can validate and explain. You may include any other design parameter and issues that you may consider useful for your design. Note: In the next page, a recent project call related to an ad-hoc network design is provided. This project is mainly related to a proprietary network design with potentially many optimizations. This is a good example to show what a communications engineer may perform as part of its professional life. 4

5 1511 ÖNCELİKLİ ALANLAR ARAŞTIRMA TEKNOLOJİ GELİŞTİRME VE YENİLİK PROJELERİ DESTEKLEME PROGRAMI MOBİL İLETİŞİM ÇAĞRI DUYURUSU 1. Çağrı Kodu 1511-BİT-2014-Mİ Çağrı Başlığı Araç-Araç, Araç-Altyapı Haberleşme Sistemleri 3. Çağrı Gerekçeleri ve Amaçlar Mobil iletişim teknolojilerindeki gelişmeler ışığında yakın gelecekte tüm kara, deniz ve hava araçlarının kablosuz iletişim ağlarını yoğun bir şekilde kullanacağı öngörülmektedir. Bu amaçla tüm ortamlarda (kara, deniz hava) araç-araç ve araç-altyapı arası haberleşme platformlarının geliştirilmesi gerekmektedir. Karasal sistemlerde ticari uygulamalar, sürüş güvenliği, sürüş verimliliği, acil durum erişimi ve benzeri gibi konular öne çıkarken, hava ve deniz sistemlerinde ülke güvenliği için araç-araç, araç-istasyon arasında güvenli, kesintisiz ve etkin iletişim öne çıkmaktadır. Bu çağrı ile ülkemizde yukarıda belirtilen araç-araç ve araç-altyapı arası haberleşme sistemlerinin ve alt bileşenlerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. 4. Çağrı Konu ve Kapsamı Bu çağrının konuları aşağıdaki üç ana başlıkta toplanmıştır: 1. Karasal araç-araç ve araç-altyapı haberleşme sistemleri geliştirilmesi 2. Denizaltı ve insansız su altı araçları için haberleşme sistemlerinin geliştirilmesi 3. Uçak, insansız hava araçları ve yüksek irtifa platformları için araç-araç ve araç-yer haberleşme sistemleri geliştirilmesi Bu çağrı; yukarıdaki üç tip haberleşme sistemlerinin en az birinde, farklı hızlarda hareketliliğe sahip araç-araç, araç- yer istasyonu arasında güvenli ve kesintisiz iletişimi sağlayacak, farklı taşıyıcı frekanslarda ve bant genişliklerinde çalışan çok bantlı mobil kablosuz iletişim sistemlerinin donanım ve/veya yazılım bileşenlerinin geliştirilmesini kapsamaktadır. Hedeflenen Çıktılar ve Teknik Özellikler Yukarıda belirtilen konularda a) araçlar arası ve araç-altyapı arsı iletişimi sağlamak üzere Fiziksel Katman Modülü, Ortama Erişim (MAC) Modülü, Ağ Katman Modülü, RF, Akustik ve/veya Optik Donanım sistemlerinin b) çevresel koşulların gözetlenmesini sağlayacak araç üstü sensör donanım sistemlerinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu sistemlerin uygulamaya özgü aşağıdaki teknik özellikleri sağlaması beklenmektedir. 1. Her bir ortam ve bant aralığı için uygun olan ortam erişim tekniğinin (TDMA, FDMA, CDMA,

6 OFDMA vb.) geliştirilmesi, 2. Servis kalitesi ihtiyaçlarına göre otomatik link kurulumu, ağa sonradan dahil olma ve benzeri tekniklerin geliştirilmesi, 3. HF, VHF, UHF bantlarında taşıyıcı çoğullama (carrier aggregation) ve benzeri teknikleri kullanarak yüksek veri hızlarının elde edilmesi 4. Geliştirilecek sistemin daha düşük hızda çalıştığı durumlarda elektronik karıştırmaya, tespit edilmeye dirençli olması (LPI, LPD). 5. Uygulamaya (çoklu ortam, güvenlik, acil durum vb.) özgü hizmet kalitesi ihtiyaçlarına yanıt vermesi 6. Ağ kaynaklarının verimli kullanılmasına yönelik olarak multicast ve broadcast mekanizmalarının desteklenmesi 7. Doppler etkisini dikkate alan Akustik ve/veya optik link teknolojilerini birlikte kullanan bir sualtı haberleşme ağının kurulması 8. Hava araçları için melez RF/Optik haberleşme sistemlerinin geliştirilmesi 9. Yüksek hareketlilikte Hedefleme-Yakalama-Takip (Pointing-Acquisition-Tracking) sistemi tasarlanması 10. İlgili uluslararası standartlara uyumluluğun sağlanması Birlikte işlerliğin sağlanması amacıyla sistemin IP Tabanlı olması tercih edilir. IP Tabanlı dinamik yönlendirme protokolleri kullanılabilir. 5. Çağrı Takvimi Çağrı Açılış Tarihi 25 Şubat 2014 Çağrı Kapanış Tarihi 16 Haziran 2014 Ön kayıt Son Tarih* 9 Haziran 2014 saat: 17:30 Proje Öneri Başvuru Tarihleri 31 Mart Haziran Saat:14:00 *: Proje başvuruları yapabilmek için proje öneri başlığınız ve kuruluşunuz durumu ile ilgili belgeleri TÜBİTAK a sunarak bir proje giriş yetkisi almanız gerekmektedir. Burada belirtilen tarih bu evrakların TÜBİTAK a evrak girişinin yapılabileceği en son tarihi ifade etmektedir. 6. Çağrıya Özel Şartlar Proje süresi üst sınırı Proje bütçesi üst sınırı İşbirliği yapısı : 36 ay* : TL** : Kısıt yok Diğer hususlar : *: Proje sadece yazılım uygulamalarından oluşuyorsa proje süresi üst sınırı 24 aydır. **: Ortaklı projelerde bütçe üst sınırı toplam proje bütçesi için TL dir. Ortaklı projelerde, projeyi sunan ortakların çalışma alanlarının farklı olması kriteri dikkate alınacaktır. Üniversitelerden ve/veya araştırma merkezlerinden alınacak teknik danışmanlıklar proje değerlendirmesinde dikkate alınacaktır. Sadece entegrasyon/montaj içeren projeler destek kapsamı dışındadır. Proje kapsamında geliştirilen sistemlerin büyük ölçekli doğrulama testlerine yönelik kurulumlar (test sistemi) destek kapsamı dışındadır. Bu konudaki ihtiyaçlar hizmet alımı yolu ile karşılanabilir.

7 7. İrtibat Noktası Duran AKSER /3737 duran.akser@tubitak.gov.tr / 1511@tubitak.gov.tr 8. İlgili Belgeler 1511 Öncelikli Alanlar Araştırma Teknoloji Geliştirme ve Yenilik Projeleri Destekleme Programı Uygulama Esasları 1511 Proje Öneri Başvuru Formu (AGY111-02) Bu çağrı duyurusu TÜBİTAK 1511 kodlu Öncelikli Alanlarda Araştırma Teknoloji Geliştirme ve Yenilik Projeleri Destekleme Programı uygulama esasları çerçevesinde yapılmış olup, burada belirtilmeyen hususlar için uygulama esaslarında yer alan hükümler geçerlidir.