Mid Sweden University Dept. of IT and Media (ITM) Magnus Eriksson Tel 060-148740, 070-562 5502. Email magnus.eriksson@miun.se 27 Oct 2010 Page 1 of 8 Exam in DT075G, Multimedia and Comm. Systems B Answers Time: 8:00-13:00 Permitted tools: Arbitrary pocket calculator. An English-Swedish dictionary. Preliminary requirement for approval: 31 out of 61 points. Only write on one side of each sheet. You may answer in Swedish or English. Your score will be presented at http://portal.miun.se via the LADOK service preliminary within three weeks, provided that you have concluded the course quizzes (assessments). Good luck! THEORY PART 1. Draw a copy of the following table, and tick what functions and schemes (the rows) that may be handled by what protocol (s) in the five TCP/IP model (columns). There should be at least one tick in each column, and at least one ticks in each row, sometimes several ticks. (Marking: One point per correct row. 0.5p for a partly correct row.) (12 p) A: Internet (network ) B. Physical C. Transport D. Application E. Data link 1. Automatic repeat request (ARQ), sliding window, flow control 2. Logical addressing and routing 3. Physical addressing 4. Port numbering 5. ASK, PSK, FSK, QAM 6. TDMA, FDMA, CDMA, ( ) CSMA/CD, CSMA/CA 7. TDM, FDM, WDM 8. Client-server protocols ( ) 9. Bit synchronization, Manchester coding, AMI, RZ, NRZ 10. Frame synchronization 11. Packet queueing, store-andforward ( ) 12. Standardization of radio frequencies, signal strengths, wave forms, electrical impedance
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 2 2. (3 points) Give a short answer to each of the following questions: a. Which protocol in the TCP/IP protocol suite resolves the physical address from the IP address? Answer: ARP. (Original exam formulation: RARP or DHCP were better answers, but ARP was accepted) b. Which in the OSI seven model is responsible for data compression? Answer: L6, the presentation. c. Which command should you give at the command prompt to find the RTT to www.vxu.se? Answer: ping www.vxu.se. 3. Redogör för vad du vet om de tre bildtyperna I-bild, P-bild och B-bild, som används i de flesta MPEG-baserade videokodningstandarder. (3 p) I-frames (Intracoded frames) are the least compressible but don't require prediction based on other video frames to decode. They are typically sent most seldom, but are required to allow program change and recovery after errors. P-frames (Predicted frames) need data from previous frames to decompress and are more compressible than I-frames. B-frames (Bidirectionally predicted/interpolated frames) can use both previous and next I/P-frames for data reference to get the highest amount of data compression. This image type is the most frequent. In both the P-frame case and the B-frame case, the transferred data represents motion vectors as well as the difference between the correct frame and the predicted frame. 4. (5 p) Explain the concept of Internet sockets. (Use the terms process, operational system, interface, socket address, socket identifier, port number, netstat command, IP address, server, client, TCP, UDP, listening state, uniquely identified by.) PROBLEM PART Show all calculcations. 5. A TDM multiplexer combines four 8-Mbps channels using a time slot of 4 bits. An overhead consisting of a frame header of 8 bit is added. Show the output with four arbitrary inputs. What is the frame rate? What is the frame duration? What is the bit rate? What is the bit duration? (3 p)
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 3 Answer: E.g. if channel 1 is 0110 0000, channel 2 is 1111 0001, channel 3 is 1011 0010, and channel 4 is 0000 0000, then the sent sequence is: xxxxxxxx 0110 1111 10111 0000 xxxxxxxx 0000 0001 0010 0000, where xxxxxxxx is the frame header. The frame rate is equal to the time slot rate of one channel, i.e. f Frame =8Mbps/4(bits/slot) = 2 000 000 frames per second. The frame duration is T Frame =1/f Frame = 0.5 µs- There are 4*4 + 8 = 24 bits per frame, resulting in R=24*2 000 000 = 48 Mbps. The bit duration is 1/R = 0.021 µs. 6. Ditt företag har IP-adresser i området 193.101.72.0 till 193.101.87.255 Du ska dela in adresserna i 4 subnät, med utrymme för 2046, 1022, 510 resp 510 värddatorer (IP hosts). Vilka subnätadresser och subnätmaskar väljer du? Svara både på hexadecimal form och punkterad decimal form. (3 p) Answer: (Original network mask was 255.255.240.0 or /20, since the first 20 bits were constant in the address range.) Subnet A: Size 2048=2^11, i.e. 11 bit host-id. 32-11=21 bit prefeix (net id+subnet id). Subnet mask: 11111111 11111111 11111000 00000000 binary = 255.255.248.0 = FFFFF800 hex. Subnet address 193.101.72.0 = C1654800 hex. Subnet B: Subnet mask 255.255.252.0. Subnet address 193.101.80.0 (because 72+2048/256=78). Subnet C: Subnet mask 255.255.254.0 Subnet address 193.101.84.0 (because 78+1024/256=82).. Subnet D: Subnet mask 255.255.254.0. Subnet address 193.101.86.0 (because 78+512/256=84). Last host address: 193.101.87.255
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 4 7. Du har tillgång till en digital kretskopplad uppkoppling med kapacitet 1Mbit/s. Du ska överföra en analog signal som du först digitaliserar. Signalen kan anta spänningar mellan -630 millivolt och + 630 millivolt i steg om 10 mv. (4 p) a) Hur många bit upplösning måste AD-omvandlaren ha? b) Hur stort kan signal-kvantiseringsförhållandet i decibel approximativt vara som högst? c) Vilken bandbredd kan den analoga signalen ha (i teorin enligt Nyquist)? Answer: a) 2*630mV/10mV+1=127 steps require 7 bit. (1,5 p) b) SQR is approximately 6dB per bit, i.e. 6 7=42 db. (1 p) c) Sample rate fs = (1 Mbit/s) / (7 bit/samples)=0.143 MSamples/s. Bandwidth B=fs/2=0.71 MHz.. (1,5 p) 8. Du har fått jobb på Kiruna space center, och har fått i uppdrag att designa ett system för att överföra data mellan rymdstationen ISS, som befinner sig på cirka 400 km höjd över jordens yta, och en station på jorden, rakt under rymdstationen. Du väljer att använda en radiolänk med hastigheten 100 Mbit/s, och sänder en sekvens av paket bestående av 4000 Byte data per paket i vardera riktning. a) Hur stor är transmissiontiden för ett paket? b) Hur stor är utbredningstiden (propagation delay)? c) Om vi använder Stop-And-Wait ARQ, hur stor genomströmningshastighet i bit/s får vi då i genomsnitt? Piggy-backing används, så att ACK-paketen har samma transmissionstid som övriga paket. d) Om vi använder ett sliding-window-protokoll, hur stor buffertminne krävs då för att radiolänkens hela kapacitet ska kunna utnyttjas, utan paus mellan paketsändningarna (förutsatt att inga omsändningar inträffar)? (6p) Svar: a) T t = 4000 *8 bit / 100 000 000 bit/s = 0.00032 s = 0.32 ms. (2p) b) T p = 400 000 m / 300 000 000 m/s = 1.3 ms. (1p) c) A new packet is sent every 2T t + 2T p = 3.24 ms. The throughput is 4000*8/0.00324 = 9.88 Mbit/s. (2p) d) Delay*bandwidth product: (2T t +2T p ) * 100 Mbps / 8 = 40500 Byte buffer för vardera riktning. Eller 40500/4000=10,1 paket, kan avrundas uppåt till 11 paket = 44000 byte. (1p) 9. Assume that a signal-to-noise ratio (SNR) of >20dB is required for the highest data rate (54 Mbit/s) between a laptop and an IEEE802.11g wireless access point (AP). a) Also assume that the wireless network card of the laptop must transmit at a power of 30 mw in order to achieve the above SNR at a specific distance from the AP. The AP receiver side noise level is 10 nw. Determine the required received signal strengh in µw at this distance. Also determine how many decibel the transmission power may be attenuated over this distance. b) What bandwidth in MHz is required for a useful bit rate (excluding additional error correction code) of 54 Mbit/s according to Shannon-Hartley s formula for the above required SNR level?
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 5 c) The so called gross bit rate or line rate is 72 Mbit/s including error correcting codes. The channel bandwidth (or carrier separation) is 20MHz, but we may assume that only 18MHz radio spectrum bandwidth can be utilized. According to Nyquist, what baud rate is possible in theory? How many symbols or signal levels should be used? Which of the following modulation methods would be sufficient in that case: 2-PSK (also known as BPSK, using two symbols), 4-PSK (also known as QPSK; using four symbols), 8-PSK, 16-QAM,64-QAM or 256-QAM? (In reality a much more advanced modulation method called OFDM is used. In practice, these methods allow the theoretical baud rate given by Nyquist.) (5 p) Answer: a) SNR = 20 db corresponds to S/N = 100 times. Required received signal power: 10nW*100= 1 µw. Maximum attenuation: 10*log 10 (30mW/1 µw) = 44.7 db. (2p) b) R = B*log2(1+S/N) => B = R/log2(1+S/N) = 54Mbit/s / (log(1+100)/log(2))=8.1 MHz. (1.5p) c) 18MHz*2=36 Mbaud. (72 Mbit/s)/(36 Msymbols/s)=2 bit/symbol, which corresponds to 2 2 = 4 levels. Answer: 4-PSK also known as QPSK. (1.5 p) 10. Nedan visas konstellationsdiagrammet för ett modem. Bithastigheten är 3 Mbit/s. (5 p) 110 010 011 001 000 111 100 101 a) Vilken madululationsmetod används? PSK, ASK, QAM eller FSK? Hur många symboler? b) Vad är symbolhastigheten f sym i baud eller symboler/sekund? c) Rita tidsdiagram för meddelandet 000011111. Bärfrekvensen är 2 MHz. Tidsaxeln ska vara korrekt graderad. Diagrammets horisontella axel (I-axeln, inphase) motsvarar cosinuskomponentens amplitud, och den vertikala axeln (Q-axeln, quadrature phase) motsvarar sinuskomponentens amplitud. d) Den modulerade signalen filtreras med ett bandpassfilter. Om bärfrekvensen är filtrets centrumfrekvens, och symbolhastigheten är filtrets bandbredden i Hertz, vad är då övre och undre gränsfrekvensen (lägsta och högsta tillåtna frekvens)? Svar: a) PSK. 8 symboler. (8PSK). (1p) b) 1 Mbaud. (1p) c) Först en cosinusvåg (2MHz frekvens 0 grader fasläge) under 1 mikrosekund dvs två perioder. Däreter en sinusvåg under 1 mikrosekund, slutligen en cosinusvåg med -135 graders fasläge under 1 mikrosekund. (1,5 p) d) Centrumfrekvens 2MHz. Bandbredd 1MHz. UNdre gränsfrekvns 1,5 MHz. Övre gränsfrekvens 2,5 MHz. (1,5 p)
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 6 11. a) Draw the spectrum for the following signal. The vertical axis should show the amplitude in Volt and the horizontal axis the frequency in MHz. You may draw a bar plot (sw. stolpdiagram). v(t) = 4 sin (2л 1000000t) + 3 sin (2л 3000000t) + 2 cos (2л 5000000t) [Volt] b) The signal is affected by a lowpass filter with cut-off frequency at 2.5 MHz, attenuating all frequencies over 2.5 MHz by 20 decibel, and amplifying frequences below 2.5 MHz by 6 db. Sketch the spectrum of the resulting filter output. (Note that the ampltudes are in Volt, not Watt.) ( 4 p) 12. En digitaliserad videosekvens komprimeras enligt MPEG2-standarden. Beräkna vilken bithastighet som krävs om videosekvensen har följande egenskaper: (4 p) 25 bilder presenteras per sekund. Varje bild utgörs av 720x576 pixlar För varje pixel digitaliseras de tre komponenterna Y, Cb och Cr 8 bit vardera 4:2:0 färgnedsampling används, dvs.upplösningen på de två färgdifferenskomponenterna Cb och Cr (som erhålls efter konvertering från RGB till YCbCr) har minskats med hälften både horisontellt och vertikalt, medan lumanskomponenten Y inte är nedsamplad. (4 p) GOP-struktur (dvs ordningsföljd mellan I- B- och P-bilder): IBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBIBBP Varje bildtyp komprimeras enligt kompressionsgrad I-bilder 10:1, P-bilder 20:1, och B-bilder 50:1. Svar: Före komprimering 72*576 *50 *(1+1/4+1/4)=124,416 Mbit/s. (Y-komponenten = den svartvita bilden, har full upplösning. Cb-komponenten = skillnad mellan Y och blått, har hälvten så många linjer och hälvten så många kolumner, dvs ¼ upplösning. Likadant med Cr-komponenten = skillnad mellan Y och rött). I GOP-strukturen om 12 bilder är 1/12 av bilderna I-bilder, 2/3 är B-bilder och ¼ är P- bilder. Efter komprimering erhålles 124,416 * ( (1*/12)*(1/10) + (2/3)*(1/20) + (1/4)*(1/50) = 5,184 Mbit/s.
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 7 13. (Delfråga 2 och 3 i den ursprungliga tentan utgår.) (4p2p)(Ändr Answer: 1. Antag rotbrygga 100. Nod 102 skulle då blockeras av spanning-treealgoritmen. (2p) 2. (UPPGIFTEN UTGÅR) Om vi antar att i början vet inte bryggorna något, så sänder alla bryggor vidare det. Om nod 102 är blockerad betyder det att övriga tre brygger genererar var sitt paket, totalt fyra inkl den ursprungliga. Om istället nod 100 är blockerad sänder 101 ett paket i onödan. 3. (UPPGIFTEN UTGÅR.) Nu vet vi var host 4 är. Låt oss också anta att vi vet var host 2 är (den har sänt ett svar). Om 102 är blockerad skulle fortfarande fyra paket genereras. Om 101 är blockerad skulle inte nod 100 sända i onödan.
Exam in Multimedia and communication systems B 27 October 2010 Page 8 Formelblad Nedan följer ett urval av de formler som behandlats under kursens gång. Ljusets hastighet: c = 3 10 8 M-ary digital modulation: fb = fs log 2 M Shannon s formel: R B log 1 + 2 S N Blockfelssannolikhet: P = 1 (1 P ) N, där N är blockstorlek (paketstorlek) Signal- till kvantiseringsbrusförhållande: Block i bit, och e P e är bitfelsannolikheten. 2 U RMS SQR = U 2 /12 SQNR 6N i db, där N är AD/DA-omvandlarens db upplösning i bit. Entropiformeln: Medelvärde av periodiska signaler: U 0 = 1 T u(t)dt Effektivvärde (RMS) av periodiska signaler: ( ) 2 Effektivvärde av sinusvågor: Relation mellan effektivvärde och effekt: Fourierserieutveckling av periodisk vågform: T T 1 U RMS = u( t) T U RMS = 0 Û 2 P = U 2 RMS / R ( ) = + sin ( 2π + ϕ ) + sin ( 4π + ϕ ) + K + sin ( 2π + ϕ ) f t A A ft A ft A nft 0 1 1 2 2 Bruseffekt av vitt brus: N N0 B 0 dt n = [W] där N 0 är brustätheten i W/Hz och B är bandbredd. P Decibelmått: Effektförstärkning G 10 log ut db = P U Spänningsförstärkning G 20 log ut db = U Dämpning AdB = GdB Signal-brusförhållande SNR db in in S = 10 log N n