Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke

Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke

Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke Vorlesung IX Gliederung Ziele der Vorlesung Einfhrung in den Standard IEEE 1003.11 WLAN IEEE 802.11 Ziele: Spez. eines einfachen und robusten drahtlosen LANs Medienzugriffssteuerung ber unterschiedliche Bitbertragungsschichten Eigenschaften

Energiesparfunktionen fr mobile Systeme Bercksichtigung versteckter Endgerte Weltweit lizenzfreies Band 2,4 GHz Datenrate von FHSS o. DSSS sind nicht komaptibel IEEE802.11b (hhere Datenraten: 11MBit/s) 1MBit/s (obligatorisch) 2MBit/s (optional) IEEE802.11 Irda

DSSS FHSS nutzt DSSS IEEE802.11a 5GHz-Band 802.11 - Physikalische Schicht 3 Varianten: 2 Funk (vornehmlich im 2,4GHz-Band), 1 IR Datenrate 1 bzw. 2Mbit/s FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) spreizen, entspreizen, Signalstrke, nur 1Mbit/s min. 2,5 Frequenzwechsel/s (USA), 2-stufige GFSK-Modulation DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) DBPSK-Modulation fr 1Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK fr 2MBit/s (Differential Quadrature PSK) Prambel eines Rahmens immer mit 1Mbit/s, dann evtl. umschalten Chip-Sequenz: +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (Barker-Code) max. Sendeleistung 1W (USA), 100mW (EU), min. 1mW Infrarot 850-950nm, diffuses Licht, typ. 10m Reichweite Trgererkennung, Energieerkennung, Synchronisation

Sytemarchitektur 3 grundstzliche Architekturen Infrastrukturnetz Ad-Hoc Netz Distributionsnetz CSMA/CA anstelle von CSMA/CD Keine nheren Angaben, wie Zugangspunkte miteinander verbunden werden Keine Aussagen zum Roaming 802.11 - Architektur - Infrastrukturnetz Station (STA) 802.11 LAN STA1 802.x LAN Rechner mit Zugriffsfunktion auf

das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point Basic Service Set (BSS) BSS1 Portal Access Point Access Point Distribution System Access Point ESS Station, die sowohl in das FunkLAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist Portal bergang in ein anderes Festnetz

Distribution System BSS2 STA2 Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen 802.11 LAN STA3 Verbindung verschiedener Zellen, um ein Netz (ESS: Extended Service Set) zu bilden 802.11 - Architektur - Ad-hoc Netzwerk 802.11 LAN STA1 STA3

BSS1 STA2 BSS2 STA5 STA4 802.11 LAN Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite Station (STA): Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium Basic Service Set (BSS): Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen Problem versteckte Endgerte hidden terminals A sendet, erreicht B, aber nicht C

C sendet, erricht B, aber nicht A A kann nicht erkennen, ob C sendet und umgekehrt A und C wollen senden. A hrt in das Medium rein, wenn frei Senden C auch Kollision bei B A sieht C nicht und C sieht A nicht. A B C Problem Roaming Client whlt den nutzenden AP nach Signalstrke und Bitfehlerrate Wechsel des AP theoretisch im laufenden Betrieb mglich, Aber in Praxis meist als Neu-Einwhlen implementiert 802.11 regelt keine bergabeprotokoll zwischen den AP Herstellerspezifische Lsungen

Standard fr die dynamische Zuordnung von IP-Adressen: Mobile IP Bei mehreren AP Problem der Interferenzen Management Schichten und Station Management MAC-Management Untersttzt erstmalige und erneute Anmeldung eines mobilen Terminals an einen AP Untersttzt das Roaming zwischen Zugangspunkten Verantwortlich fr Authentifizierung, Verschlsselung und Synchronisation der mobilen Endgerte Untersttzt Energiesparmechanismen Verwaltet Management Information Base (MIB) PHY-Management Kanalwahl und Verwaltung der PHY-MIB Stationsverwaltung (Station-Management) Verbindet alle Management-Schichten

IEEE-Standard 802.11 Festes Endgert (Fixed terminal) Mobiles Endgert (Mobile terminal) Server Infrastrukturnetz Zugangspunkt (Access point) Anwendung Anwendung TCP TCP IP IP 802.11 MAC 802.11 MAC 802.3 MAC

802.3 MAC 802.11 PHY 802.11 PHY 802.3 PHY 802.3 PHY Die wichtigsten Standards und ihre wechselseitigen Beziehungen im berblick Protokollarchitektur 802.11 umfasst nur PHY und MAC PHY unterteilt in PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) PMD (Physical Medium Dependent) MAC Steuerung des Medienzugriffs Fragmentierung von Nutzdaten

Verschlsselung PLCP stellt CCA-Signal bereit CCA (Clear Channel Assessment) Gibt an, ob das Medium frei oder belegt ist. Ist einheitlicher PHY-Dienstzugangspunkt, unabhngig von der bertragungstechnik PMD Modulation der Daten Codierung/Decodierung der Signale 802.11 - Schichten und Funktionen MAC

PLCP Clear Channel Assessment Signal (Carrier Sense) Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlsselung MAC Management Synchronisierung, Roaming, MIB, Power PMD Modulation, Codierung PHY Management Kanalwahl, MIB LLC Station Management Koordination der Management-Funktionen

MAC Medium Access Control MAC Management PLCP Physical Layer Convergence Protocol PMD Physical Medium Dependent PHY Management Station Management MAC Logical Link Control PHY MIB Management Information Base FHSS

Synchronisation Startbegrenzung PLCP_PDU Lnge PLCP_PDU Signalisierungsfeld 80 Synchronisation 16 12 4 16 variabel SFD PLW PSF

HEC Nutzdaten PLCP-Prambel PLCP-Paketkopf Bits FHSS PHY Paketformat Synchronisation synch mit 010101... Muster SFD (Start Frame Delimiter) 0000110010111101 Startmuster PLW (PLCP_PDU Length Word) Lnge der Nutzdaten inkl. 32 bit CRC der Nutzdaten, PLW < 4096 PSF (PLCP Signaling Field) Art der Nutzdaten (1 or 2 Mbit/s) HEC (Header Error Check) CRC mit x16+x12+x5+1 80 Synchronisation

16 12 4 16 variabel SFD PLW PSF HEC Nutzdaten PLCP-Prambel PLCP-Paketkopf Bits DSSS

Synchronisation Startbegrenzung (Start Frame Delimiter) Signal Dienst Lnge Jopprfsummenjournale 80 Synchronisation 16 12 4 16 variabel SFD

PLW PSF HEC Nutzdaten PLCP-Prambel PLCP-Paketkopf Bits DSSS PHY Paketformat Synchronisation synch., Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung SFD (Start Frame Delimiter) 1111001110100000

Signal Datenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK) Service Length reserviert, 00: gem 802.11 Lnge der Nutzdaten HEC (Header Error Check) Schutz der Felder signal, service und length, x16+x12+x5+1 128 Synchronisation 16 8 8

16 16 SFD Signal Dienst Lnge HEC PLCP-Prambel PLCP-Paketkopf variabel Nutzlast Bits Warum spezialisierte Verfahren bei WLAN Kollisionen: CSMA/CD will Kollisionen beim Empfnger erkennen. Kollision relativ unbedeutend fr Sender Durch Netzwerk sind alle erreichbar In drahtlosen Netzen andere Situation Signalstrke nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab Hindernisse dmpfen zustzlich

802.11 - MAC-Schicht I - DFWMAC Verkehrsarten Asynchroner Datendienst (standard) Austausch von Datenpaketen auf best-effort-Basis Untersttzung von Broadcast und Multicast Zeitbegrenzte Dienste (optional) implementiert ber PCF (Point Coordination Function) Zugriffsarten DFWMAC-DCF CSMA/CA (standard) Kollisionsvermeidung durch zuflligen backoff-Mechanismus Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen Empfangsbesttigung durch ACK (nicht bei Broadcast) DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional) Distributed Foundation Wireless MAC Vermeidung des Problems versteckter Endgerte DFWMAC-PCF (optional) Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point 802.11 - MAC-Schicht II Prioritten werden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregelt keine garantierten Prioritten SIFS (Short Inter Frame Spacing)

hchste Prioritt, fr ACK, CTS, Antwort auf Polling PIFS (PCF IFS) mittlere Prioritt, fr zeitbegrenzte Dienste mittels PCF DIFS (DCF, Distributed Coordination Function IFS) niedrigste Prioritt, fr asynchrone Datendienste DIFS Medium belegt direkter Zugriff, Medium frei DIFS DIFS PIFS SIFS Wettbewerb nchster Rahmen t Personifizierung der Zeiten Dieter DIFS Lngste Wartezeit Kleinste Prioritt

Piet PIFS Sieglinde SIFS Mittlere Wartezeit Mittlere Prioritt Krzeste Wartezeit Grte Prioritt 802.11 - CSMA/CA-Verfahren I DIFS DIFS Medium belegt Wartezeit PIFS SIFS Wettbewerbsfenster (zuflliger BackoffMechanismus) nchster Rahmen t Zeitschlitz Sendewillige Station hrt das Medium ab (Carrier Sense basierend auf CCA, Clear Channel Assessment)

Ist das Medium fr die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) frei, wird gesendet (IFS je nach Sendeart gewhlt) Ist das Medium belegt, wird auf einen freien IFS gewartet und dann zustzlich um eine zufllige Backoff-Zeit verzgert (Kollisionsvermeidung, in Vielfachen einer Slot-Zeit) Wird das Medium whrend der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt, bleibt der Backoff-Timer so lange stehen DFWMAC mit CSMA/CA Einfhrung der zustzlichen zuflligen Wartezeit innerhalb des Wettbewerbsfensters hilft Kollisionen zu vermeiden, da sonst alle Stationen gleichzeitig senden wrden. Vorteil Verminderung der Kollisionen Bei geringem Datenaufkommen schnelle Reaktion Nachteil: Verfahren ist unfair: Unabhngig von der bisherigen Wartezeit auf eine bertragung hat jede Station in jedem Zyklus die gleiche Chance, ihre Daten zu bertragen

Fr Fairness in IEEE802.11 Hinzufgen eines zustzlichen BackoffAlgorithmus 802.11 - Stationen im Wettbewerb - einfache Version DIFS DIFS Station1 Station2 DIFS boe bor boe busy DIFS boe bor boe boe busy boe bor

boe boe busy busy Station3 Station4 boe bor Station5 busy bor t busy Medium belegt (frame, ack etc.) boe verstrichene backoff Zeit Paketankunft am MAC-SAP

bor verbleibende backoff Zeit DFWMAC mit CSMA/CA II Backoff-Algorithmus Jede Station whlt auch hier zufllige Wartezeit innerhalb des Wettbewerbfensters Zhler subtrahiert nach der Dauer eines Zeitschlitzes eine Einheit von der Wartezeit Wenn der Zhler Null ist, erfolgt der Zugriff Ist das Medium aber vorher durch eine andere Station belegt worden, hlt der Zhler an. Wenn Medium wieder frei wird, wartet Station wieder fr DIFS plus verminderter Zufallszeit. Stationen, die lnger auf Zuteilung warten, habe statistisch hhere Chance das Medium zugeteilt zu bekommen 802.11 - CSMA/CA-Verfahren II Senden von Unicast-Paketen Daten knnen nach Abwarten von DIFS gesendet werden Empfnger antworten sofort (nach SIFS), falls das Paket korrekt empfangen wurde (CRC) Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt DIFS Sender

Daten SIFS Empfnger Ack DIFS weitere Stationen Wartezeit Daten t Wettbewerb Exponential Backoff Mglich, dass Stationen gleiche Backoff-Zeit haben dann Kollision Bei Kollision werden bertragene Daten zerstrt. Jetzt beginnt Zugriff noch mal Bei Wiederholung neuer Wert fr Backoff-Zeit d.h. bertragungswiederholungen werden nicht bevorzugt

Nachteil: auch hier Probleme bei leichter oder starker Last Wahl der Gre des Wettbewerbsfensters (Contention Window) Bei kleinem Wettbewerbsfenster liegen die zufllig gewhlten Werte nah beieinander fhrt zu hufigen Kollisionen Groes Wettbewerbsfenster fhrt zu langen Verzgerungen Exponential Backoff System muss sich immer automatisch an die Systemlast anpassen Start mit kleinem Fenster (z.B. 7) Bei Fehlschlag des Zugriffs wird Fenster erhht. Maximalwert ist 255 (7,15,31,63,127,255) Je grer das Fenster, umso besser knnen Zugriffskonflikte gelst werden. Je kleiner das Fenster, umso schneller kann Zugriff erfolgen Exponential Backoff (auch in Ethernet mit CSMA/CD) Broadcast und Unicast Broadcast: Nachricht an alle CSMA/CA mit exponential Backup (s.o.)

Unicast: Punkt-zu-Punkt-Datenbertragung Besttigung vom Empfnger mittels Acknowledge Nach Empfang der Daten nimmt sich der Empfnger nach Zeit SIFS das Medium und sendet ACK Andere Stationen knnen sich das Medium nicht nehmen, da sie mindestens fr DIFS + Backoff-Zeit warten mssen Sehr wichtig in besonders fehleranflligen drahtlosen Datenbertragung. Wenn kein ACK gesendet wird, muss Datenbertragung wiederholt werden Sender muss dann wieder gleichberechtigt in den Wettbewerb eintreten Es gibt Limit fr die Anzahl der bertragungen. Endgltiges Versagen, wird an die darber liegende Schicht gesendet 802.11 - DFWMAC Senden von Unicast-Paketen RTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten von DIFS gesendet werden Besttigung durch CTS nach SIFS durch Empfnger Sofortiges Senden der Daten mglich, Besttigung wie gehabt Andere Stationen speichern die Belegungsdauer, die im RTS und CTS

ausgesendet wurden DIFS Sender RTS data SIFS Empfnger weitere Stationen CTS SIFS SIFS NAV (RTS) NAV (CTS) Wartezeit ACK DIFS data t

Wettbewerb Fragmentierung DIFS Sender frag1 RTS SIFS Empfnger CTS SIFS frag2 SIFS NAV (RTS) NAV (CTS) weitere Stationen ACK1 SIFS SIFS

NAV (frag1) NAV (ACK1) ACK2 DIFS data t Wettbewerb Polling PCF PCF Point Coordination Function Zugangspunkt erforderlich, da dieser die Koordinierung bernimmt Nicht im Ad-Hoc Modus

Unterteilung in wettbewerbsfreie Periode und Wettbewerbsperiode PCF kann Wettbewerb verschieben Es gibt Superrahmen. Beginn des Superrahmens ist verschiebbar durch ein belegtes Medium Der Point Coordinator hrt in das Medium hinein. Bei t1 ist Medium frei. Point Coordinator kann nach PIFS Daten an Station 1 (Downstream D1) senden. Nachdem Medium fr SIFS frei ist, kann Station 1 Daten an senden (Upstream U1 ). Jetzt sendet Point Coordinator Daten an Station 2 (D2 ). Station 2 antwortet mit Daten U1 Polling PCF Jetzt sendet Point Coordinator Daten an Station 3 (D3 ). Station 3 sendet nicht. Point Coordinator erhlt nach SIFS keine Antwort von Station 3 Point Coordinator sendet jetzt nach PIFS an Station 4 Nachdem Point Coordinator an die letzte Station gesendet hat, beendet dieser mit CFend (Contention free end) die wettbewerbsfreie Periode

NAV: Die NAV-Werte aller Stationen Bei t2 kann Wettbewerbsperiode beginnen Wenn PCF beginnt werden immer gleich die NAV-Werte der Stationen gesetzt Wenn nur PCF eingesetzt wird, kann verfgbare Bandbreite gleichmig auf alle beteiligten Stationen verteilt werden. DFWMAC-PCF I t0 t1 Medium belegt point coordinator drahtlose Stationen NAV der Stationen PIFS Superrahmen SIFS D1 SIFS

SIFS D2 SIFS U1 U2 NAV DFWMAC-PCF II t2 point coordinator drahtlose Stationen NAV der Stationen D3 PIFS SIFS

D4 t3 t4 CFend SIFS U4 NAV wettbewerbsfreie Periode Wettbewerb t 802.11 - Rahmenformat Typen Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen Sequenznummern wichtig fr duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs Adressen Empfnger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch) Sonstiges

Sendedauer, Prfsumme, Rahmensteuerung, Daten Bytes 2 Frame Control 2 6 6 6 2 6 Duration Address Address Address Sequence Address ID 1 2 3 Control 4 Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ... 0-2312 4 Data

CRC MAC-Rahmen knnen zwischen drahtlosen Stationen drahtlosen Stationen und Zugangspunkten verschiedenen Zugangspunkten ber das DS bertragen werden Im Framecontrol gibt es die beiden Bits nach DS von DS Unterscheiden diese einzelnen Flle 4 mgliche Szenarien Ad-hoc Netzwerk Infrastruktur-Netz vom Zugangspunkt Infrastruktur-Netz zum Zugangspunkt Infrastruktur-Netz im DS MAC-Adressenformat Paketart

Ad-hoc Netzwerk Infrastruktur Netzwerk, von AP Infrastruktur Netzwerk, zu AP Infrastruktur Netzwerk, im DS nach DS 0 0 von DS 0 1 Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4 DA DA SA BSSID BSSID SA

- 1 0 BSSID SA DA - 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point

DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address 802.11 - MAC Management Synchronisation Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben Timer etc. Power Management (Leistungssteuerung, Energiesparmanahmen) Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung Assoziation/Reassoziation Eingliederung in ein LAN Roaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu einem anderen Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz Verwaltungsdatenbank MIB - Management Information Base Verwalten, schreiben, lesen Synchronisation

Jede Station innerhalb eines WLAN enthlt interne Uhr TSF: Timing Synchronization Function Zur Synchronisation aller Uhren Bedeutsam fr Energiesparmanahmen Koordinierung von PCF Synchronisation der Sprungfolgen in FHSS-Systemen Synchronisation In BSS: Synchronisation durch (quasi)periodisches Aussenden eines Leuchtfeuers (Beacon) Beacon-Rahmen: Zeitstempel Verwaltungsinfo fr Roaming (z.B. Kennung BSS) und Stromsparmechanismen Zeitstempel zum Justieren der internen Uhr Aktualisierung der internen Uhr muss nicht mit jedem Beacon erfolgen, aber gelegentlich bertragung des Leuchtfeuers kann gelegentlich ausfallen, wenn Medium belegt In Infrastrukturnetzen:

Zugangspunkt bernimmt die Synchronisation (quasi)periodisches Aussenden eines Leuchtfeuers (Beacon) Alle Stationen richten sich nach dem gesendeten Zeitstempel Siehe ff. Folie Synchronisation mit einem Leuchtfeuer (Infrastruktur) Intervall des periodischen Funksignals (beacon) Zugangspunkt Medium B B busy busy B busy

B busy t Wert des Zeitstempels B Beacon-Paket Synchronisation mit einem Leuchtfeuer (Infrastruktur) bertragung des Leuchtfeuers kann ausfallen, wenn Medium belegt Station versucht die geplanten Sendezeitpunkte einzuhalten Synchronisation mit einem Leuchtfeuer (ad-hoc) Beacon-Intervall Station1 B1 B1 B2 Station2

Medium busy busy Wert des Zeitstempels B2 busy B busy beacon Paket t zufllige Verzgerung Steuerung der Leistungsaufnahme Idee: Ausschalten der Sende/Empfangseinheit wenn nicht bentigt Zustnde einer Station: schlafend und wach Timing Synchronization Function (TSF) Sicherstellung, dass alle Stationen zur gleichen Zeit aufwachen Infrastruktur Traffic Indication Map (TIM) Liste von unicast-Empfngern, von AP ausgesendet

Delivery Traffic Indication Map (DTIM) Liste von broadcast/multicast-Empfngern, von AP ausgesendet Ad-hoc Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM) Bekanntmachung von Empfngern zwischengespeicherter Pakete durch die speichernden Stationen komplexer, da kein zentraler AP Kollisionen von ATIMs mglich (Skalierbarkeit?) Energiesparen mit Wachmustern (Infrastruktur) TIM Intervall Zugangspunkt DTIM Intervall D B T busy Medium busy T

d D B busy busy p Station d t T TIM D B broadcast/multicast DTIM wach p PS poll

d Datenbertragung von/zu der Station Energiesparen mit Wachmustern (ad-hoc) ATIMFenster Station1 Beacon-Intervall B1 Station2 A B2 B2 B1 D a d

t B Beacon-Paket wach zufllige Verzgerung A ATIM-bertragung D Datenbertragung a Besttigung v. ATIM d Besttigung der Daten 802.11 - Roaming Keine oder schlechte Verbindung? - Dann: Scanning Abtasten der Umgebung (Medium nach Leuchtfeuer von APs abhren oder Probe ins Medium senden und Antwort abwarten) Reassociation Request Station sendet Anfrage an AP(s)

Reassociation Response bei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun teil bei Mierfolg weiterhin Scanning AP akzeptiert Reassociation Request Anzeigen der neuen Station an das Distribution System Distribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo) normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert Zuknftige Entwicklungen IEEE 802.11a kompatible MAC, nun aber im 5 GHz-Band bertragungsraten bis zu 25 Mbit/s enge Zusammenarbeit mit BRAN (ETSI Broadband Radio Access Network) IEEE 802.11b hhere Datenraten bei 2,4 GHz groes Angebot diverser Hersteller mit 11 Mbit/s Anbindung an xDSL, V.90, 802.3, ISDN

IEEE WPAN (Wireless Personal Area Networks) unter 802.15 groe Marktchancen Kompatibilitt billig, geringe Leistungsaufnahme, sehr klein technisch/konomisch machbar Bluetooth Quellen Jochen Schiller, Mobilkommunikation, Addison-Wesley

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