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MobilkommunikationKapitel 2: Technische Grundlagen
Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung
2.0.2
Multiplextechniken Modulationstechniken Spreizspektrumtechnik Zellenstrukturen
2.1.4
Frequenzbereiche für die Kommunikation
VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency
LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) SHF = Super High Frequency
MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) EHF = Extra High Frequency
HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) UV = Ultraviolettes Licht
VHF = Very High Frequency (UKW-Radio)
Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge:
= c/f
mit Wellenlänge , Lichtgeschwindigkeit c 3x108m/s, Frequenz f
1 Mm300 Hz
10 km30 kHz
100 m3 MHz
1 m300 MHz
10 mm30 GHz
100 m3 THz
1 m300 THz
Sichtbares Licht
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV
optische ÜbertragungKoaxialkabelverdrillte Drähte
Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation
2.2.2
VHF-/UHF-Bereich für Mobilfunk handhabbare, einfache Fahrzeugantennen Ausbreitungsbedingungen vorhersehbar für zeitlich zuverlässige
Verbindungen (wenig Überreichweiten, nicht zu stark reflektierte Wellen)
Frequenzen ab SHF-Bereich für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation überschaubare Antennenabmessungen mit starker Bündelwirkung größere Bandbreiten verfügbar
Für drahtlose LANs Frequenzen ab UHF-Bereich bis SHF-Bereich geplant auch bis in EHF-Bereich Begrenzung durch Resonanz von Molekülen (Wasser, Sauerstoff etc.)
damit starke witterungsbedingte Dämpfungen
Frequenzen und Regulierungen
Die ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche (WRC, World Radio Conferences)
Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich:
2.3.4
Europe USA Japan
Mobil-telefone
NMT 453-457MHz,463-467 MHz;GSM 890-915 MHz,935-960 MHz;1710-1785 MHz,1805-1880 MHz
AMPS, TDMA, CDMA824-849 MHz,869-894 MHz;TDMA, CDMA, GSM1850-1910 MHz,1930-1990 MHz;
PDC810-826 MHz,940-956 MHz;1429-1465 MHz,1477-1513 MHz
SchnurloseTelefone
CT1+ 885-887 MHz,930-932 MHz;CT2864-868 MHzDECT1880-1900 MHz
PACS 1850-1910 MHz,1930-1990 MHzPACS-UB 1910-1930 MHz
PHS1895-1918 MHzJCT254-380 MHz
DrahtloseLANs
IEEE 802.112400-2483 MHzHIPERLAN 15176-5270 MHz
IEEE 802.112400-2483 MHz
IEEE 802.112471-2497 MHz
Signale I
Physikalische Darstellung von Daten Zeitabhängig und ortsabhängig Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf
die Daten repräsentieren Einteilung in Klassen nach Eigenschaften:
zeitkontinuierlich oder zeitdiskret wertkontinuierlich oder wertdiskret Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich Digitalsignal = zeit- und wertdiskret
Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/T, Amplitude A, Phasenverschiebung Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal:
s(t) = At sin(2 ft t + t)
2.4.4
Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel
werden in Polarkoordinaten aufgetragen)
Digitalsignale werden zur Übertragung auf analoge Trägersignale moduliert
Signale II
f [Hz]
A [V]
I = M cos (In-phase)
Q = M sin (Quadrature)
A [V]
t[s]
2.5.3
Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Felder Isotroper Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen
gleichmäßig ab (nur theoretische Bezugsantenne) Reale Antennen haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder
Horizontalebene Veranschaulichung im Richtdiagramm (durch
Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt)
Antennen: isotroper Punktstrahler
2.29.2
zy
x
z
y x idealerisotroperPunktstrahler
Antennen: einfache Dipole Technische Antennen sind keine isotropen Punktstrahler, aber
z.B. Viertelwellenstrahler (auf gut leitendem Grund wie ein Fahrzeugdach) und Halbwellendipole Abmessung einer Antenne ist proportional zur Wellenlänge
Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols
Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung)
2.30.2
Seitenansicht (xy-Ebene)
x
y
Seitenansicht (yz-Ebene)
z
y
von oben (xz-Ebene)
x
z
einfacherDipol
/4 /2
Antennen: gerichtet und mit Sektoren
Seitenansicht (xy-Ebene)
x
y
Seitenansicht (yz-Ebene)
z
y
von oben (xz-Ebene)
x
z
2.31.2
von oben, 3 Sektoren
x
z
von oben, 6 Sektoren
x
z
Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)
gerichteteAntenne
Sektoren-antenne
Antennen: Diversität
Gruppierung von 2 oder mehr Antennen Antennenfelder mit mehreren Elementen
Antennendiversität Umschaltung/Auswahl
Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Kombination
Kombination der Antennen für einen besseren Empfang Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden
2.32.3
+
/4/2/4
Grundfläche
/2/2
+
/2
Signalausbreitungsbereiche
Entfernung
Sender
Übertragung
Erkennung
Interferenz
2.33.2
Übertragungsbereich Kommunikation möglich niedrige Fehlerrate
Erkennungsbereich Signalerkennung möglich keine Kommunikation
möglich
Interferenzbereich Signal kann nicht
detektiert werden Signal trägt zum
Hintergrundrauschen bei
Signalausbreitung
Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)
Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)
Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflußt durch Freiraumdämpfung (frequenzabhängig) Abschattung durch Hindernisse Reflektion an großen Flächen Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen Beugung (diffraction) an scharfen Kanten
Reflektion Streuung BeugungAbschattung
2.8.2
Mehrwegeausbreitung
Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an (typische Werte 3-12 µs)
Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion)
Interferenz zwischen benachbarten Symbolen
Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen
je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal
Erkennung der Streuung mit Trainingssequenzen
man Versucht mit diesem Wissen das Signal zu entzerren
Sendesignal
Empfangssignal
2.9.3
Auswirkungen der Mobilität
Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der Zeit Übertragungswege ändern sich unterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignale unterschiedliche Phasenlage der Signalanteile
kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading)
Zusätzlich ändern sich Entfernung von der Basisstation Hindernisse in weiterer Entfernung
langsame Veränderungen in der
(durchschnittlichen) Empfangsleistung
(langsames Fading)
Zusätzlich: Dopplereffekt
schnelles Fading
langsamesFading
2.10.2
r2
r3
r1
Multiplexen
Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (ri)
Zeit (t) Frequenz (f) Code (c)
Ziel: Mehrfachnutzung des
gemeinsamen Mediums
Wichtig: Genügend große Schutzabstände
nötig!
f
t
c
k2 k3 k4 k5 k6k1
f
t
c
f
t
c
Kanäle ki
2.11.3
Frequenzmultiplex
Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt
Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum
Vorteile: keine dynamische Koordination
nötig auch für analoge Signale
Nachteile: Bandbreitenver-
schwendung beiungleichmäßiger Belastung
unflexibel
k2 k3 k4 k5 k6k1
f
t
c
2.13.2
f
t
c
k2 k3 k4 k5 k6k1
Zeitmultiplex
Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt
Vorteile: in einem Zeitabschnitt nur
ein Träger auf dem Medium Durchsatz bleibt auch bei
hoher Teilnehmerzahl hoch
Nachteile: genaue
Synchronisation nötig
2.12.2
f
Zeit- und Frequenzmultiplex
Kombination der oben genannten Verfahren
Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt
Beispiel: GSM
Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen höhere Benutzerdatenraten als
bei Codemultiplex möglich
aber: genaue Koordination
erforderlich
t
c
k2 k3 k4 k5 k6k1
2.14.2
Codemultiplex
Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert
Alle Teilnehmer können zur selben Zeit
im selben Frequenzabschnitt senden
Vorteile: Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation
notwendig Schutz gegen Störungen
Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung
Realisierung: Spreizspektrumtechnik
2.15.2
k2 k3 k4 k5 k6k1
f
t
c
Modulation
2.34.2
Digitale Modulation digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal
umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit
Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz
Motivation kleinere Antennen (z.B. /4) Frequenzmultiplex Mediencharakteristika
Varianten Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM)
Modulation und Demodulation
SynchronisationEntscheidung
digitaleDatenanaloge
Demodulation
Träger-frequenz
analogesBasisband-signal
101101001 Empfänger
2.35.2
digitaleModulation
digitaleDaten analoge
Modulation
Träger-frequenz
analogesBasisband-signal
101101001 Sender
Digitale Modulationstechniken
Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet
Amplitudenmodulation (ASK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig
Frequenzmodulation (FSK): größere Bandbreite für Telefonübertragung
Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit
Trägerrückgewinnung relativ störungssicher
2.21.3
1 0 1
t
t
t
Fortgeschrittene FSK-Verfahren
Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann die Effizienz von FSK erhöht werden
MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying) Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt, die Bitdauer wird dabei
verdoppelt Anhand der Bitwerte der beiden Kanäle werden die beiden
Trägerfrequenzen mit ihrer Ausrichtung zugeordnet Höhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe
Schwingung mehr aus Äquivalent zu Offset-QPSK Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor
Modulator
GMSK (Gaussian MSK), z.B. bei GSM, DECT eingesetzt
2.23.4
Beispiel für MSK als Modulationstechnik
2.27.2
Daten
geradeBits
ungeradeBits
1 1 1 1 000
t
niedereFrequenz
hoheFrequenz
MSK-Signal
Bit
gerade 0 1 0 1
ungerade 0 0 1 1
Signal- h n n hwert - - + +
h: hohe bzw.n: niedere Frequenz+: positive bzw.-: negative Ausrichtung
Keine Phasensprünge!
Fortgeschrittene PSK-Verfahren
BPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren spektral ineffizient robust, in Satellitensystemen benutzt
QPSK (Quaternary Phase Shift Keying): 2 Bits werden in ein Symbol kodiert Symbol entspricht phasenverschobenem
Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK
benötigt komplexer
Oft Übertragung der relativen Phasen-verschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.B. IS-136, PHS
Q
I
11
01
10
00
11 10 00 01
Q
I01
2.22.3
Quadraturamplitudenmodulation
Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren
Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren 2n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei
vergleichbaren PSK-Verfahren 8-QAM, 16-QAM, 64 QAM
Beispiel: 8-QAM (3 Bits entspr. einem Symbol)
Vorlesung Prof. Fliege: Nachrichtentechnik I
2.24.3
Q
I
(Vereinfachtes) Beispiel: Absolute 8-QAM
000101110101001
Q
I
000
100
011111
001 101
110
010
t
v
(Vereinfachtes) Beispiel: Relative 8-QAM
110
Q
I
000
100
011111
001 101
110
010
t
v
110 100 001
Relative QAM ermöglicht einfachere
Synchronisation zwischen Sender+Empfänger!
Wiederholung
• Nennen Sie die wichtigsten Signalparameter eines periodischen Signals.
• Welche Antennenarten kennen Sie?• Was versteht man unter Mehrwegeausbreitung, was ist das
Problem, wie wird es behoben?• Welche Arten des Multiplexings kennen Sie?• Welches sind die wichtigsten grundlegenden Modulationsarten?
Spreizspektrumtechnik
Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus
Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen
Schutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen
Beseitigung eines Schmalbandstörers
Nebeneffekte: Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination Abhörsicherheit
Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping
Detektionim Empfänger
Störsignal gespreiztes Nutzsignal
Nutzsignal
gespreiztes Störsignal
2.16.2
Spreizen und frequenzselektives Fading
Frequenz
Kanal-qualität
1 23
4
5 6
schmalbandigeSignale
Schutzabstand
22
22
2
Frequenz
Kanal-qualität
1
gespreizteSignale
2.37.2
schmalbandige Kanäle
gespreizte Kanäle
2.38.2
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I
XOR des Signals mit einer Chipping Sequence viele chips pro Bit (z.B. 128) resultiert in einer höheren Datenrate des
Signals
Vorteile reduziertes Fading in zellularen Netzen
Basisstationen könnenden gleichen Frequenz-bereich nutzen
mehrere Basisstationenkönnen das Signal erkennen und rekonstruieren
weiche handover
Nachteile exakte Leistungssteuerung
notwendig
Nutzdaten
chipping sequence
resultierendesSignal
0 1
0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11
XOR
0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01
=
tb
tc
tb: Bitdauertc: chip Dauer
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II
XNutzdaten
chippingsequence
Modulator
Träger-frequenz
gespreiztesSignal
übertragenesSignal
Sender
Demodulator
empfangenesSignal
Träger-frequenz
X
chippingsequence
Tiefpass-gefiltertesSignal
Empfänger
Integrator
Produkt
EntscheidungNutzdaten
Summen
Korrelator
2.39.2
DSSS Beispiel
Ausgangssequenz: 01
Chipping Sequenz: 10110111000
Gespreiztes Signal: 10110111000 01001000111
Empfang unverfälschtes Signal:
XOR der Chips und aufaddieren:0 bzw. 11 (leichte Entscheidung)
Empfang verfälschtes Signal: 11100111000 01111000111
XOR der Chips und aufaddieren: 2 bzw. 9 (Entscheidung schwerer)
2.40.2
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I
Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz Sequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen
bestimmt
Zwei Versionen schneller Wechsel (fast hopping)
mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit langsamer Wechsel (slow hopping)
mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz
Vorteile frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden
begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt
Nachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II
Nutzdaten
slowhopping(3 bit/hop)
fasthopping(3 hops/bit)
0 1
tb
0 1 1 t
f
f1
f2
f3
t
td
f
f1
f2
f3
t
td
tb: bit period td: dwell time
2.41.2
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III
ModulatorNutzdaten
Sprung-sequenz
Modulator
schmalbandigesSignal
gespreiztesSende-signal
Sender
Empfangs-signal
Empfänger
DemodulatorNutzdaten
Frequenz-synthesizer
Sprung-sequenz
Demodulator
Frequenz-synthesizer
schmalbandigesSignal
2.42.3
Zellenstruktur
Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab
Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenVorteile der Zellenstruktur:
mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbar weniger Sendeleistung notwendig robuster gegen Ausfälle überschaubarere Ausbreitungsbedingungen
Probleme: Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig Störungen in andere Zellen Konzentration in bestimmten Bereichen
Zellengröße von 500 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet)bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen)
2.25.3
Frequenzplanung I
Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden
Modell mit 7 Frequenzbereichen:
Feste Kanalzuordnung: bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnet Problem: Wechsel in Belastung der Zellen
Dynamische Kanalzuordnung: Kanäle einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Kanälen der
benachbarten Zellen gewählt mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich
k4k5
k1k3
k2
k6
k7
k3k2
k4k5
k1
2.26.3
Frequenzplanung II
f1
f2
f3
f2
f1
f1
f2
f3
f2
f3
f1
f2
f1
f3f3
f3f3
f3
f4
f5
f1
f3
f2
f6
f7
f3
f2
f4
f5
f1
f3
f5f6
f7f2
f2
f1f1 f1
f2
f3
f2
f3
f2
f3h1
h2
h3g1
g2
g3
h1
h2
h3g1
g2
g3g1
g2
g3
2.43.2
3 Zellen/Cluster
7 Zellen/Cluster
3 Zellen/Cluster plus3 Sektoren/Zelle