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Mobilkommunikation Kapitel 2: Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung 2.0.2 Multiplextechniken Modulationstechniken Spreizspektrumtechnik.

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Präsentation zum Thema: "Mobilkommunikation Kapitel 2: Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung 2.0.2 Multiplextechniken Modulationstechniken Spreizspektrumtechnik."—  Präsentation transkript:

1 Mobilkommunikation Kapitel 2: Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung Multiplextechniken Modulationstechniken Spreizspektrumtechnik Zellenstrukturen

2 2.1.4 Frequenzbereiche für die Kommunikation VLF = Very Low FrequencyUHF = 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 3x10 8 m/s, Frequenz f 1 Mm 300 Hz 10 km 30 kHz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 m 3 THz 1 m 300 THz Sichtbares Licht VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHFInfrarotUV optische Übertragung Koaxialkabelverdrillte Drähte

3 Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation 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

4 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

5 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) = A t sin(2 f t t + t ) 2.4.4

6 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

7 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 zy x z yx idealer isotroper Punktstrahler

8 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) Seitenansicht (xy-Ebene) x y Seitenansicht (yz-Ebene) z y von oben (xz-Ebene) x z einfacher Dipol /4 /2

9 Antennen: gerichtet und mit Sektoren Seitenansicht (xy-Ebene) x y Seitenansicht (yz-Ebene) z y von oben (xz-Ebene) x z 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) gerichtete Antenne Sektoren- antenne

10 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 /4 /2 /4 Grundfläche /2 +

11 Signalausbreitungsbereiche Entfernung Sender Übertragung Erkennung Interferenz Übertragungsbereich Kommunikation möglich niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich Signalerkennung möglich keine Kommunikation möglich Interferenzbereich Signal kann nicht detektiert werden Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei

12 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 ReflektionStreuungBeugungAbschattung 2.8.2

13 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

14 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 langsames Fading

15 r2r2 r3r3 r1r1 Multiplexen Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (r i ) Zeit (t) Frequenz (f) Code (c) Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig! f t c k2k2 k3k3 k4k4 k5k5 k6k6 k1k1 f t c f t c Kanäle k i

16 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 bei ungleichmäßiger Belastung unflexibel k2k2 k3k3 k4k4 k5k5 k6k6 k1k1 f t c

17 f t c k2k2 k3k3 k4k4 k5k5 k6k6 k1k1 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

18 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 k2k2 k3k3 k4k4 k5k5 k6k6 k1k

19 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 k2k2 k3k3 k4k4 k5k5 k6k6 k1k1 f t c

20 Modulation 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)

21 Modulation und Demodulation Synchronisation Entscheidung digitale Daten analoge Demodulation Träger- frequenz analoges Basisband- signal Empfänger digitale Modulation digitale Daten analoge Modulation Träger- frequenz analoges Basisband- signal Sender

22 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 t t t

23 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

24 Beispiel für MSK als Modulationstechnik Daten gerade Bits ungerade Bits t niedere Frequenz hohe Frequenz MSK- Signal Bit gerade ungerade Signal-h n n h wert h: hohe bzw. n: niedere Frequenz +: positive bzw. -: negative Ausrichtung Keine Phasensprünge!

25 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 Q I

26 Quadraturamplitudenmodulation Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren 2 n 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 Q I

27 (Vereinfachtes) Beispiel: Absolute 8-QAM Q I t v

28 (Vereinfachtes) Beispiel: Relative 8-QAM 110 Q I t v Relative QAM ermöglicht einfachere Synchronisation zwischen Sender+Empfänger!

29 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?

30 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 Detektion im Empfänger Störsignalgespreiztes Nutzsignal Nutzsignal gespreiztes Störsignal

31 Spreizen und frequenzselektives Fading Frequenz Kanal- qualität schmalbandige Signale Schutzabstand Frequenz Kanal- qualität 1 gespreizte Signale schmalbandige Kanäle gespreizte Kanäle

32 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 können den gleichen Frequenz- bereich nutzen mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren weiche handover Nachteile exakte Leistungssteuerung notwendig Nutzdaten chipping sequence resultierendes Signal XOR = tbtb tctc t b : Bitdauer t c : chip Dauer

33 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II X Nutzdaten chipping sequence Modulator Träger- frequenz gespreiztes Signal übertragenes Signal Sender Demodulator empfangenes Signal Träger- frequenz X chipping sequence Tiefpass- gefiltertes Signal Empfänger Integrator Produkt Entscheidung Nutzdaten Summen Korrelator

34 DSSS Beispiel Ausgangssequenz: 01 Chipping Sequenz: Gespreiztes Signal: Empfang unverfälschtes Signal: XOR der Chips und aufaddieren:0 bzw. 11 (leichte Entscheidung) Empfang verfälschtes Signal: XOR der Chips und aufaddieren: 2 bzw. 9 (Entscheidung schwerer)

35 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

36 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II Nutzdaten slow hopping (3 bit/hop) fast hopping (3 hops/bit) 01 tbtb 011t f f1f1 f2f2 f3f3 t tdtd f f1f1 f2f2 f3f3 t tdtd t b : bit periodt d : dwell time

37 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III Modulator Nutzdaten Sprung- sequenz Modulator schmalbandiges Signal gespreiztes Sende- signal Sender Empfangs- signal Empfänger Demodulator Nutzdaten Frequenz- synthesizer Sprung- sequenz Demodulator Frequenz- synthesizer schmalbandiges Signal

38 Zellenstruktur Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile 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)

39 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 k4 k5 k1 k3 k2 k6 k7 k3 k2 k4 k5 k

40 Frequenzplanung II f1f1 f2f2 f3f3 f2f2 f1f1 f1f1 f2f2 f3f3 f2f2 f3f3 f1f1 f2f2 f1f1 f3f3 f3f3 f3f3 f3f3 f3f3 f4f4 f5f5 f1f1 f3f3 f2f2 f6f6 f7f7 f3f3 f2f2 f4f4 f5f5 f1f1 f3f3 f5f5 f6f6 f7f7 f2f2 f2f2 f1f1 f1f1 f1f1 f2f2 f3f3 f2f2 f3f3 f2f2 f3f3 h1h1 h2h2 h3h3 g1g1 g2g2 g3g3 h1h1 h2h2 h3h3 g1g1 g2g2 g3g3 g1g1 g2g2 g3g Zellen/Cluster 7 Zellen/Cluster 3 Zellen/Cluster plus 3 Sektoren/Zelle


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