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Kapitel 8: Multiplexverfahren NTM, Multiplexverfahren, Rur, 1 Zeit Frequenz Code T B 0 1 2 Raum Motivation Möglichst viele Teilnehmer sollen gleichzeitig.

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1 Kapitel 8: Multiplexverfahren NTM, Multiplexverfahren, Rur, 1 Zeit Frequenz Code T B Raum Motivation Möglichst viele Teilnehmer sollen gleichzeitig über das gleiche Medium kommunizieren können. Multiplexarten Raum-Space Division Multiple Access (SDMA) Zeit-Time Division Multiple Access (TDMA) Frequenz-Frequency Division Multiple Access (FDMA) Code-Code Division Multiple Access (CDMA)

2 AliceBob CarolDave Kabel 1 Kabel 2 Alice Bob Carol Dave Zelle 1Zelle 2 SDMA: Klassische Methoden Drahtgebunden Drahtlos Beispiel: analoger Teil- nehmeranschluss Probleme: Übersprechen Beispiele: Mobilfunkzellen Funkregionen Probleme: Überreichweiten NTM, Multiplexverfahren, Rur, 2

3 SDMA: Moderne Methoden BS Alice Bob Dave Carol Alice Bob Dave Array Processor Adaptive Richtantennen Beam Forming, Power Control Antennen-Arrays Beam Forming, Power Control NTM, Multiplexverfahren, Rur, 3

4 TDMA: Beispiel für N=4 Kanäle A0A0 B0B0 C0C0 D0D0 t ··· A1A1 B1B1 C1C1 D1D1 A2A2 B2B2 C2C2 D2D2 D 0 t ··· D 1D 2 ··· C 0 t ··· C 1C 2 ··· B 0 t ··· B 1B 2 ··· A 0 t ··· A 1 Einzelkanal A ··· t Einzelkanal B Einzelkanal C Einzelkanal D Multiplexkanal A... D A 2 Rahmendauer TZeitschlitz T 0 T  N·T 0 Blockdauer T = Jeder Benutzer sendet nur für kurze Zeit, dafür auf der ganzen Bandbreite! NTM, Multiplexverfahren, Rur, 4

5 TDMA: Drahtgebundene Übertragung Vorteile einfache digitale Realisierung mit Zwischenspeichern und Schaltern hohe Integrationsdichte dank IC- bzw. Microtechnik Multiplexierung von Hilfskanälen mit Überrahmenstruktur Nachteile Synchronisation auf Rahmenstruktur erforderlich hohe Anforderungen an die Taktgenauigkeit Kanal 0Kanal 1Kanal 15Kanal Kanal Kanal 17 PCM30 Rahmen (125μs) mit 32*8 Bit => 2048 kbit/s Kanal 0: Rahmensynchronisation, Fehlererkennung (2 x CRC4 auf 16 Rahmen) Kanal 16: Signalisierung (jeder Kanal hat z.B. 4 Bit alle 16 Rahmen bzw. 2 kb/s) NTM, Multiplexverfahren, Rur, 5

6 TDMA: Drahtlose Übertragung Beispiele GSM: 8 Zeitschlitze in 120/26 ms Rahmen (viele Hilfskanäle) DECT: 24 Zeitschlitze in 10 ms Rahmen Vorteile Schalten ist einfacher als Filtern ! Nachteile „Guard Time“ wegen Mehrwegausbreitung und Signallaufzeiten (GSM: 8.25 Bit auf Bit) Signalisierung von Time Advance Slot ASlot B (frei)Slot C A 0 Slot A C 0 A 1 Guard Time C 0 Burst Multi-Path NTM, Multiplexverfahren, Rur, 6

7 TDMA: GSM Normal Burst 120/26 ms 3 Bit Tail 26 Bit Training Sequenz 3 Bit Tail 8.25 Guard Bit Information (chiffriert) 58 Bit Information (chiffriert) /13 μs bzw Bit R brutto = kb/s bzw. R netto = kb/s kHz Uplink-Kanal ( MHz, P M ≤ 2W 1710…1785 MHz, P M ≤ 1W) 200 kHz Downlink-Kanal ( MHz 1805…1880 MHz) GSM 900-Duplex-Abstand = 45 MHz (FDD) Δ = 4·TS NTM, Multiplexverfahren, Rur, 7

8 TDMA: DECT DECT-Frequenzen 10 Kanäle im Frequenzband 1880 – 1900 MHz, P M ≤ 250 mW DECT-Rahmen 24 Zeitschlitze pro 10 ms R brutto = 1152 kb/s pro Träger => R brutto pro TS = 48 kb/s DownlinkUplink Duplex-Abstand 12·TS (TDD) 32 Bit Synch. 64 Bit Signal. 60 Bit Guard 320 Bit Nutzdaten 4 R netto = 32 kb/s ADPCM-Daten pro TS NTM, Multiplexverfahren, Rur, 8

9 FDMA: Beispiel für N=4 Kanäle t Kanal D ··· Kanal C ··· Kanal B ··· Kanal A ··· B = f o - f u  N·B 0 f fufu fofo fAfA fBfB fCfC fDfD B0B0 0 B0B0 Träger- frequenzen B0B0 B0B0 Guard Band Jeder Benutzer sendet die ganze Zeit, dafür nur in einem Teil der Bandbreite! NTM, Multiplexverfahren, Rur, 9

10 FDMA: Beispiele und Eigenschaften Drahtlose Übertragung –Terrestrische Funk- und Rundfunkdienste, Satelliten-TV –GSM 900: 124 Kanäle im 200 kHz Raster –DECT: 10 Kanäle im MHz Raster Drahtgebundene Übertragung –ADSL: POTS-Splitter (Telefon / Breitband-Datenverbindung) –Kabel-TV: Analoge Kanäle, digitale Kanäle mit MPEG-2 Streams –Lichtwellenleiter: Wavelength Division Multiplexing (WDM) Vorteile –Keine zeitliche Synchronisation der einzelnen Teilnehmer nötig Nachteile –Hohe Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit (Synchronisation auf Träger oder Pilotton) –Parallele Generierung vieler Trägerfrequenzen (HW-Aufwand) NTM, Multiplexverfahren, Rur, 10

11 Zeit- und Frequenzdarstellung A0A0 D 0 C 0 B 0 CDMA A 0 B 0 C 0 D 0 Bit 0Bit 1Bit 2A 1 B 1 C 1 D 1 A 0 B 0 C 0 D 0 A 2 B 2 C 2 D 2 A 0 D 1D 2 C 1C 2 B 1B 2 A 1A 2 TDMA B0B0 C0C0 D0D0 A1A1 B1B1 C1C1 D1D1 A2A2 B2B2 C2C2 D2D2 f t f t f t f t ··· T0T0 B0B0 B 0  T 0  1 B = N  B 0 T = T 0 B B  T  N T = T 0 BB B 0  T 0  1 B = B 0 B  T  N B 0  T 0  1 T = N  T 0 B = B 0 B  T  N B 0  T 0  N Einzelkanal FDMA NTM, Multiplexverfahren, Rur, 11

12 Kanalplanung SDMA/TDMA/FDMA SDMA –Leitungsplanung (Leitungsführung, Leitungskapazitäten) –Zellenplanung (Antennenstandorte, Sendeleistungen) TDMA –Leistungsfähige Rangiereinrichtungen in den Knoten (Terminal Multiplexer, Add-Drop Multiplexer,...) FDMA –Internationale Frequenzplanung durch ITU-R. Versteigerung oder Vergabe von Frequenzbändern durch lokale Behörden. Nachteile –SDMA- TDMA- und FDMA-Multiplexverfahren sind ideal für isochrone Kanäle mit konstanten Datenraten. Benötigen ständige manuelle Optimierung. –Neue Ansätze: Dynamic Channel Allocation (DCA) bei DECT. Flexible Datenraten mit CDMA-Verfahren. NTM, Multiplexverfahren, Rur, 12

13 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 13 Versorgung grösseres Gebiet mit vielen Funkzellen gegenläufige Anforderungen gleicher Kanal so oft wie möglich wiederholen Gleichkanal-Interferenz (co-channel interference) so klein wie möglich Räumliche Entkopplung zweier Gleichkanalsender (SDMA) Gleichkanal-Interferenz nicht mehr „spürbar“ Gleichkanal- entfernung D Zellradius R DD D gleichseitiges Gleichkanal- dreieck weitere BS erforderlich Sechseck: kreisförmige Versorgung mit möglichst kleiner Überlappung

14 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 14 R D1D1 D2D2 D3D3 D4D4 D5D5 D6D6 Gleichkanal-Mindestabstand D ist abhängig von gewünschtem C/I Benutzer am Zellrand Trägerleistung bzw. Carrier C ~ R -γ γ: Ausbreitungsparameter (typisch im Mobilfunk) Interferenz von 6 Gleichkanal-Nachbarzellen Carrier-to-Interference-Ratio C/I ≈ R -γ / (6D -γ ) hängt von Modulationsart, FEC usw. ab Interferenz-limitierter Betrieb (Gegensatz zu „noise limited“) Normierter Frequenzwiederholabstand q = D/R ≈ (6·C/I) 1/γ D

15 NTM, Multiplexverfahren, Rur, 15 Grundlagen der Zellulartechnik Homogenes, hexagonales Funknetz i,j-Koordinatensystem mit 60 0 geneigter Achse Einheitslänge e i =e j =√3∙R entspricht Kantenlänge Elementardreieck Sender mit Koordinaten (i 1,j 1 ) hat Abstand d = √(i 1 2 +i 1 j 1 +j 1 2 ) zu 0 Gleichkanalraute ist Bauelement für flächendeckendes Netz Fläche Raute A R = √3∙D 2 / 2, Fläche Sechseck-Zelle A Z = 6∙√3∙R 2 / 4 Cluster-Grösse N ist eine Funktion des Frequenzwiederholabstands Anzahl Zellen in Raute N ≥ A R / A Z = D 2 / (3R 2 ) = q 2 /3 q = √(3N) i-Achse j-Achse eiei ejej D D Raute Cluster mit N=4

16 Grundlagen Zellulartechnik Beispiel Das für eine akzeptable Qualität erforderliche C/I betrage 18 dB. GSM: C/I ≥ 9 dB, typisch ≥ 12 dB Der Ausbreitungsparameter γ betrage γ=4. => Frequenzwiederholabstand q = D/R = (6∙ ) 1/4 = => Cluster-Grösse N ≥ q 2 /3 = => N=7 Netz mit zwei 7er-Clustern: R D NTM 2, Multiplexverfahren, Rur, 16 Kanalgruppen Zelle

17 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 17 Verschiedene Zellclustergrössen Cluster-Grösse N = I 2 +IJ+J 2, I≥J IJNq=√(3N)C/I ≈ 10·log 10 (q 4 /6) dB dB dB dB dB dB dB dB dB

18 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 18 Sektorisierung 3x3 Zell-Cluster Einsparung von Standorten gemeinsame Funktionen in den Basisstationen für Sektoren bessere Anpassung der Versorgung an Topografie und Last weniger Gleichkanal-Interferenz Nachteil: weniger Bündeleffizienz

19 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 19 Reale Zellen sind nicht homogen, sondern bestimmt durch Topographie Verkehrslast Verfügbarkeit von Standorten Zellgrössen maximale Zellgrösse wird bestimmt durch Sendeleistung („noise limitation“) Laufzeit (vor allem bei zeitsynchronen Systemen) minimale Zellgrösse wird bestimmt durch Ausbreitungskoeffizient γ erforderliches C/I handover-Rate

20 Grundlagen der Zellulartechnik NTM, Multiplexverfahren, Rur, 20 Spektrale Effizienz R Datenrate Bfür Übertragung benötigte Bandbreite FFläche, welche für die Nutzung der Frequenz zur gleichen Zeit nicht mehr verfügbar ist = N·Zellfläche Beispiel: System mit Nettorate R = 100 kbit/s Bandbreite B = 0.2 MHz Zellgrösse A Z = π· km 2 Cluster-Grösse N=9 => Spektrale Effizienz

21 Verkehrsberechnung Multiple-Access-Systeme nutzen Medium mehrfach (Kosteneinsparung) bedienen viele Benutzer „gleichzeitig“ (Rendite) Wieviele? Betrachten einmal MA-System mit 2 Verkehrskanälen. Kanal 1 Kanal 2 Rufanfragen t t t => beide Kanäle sind belegt => Blockierwahrscheinlichkeit P B => Grade of Service (GoS) belegt NTM, Multiplexverfahren, Rur, 21

22 Verkehrsmodell Annahmen Rufanfragen sind unabhängig (kein worst-case Szenario!) Anzahl Rufanfragen R(τ) pro Zeiteinheit τ sind Poisson-verteilt P( R(τ)=n ) = e -λτ ∙(λτ) n /n! λ: arrival rate bzw. mittlere Anzahl Rufanfragen pro Zeit => Anrufabstände t n sind negativ-exponentiell verteilt P(t n 0 => p(t n ) = λ·e -λtn, t n >0 blockierte Rufanfragen gehen verloren (Verlustsystem) viel mehr Benutzer N als Anzahl Kanäle K xxx t Rufanfragen n-1 n n+1 Anrufabstand t n t n+1 s P(t n

23 Verkehrsmodell Erlang B Formel Blockierwahrscheinlichkeit P B zur Verfügung stehende Verkehrskanäle K Angebot A = „arrival rate λ“ mal „ mittlere Verbindungszeit“ Verkehr V = A·(1-P B ) ≈ A wenn P B <<1 Pseudo-Masseinheit Erlang zum Andenken an A.K. Erlang Erlang-Formel gibt mit K Kanälen bewältigbarer Verkehr V wenn GoS=P B Verkehr V pro System (Zelle) = # Benutzer mal Verkehr / Benutzer Verkehr / Benutzer = „Gesprächszeit“ in „busy hour“ z.B. 90s pro h = 25 mE (alter GSM-Wert) Erlang-Formel gibt mit K Kanälen bedienbare # Benutzer wenn GoS=P B NTM, Multiplexverfahren, Rur, 23

24 Verkehrsberechnung: Beispiele Beispiel 1: 500 Benutzer mit 25 mE generieren total V=12.5 Erlang Verkehr GoS bzw. P B =2% Anzahl erforderliche Verkehrskanäle K ≥ 20 Beispiel 2: GSM-Zelle mit 1, 2, 4, 6 TRx je 200 kHz breit bzw. K = 7, 15, 30, 45 Verkehrskanälen GoS bzw. P B =2% Angebot A bzw. Verkehr V = 2.94, 9.01, 21.93, Erlang entspricht 117, 360, 877, 1424 Benutzer mit je 25 mE Verkehr d.h. 1 TRx (7 Kanäle) => 117 Benutzer, 2 TRx => 360 Benutzer,... Verkehr wächst überproportional mit Anzahl Kanälen (Bündeleffekt) NTM, Multiplexverfahren, Rur, 24


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