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