Post on 22-Aug-2019
Modulation und Kanalzugriffsverfahren in
Mobilfunknetzen
HauptseminarMaik Bloß
Gliederung
1 Modulation1.1 Einführung1.2 ASK1.3 FSK1.4 PSK1.5 MSK1.6 OFDM
Gliederung
2 Kanalzugriffsverfahren2.1 Einführung2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff2.3 SDMA2.4 FDMA2.5 TDMA2.6 Spreizspektrumtechniken2.7 CDMA
3 Beispiel GSM
1.1 Modulation - Einführung
• Modulation: Veränderung eines Trägersignals in Abhängigkeit eines Nachrichtensignals
• Ziele:- Benutzung kleinerer Antennen- Frequenzmultiplex mehrerer Teilnehmer- effiziente und robuste Übertragung
1.2 ASK (Amplitude Shift Keying)
• Umschalten der Amplitude eines sinusförmigen Trägersignals zwischen zwei oder mehr diskreten Stufen
• Vorteil: technisch einfach zu realisieren• Nachteil: störanfällig
1.3 FSK (Frequency Shift Keying)
• Umschaltung der Frequenz eines Sinusförmigen Trägersignals zwischen n Stufen
• Realisierung mit n Oszillatoren, zwischen denen umgeschaltet wird
• Vorteil: weniger störanfällig als ASK• Nachteil: - höhere Bandbreite nötig
- abruptes Umschalten zwischen den Frequenzen führt zu hohen spektralen Nebenseitenbändern
1.3 FSK (Frequency Shift Keying)
• Zur Vermeidung der hohen Nebenseitenbänder durch Benutzung einesOszillators, dessen Frequenz hinreichend schnell geändert werdenkann CPFSK (Continous Phase Frequency Shift Keying)
• Kontinuierliche Frequenz- und Phasenänderung, dadurch trotzdem etwas höhere Bandbreite nötig
CPFSK-Signal
1.4 PSK (Phase Shift Keying)
• Umschalten der Phase eines Trägersignals zwischen n diskreten Stufen• Je mehr Stufen, desto größer ist die Bandbreiteneffizienz• Aber: je mehr Stufen, desto größer die Störanfälligkeit
1.4 PSK (Phase Shift Keying)
• QPSK: 2 Bit je Symbol codiert (45°,135°,225°,315°)• Phasensprung maximal bei jedem 2. Bit
1.4 PSK (Phase Shift Keying)
• Vorteile: - relativ störungssicher (anhängig von Anzahl der Phasenzustände)
- höhere Bandbreiteneffizienz• Nachteile: - höhere Anzahl der Phasenzustände benötigen
höheres Signal-Rauschverhältnis- Seitenbänder durch Phasenumtastung
kontinuierliche Phasenumtastung:Änderung der Phase innerhalb einer bestimmten Zeit
1.5 MSK (Minimum Shift Keying)
• Mischung zwischen FSK und PSK• Kontinuierliche Änderung der Phase innerhalb einer
Bitdauer• Es entstehen 2 Trägerfrequenzen f1 und f2
mit f2 = f1 * 0,5 Bitratef2 führt während einer Bitdauer eine halbe Schwingung mehr aus.
1.5 MSK (Minimum Shift Keying)
• Phasendrehung um +90° bei 1• Phasendrehung um -90° bei 0
• “Knicke” beim Phasenwechsel führen zu Verbreiterung des LeistungsdichtespektrumsVerbesserung durch Frequenz-filter
Frequenz- und Phasenverlauf eines MSK Signals
1.5 MSK (Minimum Shift Keying)
• Begrenzung der Bandbreite mit Gauß-FilterGMSK (Gauß’sches MSK)
• Anwendung von GMSK mit BT=0,3 im GSM und DCS1800
Impulsantwort GMSK Sendefilter
1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Mehrträgerverfahren• Aufteilung des Datenstroms in n Teile, welche unabhängig auf n Sub-Träger
moduliert werden (z.B mit QPSK)• Statt 1Mbit/s als 1MHz Signal 100 Subträger mit 10 kHz• Verwendung orthogonaler Signale lässt Überlappung zu
1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Vorteile: - Verlängerung der Symboldauer um das n-fachedadurch weniger Intersymboldifferenz
- durch Überlappung geringere Bandbreite nötig• Nachteile: - Filterung am Empfänger führt zu S/N-Verlust
1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Anwendungsbereiche:
• DAB (Digital Audio Broadcasting)6 Programme in 1,5 MHz Block mit ca. 1500 UnterträgernUnterträger mit QPSK moduliert
• DVB (Digital Video Broadcasting)8 MHz Block mit 2000 oder 8000 UnterträgernUnterträger moduliert mit 16 QAM (21 Mbit/s) oder 64 QAM (30 Mbit/s)
2.1 Kanalzugriffsverfahren - Einführung
• Ziele:- gemeinsame Nutzung des Übertragungsmediums von mehreren Teilnehmern
- bestmögliche Auslastung des Mediums- Reduzierung der nötigen Sendeleistung
2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff
• Medienzugriffsverfahren von Festnetzen wie z.B. CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) versagen bei bestimmten Situationen:
• Versteckte Endgeräte:- A sendet zu B, C ist ausser Reichweite von A- C sendet zu B, da Medium für C scheinbar frei ist (CS versagt)- Kollision bei B wird von A und C nicht erkannt (CD versagt)
2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff• „Ausgelieferte“ Endgeräte:
- B sendet zu A, C will zu einem anderen Gerät senden- CS signalisiert ein besetztes Medium, obwohl A ausser Reichweite
von C ist C ist B „ausgeliefert“
• Nahe und ferne Endgeräte:- A und B senden zu C- Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab- C kann A nicht hören, da B das Signal von A übertönt
2.3 SDMA (Space Division Multiple Access)
• Aufteilung des Raumes in Funkzellen• Je Zelle eine Basisstation, welche mit Mobilstationen kommuniziert• Wiederholung der Frequenzen bei genügend großen Abstand
Gruppierung der Zellen zu Cluster• 1 Cluster steht gesamtes Frequenzspektrum zur Verfügung• Größe der Zellen abhängig von Teilnehmerkonzentration
z.B. ca. 500 m im Stadtgebiet, bis ca. 35 km in ländlichen Gebiet
2.3 SDMA (Space Division Multiple Access)
2.3 SDMA (Space Division Multiple Access)
• Vorteile: - höhere Kapazität durch mehrfache Nutzung der Frequenzen
- geringere Sendeleistung nötig- Störungen meist nur auf eine Zelle beschränkt
robuster
• Nachteile - hoher Aufwand für Infrastruktur nötigBasisstationen müssen über Netzwerk verbunden
werden- Verwaltungsaufwand zur Lokalisierung von
Mobilstationen- Handover bei Zellenwechsel
2.4 FDMA (Frequency Division Multiple Access)
• Aufteilung des Frequenzbandes im gleich große Kanäle
• Vorteil: - kontinuierliches Senden möglich• Nachteil: - Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger
Belastung
2.5 TDMA (Time Division Multiple Access)
• Zyklische Zuteilung des Frequenzbandes für einen bestimmten Zeitabschnitt (Zeitslot)
• Im GSM zusammen mit FDMA benutzt• Vorteile: - kurzzeitige exklusive Nutzung des Mediums (störsicher)
- höhere Auslastung möglich• Nachteile: - genaue Synchronisation nötig
TDMA mit FDMA
2.6 Spreizspektrumtechniken
• Problem: Löschung von Signalen durch schmalbandige Störung oder frequenzabhängiges Fading
• Lösung: Aufspreizung eines schmalbandigen Signals auf breiten Frequenzbereich
• Zwei Spreizvarianten: Codespreizung und Frequenzhopping
Spreitzspektrumübertragung mit Codespreizung
2.6 Spreizspektrumtechniken
Codespreizverfahren DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum):
• XOR Verknüpfung des Signals mit Pseudozufallszahl (Chipping Sequence)
• mehrere Chips pro Bit (z.B. 128) benötigen höhere Bandbreite
2.6 Spreizspektrumtechniken
Vorteile DSSS:• Reduzierung von schmalbandigen Störungen• Mehrfachnutzung von Frequenzen (CDMA)• abhörsicher, da gespreiztes Signal als Rauschen erkannt wird
Nachteil:• exakte Steuerung notwendig
Anwendung:• IEEE 802.11• Mobilfunknetze der 3. Generation
2.6 Spreizspektrumtechniken
Frequenzsprungverfahren FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum):• Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz, bestimmt durch Zufallszahl• 2 Varianten: - schneller Wechsel (fast hopping)
mehrere Frequenzwechsel pro Nutzdatenbit- langsamer Wechsel (slow hopping)
mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz
2.6 Spreizspektrumtechniken
Vorteile FHSS:• Reduzierung von schmalbandign Störungen• Mehrfachnutzung von Frequenzen• einfachere Implementierung als DSSS
Nachteile:• weniger robust• einfacher abzuhören
Anwendung:• IEEE 802.11
2.7 CDMA (Code Division Multiple Access)
• Anwendung der Spreiztechniken Codespreizung (DS-CDMA) und Frequenzsprung (FH-CDMA)
• Verknüpfung des Signals mit einer eindeutigen ZufallszahlChipfolge (DS-CDMA) oder Frequenzsprungsequenz (FH-CDMA)
• Mehrfachnutzung eines Frequenzbandes durch Einsatz orthogonaler Codes
• Vorteile: - großer Coderaum (z.B 232) im Gegensatz zu Frequenzraum- implizite Verschlüsselung
• Nachteile: - hohe Komplexität bei Signalregenerierung- alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein
3 Beispiel GSM
Zeit- und Frequenzmultiplex im GSM:
Trägerfrequenzen und TDMA-Rahmen im GSM-Netz