Mobilkommunikationsnetze - Funkübertragung · • Modulation von digitalen Signalen durch...
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MobilkommunikationsnetzeVorlesung
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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-ThielFachgebiet Integrierte Kommunikationssystemewww.tu-ilmenau.de/iks
Mobilkommunikationsnetze- Funkübertragung -
Vorlesung
Andreas Mitschele-Thiel
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Inhalt• Elektromagnetisches Spektrum• Signale• Antennen• Signalausbreitung• Modulation• Frequenzspreizverfahren• Multiplexing
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Elektromagnetisches Spektrum
VLF LF MF HF
1 Mm300 Hz
10 km30 kHz
100 m3 MHz
1 m300 MHz
GSM, UMTS, LTEDECT, WLAN
10 mm30 GHz
VHF UHF
100 µm3 THz
1 µm300 THz
SHF EHF Infrarot UV
DCF77UKW-Radio Flugfunk Satellitenfernsehen
Twisted-Pair Kabel(bspw. Ethernet)
Optische Übertragungen(IR-Fernbedienung, Glasfaser)
OM1-4, OS 1 & 2Glasfaser850 - 1500 nm
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Frequenznutzung• HF und niedriger
– spielen nur für Spezialanwendungen eine Rolle• VHF/UHF
– Radio, Fernsehen– Relativ kleine, einfache Antennen– gute Ausbreitungscharakteristik (geringe Reflektionen,
geringer Verlust, Durchdringung von Wänden)• SHF und höher
– Richtfunk– kleine Antennen, gute Fokussierbarkeit– keine Durchdringung von Wänden
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Signale• physische Repräsentation der Daten• Funktion von Zeit und Ort• Signalparameter: Repräsentation der Datenwerte• Klassifikation
– Zeit: kontinuierlich ↔ diskret– Wertebereich: kontinuierlich ↔ diskret
analog = zeit- & wertkontinuierlichdigital = zeit- & wertdiskret
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Signale• Parameter periodischer Signale:
– Periode t / Frequenz f = 1/t– Amplitude A– Phasenverschiebung φ
• Trägersignale als Spezialfall → Sinusschwingungen s(t) = At sin(2 π ft t + φt )
Amplitude Frequenz Phase
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Signale• Signaldarstellungen
• Komplexere Signale → Überlagerung mehrerer Frequenzen
• Überführung in Frequenzbereich mittels Fouriertransformation
A
tϕ
Zeitbereich(Amplitude, Phasen-verschiebung)
f
A
Frequenzbereich(Amplitude, Frequenz)
I = A cos(ϕ)
ϕ
A
Q = A sin(ϕ)
Phasendarstellung(Amplitude, Phasein Polarkoordinaten)
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Signale• J. Fourier: jedes periodische Signal g(t) kann durch eine
Überlagerung von Sinus- und Cosinusschwingungendargestellt werden
𝑔𝑔 𝑡𝑡 =12𝑐𝑐 + �
𝑛𝑛=1
∞
𝑎𝑎𝑛𝑛 sin 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝑡𝑡 + �𝑛𝑛=1
∞
𝑏𝑏𝑛𝑛 cos 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝑡𝑡
t
0
1
Ideales periodisches Signal Annäherung durch Überlagerungvon Sinus- & Cosinussignalen
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Antennen• Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen• theoretisches Modell: isotroper Strahler
– idealer Punktstrahler– gleichmäßige Abstrahlung in alle Richtungen reale Antennen immer mit Richtcharakteristik
x
y
z
x
z
y
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Antennen: einfache Dipole• einfache Antennen: Dipole
– Länge λ/4– Länge λ/2 (Hertzscher Dipol) Antennenlänge proportional zur Wellenlänge
• Antennengewinn: Konzentration der Antennenleistung auf die Hauptkeule(n)
• Beispiel: Charakteristik eines Hertzschen Dipols(Antenne entlang z-Achse ausgerichtet)
λ/4 λ/2
x
y
z
x
z
y
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Antennen: Richt- und Sektorantennen• Abstrahlung in eine Hauptrichtung• gerichtete Verbindungen
– Basisstationen im Mobilfunk– Richtfunk
x
y
x
z
y
z
Richtantenne (in Richtung z-Achse strahlend)
Sektorantenne (3 Sektoren) Sektorantenne (6 Sektoren)
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Antennen: Diversity• Verwendung mehrerer paralleler Antennen zwecks
Verbesserung der Empfangsleistung• Switched Diversity, Selection Diversity
– Auswahl der Antenne mit der größten Ausgangsleistung• Diversity Combining
– Addition mehrerer Empfangssignale zur Steigerung der Signalstärke → Gleichphasigkeit notwendig!
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• Übertragungsreichweite– Kommunikation möglich– geringe Fehlerrate
• Erkennungsreichweite– Signal wird als solches erkannt– keine Kommunikation möglich
• Interferenzreichweite– keine Erkennung als Signal
möglich– erhöhtes Hintergrundrauschen
Signalausbreitung
Sender
Übertragung
Erkennung
Interferenz
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Signalausbreitung• im freien Raum: wie Licht (Sichtlinie)• empfangene Leistung ~ 1/d² (d = Abstand Sender –
Empfänger)• zusätzliche Einflüsse:
– Fading (frequenzabhängig)– Abschattung– Reflektion– Beugung– Streuung
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Signalausbreitung• Beispiele:
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Signalausbreitung• Mehrwegeausbreitung:
– durch Reflektion, Beugung etc. gelangt Signal auf mehreren Wegen zum Empfänger
• zeitliche Diversität:verschiedene Pfade = verschiedene Ausbreitungs-verzögerungen Intersymbolinterferenz (ISI)
• Phasenverschiebung Auslöschung möglich
Sender Empfänger
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Signalausbreitung: Mobilität• Veränderung des Übertragungssignals
– Slow Fading (langsame Änderung der durchschnittlichen Empfangsstärke)
• Entfernung oder Annäherung an Sender• weit entfernte Hindernisse
– Fast Fading (kurzzeitige, schnelle Änderung der Empfangsstärke)
• Auslöschung durch Mehrwegeausbreitung
• nahe Hindernisse (Abschattung)
Leistung
Zeit
SlowFading
FastFading
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Modulation• Veränderung eines Trägers (hochfrequent) durch ein
Nutzsignal (niederfrequent)• Motivation
– kleinere Antennen– Verfügbarkeit von Frequenzbändern– Frequenzmultiplexing– Ausnutzung der Charakteristik des Übertragungsmediums
• Grundlegende Modulationsverfahren– Amplitudenmodulation (AM)– Frequenzmodulation (FM)– Phasenmodulation (PM)
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Modulation• Analoge Modulation
– Verschiebung der Mittenfrequenz des Basisbandes auf die Trägerfrequenz
• Digitale Modulation– Transformation des digitalen in ein analoges Signal
(Basisband)– ASK, FSK, PSK (siehe folgende Folien)– je nach Verfahren unterschiedliche spektrale Effizienz,
Leistungsausnutzung und Robustheit
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Modulation
digitaleModulation
011001110 analogeModulation
Basisband(analog)
Trägerfrequenz
Sendesignal
analogeDemodulation 011001110digitale
Demodulation
Basisband(analog)
Trägerfrequenz
empfangenes Signal
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• Modulation von digitalen Signalen durch Umtastung(Shift Keying)
• Amplitude Shift Keying (ASK):– sehr einfach– geringer Bandbreitenbedarf– sehr anfällig für Störungen
• Frequency Shift Keying (FSK):– höherer Bandbreitenbedarf– robuster gegen Fading
• Phase Shift Keying (PSK):– komplexer– robust gegen Störungen
Modulation: Digital
1 0 0 1 1
1 0 0 1 1
1 0 0 1 1
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Modulation: Kodierungen• Abbildung Bitfolge (1...n Bit) Symbol moduliertes
Signal• Ziel: möglichst hohe Übertragungsrate• begrenzt durch:
– Kanalbandbreite– Signal-Rausch-Abstand Gesetz von Shannon
• Bespiele– BSPK– QSPK– QAM
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Modulation: BPSK• Binary Phase Shift Keying
– Bitwert 0: Sinuswelle– Bitwert 1: invertierte Sinuswelle– sehr einfaches PSK– geringe Spektraleffizienz– robust, Verwendung bspw. in Satellitensystemen
01
Q
I
1 0 0 1 1
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Modulation: QPSK• QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):
– 2 Bit = 1 Symbol – geringerer Bandbreitenbedarf als BPSK– Pulsformung zur Bandbreitenbegrenzung
01
Q
I
00
10 11
01 11 00 10 10
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Modulation: QAM• QAM
– Kombiniert Amplituden- und Phasenmodulation– Übertragung mehrerer Bits pro Symbol Bitrate > Symbolrate
– Bitfehlerrate steigt mit höherer Symbolanzahl• Beispiel: 16-QAM (4 Bit = 1 Symbol)
– Symbole 0011 und 0001:gleiche Phase, verschiedene Amplitude
– 0000 und 1000:verschiedene Phase, gleiche Amplitude
ϕ
Q
I
0011
0001
0000
1000
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Welche Datenrate lässt sich erzielen?Theorem von Claude Shannon (1950):Die Kanalkapazität C ist durch folgende Faktoren begrenzt:• Verfügbare Bandbreite B des Kanals • Störspannungsabstand des Nutzsignals
– Stärke des Empfangssignals S– Stärke von Störsignalen und Rauschen N
Signal-to-noise ratio SNR
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Frequenzspreizverfahren (Spread Spectrum)• Problem: frequenzabhängige Störungen behindern
schmalbandige Signale Bandbreite erhöhen (spreizen)
• Nebeneffekte:– parallele Nutzung des Mediums ohne dynamische
Koordination Nutzer mit anderem Spreizcode gehen im Rauschen unter
– Abhörsicherheit ohne Kenntnis des Spreizcodes keine Demodulation möglich
• Beispiele: – Direct Sequence (UMTS, WLAN)– Frequency Hopping (slow FH: GSM, fast FH: Bluetooth)
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Frequenzspreizverfahren• Effekte von Störern
dP/df
f
dP/df
f
Spreizung
Senderseite
dP/df
f
Störung durch Kanal
dP/df
f
EntspreizungdP/df
f
Bandpass
EmpfängerseiteNutzsignalBreitbandstörungenSchmalbandstörungen
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Frequenzspreizverfahren: DSSS• Direct Sequence Spread Spectrum• Signal XOR Chipping Sequence (pseudozufällige
Sequenz)– durch viele Chips/Bit (bspw. 128):
Bandbreitenerhöhung• Vorteile
– reduziert frequenzabhängiges Fading– zur Kanalteilung in Funknetzen– alle Basisstationen im selben
Frequenzbereich– Unterscheidung durch verschiedene
Codes (CDMA)• Nachteile
– für CDMA: präzise Leistungssteuerung nötig
tb
0 1
0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1
0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0
Nutzdaten
XOR
ChippingSequence
=übertrageneDaten
tc
tb Bitlängetc Chiplänge
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Frequenzspreizverfahren: DSSS
X ModulatorNutzdaten
ChippingSequence Trägerfrequenz
gespreiztesSignal Sendesignal
Demodulator X Integrator EntscheidungEmpfangssignal
Trägerfrequenz ChippingSequence
NutzdatenProdukte
Korrelator
Sender
Empfänger
SignalsummenBasisbandsignal
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Frequenzspreizverfahren: FHSS• Frequency Hopping Spread Spectrum• ständige Änderung der Trägerfrequenz
– Pseudo-zufällige Sequenz bestimmt Frequenzsprünge• 2 Varianten
– Fast Hopping: mehrere Sprünge pro Nutzdatenbit– Slow Hopping: mehrere Bits pro Sprung (Beispiel Bluetooth: ein
Frame pro Sprung)• Vorteile
– frequenzabhängige Störungen/Dämpfung nur kurzzeitig– einfache Implementierung– nur kleiner Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt besetzt
• Nachteile– weniger robust als DSSS– einfacher zu erkennen (Stichwort: Abhörsicherheit)
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Frequenzspreizverfahren: FHSS
Modulator(digital)
Modulator(analog)
Nutzdaten
Trägerfrequenz(variabel)
schmalbandigesSignal Sendesignal
Demodulator(analog)
Empfangssignal
Trägerfrequenz(variabel)
Nutzdaten
Sender
Empfänger
Frequenz-generator
HoppingSequence
Frequenz-generator
HoppingSequence
Demodulator(digital)
schmalbandigesSignal
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Frequenzspreizverfahren: FHSS
f3
f2
f1
f3
f2
f1
Nutzdaten
Slow Hopping(3 Bit/Hop)
Fast Hopping(3 Hops/Bit)
tb: Bitlänge td: Verweilzeit
tb
td
tb
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Multiplexing• Ziel: Verwendung des gemeinsamen Mediums durch
mehrere Teilnehmer• 4 Dimensionen
– Raum (s)– Zeit (t)– Frequenz (f)– Code (c)
• Wichtig: guard spaces (bei jedem Verfahren)
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Multiplexing: Raummultiplex• Trennung verschiedener Übertragungen durch
ausreichenden Abstand
Sender 1 Sender 2
Übertragung 1 Übertragung 2
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Multiplexing: Frequenzmultiplex• Aufteilung des Spektrums in kleinere Bänder• Ein Kanal = ein Frequenzband (dauerhaft)• Vorteile:
– keine dynamische Koordination– für analoge Signale möglich
• Nachteile:– unflexibel – Bandbreitenverschwendung
bei ungleicher Last
Sender 1
Sender 2
Sender 1 Sender 2Frequenz
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Sender 1 Sender 2 Sender 1
Multiplexing: Zeitmultiplex• Vergabe des gesamten Spektrums zu einem bestimmten
Zeitpunkt• Vorteile:
– nur ein aktiver Carrier im Medium– hoher Durchsatz auch für viele Nutzer
• Nachteile:– Genaue Synchronisation nötig
Zeit
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Multiplexing: Codemultiplex• Ein Kanal = ein Code• Alle Kanäle benutzen das gesamte Spektrum• Vorteile:
– effiziente Bandbreitennutzung– Koordination/Synchronisation unnötig– Schutz gegen Störungen und Abhören
• Nachteile:– komplexere Empfänger (bspw. DSSS)– Umsetzung mittels Frequenzspreizverfahren
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Multiplexing: Zellenbasierte Systeme• Mobile Geräte kommunizieren nur via Basisstation• Vorteile
– höhere Kapazität durch geringere Reichweite – geringere benötigte Sendeleistung– robuster durch Dezentralisierung (je nach System/Anbindung)– Interferenzen, ausgeleuchteter Bereich etc. können
unterschiedlich behandelt werden• Nachteile:
– Anbindung der Basisstationen notwendig– Handover (Zellenwechsel) und Paging (Lokalisierung) nötig– Interferenz zwischen Zellen
• typische Zellgrößen: dutzende Meter (WLAN, LTE Femtozellen) bis mehrere Kilometer (GSM max. 35 km)
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Multiplexing: Zellenbasierte Systeme• Ressourcenplanung
– Wiederverwendung von Ressourcen(Frequenzen, Codes, Zeitscheiben)in hinreichendem Abstand Raummultiplex
– Beispiel: 3-Zellen-Cluster