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