E F ld E-Feld M-Feld

(1)

Drahtlose Kommunikation

Technische Grundlagen

(2)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen A t

Antennen Signale

Signalausbreitung Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

(3)

Prinzip

E F ld E-Feld M-Feld

Randbemerkung:

• Fraunhofer-Distanz

• Nahfeld

• Fernfeld

• (Maxwell-Gleichungen)

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle

(4)

Freiraumausbreitung

Fernfeld

Nahfeld

Wellenfront Fraunhofer-Distanz

Wellenfront

(5)

Charakterisierung einer elektromagnetischen Welle

Zeitliche Darstellung der E-Feldes

Wellenlänge

Distanz

(6)

Übertragene Leistung pro Quadratmeter auf der Wellenfront

Kugeloberfläche

1m 1m

s

Leistung P:

s

(7)

Remark: Energy and Power

Force (Newton) 1 m

1 sec

Energy (Joule)

Power (Watts)

Weight:

102 g

o e ( atts)

Gravitation:

9,81 m/s^2

(8)

Remark: Voltage, Current and Power

Voltage [U in V]

Current [I in A]

P [P i W]

Power [P in W]

Resistance [R in ]

(9)

Randbemerkung: Darstellung von Schwingungen

Tafelnotiz

(10)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen A t

Antennen Signale

Modulation

(11)

Frequenzbereiche für die Kommunikation

optische Übertragung Hohlleiter

Koaxialkabel verdrillte

Drähte

1 Mm 300 Hz

10 km 30 kHz

100 m 3 MHz

1 m 300 MHz

10 mm 30 GHz

100 m 3 THz

1 m 300 THz

VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency

Sichtbares Licht

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV

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)

(12)

Frequenzen und Regulierungen

Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche

(WRC, World Radio Conferences)

( )

Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich:

E u r o p e U S A J a p a n

C e llu la r G S M 4 5 0 -4 5 7 , 4 7 9 - A M P S, T D M A, C D M A P D C P h o n e s 4 8 6 /4 6 0 -4 6 7 ,4 8 9 -

4 9 6 , 8 9 0 -9 1 5 /9 3 5 - 9 6 0 ,

1 7 1 0 -1 7 8 5 /1 8 0 5 - 1 8 8 0

U M T S (F D D ) 1 9 2 0 -

8 2 4 -8 4 9 , 8 6 9 -8 9 4

T D M A, C D M A, G S M 1 8 5 0 -1 9 1 0 ,

1 9 3 0 -1 9 9 0

8 1 0 -8 2 6 , 9 4 0 -9 5 6 , 1 4 2 9 -1 4 6 5 , 1 4 7 7 -1 5 1 3 U M T S (F D D ) 1 9 2 0

1 9 8 0 , 2 1 1 0 -2 1 9 0 U M T S (T D D ) 1 9 0 0 - 1 9 2 0 , 2 0 2 0 -2 0 2 5 C o r d le s s

P h o n e s

C T 1 + 8 8 5 -8 8 7 , 9 3 0 - 9 3 2

C T 2

P A C S 1 8 5 0 -1 9 1 0 , 1 9 3 0 - 1 9 9 0

P A C S U B 1 9 1 0 1 9 3 0

P H S 1 8 9 5 -1 9 1 8 J C T

C T 2 8 6 4 -8 6 8 D E C T 1 8 8 0 -1 9 0 0

P A C S - U B 1 9 1 0 -1 9 3 0 J C T 2 5 4 -3 8 0

W ir e le s s L A N s

IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3

9 0 2 -9 2 8 IE E E 8 0 2 .1 1

IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 7 1 -2 4 9 7 H IP E R L A N 2

5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 4 7 0 - 5 7 2 5

2 4 0 0 -2 4 8 3

5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 7 2 5 -5 8 2 5

5 1 5 0 -5 2 5 0

O t h e r s R F - C o n t r o l

2 7 , 1 2 8 , 4 1 8 , 4 3 3 , 8 6 8

R F - C o n t r o l 3 1 5 , 9 1 5

R F - C o n t r o l 4 2 6 , 8 6 8 8 6 8

(13)

Übersicht

Frequenzen und Regulierungen A t

Antennen Signale

Modulation

(14)

Wirkprinzip einer Antenne

Antenne: einzelner oder System von elektrischen Leitern, die Wellenenergie in den Raum befördern oder Wellenenergie aus dem Raum aufnehmen

Wiedervorlage: isotropischer Strahler

Flä h d K l ä h t it d Di t d ti h G t i d W ll i t l i h äßi f

 Fläche der Kugel wächst mit der Distanz quadratisch, Gesamtenergie der Welle ist gleichmäßig auf der Fläche verteilt

 Empfängerantenne nimmt den Energieanteil einer konstanten Fläche auf

 Energieanteil reduziert sich quadratisch mit wachsender Distanz

Achtung ein isotropischer Strahler ist eine idealisierte Antenne Reale Radioantennen sind nicht Achtung ein isotropischer Strahler ist eine idealisierte Antenne. Reale Radioantennen sind nicht

isotropisch. Direkt das Gegenbeispiel: ein Stern (z.B. Sonne unseres Sonnensystems)

Transmit antenna

Receive antenna 1

Receive antenna 2 a e a

Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl

(15)

Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol

Leiter

Spalt /2

Leiter

Bildquelle: http://www.elektronik-

kompendium de/sites/kom/0810171 htm

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/

wiki/Dipolantenne

Schwingkreis

kompendium.de/sites/kom/0810171.htm wiki/Dipolantenne

(16)

Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm

(Englisch: Radiation-Pattern)

Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl. Senden und Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als

Bildquelle: http://en.wikipedia.org/

iki/R di ti tt

Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als auch Empfangscharakteristik einer Antenne dar

Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipols

wiki/Radiation_pattern

y x z

x z x

(17)

Größe des Richtdiagramms ist nicht entscheidend

Größe des Richtdiagramms stellt relative Leistungsunterschiede für unterschiedliche Richtungen dar

Beispiele

Unterschied zwischen zwei Richtungen A und B bei isotropischem Strahler?

In welche Richtung A sendet ein gerichteter Strahler nur halb so stark wie in Richtung B?

und B bei isotropischem Strahler? Strahler nur halb so stark wie in Richtung B?

(18)

Definition: Bündelbreite

im Englischen: „beam width“

Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne B t ä t

Beträgt

Beispiel Beispiel

(19)

Definition: Antennengewinn

im Englischen: „antenna gain“

Verhältnis der Ausgabeleistung in eine betrachtete Richtung im Vergleich zur Leistung einer isotropischen Antenne in diese (und alle anderen) Richtungen, die mit derselben p ( ) g , Gesamtleisung sendet.

(d.h. Gesamtflächen der beiden Richtungsdiagramme von isotropischer und betrachteter sind gleich)

Beispiel: was wäre hier der Antennengewinn in die stärkste Richtung?

(Achtung: Leistung in eine Richtung angehoben bedeutet zwangsläufig, dass in eine andere Richtung was abgezogen werden muss;

Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung) Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung)

(20)

Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area)

Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive Nutzfläche für eine gegebene Richtung

Receive Transmit

antenna antenna

Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge  zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche A_e folgender

Zusammenhang:g

Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl

(21)

Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers?

y x z

x z x

Was ist die Bündelbreite?

Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung?

(22)

Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi- Antenne)

/4

Fläche Spiegelt den lambda/4 Strahler (Beispiel: Radioantenne auf dem Autodach)

Bildquelle: http://en.wikibooks.org/wiki/

Communication_Systems/Antennas Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te

überarbeitete Auflage, 2003

(23)

Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSky- Knoten

Wo ist hier die Antenne?

So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (Printed- Ci it B d A t )

Circuit-Board-Antenne)

ekannt

(24)

Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt

Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung

Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)

(25)

Beispiel: Parabolantenne

y y

x

Fokus x

Gleiche Länge

Leitgerade Directrix) g

L (D

Parabol Konstruktion Reflektionsverhalten

Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten

(26)

Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne

y y z

x z x

(27)

Bündelbreiten von Parabolantennen

Betrachtete Frequenz 12GHz

Antennendurchmesser (m) Bündelbreite (in Grad)

0,5 3,5

0 75 2 33

0,75 2,33

1,0 1,75

1 5 1 166

1,5 1,166

2,0 0,875

2 5 0 7

2,5 0,7

5,0 0,35

Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein idealisierter Punkt ist; Beobachtung: „je größer desto besser“

Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley, 1997

(28)

Antennengrößen

Bei den betrachteten Lambda/x-Antennen ist die Antennengröße proportional zur verwendeten Wellenlänge

Beispiel Antenne des TmoteSky-Knote ist etwa 3,125cm lang und beträgt

¼ der Wellenlänge (lambda/4-Antenne).

Welcher Frequenzbereich wird wohl verwendet?

Vereinfacht gesagt gilt für Antennen in Kommunikaitonsystemen: je höherg g g y j die verwendetet Frequenz desto kleiner kann auch die Antenne sein.

(29)

Weiteres zu grundlegenden Antennentypen

Das war hier nur eine kleine Auswahl: eine Liste aller grundlegenden Antennentypen findet man z.B. unter:

htt // t th / t / i h

http://www.antenna-theory.com/antennas/main.php

Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren

komplexere Antennen bauen: siehe folgendes...

(30)

Antennen: gerichtet und mit Sektoren

Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte

Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z B Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)

y y z

(z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)

gerichtete

Seitenansicht (xy-Ebene) x

Seitenansicht (yz-Ebene) z

von oben (xz-Ebene) x

gerichtete Antenne

( y ) (y ) ( )

z z

x x Sektoren-

antenne

von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren

(31)

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

/4

/2

/4

/2

+ +

Grundfläche

(32)

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

 Use of several antennas at receiver and transmitter

 Increased data rates and transmission range without additional transmit power or bandwidth via

hi h t l ffi i hi h li k b t d d f di

higher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fading

Examples

 IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …

Functions Functions

 “Beamforming”: emit the same signal from all antennas to maximize signal power at receiver antenna

 Spatial multiplexing: split high-rate signal into multiple lower rate streams and transmit over different antennas

 Diversity coding: transmit single stream over different antennas with (near) orthogonal codes

t₁

t t₃

sender

t₂

Time of flight t₂=t₁+d₂

1

2 3

Sending time 1: t₀

2: t₀-d₂

receiver

t₃=t₁+d₃ 2: t₀ d₂ 3: t₀-d₃

(33)

Übersicht

Frequenzen und Regulierungen A t

Antennen Signale

Modulation

(34)

Signale I

 Physikalische Darstellung von Daten

 Zeitabhängig oder ortsabhängig

Si l t K öß d W t d W t l f di

 Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren

 Einteilung in Klassen nach Eigenschaften:g g

 zeitkontinuierlich oder zeitdiskret

 wertkontinuierlich oder wertdiskret

 Analogsignal = zeit und wertkontinuierlich

 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) = A_t sin(2  f_tt + _t)

(35)

Problem: Wireless = Analog

0110 1001 1000 1010 0110 1001 1000 1010

Transmitter Receiver

Definition: Transmitter + Receiver = Transceiver

(36)

Bandpass Transmission Principle

0110 1001 1000 1010 Carrier wave with 0110 1001 1000 1010 carrier frequency f

Transmitter Receiver

Amplitude Frequency Phase

(37)

Terminology

1011

Modulation 1011

Demodulation

Bit(s) Symbol

Symbol rate:

Number of Symbols per second

Data rate:

Number of Bits per seconds

N-ary modulation scheme: number of different symbols!

i e this can convey log(N) Bits per symbol i.e., this can convey log(N) Bits per symbol

(38)

Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale

1 ^ ^

) 2

cos(

) 2

2 sin(

) 1 (

1 1

nft b

nft a

c t

g

n n n

n

  



 





1 1

0 0

t t

ideales periodisches Signal reale Komposition (basierend auf (

Harmonischen)

(39)

Signale II

 Verschiedene Darstellungen eines Signals:

 Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit)

 Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz)

 Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ werden in Polarkoordinaten aufgetragen)

A [V] Q = M sin φ (Quadrature)

A [V] A [V]



Q M sin φ (Quadrature) A [V]

t[s]

 Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in

f [Hz]

I = M cos φ (In-phase)



 Zusammengesetzte Signale mittels Fourier Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar

 Digitalsignale besitzen Rechteckflanken

 im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite

 zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale

(40)

Übersicht

Antennen Signale

Signalausbreitung Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten M bil K t

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplexp

Modulation

(41)

Wir wollen folgende hier dargestellte Effekte verstehen; was geht hier schief?

Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002

(42)

Randbemerkung: Was ist dB?

Logarithmische Darstellung von im Verhältnis stehenden gleichartigen (d.h. gleiche Einheitengröße) Leistungs- bzw. Energiegrößen

Am Beispiel: Für P₁ und P₂ ist das Verhältnis P₂ / P₁ definiert als:

(43)

Note: What is dBm?

Logarithmic expression of power in mW Conversion

Conversion

 P mW  x dBm

 x dBm  P mW

(44)

Examples (from wikipedia)

dBm level Power Notes

80 dBm 100 kW Typical transmission power of a FM radiostation

60 dBm 1 kW = 1000 W Typical RF power inside a microwave oven

36 dBm 4 W Typical maximum output power for a Citizens' band radiostation (27 MHz) in many countries

T i l RF l k f i M i t t f DCS 1800 MH bil

30 dBm 1 W = 1000 mW Typical RF leakage from a microwave oven - Maximum output power for DCS 1800 MHz mobile phone

27 dBm 500 mW Typical cellular phonetransmission power

d i f / bil h ( l bil )

21 dBm 125 mW Maximum output from a UMTS/3Gmobile phone (Power class 4 mobiles) 20 dBm 100 mW BluetoothClass 1 radio, 100 m range (maximum output power from unlicensed FM transmitter)

4 dBm 2 5 mW Bluetooth Class 2 radio 10 m range

4 dBm 2.5 mW Bluetooth Class 2 radio, 10 m range

0 dBm 1.0 mW =

1000 µW Bluetooth standard (Class 3) radio, 1 m range

−70 dBm70 dBm 100 pW100 pW Typical range (−60 toTypical range ( 60 to 80 dBm) of Wireless signal over a network−80 dBm) of Wireless signal over a network

−111 dBm 0.008 pW Thermal noise floorfor commercial GPSsignal bandwidth (2 MHz)

−127.5 dB

m 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellite

m p yp g p

(45)

Übersicht

Antennen Signale

 Motivation

 Statische Knoten M bil K t

 Mobile Knoten

Modulation

(46)

Friis-Freiraum-Gleichung

An der Tafel notiert

(47)

Wiedervorlage: Fraunhofer-Distanz

Wie schon genannt: der hier benutzte Zusammenhang P_R = P_T / 4  d²

gilt erst im Fernfeld (Far-Field)

Kennt man die größte „lineare Ausdehnung“ D der Antenne und die verwendete Wellenlänge , dann befindet man sich im Fernfeld, wenn:

(48)

Weitere Diskussion der Friis-Freiraum-Gleichung

An der Tafel notiert An der Tafel notiert

(49)

Signalausbreitungsbereiche

Übertragungsbereich

 Kommunikation möglich

 niedrige Fehlerrate

 niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich

 Signalerkennung möglich

Sender

 keine Kommunikation möglich

Interferenzbereich

Entfernung Übertragung

Erkennung

Interferenzbereich

 Signal kann nicht detektiert werden

 Signal trägt zum ^Erkennung

Interferenz

 Signal trägt zum

Hintergrundrauschen bei

(50)

Erweiterung des Friis-Modells zunächst für den nichtmobilen Fall

Wir nehmen an, dass Sender und Empfänger stationär sind (bewegen sich nicht)

 Wellenausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)

 Nach Friis: Empfangsleistung nimmt im Vakuum mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)p g )

 Wir sehen gleich in realer Umgebung dramatischer (z.B. Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)) Wenn wir Hindernisse im Raum annehmen, dann wird die Empfangsleistung außerdem u.a.

beeinflusst durch

 Abschattung durch Hindernisse

 Reflexion (Spiegelung) an großen Flächen

 Refraktion (Brechung) in Abhängigkeit der Dichte eines Mediums

 Streuung (scattering) an kleinen Hindernisseng ( g)

 Beugung (diffraction) an scharfen Kanten

Reflexion Streuung Beugung

Abschattung Refraktion

Warum ist das ein Problem? Wir schauen uns als nächstes an:

 alle genannten Effekte außer Abschattung (nächste Folien)

d d fü i h Ab h tt hi (di F li d h)

g g g

g

 und dann fügen wir noch Abschattung hinzu (die Folien danach)

(51)

The multipath propagation problem

Non-line-of-sight path

Line-of- sight path

example shows reflection

(the same applies for all other effects despite shadowing)

despite shadowing)



(52)

Example: Two Ray Ground Model

1 1 1 1

-0.5 0 0.5

-1

0 1 2 3 4 5 6

0.5 1

-1

0 1 2 3 4 5 6

-1

0 1 2 3 4 5 6

-1

0 1 2 3 4 5 6

Sender ^-1 Receiver

-0.5 0

0

0 0.5 1

5 6

Increase distance

Sender ¹ 2 Receiver

3 4

5

6 -1

-0.5

0 1

2 3

4 5

Phase reversed

LOS signal Reflected signal Complete signal

p g

(53)

Zusammengefasst: Log-Distance-Pfadverlustmodell

Hinzu kommt noch Abschattung und Atmosphärische Dämpfung

Ein durch theoretische Überlegungen (z.B. Two-Ray-Ground-Überlegung) und empirische Belege (siehe z.B. Diskussion in Rappaport) etabliertes Modell: Friis-Gleichung mit allgemeinem Pfadverlustexponenten

Modell: Friis Gleichung mit allgemeinem Pfadverlustexponenten

Bildquelle: http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/physik_arbeit.htm

(54)

Pfadverlustexponenten für verschiedene Radioumgebungen

(55)

Verallgemeinerung: Log-Normal-Shadowing

Das Log-Distance-Pfadverlustmodell stellt den mittleren Pfadverlust für eine gegebene Distanz d dar

Für zwei individuelle Knoten kann der konkrete Pfadverlust aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungswege verschieden sein

Ein durch empirische Studien in der Literatur etabliertes Modell (vgl.

Rappaport):

Rappaport): ...

(56)

Praktisches Vorgehen, zur Bestimmung von PL(d

₀

), n und 

Wähle geeignetes d₀

 im Fernfeld

 üblicher Sender- Empängerabstand Empängerabstand üblicherweise ≥ d₀ Bestimme PL(d₀)

 z.B. theoretisch nach Friis- Gleichung oder

Gleichung oder

 Empirisch durch mittel über viele unabhängige

Messungen bei Abstand d₀ Bestimme unabhängige empirische

Messdaten für wachsende Distanz

Bestimme für empirische Bestimme für empirische

Messdaten das beste n und  (z.B. Lineare-

Regressionsmethode; d.h.

mittlere quadratische

Abweichung von Messdaten Abweichung von Messdaten und Modelldaten sind minimal)

(57)

Typical parameters for lognormal shadowing model

Lognormal shadowing model is characterized by

, ², PL(1m) (path loss at reference distance d₀)

Quelle: Mobile Communications - Ch. 2 - Wireless Transmission, Prof. Dr. Holger Karl

(58)

Randbemerkung: Ray-Tracing als Alternative zur Modellierung

von Signalausbreitung

(59)

Zwischenbilanz

Bisher haben wir nur das Problem der Dämpfung und der sich überlagernden Wellen betrachtet

Mehrwegeausbreitung führt auch noch zu einem weiteren Problem

LOS pulses multipath LOS pulses pulsesl

signal at sender

signal at receiver

Intersymbol-Interferenz (ISI): Interferenz mit Nachbar-Symbolen

Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003

(60)

Zwischenbilanz

Ein weiterer Fakt, der die drahtlose Kommunikation verkompliziert:

Si l b t h hä fi i l Si id t hi dli h

Signale bestehen häufig aus vielen Sinusoiden unterschiedlicher Frequenz (siehe noch zu behandelndes Thema Modulation)

Die behandelten Effekte sind in der Regel auch noch Frequenzselektiv Das bedeutet: die Effekte wirken sich unterschiedlich stark auf das

Frequenzspektrum des Signals aus; was das Signal noch zusätzlich verzerrt

(61)

Übersicht

Antennen Signale

 Motivation

 Statische Knoten M bil K t

 Mobile Knoten

Modulation

(62)

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 ^Leistung ^langsames

 Hindernisse in weiterer Entfernung

 langsame Veränderungen in der

(durchschnittlichen) Empfangsleistung

Fading g

( ) p g g

(langsames Fading)

h ll F di t

schnelles Fading

(63)

Mehrwegeausbreitung ohne dominanten Pfad

Herleitung des Rayleigh-Fadings an der Tafel Herleitung des Rayleigh Fadings an der Tafel

(64)

Mehrwegeausbreitung mit einem dominanten Pfad

Herleitung des Rice-Fadings an der Tafel Herleitung des Rice Fadings an der Tafel

(65)

Remark: the mobile case also adds one further effect on signals

Recap: effects considered so far Reflection & Refraction

reflection scattering diffraction

shadowing refraction

(Abschattung) (Reflektion) (Brechung) (Streuung) (Beugung)

One additional effect: doppler shift

(66)

Übersicht

Antennen Signale

 Motivation

 Statische Knoten M bil K t

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplexp

Modulation

(67)

Summary: Analog channel models

Friis free space equation for attenuation Two-Ray-Ground

F ii ti ith difi d th l t

Friis equation with modified path loss exponents Lognormal shading  Slow fading

Fast fading Fast fading

 Multi-ray propagation without dominant path = Rayleigh

 Multi-ray propagation with dominant path = Rice

[We did not consider so far: Additive White Gaussian Noise (AWGN) → Describes effect in receiver]]

(68)

Übersicht

Antennen Signale

Signalausbreitung Signalausbreitung Multiplex

Modulation

(69)

Multiplexen

Multiplexen in 4 Dimensionen:

 Raum (r_i)

 Zeit (t)

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

Kanäle k_i

 Zeit (t)

 Frequenz (f)

 Code (c) t

c

r₁

Ziel: Mehrfachnutzung des

gemeinsamen Mediums ^f

t

r₂

gemeinsamen Mediums

Wichtig: Genügend große Schutzabstände

f c

r₃

g g g

nötig! ^t

r₃

f

(70)

Frequenzmultiplex

Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt

Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum Vorteile:

 keine dynamische Koordination

 keine dynamische Koordination nötig

 auch für analoge Signale

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

c

Nachteile:

B db it

f

 Bandbreitenver- schwendung bei ungleichmäßiger Belastung

 unflexibel ^t

(71)

Zeitmultiplex

Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt

Vorteile:

 in einem Zeitabschnitt nur

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

 in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem Medium

 Durchsatz bleibt auch bei

f

hoher Teilnehmerzahl hoch c

Nachteile:

 genaue

Synchronisation

t

nötig

(72)

Zeit- und Frequenzmultiplex

Kombination der oben genannten Verfahren

Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt B i i l GSM

Beispiel: GSM Vorteile:

Vorteile:

 relativ abhörsicher

 Schutz gegen Störungen

höh B t d t t l

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

f

 höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich

aber: genaue Koordination

c

aber: genaue Koordination erforderlich

t

(73)

Cognitive Radio

Typically in the form of a spectrum sensing CR

 Detect unused spectrum and share with others avoiding interference

 Choose automatically best available spectrum (intelligent form of y p ( g time/frequency/space multiplexing)

Distinguish

 Primary Users (PU): users assigned to a specific spectrum by e.g. regulationy ( ) g p p y g g

 Secondary Users (SU): users with a CR to use unused spectrum

Examples

 Reuse of (regionally) unused analog TV spectrum (aka white space)

 Temporary reuse of unused spectrum e.g. of pagers, amateur radio etc.

PU PU SU

SU

f

PU

PU PU

SU

PU PU

SU SU

t

PU PU PU PU

SU

SU SU SU

space mux frequency/time mux

SU t

(74)

Codemultiplex

Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

Alle Teilnehmer können zur selben Zeit

im selben Frequenzabschnitt sendenq ^c Vorteile:

 Bandbreiteneffizienz

k i K di ti d S h i ti

 keine Koordination und Synchronisation notwendig

 Schutz gegen Störungen ^f

Nachteile:

 Benutzerdatenrate begrenzt

 komplex wegen Signalregenerierung

Realisierung: Spreizspektrumtechnik _t

(75)

Zellenstruktur

Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab

Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile der Zellenstruktur:

 mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbar

 weniger Sendeleistung notwendig

 robuster gegen Ausfälle

 überschaubarere Ausbreitungsbedingungen

 überschaubarere Ausbreitungsbedingungen Probleme:

 Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen

 Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig

 Störungen in andere Zellen

 Konzentration in bestimmten Bereichen

Zellengröße von z.B 100 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen)

(76)

Frequenzplanung I

Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden

Modell mit 7 Frequenzbereichen:

k4 k5 k1

k6 k3

k2 k4

k5

Feste Kanalzuordnung:

k1 k3

k2 k7

k4 k1

Feste Kanalzuordnung:

 bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnet

 Problem: Wechsel in Belastung der Zellen Dynamische Kanalzuordnung:

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

(77)

Frequenzplanung II

f f₂

f f₃

f₂ f f₃ f₃

f₁ f₃ f₂

f₁ f₁ f₂

f₃ f₁ f₂ f₁

f f f

3 Zellen/Cluster

f₃

f₃ f₃

f₄ f₅

f₆ f₃

f₂ f₅ f₇ f₂

f₄ f₁ f₃

f₂ f₆ f₇

f₄ f₅ f₁ f₃ f₅

f₆ f₂

7 Zellen/Cluster

6 5 2

f₁

f₁ f₂ f₁

f₃ f₂

f₃

f₂ f₃ h₁h₂

h₃ g₂ h₁h₂

h₃

g₂ g₂ 3 Zellen/Cluster plus

g₁g₂ 3

g₃ g₁ g₂ 3

g₃ g₁g₂

g₃ 3 Sektoren/Zelle

(78)

Zellatmung

CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last ab Zusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere

Nutzer aus Nutzer aus

Wenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus

(79)

Übersicht

Antennen Signale

Modulation

(80)

Modulation

Digitale Modulation

 digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt

 ASK FSK PSK hier der Schwerpunkt

 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)

 kleinere Antennen (z.B. /4)

 Frequenzmultiplex

 Mediencharakteristika Varianten

 Amplitudenmodulation (AM)

 Frequenzmodulation (FM)

 Phasenmodulation (PM)

(81)

Modulation und Demodulation

analoges Basisband digitale

Modulation digitale

Daten analoge

Modulation Basisband-

signal

101101001 Sender

Träger- frequenz

digitale analoges

Basisband- signal

Synchronisation Entscheidung

g Daten analoge

Demodulation Träger-

signal

101101001 Empfänger Träger

frequenz

(82)

Digitale Modulationstechniken

Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet

 Amplitudenmodulation (ASK): ¹ ⁰ ¹

 Amplitudenmodulation (ASK):

 technisch einfach

 benötigt wenig Bandbreite _t

 störanfällig

 Frequenzmodulation (FSK):eque odu at o ( S )

 größere Bandbreite

 für Telefonübertragung ^t

 Phasenmodulation (PSK):

 komplexe Demodulation mit

 komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung

 relativ störungssicher

t

(83)

Fortgeschrittene FSK-Verfahren

 Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig

 Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand

 Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand bis auf den halben Wert der Bitrate verringert 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

 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

(84)

Beispiel für MSK als Modulationstechnik

Daten

1 0 1 1 0 1 0

Bit

gerade 0 1 0 1 gerade

Bits

ungerade

ungerade 0 0 1 1 Signal- h n n h

wert + +

Bits niedere Frequenz

wert - - + +

h: hohe bzw.

n: niedere Frequenz q

hohe Frequenz

n: niedere Frequenz +: positive bzw.

-: negative Ausrichtung Frequenz

MSK- Signal t

Keine Phasensprünge!

(85)

Fortgeschrittene PSK-Verfahren

BPSK (Binary Phase Shift Keying): Q

 Bitwert 0: Sinusförmiges Signal

 Bitwert 1: negatives Sinussignal

Q

 Bitwert 1: negatives Sinussignal I

 einfachstes Phasentastungsverfahren

 spektral ineffizient

b t i S t llit t b t t

0 1

 robust, in Satellitensystemen benutzt QPSK (Quaternary Phase Shift Keying):

 2 Bits werden in ein Symbol kodiert

Q 11

10

y

 Symbol entspricht phasenverschobenem Sinussignal

 weniger Bandbreite als bei BPSK

I

00 01

 weniger Bandbreite als bei BPSK benötigt

 komplexer

Oft Üb t d l ti Ph

00 01

Oft Übertragung der relativen Phasen- verschiebung (weniger Bitfehler)

 DQPSK in z.B. IS-136, PHS 11 10 00 01

(86)

Quadraturamplitudenmodulation

Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren

 Aufteilung von Bits oder Bitgruppen auf zwei Kanäle

 getrennte Amplitudenmodulation dieser Kanäle auf zwei um 90°

phasenverschobene Träger, die dann addiert werden

 Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodiereng , y

 2ⁿ diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK

 Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren PSK Verfahren

PSK-Verfahren

Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol) Die Symbole 0011 und 0001 haben

0001 Q

0010

gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben

unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.

0011 0000

I

φ a

1000

(87)

Hierarchische Modulation

DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-T- Strom

 Datenstrom hoher Priorität (HP) eingebettet in einen mit niederer

 Datenstrom hoher Priorität (HP) eingebettet in einen mit niederer Priorität (LP)

 Mehrfachträgersystem, etwa 2000 oder 8000 Träger

 QPSK, 16 QAM, 64QAM

 Beispiel: 64QAM

 Guter Empfang: Nutzung der

Q

 Guter Empfang: Nutzung der 64QAM-Konstellation

 Schlechter Empfang (z.B. mobil):

N t d QPSK T il ^I

10

Nutzung nur des QPSK-Teils

 6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertige bestimmen QPSK

I

 HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), 00

LP nutzt verbleibende 4 bit

00

000010 010101

(88)

Übersicht

Antennen Signale

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

(89)

Spreizspektrumtechnik

Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus

Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen

Schutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen

Nutzsignal

Detektion i E fä Störsignal gespreiztes

Nutzsignal

gespreiztes Störsignal

Beseitigung eines Schmalbandstörers

Nebeneffekte:

im Empfänger

Nebeneffekte:

 Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination

 Abhörsicherheit

Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping

(90)

Auswirkungen von Spreizen und Interferenz

dP/df dP/df

i) ii)

Nutzsignal

breitbandige Interferenz schmalbandige Interferenz f

i)

f ii)

Sender

schmalbandige Interferenz

dP/df dP/df dP/df

f iii)

f iv)

f v)

f f

Empfänger

f

(91)

Spreizen und frequenzselektives Fading

Kanal- qualität

1 2

3

4

5 6 schmalbandige Kanäle

Frequenz 4

schmalbandige Signale

Schutzabstand

2 Kanal-

qualität

22 22 12

gespreizte Kanäle

Frequenz gespreizte

Signale