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

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

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)

schnelles Fading

langsames Fading

t Leistung

Mehrwegeausbreitung ohne dominanten Pfad

Herleitung des Rayleigh-Fadings an der Tafel

Mehrwegeausbreitung mit einem dominanten Pfad

Herleitung des Rice-Fadings an der Tafel

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

Recap: effects considered so far Reflection & Refraction

One additional effect: doppler shift

reflection scattering diffraction

shadowing refraction

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

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Summary: Analog channel models

Friis free space equation for attenuation Two-Ray-Ground

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

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

r₂

r₃ r₁

Multiplexen

Multiplexen in 4 Dimensionen:

 Raum (r_i)

 Zeit (t)

 Frequenz (f)

 Code (c)

Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums

Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig!

f t

c

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

f t

c

f t

c Kanäle k_i

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 bei ungleichmäßiger Belastung

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

f c

f c

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

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

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

c

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

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 time/frequency/space multiplexing)

Distinguish

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

 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

SU

SU

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

k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₁

f c

Zellenstruktur

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

Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile 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

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

k4 k5 k1 k3

k2 k6 k7 k3

k2 k4

k5 k1