Drahtlose Kommunikation

(1)

Drahtlose Kommunikation

Technische Grundlagen

(2)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 2

(3)

Prinzip

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

E-Feld M-Feld

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

Randbemerkung:

• Fraunhofer-Distanz

• Nahfeld

• Fernfeld

• (Maxwell-Gleichungen)

WS 18/19 3

(4)

Freiraumausbreitung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Wellenfront Fraunhofer-Distanz

Nahfeld Fernfeld

WS 18/19 4

(5)

Charakterisierung einer elektromagnetischen Welle

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Zeitliche Darstellung des E-Feldes

Wellenlänge

Distanz

WS 18/19 5

(6)

Übertragene Leistung pro Quadratmeter auf der Wellenfront

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

s

1m 1m

Leistung P:

Kugeloberfläche

WS 18/19 6

(7)

Remark: Energy and Power

1 m

Gravitation:

9,81 m/s^2 Weight:

102 g

Force (Newton)

Energy (Joule)

Power (Watts)

1 sec

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 7

(8)

Remark: Voltage, Current and Power

Voltage [U in V]

Current [I in A]

Power [P in W]

Resistance [R in ]

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 8

(9)

Randbemerkung: Darstellung von Schwingungen

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Tafelnotiz

WS 18/19 9

(10)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 10

(11)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Frequenzbereiche für die Kommunikation

VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency 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)

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

Sichtbares Licht

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV

optische Übertragung Hohlleiter

Koaxialkabel verdrillte

Drähte

WS 18/19 11

(12)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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 P h o n e s

G S M 4 5 0 -4 5 7 , 4 7 9 - 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 - 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

A M P S, T D M A, C D M A 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

P D C 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

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

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

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 H IP E R L A N 2 5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 4 7 0 - 5 7 2 5

9 0 2 -9 2 8 IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3

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

IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 7 1 -2 4 9 7 5 1 5 0 -5 2 5 0

O th e r s R F -C o n tr o l

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

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

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

WS 18/19 12

(13)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 13

(14)

Operating Principle of Antennas

WS 18/19 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 14

Antenna: electrical conductor or system of conductors used either for radiating or for collecting electromagnetic energy

Isotropic radiator (isotropic antenna)

Idealized antenna which radiates power in all directions equally Real antennas do not perform equally well in all directions

Receiving antenna captures a constant area of the energy distributed over the sphere centered at the sender antenna

Reciprocity: characteristics are essentially the same whether the an antenna is sending or receiving electromagnetic energy

stallings05wireless: 5.1

Transmit

antenna Receive

antenna 1

Receive antenna 2

Image: lecture slides

„Mobilkommunikation“, Prof. Dr. Holger Karl

(15)

Example of a Real Antenna

Conductor

Conductor Gap

Image: http://www.elektronik-

kompendium.de/sites/kom/0810171.htm

Image: http://de.wikipedia.org/

wiki/Dipolantenne

Resonant Circuit

/2

Electric Field E Magnetic Field H

How differs a half-wave dipole from an isotropic radiator?

Half-Wave Dipole (Hertz Antenna)

(16)

Radiation Pattern

Image: http://en.wikipedia.org/

wiki/Radiation_pattern

Example: radiation pattern of a half-wave dipole

x y

z y

x z

• a common way to characterize the performance of an antenna

• due to reciprocity: radiation pattern characterizes both transmission and reception performance

• when an antenna is used for reception, the

radiation pattern becomes a reception pattern

(17)

The size of the pattern does not matter

What is important is the relative distance from the antenna position in each direction. The relative distance characterizes the relative power in that direction compared to other

directions.

Examples

Difference between two directions A and B for an isotropic radiator?

In which direction A will a directed radiator radiate with half of the power than in direction B?

(18)

Beam Width

The angle within which the power radiated by the antenna is at least half of what it is in the most preferred direction

Beispiel

(19)

Antenna Gain

Power output in a particular direction compared to the power output produced in any direction by a perfect isotropic antenna.

(i.e. total area of both radiation patterns of the isotropic antenna and the considered one are the same)

Example: what is the antenna gain into the strongest direction?

(Note: an increase of power in one direction means a lowering of power

into another one; antenna gain does not mean amplification of the total

power!)

(20)

Effective Area (1)

Consider the amount PFD [watt/m

²

] (power flux density) of power passing through a unit area of one square meter.

Consider an antenna oriented with the axis of maximum sensitivity toward the source. Let the antenna deliver P

_o

watts to the receiver.

The effective area A

_e

is defines as:

Basically it expresses the size of the area oriented perpendicular to the direction of an incoming electromagnetic wave which would intercept P_owatt (i.e. the power intercepted by the considered antenna).

Transmit antenna

Receive antenna

Image: lecture slides

„Mobilkommunikation, Prof. Dr. Holger Karl

(21)

Effective Area (2)

Without further details: the effective area is of course related to the physical size and type of the antenna. (how depends on the antenna type)

Antenna gain G and effective area A

_e

are related. Let  be the wave length. We have:

Note: we considered an antenna oriented with the axis of maximum sensitivity toward the source. The concept can of course be generalized to any antenna orientation.

Example of antenna gains and effective areas for different antenna types

Type of Antenna Effective Area A

_e

[m

²

] Antenna Gain G

into the strongest direction

Isotropic 

²

/ (4 π) 1

Half‐wave dipole 1.64 

²

/ (4 π) 1.64

Parabolic with face area A (see next) 0.56 A 7 A / 

²

(22)

What is the beam width?

What is the antenna gain in an arbitrary direction?

Quiz: radiation pattern of an isotropic antenna?

x y

z y

x

z

(23)

Antenna examples:

quarter wave antenna (Marconi antenna)

Image source: http://en.wikibooks.org/wiki/

Communication_Systems/Antennas

/4

Surface acts as a „mirror“ for the lambda/4 radiator (example: radio antenna in the roof of a car)

Image source: Jochen Schiller,

„Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003

(24)

Antenna examples:

inverted‐F antenna (IFA) of a TmoteSky node

Where is the antenna?

Such an antenna is also called a PCB antenna

(printed circuit board antenna)

(25)

Antenna examples:

radiation pattern from the TmoteSky data sheet

Horizontal mounting Vertical mounting

Image source of the radiation patterns: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)

(26)

Antenna examples: parabolic reflective antenna

x y

Focus

same length

Directrix

Parabola construction Reflective property

x

y

(27)

Antenna examples:

radiation pattern of a parabolic reflective antenna

x y

z y

x

z

(28)

Antenna beamwidths for various parabolic reflective antenna diameters at frequency f=12GHz

Antenna diameter (m) Beam width (in degree)

0,5 3,5

0,75 2,33

1,0 1,75

1,5 1,166

2,0 0,875

2,5 0,7

5,0 0,35

Parabolic reflective antennas always have a beam with >0. In practice the focus is not one

single idealized point. Note: the larger the antenna diameter the more tightly directional is

the beam.

(29)

Physical size of an antenna

For the parabolic reflecting antenna the antenna size is the diameter parabolic reflector

For the considered lambda/x antenna the antenna size is proportional to the utilized wave length

The size of the example antenna of the TmoteSky node (more precisely the height of th “ ground plane” ) is approximately 3,125cm and is ¼ of the wave length

(lambda/4 antenna).

Which frequency band is probably used?

Put oversimplified for antennas in communication systems: the higher the utilized frequency the smaller the required antenna size

(30)

More about antenna types

• This was a small example selection of antenna types: a list of many more elementary antenna types can be found here:

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

• Moreover elementary antenna types can be used to build

more complex ones: see next...

(31)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Antennen: gerichtet und mit Sektoren

Seitenansicht (xy-Ebene) x y

Seitenansicht (yz-Ebene) z y

von oben (xz-Ebene) x z

von oben, 3 Sektoren x z

von oben, 6 Sektoren x z

Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte

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

gerichtete Antenne

Sektoren- antenne

WS 18/19 31

(32)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

Grundfläche

/2

+

/2

WS 18/19 32

(33)

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 higher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fading

Examples



IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …

Functions



“Beamforming”: emit the same signal from all antennas to maximize signal power at receiver antenna (and beamforming at the receiver side also possible; reduces interference)



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

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

sender

receiver t

₁

t

₂

t

₃

Time of flight t

₂

=t

₁

+d

₂

t

₃

=t

₁

+d

₃

1 2 3

Sending time 1: t

₀

2: t

₀

-d

₂

3: t

₀

-d

₃

WS 18/19 33

(34)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 34

(35)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Signale I

 Physikalische Darstellung von Daten

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

 Einteilung in Klassen nach Eigenschaften:

 zeitkontinuierlich oder zeitdiskret

 wertkontinuierlich oder wertdiskret

 Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich

 Digitalsignal = zeit- und wertdiskret

WS 18/19 35

(36)

Problem: Wireless = Analog

0110 1001 1000 1010

Transmitter Receiver

0110 1001 1000 1010

Definition: Transmitter + Receiver = Transceiver

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 36

(37)

Bandpass Transmission Principle

0110 1001 1000 1010

Transmitter Receiver

0110 1001 1000 1010 Carrier wave with

carrier frequency f

Amplitude Frequency Phase

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 37

(38)

Terminology

1011

Bit(s) Symbol

Modulation

Demodulation

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

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 38

(39)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale

) 2

cos(

) 2

2 sin(

) 1 (

1 1

nft b

nft a

c t

g

n n n

n

  



^











1

0

1

0 t t

ideales periodisches Signal reale Komposition (basierend auf Harmonischen)

WS 18/19 39

(40)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

 Verschiedene Darstellungen eines Signals:

 Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit)

 Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz)

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

 Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar

 Digitalsignale besitzen Rechteckflanken

 im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite

 zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale

Signale II

f [Hz]

A [V]



I = M cos φ (In-phase) Q = M sin φ (Quadrature)



A [V]

t[s]

WS 18/19 40

(41)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 41

(42)

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

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

WS 18/19 42

(43)

Randbemerkung: Was ist dB?

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

Am Beispiel: Für P

₁

und P

₂

ist das Verhältnis P

₂

/ P

₁

definiert als:

WS 18/19 43

(44)

Note: What is dBm?

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Logarithmic expression of power in mW Conversion

 P mW  x dBm

 x dBm  P mW

WS 18/19 44

(45)

Examples (from wikipedia)

dBm level Power Notes

80 dBm 100 kW Typical transmission power of a FM radio station

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 radio station (27 MHz) in many countries 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 phone transmission power

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

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

−111 dBm 0.008 pW Thermal noise floor for commercial GPS signal bandwidth (2 MHz)

−127.5 dB

m 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellite

−174 dBm 0.000004 fW Thermal noise floor for 1 Hz bandwidth

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 45

(46)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 46

(47)

Blackboard Notes

Friis Free Space Equation

schwarz04wireless: 2.1

(48)

Friis Free Space Equation

(49)

Friis Free Space Equation

(50)

Far Field and Fraunhofer Distance

rappaport02wireless: 4.2

far field

near field Friis equation is valid in the far field of the

transmitter antenna.

When are we located in the far field?

This is related to:

• largest physical linear dimension D of the transmitter antenna

• carrier wavelength λ

• Fraunhofer distance d

_f

To be in the far field the distance d to the transmitter antenna must satisfy:

(51)

Far Field and Fraunhofer Distance

The expressions d >> D and d >> λ are somewhat vague.

Consider an example

• 12 cm WLAN antenna

• Carrier frequency 2,4 GHz

(52)

Free Space Propagation Model

(53)

Free Space Propagation Model

(54)

Free Space Propagation Model

(55)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Signalausbreitungsbereiche

Entfernung Sender

Übertragung

Erkennung Interferenz

Übertragungsbereich

 Kommunikation möglich

 niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich

 Signalerkennung möglich

 keine Kommunikation möglich

Interferenzbereich

 Signal kann nicht detektiert werden

 Signal trägt zum

Hintergrundrauschen bei

WS 18/19 55

(56)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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)



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 Hindernissen



Beugung (diffraction) an scharfen Kanten

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



alle genannten Effekte außer Abschattung (nächste Folien)



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

Reflexion Streuung Beugung

Abschattung Refraktion

WS 18/19 56

(57)

The multipath propagation problem

Line-of- sight path

Non-line-of-sight path



example shows reflection

(the same applies for all other effects despite shadowing)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 57

(58)

Bemerkung: Mehrwegeausbreitung kann aber auch von Vorteil sein.

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 58

LOS-Pfad blockiert Sender

Empfänger

(59)

Phase reversed Increase distance

Two‐Ray Ground Reflection Model

frey

Sender Receiver

-1 -0.5 0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6

-1 -0.5

0 0.5

1

0 1

2 3

4 5

6 -1

-0.5 0 0.5 1

0 1

2 3

4 5

6 -1 -0.5 0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6

-1 -0.5 0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6

-1 -0.5 0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6

LOS signal

Reflected signal

Complete signal

(60)

Two‐Ray Ground Reflection Model

schwarz04wireless: 2.2 “Path‐loss: two‐ray model”

(61)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(62)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(63)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(64)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(65)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(66)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(67)

Two‐Ray Ground Reflection Model

(68)

Log‐Distance Path Loss Model

frey

(69)

Log‐Distance Path Loss Model

frey

(70)

Log‐Distance Path Loss Model

frey

(71)

Log‐Distance Path Loss Model

rappaport02wireless: 4.9.1

(72)

Model parameters discussed

Reference distance d

₀

• has to be in the far field

• should be less than “typical distances” of the considered system

• commonly used values

• 1km for large coverage cellular system

• much smaller (such as 100m or 1m) for microcellular systems Distance d between transmitter and receiver

Path loss PL(d

₀)

at reference distance d

₀

• computed either from free space propagation model or

• determined empirically

Path loss exponent n (often also noted as α).

Typical path loss exponents obtained in various mobile radio environments

Image source: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002, page 139

(73)

Log‐Normal Shadowing

(74)

Log‐Normal Shadowing

(75)

Empirical Evidence (Example)

saunders07wireless: 9.2

Driving around a base station at a constant distance.

Depicted is the local mean after subtracting the median (50%) level in decibles.

The typical shape of the probability density function of shadowing compared to the PDF of the log-normal distribution.

Image source: Saunders, S., & Aragón-Zavala, A. (2007). Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems (2nd Edition). Wiley (Fig. 9.2 and Fig. 9.3)

(76)

Theoretical Evidence

(77)

Summarized

schwarz04wireless: 2.2 “shadow fading”

P

_r

dBm

d [m]

average received power due to path loss

• described by log-distance path loss model

• just depends on transmitter receiver separation

• called area mean

average received power when taking shadow fading into account

• called local mean

• depends on actual transmitter and receiver position

• however does not change rapidly when node positions are changed slightly

• variation typically in the order of many wavelengths

• decribed by log-normal shadowing model for an arbitrary transmitter receiver pair

This is called large-scale fading, slow fading, shadow fading or log-normal fading

(78)

Correlated Shadowing

(79)

Motivation

frey

When used in a Simulation:

For arbitrary non related transmitter receiver pairs.

Use log-normal shadowing model to generate average received power (i.e. local mean) for each pair

• compute the area mean from log-distance path loss model

• add independent Gaussian random value with mean zero and variance and variance σ

• (or just generate independent Gaussian value with mean set to area mean and variance σ) Be careful if transmitter receiver pairs t1,r1 and t2,r2 are statistically dependent!

The Gaussian values are no longer independent! (due to slow fading)  see the

following discussion

(80)

Motivation

frey

(81)

Correlated Shadowing Models

(82)

Serial Correlation

saunders07wireless: 9.6.1

(83)

Serial Correlation

(84)

How to generate two correlated Gaussian distributed random variables?

(85)

Simulating a whole correlated shadowing process…

(86)

Example Plot

Image source: Saunders, S., & Aragón-Zavala, A. (2007). Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems (2nd Edition). Wiley (Fig. 9.14)

(87)

Site‐to‐Site Correlation

(88)

Site‐to‐Site Correlation

(89)

Site‐to‐Site Correlation

(90)

Site‐to‐Site Correlation

(91)

Adapting Serial Correlation to two Mobile Nodes

agrawal09correlated‐twc: III.A

(92)

Joint Path Loss Model

agrawal09correlated‐twc: III

(93)

Joint Path Loss Model

(94)

Joint Path Loss Model

(95)

Joint Path Loss Model

agrawal09correlated‐twc: IV

(96)

Joint Path Loss Model

(97)

Joint Path Loss Model

(98)

Joint Path Loss Model

(99)

Joint Path Loss Model

(100)

Joint Path Loss Model

(101)

Joint Path Loss Model

(102)

Joint Path Loss Model

(103)

Joint Path Loss Model

(104)

Joint Path Loss Model

(105)

Joint Path Loss Model

(106)

Joint Path Loss Model

frey

(107)

Joint Path Loss Model

(108)

Joint Path Loss Model

agrawal09correlated‐twc:: Table II

Image source: Agrawal, P., & Patwari, N. (2009). Correlated Link Shadow Fading in Multi-Hop Wireless Networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 8(8).

(109)

Further Remarks on Log-Normal-Shadowing

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 109

(110)

Praktisches Vorgehen, zur Bestimmung von PL(d ₀ ), n und 

Wähle geeignetes d

₀

 im Fernfeld

 Sender-Empängerabstand üblicherweise >= d₀

Bestimme PL(d

₀

)

 z.B. theoretisch nach Friis- Gleichung oder

 Empirisch durch Mittel über viele unabhängige

Messungen bei Abstand d₀

Bestimme unabhängige empirische

Messdaten für wachsende Distanz

Bestimme für empirische

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

Regressionsmethode (d.h.

mittlere quadratische

Abweichung von Messdaten und Modelldaten sind minimal) für n und anschließend

Stichprobenvarianz für )

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

WS 18/19 110

(111)

Ein vereinfachtes Beispiel (vgl. Rappaport S. 143)

Distanz zum Sender Empfangene Leistung

100 m (Referenzdistanz) 0 dBm

200 m -20 dBm

1000 m -35 dBm

3000 m -70 dBm

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 111

(112)

Typical parameters for lognormal shadowing model

Lognormal shadowing model is characterized by

, 

²

, PL(1m) (path loss at reference distance d

₀

)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

WS 18/19 112

(113)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

Randbemerkung: Ray-Tracing als Alternative zur Modellierung von Signalausbreitung

WS 18/19 113

(114)

Zwischenbilanz

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

Mehrwegeausbreitung führt auch noch zu einem weiteren Problem

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

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen signal at sender

signal at receiver LOS pulses multipath

pulses

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

WS 18/19 114

(115)

Zwischenbilanz

Ein weiterer Fakt, der die drahtlose Kommunikation verkompliziert:

Signale bestehen häufig aus vielen Sinusoiden unterschiedlicher

Frequenz (siehe Diskussion zu Fourier-Transformation und 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

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 115

(116)

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung

 Motivation

 Statische Knoten

 Mobile Knoten

 Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren Codierung

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

WS 18/19 116

(117)

Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

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

WS 18/19 117

(118)

Motivation

(119)

Motivation

(120)

Motivation

(121)

Narrowband versus Wideband Fast Fading

Saunders

(122)

Baseband Channel Representation

Saunders

(123)

Baseband Channel Representation

Saunders

(124)

Baseband Channel Representation

Saunders

(125)

Baseband Channel Representation

Saunders

(126)

The AWGN Channel

Saunders

(127)

The AWGN Channel

Saunders

(128)

The AWGN Channel

Saunders

(129)

The AWGN Channel

Saunders

(130)

The AWGN Channel: SNR

Saunders

(131)

The AWGN Channel: Es/N0 and Eb/N0

Saunders

(132)

The AWGN Channel: Es/N0 and Eb/N0

Saunders

(133)

The AWGN Channel: Es/N0 and Eb/N0

Saunders

(134)

The AWGN Channel: BPSK‐Example

Saunders

(135)

The AWGN Channel: BPSK‐Example

Saunders

(136)

The AWGN Channel: BPSK‐Example

Saunders

(137)

The AWGN Channel: BPSK‐Example

Saunders

(138)

The AWGN Channel: BER over Es/N0 for BPSK

Saunders

• rapid decrease of BER with increasing SNR is

characteristic for AWGN channel

• approximately 10 for each 1 dB SNR

increase

• decrease is the fastest for uncoded modulation in

wireless channel

• Thus, AWGN is a

“best case” channel

• We will compare fading fading

channels discussed soon against this figure

Image source: Saunders & Aragón-Zavala, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, 2^ndedition, Wiley, page 213

(139)

The Narrow Band Fading Channel in General

Saunders

(140)

The Narrow Band Fading Channel in General

Saunders

(141)

The Narrow Band Fading Channel in General

Saunders

(142)

Rayleigh Fading Model

(143)

Rayleigh Fading Model

(144)

Rayleigh Fading Model: Example Plot

Saunders

(145)

Rayleigh Fading Model

Saunders

(146)

Rayleigh Fading Model: Rayleigh Distribution

Saunders

(147)

Rayleigh Fading Model: Rayleigh Distribution

Saunders

(148)

Rayleigh Fading Model: Distribution of the SNR

Saunders

(149)

Rayleigh Fading Model: Distribution of the SNR

Saunders

(150)

Rayleigh Fading Model: SNR Distribution Plot

Saunders

(151)

Rayleigh Fading Model: SNR Distribution Plot

Saunders

(152)

Rayleigh Fading Model: Using the Plot

Saunders

(153)

Performance of BPSK in a Rayleigh Channel

Saunders

(154)

BPSK Performance in the Rayleigh Channel

Saunders

(155)

BPSK Performance in the Rayleigh Channel

Saunders

(156)

Rice Fading Model

(157)

Rice Fading Model

(158)

Rice Fading Model

(159)

Rice Fading Model

Saunders

(160)

Rice Fading Model

Saunders

(161)

Rice Fading Model

Saunders

(162)

Rice Fading Model

Saunders

(163)

Rice Fading Model

Saunders

(164)

Rice Fading Model

Saunders