Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 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 Zellengröße von z.B 100 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen) WS 12/13 77
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Zellenstruktur
Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab
Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenVorteile 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
Zellengröße von z.B 100 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet)bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen)
WS 12/13 77
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
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 auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Frequenzplanung II
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h2h3g1
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g3
3 Zellen/Cluster
7 Zellen/Cluster
3 Zellen/Cluster plus3 Sektoren/Zelle
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Zellatmung
CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last abZusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere
Nutzer ausWenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus
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Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Digitale Modulation digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit
Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz
Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet
Amplitudenmodulation (ASK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig
Frequenzmodulation (FSK): größere Bandbreite für Telefonübertragung
Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit
Trägerrückgewinnung relativ störungssicher
1 0 1
t
t
t
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Fortgeschrittene FSK-Verfahren
Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig
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 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
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Beispiel für MSK als Modulationstechnik
Daten
geradeBits
ungeradeBits
1 1 1 1 000
t
niedereFrequenz
hoheFrequenz
MSK-Signal
Bit
gerade 0 1 0 1
ungerade 0 0 1 1
Signal- h n n hwert - - + +
h: hohe bzw.n: niedere Frequenz+: positive bzw.-: negative
QPSK (Quaternary Phase Shift Keying): 2 Bits werden in ein Symbol kodiert Symbol entspricht phasenverschobenem
Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK
benötigt komplexer
Oft Übertragung der relativen Phasen-verschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.B. IS-136, PHS
Q
I
11
01
10
00
11 10 00 01
Q
I01
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
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 kodieren 2n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren
PSK-VerfahrenBeispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol)Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.
0000
0001
0011
1000
Q
I
0010
φ
a
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Hierarchische Modulation
DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-T-Strom
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 64QAM-Konstellation
Schlechter Empfang (z.B. mobil): Nutzung nur des QPSK-Teils
6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertigebestimmen QPSK
HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), LP nutzt verbleibende 4 bit
Q
I
00
10
000010 010101
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Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
XOR des Signals mit einer Pseudozufallszahl (chipping sequence) viele chips pro Bit (z.B. 128) resultiert in einer höheren Bandbreite
des SignalsVorteile
reduziertes frequenz-abhängiges Fading
in zellularen Netzen Basisstationen können
den gleichen Frequenz-bereich nutzen
mehrere Basisstationenkönnen das Signal erkennen und rekonstruieren
weiche handover
Nachteile exakte Leistungssteuerung
notwendig
Nutzdaten
chipping sequence
resultierendesSignal
0 1
0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11
XOR
0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01
=
tb
tc
tb: Bitdauertc: chip Dauer
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II
XNutzdaten
chippingsequence
Modulator
Träger-frequenz
gespreiztesSignal
übertragenesSignal
Sender
Demodulator
empfangenesSignal
Träger-frequenz
X
chippingsequence
Tiefpass-gefiltertesSignal
Empfänger
Integrator
Produkt
EntscheidungNutzdaten
Summen
Korrelator
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I
Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz Sequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen
bestimmtZwei Versionen
schneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit
langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz
Vorteile frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden
begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt
Nachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II
Nutzdaten
slowhopping(3 bit/hop)
fasthopping(3 hops/bit)
0 1
tb
0 1 1 t
f
f1
f2
f3
t
td
f
f1
f2
f3
t
td
tb: bit period td: dwell time
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III
ModulatorNutzdaten
Sprung-sequenz
Modulator
schmalbandigesSignal
gespreiztesSende-signal
Sender
Empfangs-signal
Empfänger
DemodulatorNutzdaten
Frequenz-synthesizer
Sprung-sequenz
Demodulator
Frequenz-synthesizer
schmalbandigesSignal
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Software Defined Radio
Basic idea (ideal world) Full flexibility wrt modulation, carrier frequency, coding… Simply download a new radio! Transmitter: digital signal processor plus very fast D/A-converter Receiver: very fast A/D-converter plus digital signal processor
Real world Problems due to interference, high accuracy/high data rate, low-noise amplifiers
needed, filters etc.Examples
Joint Tactical Radio System GNU Radio, Universal Software Radio Peripheral, …
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Application Signal Processor D/A Converter
Application Signal Processor A/D Converter
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Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes
