Drahtlose Kommunikation
Technische Grundlagen
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 2
Prinzip
E F ldE-FeldM-FeldRandbemerkung:
• Fraunhofer-Distanz• Nahfeld• Fernfeld
• (Maxwell-Gleichungen)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle
WS 12/13 3
Freiraumausbreitung
Fernfeld
Nahfeld
Wellenfront
Fraunhofer-Distanz
Wellenfront
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 4
Charakterisierung einer elektromagnetischen Welle
Zeitliche Darstellung der E-Feldes
Wellenlänge
Distanz
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 5
Übertragene Leistung pro Quadratmeter auf der Wellenfront
Kugeloberfläche
1m
1m
sLeistung P:
s
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 6
Remark: Energy and Power
1 mForce (Newton)
1 secEnergy (Joule)
Power (Watts)Weight:102 g
o e ( atts)
Gravitation:9,81 m/s^2
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 7
Remark: Voltage, Current and Power
Voltage [U in V]Current [I in A]P [P i W]Power [P in W]Resistance [R in ]
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 8
Randbemerkung: Darstellung von Schwingungen
Tafelnotiz
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 9
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 10
Frequenzbereiche für die Kommunikation
optische ÜbertragungHohlleiterKoaxialkabelverdrillte Drähte
1 Mm300 Hz
10 km30 kHz
100 m3 MHz
1 m300 MHz
10 mm30 GHz
100 m3 THz
1 m300 THz
VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High FrequencySichtbares
LichtVLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV
LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) SHF = Super High FrequencyMF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) EHF = Extra High FrequencyHF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) UV = Ultraviolettes LichtVHF = Very High Frequency (UKW-Radio)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 11
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 ro 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 01 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 rd 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 TC 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 T2 5 4 -3 8 0
W ire 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 th e rs R F -C o n tro l 2 7 , 1 2 8 , 4 1 8 , 4 3 3 , 8 6 8
R F -C o n tro l 3 1 5 , 9 1 5
R F -C o n tro l 4 2 6 , 8 6 8
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
8 6 8
WS 12/13 12
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Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 13
Wirkprinzip einer Antenne
Antenne: einzelner oder System von elektrischen Leitern, die Wellenenergie in den Raum befördern oder Wellenenergie aus dem Raum aufnehmen
Wiedervorlage: isotropischer StrahlerFlä 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 nichtAchtung ein isotropischer Strahler ist eine idealisierte Antenne. Reale Radioantennen sind nicht isotropisch. Direkt das Gegenbeispiel: ein Stern (z.B. Sonne unseres Sonnensystems)
Transmitantenna
Receiveantenna 1
Receiveantenna 2
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
a e aBildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl
WS 12/13 14
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
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
kompendium.de/sites/kom/0810171.htm wiki/Dipolantenne
WS 12/13 15
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
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 16
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?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
und B bei isotropischem Strahler? Strahler nur halb so stark wie in Richtung B?
WS 12/13 17
Definition: Bündelbreite
im Englischen: „beam width“
Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne B t ä tBeträgt
BeispielBeispiel
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 18
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 ineine andere Richtung was abgezogen werden muss;Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung)Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 19
Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area)Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive
Nutzfläche für eine gegebene Richtung
ReceiveTransmitantenna
antenna
Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche Ae folgender Zusammenhang:g
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl
WS 12/13 20
Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers?
y x zy x z
x z x
Was ist die Bündelbreite?
Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung?
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 21
Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi-Antenne)
/4/4
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
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 22
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 )
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Circuit-Board-Antenne)ekannt
WS 12/13 23
Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt
Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)
WS 12/13 24
Beispiel: Parabolantenne
y y
xFokus x
GleicheLängeLe
itger
ade
Dire
ctrix
)
gL (D
Parabol Konstruktion Reflektionsverhalten
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten
WS 12/13 25
Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne
y y z
x z x
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 26
Bündelbreiten von Parabolantennen
Betrachtete Frequenz 12GHz
Antennendurchmesser (m) Bündelbreite (in Grad)0,5 3,50 75 2 330,75 2,331,0 1,751 5 1 1661,5 1,1662,0 0,8752 5 0 72,5 0,75,0 0,35
Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein idealisierter Punkt ist; Beobachtung: „je größer desto besser“
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley, 1997
WS 12/13 27
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 jdie verwendetet Frequenz desto kleiner kann auch die Antenne sein.
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 28
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 hhttp://www.antenna-theory.com/antennas/main.php
Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des WeiterenAus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren komplexere Antennen bauen: siehe folgendes...
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 29
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)
xgerichteteAntenne
( y ) (y ) ( )
zz
x x Sektoren-antenne
von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 30
Antennen: Diversität
Gruppierung von 2 oder mehr Antennen Antennenfelder mit mehreren Elementen
Antennendiversität Umschaltung/Auswahl
Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Kombination
Kombination der Antennen für einen besseren Empfang Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden
/4/2/4/2
/2/2
+ +
Grundfläche
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 31
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 dihigher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fadingExamples
IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …FunctionsFunctions
“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 flightt2=t1+d2
1
2
3Sending time1: t02: t0-d2
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
receivert3=t1+d32: t0 d23: t0-d3
WS 12/13 32
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Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 33
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) = At sin(2 ft t + t)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 34
Problem: Wireless = Analog
0110 1001 1000 1010 0110 1001 1000 1010
Transmitter Receiver
Definition: Transmitter + Receiver = TransceiverDrahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 35
Bandpass Transmission Principle
0110 1001 1000 1010 0110 1001 1000 1010Carrier wave withcarrier frequency f
Transmitter Receiver
Amplitude Frequency Phase
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 36
Terminology
1011
Modulation
1011
Demodulation
Bit(s) Symbol
Symbol rate:Number of Symbolsper second
Data rate:Number of Bitsper seconds
N-ary modulation scheme: number of different symbols!i e this can convey log(N) Bits per symboli.e., this can convey log(N) Bits per symbol
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 37
Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale
1
)2cos()2sin(21)(
11
nftbnftactgn
nn
n
1 1
0 0t tt t
ideales periodisches Signal reale Komposition(basierend auf (Harmonischen)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 38
Signale II
Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) 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 inf [Hz]
I = M cos φ(In-phase)
Zusammengesetzte Signale mittels Fourier Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar
Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 39
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitung
Motivation Statische Knoten
M bil K t Mobile Knoten Zusammenfassung
MultiplexpModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 40
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 12/13 41
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:
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 42
Note: What is dBm?
Logarithmic expression of power in mWConversionConversion
P mW x dBm
x dBm P mW x dBm P mW
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 43
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
T i l RF l k f i M i t t f DCS 1800 MH bil30 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
d i f / bil h ( l bil )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 range4 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 network70 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 dBm 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellitem p yp g p
−174 dBm 0.000004 fW Thermal noise floor for 1 Hz bandwidthDrahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 44
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitung
Motivation Statische Knoten
M bil K t Mobile Knoten Zusammenfassung
MultiplexpModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 45
Friis-Freiraum-Gleichung
An der Tafel notiert
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 46
Wiedervorlage: Fraunhofer-Distanz
Wie schon genannt: der hier benutzte Zusammenhang
PR = PT / 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:
An der Tafel notiert
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 47
Weitere Diskussion der Friis-Freiraum-Gleichung
An der Tafel notiertAn der Tafel notiert
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 48
Signalausbreitungsbereiche
Übertragungsbereich Kommunikation möglich niedrige Fehlerrate niedrige Fehlerrate
Erkennungsbereich Signalerkennung möglich
Sender keine Kommunikation
möglichInterferenzbereich
Entfernung
Übertragung
Erkennung
Interferenzbereich Signal kann nicht
detektiert werden Signal trägt zum Erkennung
Interferenz
Signal trägt zumHintergrundrauschen bei
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 49
Erweiterung des Friis-Modells zunächst für den nichtmobilen FallWir 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 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 BeugungAbschattung 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 gg
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
und dann fügen wir noch Abschattung hinzu (die Folien danach)
WS 12/13 50
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)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 51
Example: Two Ray Ground Model
1 1 1 1
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
-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 Receiver-1
-0.5
0
0
0
0.5
1
5
6
Increase distance
Sender Receiver 1
2
3
4
5
6-1
-0.5
0
1
2
3
4
5
Phase reversedLOS signal
Reflected signalComplete signal
An der Tafel notiertp g
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 52
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 PfadverlustexponentenModell: Friis Gleichung mit allgemeinem Pfadverlustexponenten
An der Tafel notiert
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenBildquelle: http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/physik_arbeit.htm
WS 12/13 53
Pfadverlustexponenten für verschiedene Radioumgebungen
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002
WS 12/13 54
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): ...
An der Tafel notiert
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 55
Praktisches Vorgehen, zur Bestimmung von PL(d0), n und
Wähle geeignetes d0 im Fernfeld üblicher Sender-
EmpängerabstandEmpängerabstandüblicherweise ≥ d0
Bestimme PL(d0) z.B. theoretisch nach Friis-
Gleichung oderGleichung oder Empirisch durch mittel über
viele unabhängige Messungen bei Abstand d0
Bestimme unabhängige empirische Messdaten für wachsende Distanz
Bestimme für empirischeBestimme für empirische Messdaten das beste n und (z.B. Lineare-Regressionsmethode; d.h. mittlere quadratische Abweichung von MessdatenAbweichung von Messdaten und Modelldaten sind minimal)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002
WS 12/13 56
Typical parameters for lognormal shadowing model
Lognormal shadowing model is characterized by, 2, PL(1m) (path loss at reference distance d0)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Quelle: Mobile Communications - Ch. 2 - Wireless Transmission, Prof. Dr. Holger Karl
WS 12/13 57
Randbemerkung: Ray-Tracing als Alternative zur Modellierung von Signalausbreitung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 58
Zwischenbilanz
Bisher haben wir nur das Problem der Dämpfung und der sich überlagernden Wellen betrachtet
Mehrwegeausbreitung führt auch noch zu einem weiteren Problem
LOS pulsesmultipath
lLOS pulses pulses
signal at sendersignal at receiver
Intersymbol-Interferenz (ISI): Interferenz mit Nachbar-Symbolen
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003
WS 12/13 59
Zwischenbilanz
Ein weiterer Fakt, der die drahtlose Kommunikation verkompliziert:
Si l b t h hä fi i l Si id t hi dli hSignale 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
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 60
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitung
Motivation Statische Knoten
M bil K t Mobile Knoten Zusammenfassung
MultiplexpModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 61
Auswirkungen der Mobilität
Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der Zeit Übertragungswege ändern sich unterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignale 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
langsamesLeistung Hindernisse in weiterer Entfernung langsame Veränderungen in der
(durchschnittlichen) Empfangsleistung
Fadingg
( ) p g g(langsames Fading)
h ll F dit
schnelles Fading
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 62
Mehrwegeausbreitung ohne dominanten Pfad
Herleitung des Rayleigh-Fadings an der TafelHerleitung des Rayleigh Fadings an der Tafel
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 63
Mehrwegeausbreitung mit einem dominanten Pfad
Herleitung des Rice-Fadings an der TafelHerleitung des Rice Fadings an der Tafel
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 64
Remark: the mobile case also adds one further effect on signalsRecap: effects considered so far Reflection & Refraction
reflection scattering diffractionshadowing refraction(Abschattung) (Reflektion) (Brechung) (Streuung) (Beugung)
One additional effect: doppler shift
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 65
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitung
Motivation Statische Knoten
M bil K t Mobile Knoten Zusammenfassung
MultiplexpModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 66
Summary: Analog channel models
Friis free space equation for attenuation Two-Ray-GroundF ii ti ith difi d th l tFriis equation with modified path loss exponentsLognormal shading Slow fading Fast fadingFast 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]]
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 67
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 68
Multiplexen
Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (ri) Zeit (t)
k2 k3 k4 k5 k6k1
Kanäle ki
Zeit (t) Frequenz (f) Code (c) t
c
c
r1Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums
f
t
r2gemeinsamen Mediums
Wichtig: Genügend große Schutzabstände
fc
r3
g g gnötig!
t
r3 f
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 69
Frequenzmultiplex
Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt
Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten ZeitraumVorteile: keine dynamische Koordination keine dynamische Koordination
nötig auch für analoge Signale
k2 k3 k4 k5 k6k1
c
Nachteile:B db it
f
Bandbreitenver-schwendung beiungleichmäßiger Belastung
unflexibel t
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 70
Zeitmultiplex
Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt
Vorteile: in einem Zeitabschnitt nur
k2 k3 k4 k5 k6k1
in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem Medium
Durchsatz bleibt auch bei
f
choher Teilnehmerzahl hoch
Nachteile:Nachteile: genaue
Synchronisation
t
nötig
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 71
Zeit- und Frequenzmultiplex
Kombination der oben genannten VerfahrenSendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen ZeitabschnittB i i l GSMBeispiel: GSM
Vorteile:Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen
höh B t d t t lk2 k3 k4 k5 k6k1
f
höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich
aber: genaue Koordination
c
aber: genaue Koordinationerforderlich
t
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 72
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) Reuse of (regionally) unused analog TV spectrum (aka white space) Temporary reuse of unused spectrum e.g. of pagers, amateur radio etc.
PU PUSU
SU
fPU
PU PUSU
SUSU
PU PU
PU PUSU
SU
t
PU PU PU PU
SU
SU SU SU
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
space mux frequency/time muxSU t
WS 12/13 73
Codemultiplex
Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert
k2 k3 k4 k5 k6k1
Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden cqVorteile:
Bandbreiteneffizienzk i K di ti d S h i ti keine Koordination und Synchronisation notwendig
Schutz gegen Störungen f
Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung komplex wegen Signalregenerierung
Realisierung: Spreizspektrumtechnik t
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 74
Zellenstruktur
Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab
Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenMobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenVorteile 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 Konzentration in bestimmten Bereichen
Zellengröße von z.B 100 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet)bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 75
Frequenzplanung I
Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden
Modell mit 7 Frequenzbereichen:Modell mit 7 Frequenzbereichen:
k4k5
k1k6
k3k2
k4k5
Feste Kanalzuordnung:
k1k3
k2k7
k4k1
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 mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 76
Frequenzplanung II
ff2
f
f3f2
f
f3f3
f1f3
f2f1
f1
f2f3
f1
f2f1
ff f
3 Zellen/Cluster
f3f3 f3
f4f5
f6
f3f2
f5
f7f2
f4f1
f3f2
f6
f7f4
f5
f1f3
f5f6 f2
7 Zellen/Cluster
56 2
f1f1 f1f2f3
f2f3
f2f3h1
h2h3g2
h1h2h3g2 g2
3 Zellen/Cluster plus3g1
g2
g3
3g1g2
g3g1
g2
g3 3 Sektoren/Zelle
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 77
Zellatmung
CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last abZusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere
Nutzer ausNutzer ausWenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 78
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 79
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) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 80
Modulation und Demodulation
analogesBasisband
digitaleModulation
digitaleDaten analoge
Modulation
Basisband-signal
101101001 Sender
Träger-frequenz
digitale
analogesBasisband-signal
SynchronisationEntscheidung
gDatenanaloge
Demodulation
Träger-
signal
101101001 Empfänger
Trägerfrequenz
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 81
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
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 82
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 Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator GMSK (Gaussian MSK), z.B. bei GSM, DECT eingesetzt
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 83
Beispiel für MSK als Modulationstechnik
Daten
1 1 1 1 000
Bit
gerade 0 1 0 1geradeBits
ungerade
ungerade 0 0 1 1
Signal- h n n hwert + +Bits
niedereFrequenz
wert - - + +
h: hohe bzw.n: niedere Frequenzq
hoheFrequenz
n: niedere Frequenz+: positive bzw.-: negative
AusrichtungFrequenz
MSK-
tSignal
Keine Phasensprünge!
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 84
Fortgeschrittene PSK-Verfahren
QBPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal
Q
I Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren spektral ineffizient
b t i S t llit t b t t
01
robust, in Satellitensystemen benutztQPSK (Quaternary Phase Shift Keying):
2 Bits werden in ein Symbol kodiert
Q 1110
y Symbol entspricht phasenverschobenem
Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK
I
0100 weniger Bandbreite als bei BPSK benötigt
komplexerOft Üb t d l ti Ph
0100
Oft Übertragung der relativen Phasen-verschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.B. IS-136, PHS 11 10 00 01
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 85
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 VerfahrenPSK-VerfahrenBeispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol)Die Symbole 0011 und 0001 haben 0001
Q0010
gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.
00000011
Iφ
a
1000
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 86
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
00 HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit),
LP nutzt verbleibende 4 bit
00
000010 010101
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 87
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 88
Spreizspektrumtechnik
Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus
Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizenLösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizenSchutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen
Nutzsignal
Detektioni E fä
Störsignal gespreiztes Nutzsignal
Nutzsignal
gespreiztes Störsignal
Beseitigung eines Schmalbandstörers
Nebeneffekte:
im Empfänger
Nebeneffekte: Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination Abhörsicherheit
Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 89
Auswirkungen von Spreizen und Interferenz
dP/df dP/df
i) ii)
Nutzsignalbreitbandige Interferenzschmalbandige Interferenz
fi)
fii)
Sender
schmalbandige Interferenz
dP/df dP/df dP/df
fiii)
fiv)
fv)
f fEmpfänger
f
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 90
Spreizen und frequenzselektives Fading
Kanal-qualität
1 23
4
5 6 schmalbandige Kanäle
Frequenz4
schmalbandigeSignale
Schutzabstand
2
Kanal-qualität
22
22
21
gespreizte Kanäle
FrequenzgespreizteSignale
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 91
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I
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
tb
abhängiges Fading in zellularen Netzen
Basisstationen könnenden gleichen Frequenz
Nutzdaten
0 1 XORtcden gleichen Frequenz-
bereich nutzen mehrere Basisstationen
können das Signal erkennen
chipping sequence
0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11 =
c
ö e das S g a e e eund rekonstruieren
weiche handover
Nachteile
resultierendesSignal
0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01Nachteile exakte Leistungssteuerung
notwendig
0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01
tb: Bitdauertc: chip Dauer
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 92
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II
NutzdatengespreiztesSignal
übertragenesSignal
XNutzdaten
chippingsequence
Modulator
Träger-frequenz
Signal Signal
sequence frequenz
Sender
empfangenesTiefpass-gefiltertes Produkt
N t d t
Summen
Korrelator
Demodulator
p gSignal
Träger-
X
chipping
SignalIntegrator Entscheidung
Nutzdaten
frequenz sequence
Empfänger
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 93
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 Nutzdatenbitmehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit
langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz
V t ilVorteile frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden
begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt
NachteileNachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 94
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II
N t d t
tb
Nutzdaten
0 1 0 1 1 t
ft
slowhopping(3 bit/hop)f
f2
f3td
f1
tf
f
td
fasthopping(3 hops/bit)f1
f2
f3
t
tb: bit period td: dwell time
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 95
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III
M d l tNutzdaten
M d l t
schmalbandigesSignal
gespreiztesSende-signal
Modulator
Sprung-
Modulator
Frequenz- Sprungsequenz
Sender
Frequenzsynthesizer
Empfangs-signal Nutzdaten
schmalbandigesSignal
signalDemodulator
S
Demodulator
F
Empfänger
Sprung-sequenz
Frequenz-synthesizer
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 96
Software Defined Radio
Basic idea (ideal world) Full flexibility wrt modulation, carrier frequency, coding… Simply download a new radio!p y Transmitter: digital signal processor plus very fast D/A-converter Receiver: very fast A/D-converter plus digital signal processor
Real worldReal world Problems due to interference, high accuracy/high data rate, low-noise amplifiers
needed, filters etc.ExamplesExamples
Joint Tactical Radio System GNU Radio, Universal Software Radio Peripheral, …
Application Signal Processor D/A Converter
Application Signal Processor A/D Converter
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 97
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Rauschen und Übertragungsfehler Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 98
Considering Noise: SNR
Noise at receiver: N0
Reception power: SRX
Si l t N i R ti (SNR)Signal to Noise Ratio (SNR)
R ti ibl if SNR ti fiReception possible if SNR satisfies
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 99
Signal to Noise Interference Ratio
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 100
What Means “Reception Possible”?
Definition: BER = Bit error rateNoise adds to signalM k t ti f Bit diffi ltMakes correct reception of Bits difficult
Low SNR = Low BER High SNR = High BER
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 101
Bildquelle: Folien der Vorlesung Rechnernetze, Prof. Holger Karl
Relation between BER and SNR
The energy per bit Eb [Joule/Bit] Data rate R [Bit/Second][ ] Received power PRX [Watt]
The energy per bit over noise
BER d l ti ifi f ti E /NBER as a modulation specific function over Eb/N0Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 102
Examples
0.1
1Coherently Detected BPSKCoherently Detected BFSK
0.01
0 0001
0.001
BER Which one is better?
1e-05
0.0001BPSK
BFSK
1e-06
Why worst case 1e-07
-10 -5 0 5 10 15Eb / N0 [dB]
Why worst caseBER of 0.5?
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 103
Bildquelle: Folien der Vorlesung Rechnernetze, Prof. Holger Karl
Shannon-Kapazitätsformel
Für ein Signal mit mittlerer Signal-Leistung P [W] und mittlere thermische Rauschleistung N[W] ist das Signal-Rausch-Verhältnis definiert als:
Shannon-Kapazitätsformel zur Bestimmung der maximalen Kanalkapazität C [bps] bei b K lb db i B [H ] d b SNR E fä ( h B i )gegebener Kanalbandbreite B [Hz] und gegebener SNR am Empfänger (ohne Beweis):
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 104
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Rauschen und Übertragungsfehler Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 105
Fehlerdetektion
check bits
Erinnerung an die VorlesungErinnerung an die Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“:Parity, Checksumme, CRC
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenBildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, 2004WS 12/13 106
Fehlerdetektion ermöglicht Fehlerkontrolle
Erinnerung an die Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“: Stop-and-Wait, Go-Back-N, Selective-Reject
Einsatz von Fehlerdetektion z.B. auf drahtgebundener Verbindungsebene (z.B. HDLC) auf IP-Transportebene (z.B. TCP)
Einsatz im drahtlosen Fall? Probleme:Einsatz im drahtlosen Fall? Probleme: Hohe Bitfehlerrate (im Vergleich zur drahtgebundenen Kommunikation)
führt zu häufigen Übertragungswiederholungen Verbindungen mit langer Latenz (im Falle Satellitenkommunikation)
erfordert große Übertragungsfenster und damit im Fehlerfall erneute Übertragung vieler Frames
Lösung für drahtlose Netze?
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 107
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Rauschen und Übertragungsfehler Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 108
Ablauf der Fehlerkorrektur
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenBildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, 2004WS 12/13 109
Hamming-Distanz
Hamming-Distanz d(v1, v2) zwischen zwei n-Bit-Sequenzen v1 und v2
Beispiel: vier 4-Bit-Sequenzen mit einer paarweisen Hamming-Distanz von
i d t 2
Wieviele Bit-Fehler können erkannt werden?
mindestens 2
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 110
Block-Codes
Allgemein:Datenblock Codewort
00 00000Sender
f : Datenblock CodewortAblauf der Übertragungim Falle keiner Bitfehler
00 -> 0000001 -> 0011110 -> 11001
f : Datenblock Codewort
11 -> 11110Empfänger
Erkennen von Bit-Fehlern: Es sei Code = {b1,...,bk} und es werde b empfangen:
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 111
Korrigieren von Bitfehlern
Empfangen Nächstes gültiges CW DatenDatenblock Codewort
00 0000000 -> 0000001 -> 0011110 -> 1100111 -> 11110
Korrigieren von Bit-Fehlern: Es sei Code = {b1,...,bk} und es werde bempfangen:empfangen:
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 112
Fakten zu allgemeinen Block-Codes
Code-Distanz von dmin ≥ 2t+1 kann bis zu wie viele c Bit-Fehler korrigieren?
Also: Code-Distanz von dmin erlaubt Korrektur von bis zu wie vielen Fehlern?
U d i i l d F hl k ? U d E k i i l F hl ?Und wie viele d Fehler erkennen? Und Erkennen von wie vielen Fehlern?
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 113
Coding-Gain
coding gain
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenBildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, 2004WS 12/13 114
Block-Code-Beispiel: Zyklische Codes
Eigenschaft: wenn c0 c1 … cn-2 cn-1 ein gültiges Code-Wort ist, dann ist auch cn-1 c0 c1 … cn-2 eines
Realisierung analog zu den CRC-Fehlererkennungs-Codes (vgl. Vorlesung Grundlagen der Rechnernetze) möglich
Theoretische Grundlage ist die Polynom-Division in der Modulo-2-Arithmetik: Zahlenraum: {0,1} XOR ist die Addition: 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0 AND ist die Multiplikation: 0·0=0 0·1=0 1·0=0 1·1=1 AND ist die Multiplikation: 0·0=0, 0·1=0, 1·0=0, 1·1=1 Polynome: P(X) = Ak · Xk + Ak-1 · Xk-1 + ... + A1 · X1 + A0 · X0
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 115
Die Idee von CRC-Codes
An der TafelAn der Tafel
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 116
Ein (7,4)-Code-Beispiel
Generator-Polynom: P(X) = X3 + X2 + 1
Bemerkung:E i t 7 2^3 1 l h i• Es ist 7 = 2^3-1, also nach voriger Überlegung sind alle 1-Bit-Fehler korrigierbar
• Beachte auch dmin der Codewörter ist 3, alsoBeachte auch dmin der Codewörter ist 3, also in der Tat alle 1-Bit-Fehler korrigierbar
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 117
Wie implementiert man eigentlich die Polynom-Division?
Beispiel: Block-Syndrom Generator fürXn-k + An-k-1 xn-k-1 + ... + A2 X2 + A1 X + 1
Mittels Linear-Feedback-Shift-Register (LFSR)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 118
Konkrete CRC-Beispiele
Bose-Chaudhuri-Hocquenhem (BCH) Hier keine genauen Details wie diese konstruiert werden Nur generell: es können für gegebene m und t geeignete binäre (n,k)-BCH-Codes mit Nur generell: es können für gegebene m und t geeignete binäre (n,k) BCH Codes mit
folgenden Parametern konstruiert werden Blocklänge: n = 2m – 1 Anzahl Check-Bits: n – k · m · t Minimale Distanz der Codewörter: d ≥ 2t + 1 Minimale Distanz der Codewörter: dmin ≥ 2t + 1
Code kann dann alle Kombinationen von t oder weniger fehlerhaften Bits korigieren Beispiele von BCH-Generator-Polynomen
Reed-Solomon-Codes (RS) sind eine BCH-Subklasse (hier sei nur der Code-Name genannt; keine weiteren Details)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 119
Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Rauschen und Übertragungsfehler Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 120
Faltungscodes
Idee von (n,k,K)-Faltungs-Codes Teile zu übertragenden Bitstrom in (sehr kleine) k-Bit-Blöcke Überführe jeden k Bit Block in n Bit Block Überführe jeden k-Bit-Block in n-Bit-Block n-Bit-Block ist der k-Bit-Block mit zusätzlicher Redundanz Die letzten K-1 zu übertragenden k-Bit-Blöcke fließen in die
R d d b h d kt ll Bit Bl k iRedundanzberechnung des aktuellen n-Bit-Blockes ein Korrigiere empfangene k-Bit-Blöcke im empfangenen Bitstrom direkt
„modulo einer kleinen Fenstergröße“
z.B. K=4
b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11 b12 …
Die Idee an einem konkreten Beispiel: Viterbi-Algorithmusc1 c2 c3 c4 c5 …
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 121
Beispiel eines (2,1,3)-Encoders
• Übertrage die Output-
Bits• Empfänger muss
hierzu die Eingabe-Bits rekonstruieren
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 122
Decodierung: Vorüberlegung
Trellis-Diagramm: Skizze an der Tafel
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 123
Output-Bits des Senders beschreiben einen Pfad im Trellis; Beispiel
Zu senden: 1 1 0 1 0 0 0Zu senden: 1 1 0 1 0 0 0Erzeugt: 11|01|01|00|10|11|00
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 124
Decoding: zunächst ohne Fehler
Gesendet: 11|01|01|00|10|11|00Gesendet: 11|01|01|00|10|11|00Empfangen: 11|01|01|00|10|11|00also: 1 1 0 1 0 0 0
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 125
Decoding: jetzt mit einem Fehler
Gesendet: 11|01|01|00|10|11|00Gesendet: 11|01|01|00|10|11|00Empfangen: 11|01|01|01|10|11|00also: 1 1 0 ?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 126
Viterbi-Algorithmus
Prinzipielle Idee: finde den Pfad im Trellis, der von der empfangenen Bit-Folge am wenigsten abweicht Distanzmetrik erlaubt verschiedene Varianten Distanzmetrik erlaubt verschiedene Varianten Wir betrachten hier die Hamming-Distanz
Al ith fü i F t öß bAlgorithmus für eine Fenstergröße b Schritt 0: markiere Trellis- Startzustand mit 0 Schritt i: finde für jeden Trellis-Zustand den/die Pfad/e der/die folgende
Gleichung minimiert/minimieren Gewicht des Vorgängerzustands + Hamming-Distanz zwischen der letzten
Kante und der empfangenen Kantenbeschriftung Schritt b: wenn alle so gefundenen Pfade eine erste gemeinsame Kante
haben, dann ist die Eingabe für diese Kante das Ergebnis; sonst nicht korrigierbarer Fehler
Ein Beispiel!!!! …
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 127
Ein Beispiel für Fenstergröße 7
10 01 01 00 10 11 00
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
WS 12/13 128
Randbemerkung: Turbo-Codes
Häufig eingesetzt in 3G-Drahtlossystemen(deswegen hier zumindest mal genannt)
Reichen nahe an die Shannon Schranke heranReichen nahe an die Shannon-Schranke heranEs gibt viele Arten von Turbo-CodesViele basieren auf dem Prinzip der Faltungs-Codesp gKeine weiteren Details an diese Stelle
(Thema einer Informations- und Codierungstheorie-Veranstaltung)
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 129
Zusammenfassung und Literatur
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenA tAntennenSignaleSignalausbreitungSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 130
Zusammenfassung
Was lernen wir als Informatiker daraus? Wir können nicht erwarten, dass die E- und Nachrichtentechniker uns Kanäle zaubern, die so gut wie die drahtgebundenen sind
Insbesondere: je größer die Mobilität (Geräte selber, aber auch die Umgebung) desto Fehleranfälliger wird der Kanal
Wir müssen auf allen darauf aufbauenden Schichten für solche StörfälleWir müssen auf allen darauf aufbauenden Schichten für solche Störfälle gewappnet sein
Gute Kenntnis der unteren Schichten ist auch notwendig um für das betrachtete Einsatzgebiet die richtigen Systemannahmen für höherebetrachtete Einsatzgebiet die richtigen Systemannahmen für höhere Schichten treffen zu können
Einflussnahme von Algorithmen auf die untersten Schichten: Leistungseinstellung Gerätepositionierung (vgl demnächstLeistungseinstellung, Gerätepositionierung (vgl. demnächst angebotene Sensor-Roboter-Projekt)
Die hier vorgestellten Modelle eignen sich auch gut für die analytische Bewertung und Computer Simulation von Protokolle die in denBewertung und Computer-Simulation von Protokolle die in den Schichten darüber liegen
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 131
Literatur
[Schiller2003] Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003Kapitel 2: Drahtlose Übertragung
[Rappaport2002] Theodore Rappaport, „Wireless Communications, Principles and Practice“, Second Editi P ti H ll 2002Edition, Prentice Hall, 2002
4.2 Free Space Propagation Model4.3 Relating Power to Electric Field
(ignorieren Sie einfach die Formeln 4.10, 4.11 und 4.12 und den Begriff „intrinsic impedance“)4.9.1 Log-distance Path Loss Modelg4.9.2 Log-normal Shadowing
[Schwartz2005] Mischa Schwartz, „Mobile Wireless Communications“, Cambride University Press, 20052.2 Wireless Case
[Stallings2002] William Stallings, Wireless Communications & Networks, 2nd edition, Prentice Hall, 2005
5.1 Antennas8 2 Bl k E C ti C d (d d t h b h i b H i C d h b i hi b i ht8.2 Block Error Correction Codes (den dort auch beschriebenen Hamming-Code haben wir hier aber nicht
behandelt)8.3 Convolutional Codes
[Bronstein2008] I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, G. Musiol, H. Mühlig, „Taschenbuch der Mathematik“,[Bronstein2008] I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, G. Musiol, H. Mühlig, „Taschenbuch der Mathematik , 7. vollständig überarbeitete und ergänzte Auflage, Verlag Harri Deutsch, 2008
1.5 Komplexe Zahlen (falls Sie eine Auffrischung dieses Wissens benötigen)
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