Angewandte Informationstechnik

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1 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Bachelorstudiengang Angewandte Medienwissenschaften Sommersemester 2011 Dr.-Ing. Alexander Ihlow

2 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Übertragungsmedien Physische Übertragung von Signalen zwischen Sender und Empfänger leitungsgebunden: Verdrillte Kupferdoppelader Koaxialkabel Glasfaserstrecke (Lichtwellenleiter, LWL) drahtlos: Funk: Richtfunkstrecke (terrestrisch) Satellitenverbindung Seite 2

3 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Erscheinungsformen UTP Unshielded Twisted Pair Seite 3

4 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Erscheinungsformen 4-Draht-UTP 8-Draht-UTP Seite 4

5 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Erscheinungsformen S-UTP: Screened Unshielded Twisted Pair UTP mit gemeinsamer Abschirmung ( Screen ) Seite 5

6 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Erscheinungsformen STP Shielded Twisted Pair Seite 6

7 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Erscheinungsformen S-STP Screened Shielded Twisted Pair Seite 7

8 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Verdrillte Kupferdoppelader: Kategorien Um Kabel hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit klassifizieren zu können, werden sie in Kategorien eingeteilt. Kategorie 1 Telefonkabel (UTP-Kabel) Kategorie 5 Häufig verwendet bei Gigabit-Ethernet-Installationen Kategorie 6 Kategorie 7 Seite 8

9 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Koaxialkabel Außenleiter, Abschirmung (Geflecht und Folie) Schutzummantelung, Isolation Dielektrikum Typisches Dielektrikum: Polyäthylen PE, PTFE (Teflonschaum), Luft Seite 9

10 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Lichtwellenleiterverbindungen Vorteile gegenüber metallischen Wellenleitern: geringeres Gewicht kleinere Querschnittsflächen größere Flexibilität (bessere Verlegbarkeit) größere Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen kein Nebensprechen deutlich geringere Dämpfung deutlich größere Übertragungskapazität Nachteile: Hohe Anforderungen an Toleranzgenauigkeiten der Komponenten (speziell bei Steckverbindern) Seite 10

11 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Optische Übertragungssysteme (1) LG LM Trägerwellengenerator (Lichtgenerator): Laserdiode oder LED Lichtmodulator ÜM Übertragungsmedium LD Lichtdemodulator: vorzugsweise Photodiode NQ Nachrichtenquelle für das modulierende Signal NS Nachrichtensenke Seite 11

12 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Optische Übertragungssysteme (2) LG LM ÜM LD NQ NS Seite 12

13 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Lichtwellenleiter als optisches Übertragungsmedium (1) Seite 13

14 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Lichtwellenleiter als optisches Übertragungsmedium (2) Seite 14

15 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Formen: Multimodenfaser, Gradientenfaser, Monomodenfaser Seite 15

16 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Bündelungstechniken Seite 16

17 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen Abb: Linear polarisierte elektromagnetische Welle, die sich in x-richtung ausbreitet. Die Feldvektoren der elektrischen Feldstärke E (rot) sind parallel zur y-achse, die Vektoren des magnetischen Felds (blau) sind parallel zur z-achse. E Die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht zu den Feldrichtungen Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt im Vakuum km/s E = Elektrisches Feld B B = Magnetisches Feld Bild: Seite 17

18 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Antennen Eine Antenne ist ein Signalwandler zur Umwandlung leitungsgebundener elektromagnetischer Wellen in Freiraumwellen und umgekehrt. Eine Antenne kann als ein (entarteter) Schwingkreis, bestehend aus Spule und Kondensator aufgefasst werden... der seine Schwingungsenergie in Form von elektromagnetischen Wellen abstrahlt. Seite 18

19 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Freiraumausbreitung Die Sendeleistung P T wird kugelförmig in den Freiraum abgestrahlt Leistungsflussdichte im Abstand r Effektive Antennenfläche der Empfangsantenne (λ Wellenlänge) Empfangene Leistung P R Friis-Gleichung (nach Harald T. Friis) Seite 19

20 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Freiraumausbreitung mit gerichteten Antennen Sende- und Empfangsantenne haben einen richtungsabhängigen Antennengewinn Leistungsflussdichte im Abstand r Effektive Antennenfläche der Empfangsantenne (λ Wellenlänge) Empfangene Leistung P R Friis-Gleichung (nach Harald T. Friis) Seite 20

21 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Freiraumausbreitung Freiraumdämpfungsmaß Friis-Gleichung Freiraumdämpfung Freiraumdämpfungsmaß (in db) Seite 21

22 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Ausbreitungseffekte elektromagnetischer Wellen Auf seinem Weg vom Sender zum Empfänger ist das Signal verschiedenen Ausbreitungsphänomenen unterworfen: - Dämpfung Freiraumdämpfung, Absorption - Reflexion / Brechung an Mediengrenzen - Beugung Ablenkung an den Kanten von Hindernissen (Objektgröße >> Wellenlänge) - Streuung (Objektgröße ~ Wellenlänge) Ausbreitungseffekte sind abhängig von: - Trägerfrequenz - Geländeeigenschaften (Berge, Täler, etc.) - Bebauungseigenschaften (Gebäude, etc.) Seite 22

23 Angewandte Informationstechnik Übertragungsmedien / Funkübertragung / Mobilfunk Ausbreitungseffekte elektromagnetischer Wellen Breiten sich elektromagnetische Wellen auf unterschiedlichen Wegen aus, so können sie sich am Empfänger konstruktiv oder destruktiv überlagern. Dies führt zu einem orts-, und frequenzabhängigen Signalschwund (fading). Seite 23

24 Modulation Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Modulation ist die Veränderung von Signalparametern eines Trägersignals u T (t) in Abhängigkeit von einem modulierenden Quellensignal (Nutzsignal). Das informationstragende Quellensignal u i (t) ist in der Regel ein Basisbandsignal (Tiefpasssignal). u i ( t) U i ( f beliebig für ) = 0 für f f > f f g g U i ( f ) A einfache Nachrichtenübertragungsstrecke: f g f g f modulierendes Signal u ( t) u(t) i u T( t ) Träger modulierte Schwingung (Modulationsprodukt) Seite 24

25 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Parameter der Modulation Modulation: Beeinflussung eines Trägersignals u(t) (für den Zweck der Informationsübertragung) Freiheitsgrade eines Trägersignals: u( t) = α cos(2π f t + ϕ) T Amplitude Frequenz Phase Hieraus ergibt sich die Möglichkeit der Amplitudenmodulation Phasen- / Frequenzmodulation (Winkelmodulation) kombinierten Amplituden- und Winkelmodulation Seite 25

26 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Amplitudenmodulation (AM) Träger Signal u i Amplitude des modulierenden Signals u T Amplitude des Trägersignals u AM amplitudenmodulierter Träger m f T f i Modulationsgrad Frequenz der Trägersignals Frequenz des modulierenden Signals Vorteil: einfaches Verfahren Nachteile: - schlechte Störfestigkeit - bandbreitenineffizient - niedriger Wirkungsgrad, hohe Sendeleistung erforderlich u AM = [ u + u cos( 2πf t) ] cos( 2πf t) T max i max i T m = u u i max T max Seite 26

27 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Amplitudenmodulation (Spektrum) U(f) u i max u Tmax Bei der Amplitudenmodulation (AM) tritt das modulierende Signal (Frequenz f i ) um die Trägerfrequenz f T herum auf. Die Frequenz f i ist nach der AM im Signal nicht mehr enthalten! 1/2 u i max 1/2 u i max Spektrum von u AM f i f T -f i f T f T + f i f u AM = [ u + u cos( 2πf t) ] cos( 2πf t) T max i max i T cos( α ) cos( β ) = 1 2 cos( α + β ) cos( α β ) Die Multiplikation des modulierenden Signals (Frequenz f i ) mit dem Trägersignal (Frequenz f T ) liefert die Summe (f T +f i ) und die Differenz (f T -f i ) von modulierender- und Trägerfrequenz: u AM ui max ui max = ut max cos( 2πfT t) + cos( 2π ( ft + fi ) t) + cos( 2π ( 2 2 f T Seite 27 f i ) t)

28 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Frequenzmodulation (FM) Signal f i Signalfrequenz f min minimale Signalfrequenz f max maximale Signalfrequenz Trägerfrequenz f T Seite 28

29 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Duplexverfahren Richtungsabhängigkeit von Kommunikationskanälen Duplex (Vollduplex) Gleichzeitige Informationsübertragung in beide Richtungen z.b. Telefonie, Mobilfunk Halbduplex Abwechselnde Informationsübertragung in beide Richtungen z.b. Sprechfunk (Walki-Talki) Simplex Informationsübertragung in nur eine Richtung z.b. Rundfunk Duplex-Methoden Zeitduplex (Time-division Duplexing, TDD) Beide Übertragungsrichtungen nutzen die gleiche Frequenz, sind aber zeitlich voneinander getrennt z.b. UMTS TDD-Mode, DECT (Schnurlostelefon) Frequenzduplex (Frequency-division Duplexing, FDD) Beide Übertragungsrichtungen nutzen unterschiedliche Trägerfrequenzen z.b. UMTS FDD-Mode, GSM, ADSL Seite 29

30 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Mehrfachzugriffverfahren TDMA Time Division Multiple Access Zugriff in unterschiedlichen Zeitabschnitten (Zeitschlitzen) FDMA Frequency Division Multiple Access Zugriff auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen CDMA Code Division Multiple Access Zugriff mittels verschiedener Spreizsequenzen (Codes) Beispiel- Sequenzen für CDMA SDMA Space Division Multiple Access Räumlicher Mehrfachzugriff Seite 30

31 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Mobilfunksysteme Historie A-Netz ( ) Analoges Netz mit Handvermittlung, weniger als Teilnehmer A-Netz Funktelefon TeKaDe B72 (1963) B-Netz ( ) Analoges Selbstwählnetz, ca Teilnehmer C-Netz ( ) Analog, gemeinsame Vorwahl (0161-) für alle Teilnehmer unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort, Handover (Weiterreichung des Teilnehmers beim Wechsel der aktuellen Funkzelle), >> Teilnehmer Aktuelle Netze D-Netz (seit 1992), E-Netz (seit 1994) Digitales Netz, ausgelegt für Telefonie, Datenübertragung bis 55 kbit/s, (mit EDGE bis 220 kbit/s) UMTS Universal Mobile Telecommunications System (seit 2004) Ausgelegt für Telefonie und schnelle Datenübertragung bis 384 kbit/s, (mit HSDPA bis 14,4 MBit/s) EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution LTE Long Term Evolution (ab 2010) HSDPA: High Speed Downlink Packet Access Spitzendatenraten bis 300 Mbit/s (Downstream) Seite 31

32 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Prinzip zellularer Netze Aufteilung des Versorgungsgebiets in Zellen: Technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zelle Verwendung mehrerer Funkfrequenzen Keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen Keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. flaches Land) Hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) Zellwechsel des mobilen Teilnehmers erfolgt durch Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover Seite 32

33 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk GSM Global System for Mobile Communications Erster Standard der sogenannten zweiten Generation ( 2G ) als Nachfolger der analogen Systeme der ersten Generation Technische Grundlage für das D-Netz (seit 1992) und E-Netz (seit 1994) in Deutschland Weltweite Verbreitung LTE UMTS E-Netz D-Netz C-Netz B-Netz A-Netz Seite 33

34 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Architektur des GSM-Mobilfunknetzes OMC ISC OMC Operation and Maintenance Center MSC Mobile Switching Center ISC International Switching Center GMSC Gateway Mobile Switching Center BSC BTS MSC GMSC BTS BTS BTS BSC EIR AUC HLR VLR EIR AUC HLR VLR Equipment Identity Register Authentication Center Home Location Register Visitor Location Register Funk-Teilsystem (Base Station Subsystem, BSS) Komponenten: BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller Seite 34

35 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Bestandteile des GSM-Mobilfunknetzes BSS Base Station Subsystem BTS Base Transceiver Station (GSM-Basisstation) Versorgung einer Funkzelle / mehrerer Funkzellen (bei Verwendung von Richtantennen) BSC Base Station Controller (Steuerung mehrerer Basisstationen) Überwachung der Funkverbindungen, ggf. Leistungsregelung und Handover Vermittlungsteilsystem MSC Mobile Switching Centre (Mobilvermittlungseinrichtung) Jedem MSC ist ein bestimmter Anteil des Netzes mit allen BSC und BTS fest zugeordnet. Für alle Verbindungen in diesem Teil des Netzes übernimmt die MSC Anrufverwaltung, Ortsüberwachung und Berechtigungsprüfung der Mobilstation. Hier werden auch Verbindungsdaten (z.b. zur Gebührenabrechnung) gespeichert. VLR Visitor Location Register Informationen über alle Teilnehmer, die sich innerhalb des Funknetzes aufhalten HLR Home Location Register Informationen über alle Teilnehmer, die Kunden des Funknetzeigentümers sind OMS Operation and Maintenance Centre (Betriebs- und Wartungszentrale) Sicherstellung des Netzbetriebs, Verkehrsmanagement Fehler erkennen, Netzausfälle vermeiden, Maßnahmen bei Überlast Seite 35

36 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Frequenzen des GSM-Mobilfunknetzes GSM 900 (Frequenzbereich um 900 MHz) Uplink: MS BS Downlink: BS MS GSM 1800 (Frequenzbereich um 1,8 GHz) Uplink: MS BS Downlink: BS MS Uplink und Downlink liegen auf verschiedenen Frequenzen Frequency-division Duplexing (FDD) Seite 36

37 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk GSM-Signalstruktur im Zeit- und Frequenzbereich Duplexabstand 45 MHz Trägerabstand 200 khz Uplink MS BS Downlink BS MS 100 khz Schutzabstand f/mhz Rahmen T R 4,615 ms Zeitschlitznummer TN t Schutzlücke 4,625 Bit T 2.5 Zeitschlitz T Z 576,9 μs D 57 S 1 Tr 26 S 1 D 57 Normal-Burst T B 542,8 μs 147 Bit, Bitdauer T b 3,69 μs T 2.5 Schutzlücke 4,625 Bit Normal-Burst T: Tailbits D: Benutzerdaten S: Stealing-Flag Tr: Trainingssequenz Seite 37

38 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk GSM Luftschnittstelle Die Mobilstation wechselt von TDMA-Rahmen zu TDMA-Rahmen nach Vorgaben ihre Frequenz. Die antwortende Basisstation verwendet die gleichen Kanalnummern. Der Signalisierungskanal unterliegt keinem Frequency hopping. TDMA-Rahmen n+2 TDMA-Rahmen n+2 TDMA-Rahmen n+1 TDMA-Rahmen n+1 TDMA-Rahmen n TDMA-Rahmen n MHz FDMA MHz Uplink MS BS 200 khz Channel 915 MHz 935 MHz 1 2 FDMA MHz Downlink BS MS 200 khz Channel 960 MHz BURST 577 μs Seite 38

39 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Sprachsignalübertragung bei GSM Mikrofon A/D- Wandler Sprach- Kodierer Kanal- Kodierer Modulator/ Sender Analoges Signal 64 kbit/s 13 kbit/s 22.8 kbit/s Kanal: Störungen/ Interferenz Hörer D/A- Wandler Sprach- Dekodierer Kanal- Dekodierer Empfänger/ Demodulator Seite 39

40 Rundfunk Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Ein Sender viele Empfänger T T T Unidirektionale Kommunikation Aussendung von Informationen an eine Empfängergruppe (Verteilkommunikation) R T Hörfunk Fernsehen Zeitsignal (DCF 77, GPS) Allgemeine Datenverteilung (z.b. Verkehrsinformation über RDS) T T T R = Rundfunkbetreiber T = Teilnehmer Seite 40

41 Hörfunk Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Analoger Hörfunk Übertragung mittels Amplitudenmodulation (AM) Langwelle (LW) khz Mittelwelle (MW) khz Kurzwelle (KW) 2,5 30 MHz Übertragung mittels Frequenzmodulation (FM) Ultrakurzwelle (UKW) 87,5 108 MHz Digitaler Hörfunk Digital Audio Broadcasti ng (DAB), seit Mitte 1990er MHz, MHz Audio-Kompression: MPEG-1 Audio Layer II (MP2) DAB+ Audio-Kompression: MPEG-4 High Efficiency Advanced Audio Coding (MPEG-4 HE-AAC v2) Digital Radio Mondiale (DRM), seit 200x Digitaler Rundfunk auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle (LW, MW, KW) Audio-Kompression: MPEG-4 High Efficiency Advanced Audio Coding (MPEG-4 HE-AAC v2) DRM+ Erweiterung auf Frequenzen > 30 MHz Seite 41

42 Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk DRM auf Mittelwelle und Kurzwelle mit HE-AAC Sender: Sines (Portugal) Empfang: Kotka (Finnland) khz, 8. Aug QAM, 22,2 kbit/s Kotka AM DRM Orfordness Sender: Orfordness (GB) Empfänger: Erlangen (D) khz, 25. Juli QAM, 25,1 kbit/s AM DRM Sines Erlangen Source: Seite 42

43 Fernsehen Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Analoges Fernsehen Terrestrisch, in Deutschland bis 30. Juni 2009 Ban d I: MHz, Band III: MHz, Band IV: MHz, Band V: MHz Sate llit (Astra), Abschaltung des letzten analogen Signals am GHz Kabel Frequenzen siehe terr. Fernsehen, zusätzlich Sonderkanäle Digitales Fernsehen, Beispiel: DVB-Familie Digital Video Broadcasting Terrestrial (DVB-T, DVB-T2) Digital Video Broadcasting Satellite (DVB-S, DVB-S2) Digital Video Broadcastin g Cable (DVB-C, DVB-C2) Digital Video Broadcasti ng Handhelds (DVB-H) Audio- und Video-Kompression (starke Irrelevanzreduktion, Redundanzreduktion) Mehrere Programme pro Kanal Robuste Übertragung durch Fehlerschutz, auch für mobile Empfänger (DVB-T, DVB-H) Übertragung zusätzlicher Daten (z.b. elektronische Programmzeitschrift, EPG) Verschlüsselung ( Bezahlfernsehen ) Möglichkeit von hochauflösendem Fernsehen (HDTV) bei DVB-x2 Seite 43

44 Fernsehen Angewandte Informationstechnik Funkübertragung / Mobilfunk / Rundfunk Weltweite Verbreitung von Standards für terrestrisches digitales Fernsehen DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial ATSC Advanced Television Systems Committee ISDB Integrated Services Digital Broadcasting DMB-T/H Digital Multimedia Broadcast-Terrestrial/Handheld Seite 44