Mobilkommunikationsnetze. - Funkübertragung -

Transkript

1 - Funkübertragung - Andreas Mitschele-Thiel 1

2 Inhalt Elektromagnetisches Spektrum Signale Antennen Signalausbreitung Modulation Frequenzspreizverfahren Multiplexing 2

3 Elektromagnetisches Spektrum DCF77 UKW-Radio Flugfunk GSM, UMTS, LTE DECT, WLAN Satellitenfernsehen Optische Übertragungen (IR-Fernbedienung, Glasfaser) 1 Mm 300 Hz 10 km 30 khz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 µm 3 THz 1 µm 300 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV Twisted-Pair Kabel (bspw. Ethernet) OM1-4, OS 1 & 2 Glasfaser nm 3

4 Frequenznutzung HF und niedriger spielen nur für Spezialanwendungen eine Rolle VHF/UHF Radio, Fernsehen Relativ kleine, einfache Antennen gute Ausbreitungscharakteristik (geringe Reflektionen, geringer Verlust, Durchdringung von Wänden) SHF und höher Richtfunk kleine Antennen, gute Fokussierbarkeit keine Durchdringung von Wänden 4

5 Signale physische Repräsentation der Daten Funktion von Zeit und Ort Signalparameter: Repräsentation der Datenwerte Klassifikation Zeit: kontinuierlich diskret Wertebereich: kontinuierlich diskret àanalog = zeit- & wertkontinuierlich àdigital = zeit- & wertdiskret 5

6 Signale Parameter periodischer Signale: Periode t / Frequenz f = 1/t Amplitude A Phasenverschiebung φ Trägersignale als Spezialfall Sinusschwingungen s(t) = A t sin(2 π f t t + φ t ) Amplitude Frequenz Phase 6

7 Signale Signaldarstellungen A A Q = A sin(ϕ) A ϕ ϕ t f I = A cos(ϕ) Zeitbereich (Amplitude, Phasenverschiebung) Frequenzbereich (Amplitude, Frequenz) Phasendarstellung (Amplitude, Phase in Polarkoordinaten) Komplexere Signale Überlagerung mehrerer Frequenzen Überführung in Frequenzbereich mittels Fouriertransformation 7

8 Signale J. Fourier: jedes periodische Signal g(t) kann durch eine Überlagerung von Sinus- und Cosinusschwingungen dargestellt werden g t 2 = 1 2 c + ) a + sin 2πnft ) b + cos 2πnft t Ideales periodisches Signal Annäherung durch Überlagerung von Sinus- & Cosinussignalen 8

9 Antennen Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen theoretisches Modell: isotroper Strahler idealer Punktstrahler gleichmäßige Abstrahlung in alle Richtungen à reale Antennen immer mit Richtcharakteristik x z z y x y 9

10 Antennen: einfache Dipole einfache Antennen: Dipole Länge λ/4 Länge λ/2 (Hertzscher Dipol) à Antennenlänge proportional zur Wellenlänge Antennengewinn: Konzentration der Antennenleistung auf die Hauptkeule(n) Beispiel: Charakteristik eines Hertzschen Dipols (Antenne entlang z-achse ausgerichtet) λ/4 λ/2 x z z y x y 10

11 Antennen: Richt- und Sektorantennen Abstrahlung in eine Hauptrichtung gerichtete Verbindungen Basisstationen im Mobilfunk Richtfunk x x y y z z Richtantenne (in Richtung z-achse strahlend) Sektorantenne (3 Sektoren) Sektorantenne (6 Sektoren) 11

12 Antennen: Diversity Verwendung mehrerer paralleler Antennen zwecks Verbesserung der Empfangsleistung Switched Diversity, Selection Diversity Auswahl der Antenne mit der größten Ausgangsleistung Diversity Combining Addition mehrerer Empfangssignale zur Steigerung der Signalstärke Gleichphasigkeit notwendig! 12

13 Signalausbreitung Übertragungsreichweite Kommunikation möglich geringe Fehlerrate Erkennungsreichweite Signal wird als solches erkannt keine Kommunikation möglich Interferenzreichweite keine Erkennung als Signal möglich erhöhtes Hintergrundrauschen Sender Übertragung Erkennung Interferenz 13

14 Signalausbreitung im freien Raum: wie Licht (Sichtlinie) empfangene Leistung ~ 1/d² (d = Abstand Sender Empfänger) zusätzliche Einflüsse: Fading (frequenzabhängig) Abschattung Reflektion Beugung Streuung 14

15 Signalausbreitung Beispiele: 15

16 Signalausbreitung Mehrwegeausbreitung: durch Reflektion, Beugung etc. gelangt Signal auf mehreren Wegen zum Empfänger Sender Empfänger zeitliche Diversität: verschiedene Pfade = verschiedene Ausbreitungsverzögerungen à Intersymbolinterferenz (ISI) Phasenverschiebung à Auslöschung möglich 16

17 Signalausbreitung: Mobilität Veränderung des Übertragungssignals Slow Fading (langsame Änderung der durchschnittlichen Empfangsstärke) Entfernung zum Sender weit entfernte Hindernisse Fast Fading (kurzzeitige, schnelle Änderung der Empfangsstärke) nahe Hindernisse (Abschattung) Auslöschung durch Mehrwegeausbreitung Leistung Slow Fading Fast Fading Zeit 17

18 Modulation Veränderung eines Trägers (hochfrequent) durch ein Nutzsignal (niederfrequent) Motivation kleinere Antennen Verfügbarkeit von Frequenzbändern Frequenzmultiplexing Ausnutzung der Charakteristik des Übertragungsmediums Grundlegende Modulationsverfahren Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM) 18

19 Modulation Analoge Modulation Verschiebung der Mittenfrequenz des Basisbandes auf die Trägerfrequenz Digitale Modulation Transformation des digitalen in ein analoges Signal (Basisband) ASK, FSK, PSK (siehe folgende Folien) je nach Verfahren unterschiedliche spektrale Effizienz, Leistungsausnutzung und Robustheit 19

20 Modulation digitale Modulation Basisband (analog) analoge Modulation Sendesignal Trägerfrequenz empfangenes Signal analoge Demodulation Basisband (analog) digitale Demodulation Trägerfrequenz 20

21 Modulation: Digital Modulation von digitalen Signalen durch Umtastung (Shift Keying) Amplitude Shift Keying (ASK): sehr einfach geringer Bandbreitenbedarf sehr anfällig für Störungen Frequency Shift Keying (FSK): höherer Bandbreitenbedarf robuster gegen Fading Phase Shift Keying (PSK): komplexer robust gegen Störungen

22 Modulation: Kodierungen Abbildung Bitfolge (1...n Bit) à Symbol à moduliertes Signal Ziel: möglichst hohe Übertragungsrate begrenzt durch: Kanalbandbreite Signal-Rausch-Abstand à Gesetz von Shannon Bespiele BSPK QSPK QAM 22

23 Modulation: BPSK Binary Phase Shift Keying Bitwert 0: Sinuswelle Bitwert 1: invertierte Sinuswelle sehr einfaches PSK geringe Spektraleffizienz robust, Verwendung bspw. in Satellitensystemen Q 0 I 23

24 Modulation: QPSK QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): 2 Bit = 1 Symbol geringerer Bandbreitenbedarf als BPSK komplexere Endgeräte Beispiel: UMTS Pulsformung zur Bandbreitenbegrenzung 10 Q I

25 Modulation: QAM QAM Kombiniert Amplituden- und Phasenmodulation Übertragung mehrerer Bits pro Symbol à Bitrate > Symbolrate Bitfehlerrate steigt mit höherer Symbolanzahl Beispiel: 16-QAM (4 Bit = 1 Symbol) Symbole 0011 und 0001: gleiche Phase, verschiedene Amplitude 0000 und 1000: verschiedene Phase, gleiche Amplitude Q 0011 ϕ I 25

26 Welche Datenrate lässt sich erzielen? Theorem von Claude Shannon (1950): Die Kanalkapazität C ist durch folgende Faktoren begrenzt: Verfügbare Bandbreite B des Kanals Störspannungsabstand des Nutzsignals Stärke des Empfangssignals S Stärke von Störsignalen und Rauschen N Signal-to-noise ratio SNR 26

27 Frequenzspreizverfahren (Spread Spectrum) Problem: frequenzabhängige Störungen behindern schmalbandige Signale à Bandbreite erhöhen (spreizen) Nebeneffekte: parallele Nutzung des Mediums ohne dynamische Koordination à Nutzer mit anderem Spreizcode gehen im Rauschen unter Abhörsicherheit à ohne Kenntnis des Spreizcodes keine Demodulation möglich Beispiele: Direct Sequence (UMTS, WLAN) Frequency Hopping (slow FH: GSM, fast FH: Bluetooth) 27

28 Frequenzspreizverfahren Effekte von Störern dp/df Spreizung dp/df Störung durch Kanal f f Senderseite dp/df Entspreizung dp/df Bandpass dp/df Nutzsignal Breitbandstörungen Schmalbandstörungen f f Empfängerseite f 28

29 Frequenzspreizverfahren: DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Signal XOR Chipping Sequence (pseudozufällige Sequenz) t b durch viele Chips/Bit (bspw. 128): Bandbreitenerhöhung Vorteile reduziert frequenzabhängiges Fading zur Kanalteilung in Funknetzen alle Basisstationen im selben Frequenzbereich 0 t c 1 Unterscheidung durch verschiedene t b Bitlänge Codes (CDMA) t c Chiplänge Nachteile für CDMA: präzise Leistungssteuerung nötig Nutzdaten XOR Chipping Sequence = übertragene Daten 29

30 Frequenzspreizverfahren: DSSS Nutzdaten X gespreiztes Signal Modulator Sendesignal Chipping Sequence Trägerfrequenz Sender Basisbandsignal Korrelator Signalsummen Empfangssignal Produkte Demodulator X Integrator Entscheidung Nutzdaten Trägerfrequenz Chipping Sequence Empfänger 30

31 Frequenzspreizverfahren: FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum ständige Änderung der Trägerfrequenz Pseudo-zufällige Sequenz bestimmt Frequenzsprünge 2 Varianten Fast Hopping: mehrere Sprünge pro Nutzdatenbit Slow Hopping: mehrere Bits pro Sprung (Beispiel Bluetooth: ein Frame pro Sprung) Vorteile frequenzabhängige Störungen/Dämpfung nur kurzzeitig einfache Implementierung nur kleiner Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt besetzt Nachteile weniger robust als DSSS einfacher zu erkennen (Stichwort: Abhörsicherheit) 31

32 Frequenzspreizverfahren: FHSS Nutzdaten Modulator (digital) schmalbandiges Signal Modulator (analog) Sendesignal Trägerfrequenz (variabel) Hopping Sequence Sender Empfangssignal Demodulator (analog) schmalbandiges Signal Demodulator (digital) Nutzdaten Trägerfrequenz (variabel) Hopping Sequence Frequenzgenerator Frequenzgenerator Empfänger 32

33 Frequenzspreizverfahren: FHSS t b Nutzdaten t d f 3 f 2 f 1 Slow Hopping (3 Bit/Hop) t b f 3 f 2 f 1 Fast Hopping (3 Hops/Bit) t b : Bitlänge t d : Verweilzeit 33

34 Multiplexing Ziel: Verwendung des gemeinsamen Mediums durch mehrere Teilnehmer 4 Dimensionen Raum (s) Zeit (t) Frequenz (f) Code (c) Wichtig: guard spaces (bei jedem Verfahren) 34

35 Multiplexing: Raummultiplex Trennung verschiedener Übertragungen durch ausreichenden Abstand Sender 1 Sender 2 Übertragung 1 Übertragung 2 35

36 Multiplexing: Frequenzmultiplex Aufteilung des Spektrums in kleinere Bänder Ein Kanal = ein Frequenzband (dauerhaft) Vorteile: keine dynamische Koordination für analoge Signale möglich Nachteile: Bandbreitenverschwendung bei ungleicher Last unflexibel Sender 1 Sender 2 Sender 1 Sender 2 Frequenz 36

37 Multiplexing: Zeitmultiplex Vergabe des gesamten Spektrums zu einem bestimmten Zeitpunkt Vorteile: nur ein aktiver Carrier im Medium hoher Durchsatz auch für viele Nutzer Nachteile: Genaue Synchronisation nötig Sender 1 Sender 2 Sender 1 Zeit 37

38 Multiplexing: Codemultiplex Ein Kanal = ein Code Alle Kanäle benutzen das gesamte Spektrum Vorteile: effiziente Bandbreitennutzung Koordination/Synchronisation unnötig Schutz gegen Störungen und Abhören Nachteile: komplexere Empfänger (bspw. DSSS) Umsetzung mittels Frequenzspreizverfahren 38

39 Multiplexing: Zellenbasierte Systeme Mobile Geräte kommunizieren nur via Basisstation Vorteile höhere Kapazität durch geringere Reichweite geringere Sendeleistung robuster, dezentralisierter (je nach System/Anbindung) Interferenzen, ausgeleuchteter Bereich etc. können unterschiedlich behandelt werden Nachteile: Anbindung der Basisstationen notwendig Handover (Zellenwechsel) Interferenz zwischen Zellen typische Zellgrößen: dutzende Meter (WLAN, LTE Femtozellen) bis mehrere Kilometer (GSM max. 35 km) 39

40 Multiplexing: Zellenbasierte Systeme Ressourcenplanung Wiederverwendung von Ressourcen (Frequenzen, Codes, Zeitscheiben) in hinreichendem Abstand à Raummultiplex Beispiel: 3-Zellen-Cluster 40