Technische Grundlagen

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1 Frequenzbereiche für die Kommunikation Frequenzen, Beispiele: Technische Grundlagen Audio TV VLF LF HF VHF UHF IR UV XR Frequenzen Walkie-Talkie 27 MHz Zellular GSM Paging 9 MHz 93 MHz Zellular GSM Schnurlos DECT UMTS 8 MHz 88 MHz 2 MHz Frequenzen 2.2 Frequenzbereiche für die Kommunikation Frequenzbereiche für die (zellular) Für verschiedene Anwendungen gibt es verschiedene Frequenzbänder (Trägerfrequenzen) z.b. UKW-Radio 88,5 MHz 7,9 MHz z.b. schnurlos Telefon DECT 88 MHz 99 MHz ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen, um die Frequenzbänder international ti zu koordinieren i z.b. UKW ist in Kroatien genauso wie in Deutschland Es gibt allerdings keine weltweite Harmonie bei der Vergabe der Frequenzbänder, nationale Eigenarten z.b. GSM Europa 9 und 8 MHz z.b. GSM USA 9 MHz Frequenzen 2.3 Frequenzen 2.4

2 Frequenzbereiche für die (WLAN) Digitale Information wird auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert z.b. Amplitudenmodulation ASK (Amplitude Shift Keying) Frequenzmodulation FSK (Frequency Shift Keying) Phasenmodulation Phasenwechsel bei binärer Phasenmodulation PSK (Phase Shift Keying) Frequenzen : mehrere Bit pro Signalschritt Darstellung einer Schwingung als Polardiagramm Es gibt Varianten der smethoden, bei denen in jedem Signalschritt (Zustandsübergang) mehrere Bits übertragen werden 4-25 Beispiel: Schwingung mit gleich bleibender Amplitude (Magnitude) Pegel () Pegel () Pegel () Pegel () 2.7 Phase und Amplitude werden durch einen Q- und einen I-Wert spezifiziert 2.8

3 : mehrere Bit pro Signalschritt Amplituden- und Phasenmodulation kombiniert Das Signal wechselt für jedes Bitpaar die Phasen um einen von vier verschiedenen Werten Eine Kombination von vier Phasen und zwei Amplitudenpegeln erzeugt acht verschiedene Signalzustände, d.h. jedes Baud repräsentiert t drei Bits () () -35 () - 45 () sverfahren für die sverfahren für die In der werden zur effizienten Nutzung des Frequenzspektrums Frequenz-, Amplituden- und Phasenmodulation kombiniert, z.t. mit mehreren Frequenzen, Amplituden und Phasen, z.b. 8-PSK (Phase Shift Keying), z.b. EDGE 6-QAM (Quadrature Amplitude ), z.b. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), Mbps UMTS 8-PSK 6-QAM Q I Bei 8-PSK werden also 8 Zustände (Phasen) unterschieden, d.h. mit jedem Zustandswechsel können 3 Bit übertragen werden Die Anzahl Zustände lassen sich jedoch nur unter idealisierten Bedingungen beliebig erhöhen In der Realität sind bei hoher Anzahl Zustände wegen der Interferenzen die einzelnen schwer erkennbar

4 sverfahren für die Beispiele für den Einsatz der verschiedenen Modulierungsverfahren: BPSK ( = 2-PSK) Kabelmodem QPSK ( = 4-PSK) UMTS/CDMA 8-PSK GSM/EDGE 6-QAM HSDPA 64-QAM HSPA (cat5/6), LTE, 82.a GMSK GSM 256QAM Digital Video Broadcast 24QAM Kabelmodem sverfahren für die In GSM wird das GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Verfahren verwendet GMSK ist ein frequenzbandoptimiertes FSK-Verfahren Das GMSK ist ein sverfahren, das eine gute Resistenz gegen Funkstörungen (Nachbarkanalstörungen) hat das vorhandene e Spektrum sehr effizient e ausnutzt ut t (Übertragungsrate gs ate und die dafür benötigte Bandbreite) ermöglicht einfache Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad, so dass lange Betriebsdauer von Mobilstationen mit eingebautem Akku möglich wird Mehr zur digitalen für findet sich z.b. hier: Kandidat für zukünftige hochbitratige Wireless Personal Area Networks (WPANs). Es werden zu überbrückende Entfernungen von etwa m angestrebt um größere drahtlose Kapazität anzubieten, ist es notwendig, immer mehr kbps/m² (Kilobit pro Sekunde pro Quadratmeter) t zu übertragen. Raumkapazitäten verschiedener Übertragungssysteme: UWB Systeme benötigen kein eigenes Frequenzband, sondern als Overlay-Systeme in Koexistenz mit anderen Diensten können lizenzfrei betrieben werden und nutzen bereits belegte bzw. brach liegende Frequenzbänder mit können sehr kostengünstig und energieeffizient realisiert werden weisen durch ihre extreme Breitbandigkeit eine sehr gute Leistung in Mehrwege-Kanälen auf und sind robust gegenüber Störeinflüssen können durch die geringe PSD (Power Spectral Density, in typischen Szenarien geringer als das Hintergrundrauschen) nur schwer von Dritten detektiert t oder abgehört werden

5 Wie funktioniert das: Herkömmliche Systeme nutzen Trägerfrequenz, auf die die digitale Information aufmoduliert wird es gibt i.w. 3 Verfahren die digitale Information durch kurze Impulse zu repräsentieren: Bipolare : eine wird durch einen positiven (aufsteigenden) Impuls repräsentiert, eine durch einen inversen (fallenden) UWB benutzt keine Trägerfrequenz, en und en werden als sehr kurze, sehr breitbandige Impulse kodiert, drei verschiedene Methoden: Ampitudenmodulation: eine wird durch eine volle Ampitude repräsentiert, eine durch eine halbe Pulspositionsmodulation: es wird der Zeitabstand zwischen den Impulsen variiert, um -en und -en zu modulieren. Ein verzögerter Impuls repräsentiert eine emittierte t Sendeleistung, benutzte t Bandbreite: warum belegen die kurzen Impulse eine hohe Bandbreite? Fourier-Transformationstheorie besagt, dass jede Impulsform als gewichtete Summe von Sinuskurven approximiert werden kann z.b. wird ein rechteckiger Wellenimpuls durch die Summe einer fundamentalen Sinuskurve ( Fundamentale ) plus der ungeraden sog. Harmonischen erzeugt. Schon 4 Harmonische erzeugen eine passable Rechteckwelle:

6 Je kürzer der Impuls, desto höher muss die Frequenz der Sinuskurven sein, um die gleiche Approximation zu erreichen. Im Beispiel unten belegen die 4 Harmonischen beim kurzen Impuls eine größere Bandbreite als beim langen: Vergleich zwischen der Frequenzbelegung und der Sendeenergie (in Watt/Herz) eines 6 psec Impulses vs. ein 3 psec Impuls: Wireless USB auf Basis Beispiel: Schnurloses HDMI mit Ultra-Wideband-Technik "Wireless HDMI Extender des US-amerikanischen Unternehmens Gefen Reichweite ca. m, kann nicht durch Mauern dringen Derzeitige Systeme: Über eine Distanz von 3m sind 48 Mbit/s möglich Über eine Distanz von m sind Mbit/s möglich Links der Sender, rechts der Empfänger

7 Quellen: B4A889EC588EEDF&pageNumber=&catID=2 B4A889EC588EEDF : gerichtet und mit Sektoren Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Felder Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen gleichmäßig ab (nur theoretisch) Reale haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder Horizontalebene Veranschaulichung im Richtdiagramm (durch Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt) für Mobilfunknetze werden häufig so konstruiert, dass sie besonders in bestimmte Richtungen strahlen oder auch Sektoren gebildet werden (z.b. Abstrahlung entlang einer Bahnlinie) y y z x Seitenansicht (xy-ebene) Seitenansicht (yz-ebene) von oben (xz-ebene) z x gerichtete Antenne Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung) Antenne 2.27 z Sektoren- Antenne von oben, 3 Sektoren x z x von oben, 6 Sektoren 2.28

8 : Beispiele Die empfangene Leistung P r nimmt mit dem Abstand von der Antenne ab, abhängig von der gesendeten Leistung und dem Gewinn der Sende- und Empfangsantennen (Freiraumdämpfung) P t G t P r G r P r G r L-Band Satelliten-Empfangsstation (DFD, Oberpfaffenhofen) L- und S-Band Empfangsantenne d Kilometer d Kilometer P r Pt 2 P Energie ( t / r transmit / receive) Gt Gr d 2 Wellenlänge (/ Frequenz) 4 4 G Gewinn ( Gain) ALINCO EA In der Regel werden wegen obiger Formel für downlink (Basisstation zu Mobilstation) die höheren Frequenzen benutzt Beispiel: 5 W Beispiel GSM:,8 W 2 W Mhz (uplink) Kilometer 2 Kilometer Mhz (downlink) Beeinflussung durch: Erdkrümmung Geländeformen (Berge, etc.) Gebäude, Bäume,... Atmosphäre (bei hohen Frequenzen, z.b. 6 GHz)

9 Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht) Empfangsleistung wird u.a. beeinflußt durch Freiraumdämpfung (s.o.) Abschattung durch Hindernisse Reflektion an großen Flächen Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen Beugung (diffraction) an scharfen Kanten Mehrwegeausbreitung, Störungen Ein Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an Resultiert in einem zusätzlichen Hintergrundrauschen, Störungen Ist ein Problem für sverfahren mit hoher Bitrate, z.b. 64-QAM Abschattung Reflektion Streuung Beugung Mehrwegeausbreitung, Störungen Mehrwegeausbreitung, Störungen Die Störungen sind ortsabhängig und frequenzabhängig Beispiel i einer Messung der Empfangsqualität gegenüber zunehmenden Abstand vom Sender: Beispiel einer Messung der Empfangsqualität gegenüber zunehmender Frequenz: Quelle: Quelle:

10 Mehrwegeausbreitung, Störungen Beispiel einer Messung in einem Raum: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Aufteilung eines schnellen Bitstroms in mehrere langsame Bitströme, die über verschiedene Frequenzen übertragen werden Nachteil: Bandbreitenverlust, daher Überlappung der Frequenzbänder SNR (Signal to Noise Ratio) ist ein Maß für die Empfangsbedingungen Quelle: / ti / hd /i d OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Eliminierung der Überlappungs-Interferenz durch Wahl orthogonaler Frequenzen Die Signalrate und damit die resultierende Frequenzzerlegung eines Unterkanals wird so gewählt, dass jeweils eine Nullstelle im Maximum der anderen Frequenzen liegt OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Jedes Frequenzband (Subcarrier) kann mit einem eigenen sverfahren moduliert werden Gängig: BPSK, QPSK, 6 QAM und 64 QAM Wird z.b. bei HSDPA und 82.a und 82.n eingesetzt Je nach Empfangsqualität adaptiv pro Frequenzband Beispiel: Signalqualität SNR (Signal/Noise Ratio) BPSK QPSK 6QAM 2.39 OFDM Tutorial: 2.4

11 Variante: OFDMA (OFDM Access) Untermengen der Subcarrier können individuellen Nutzer zugeordnet werden, um so das Mutiplexen zu erhöhen OFDM Tutorial z.b.: p Zellulare Netze Je weiter Sender und Empfänger voneinander entfernt sind, desto größer der Energieaufwand, um die gleiche Datenrate zu übertragen (unter gleich bleibenden Umgebungsbedingungen) Wegen Batterielebensdauer muss der Energieeinsatz bei mobilen Endgeräten in Grenzen gehalten werden Reichweite ist daher begrenzt Wie kann man dennoch ein flächendeckendes Mobilfunknetz aufbauen? zellulare Netze OFDMA Zellulare Netze SDMA (Space Division Multiple Access) Alle Nutzer in einer Zelle teilen sich gemeinsam das verfügbare Frequenzspektrum : SDMA (Space Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) Wird in allen zellularen Netzen eingesetzt Wiederverwendung d von Frequenzen in entfernten t Zellen Eine Zelle erhält eine Menge von Frequenzbändern so zugeordnet, dass es keine gleichen Frequenzen mit Nachbarzellen gibt 4-Zellen-Wiederholungsmuster:

12 SDMA (Space Division Multiple Access) 7-Zellen-Wiederholungsmuster : SDMA (Space Division Multiple Access) Zusätzliche Einteilung der Zellen in Sektoren mit Hilfe von gerichteten : Wiederholungsmuster existieren für K = 3, 4, 7 und Vielfache Je größer K, desto: kleiner die Anzahl Kanäle pro Zelle größer die Mehrfachnutzung geringer die Interferenz SDMA (Space Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) Zellplanung Große Zellen für ländliche Regionen Mehrfachzugriff durch Frequenzteilung Beispiel i GSM: 25 Mhz Band = 25 2 Khz Kanäle Zuweisung eines Kanals über einen Kontrollkanal, auf den alle Mobilstationen zunächst hören Kleine Zellen für dicht besiedeltes Gebiet 89,2 Mhz 89, Mhz 89,8 Mhz 89,6 Mhz... Kanal 45 Kanal 44 Kanal

13 TDMA (Time Division Multiple Access) bekannte Technik aus dem Bereich der Festnetze Wird oft in Verbindung mit FDMA eingesetzt, t um die Frequenzen noch effizienter zu nutzen Voraussetzung: Sprachcodierung Datenkompression Zugriff auf einen Frequenz-Kanal ist nur zu bestimmten periodischen Zeitpunkten gestattet Beispiel GSM TDMA-Rahmen: MS A CDMA (Code Division Multiple Access) Auch: spread spectrum (weil das Frequenzspektrum gespreizt wird) Alle MS benutzen den gleichen Kanal. Die MS werden durch einen Code voneinander unterschieden Vorteile: Keine Koordinierung und Synchronisation notwendig Gleichmäßige Nutzung des gesamten Frequenzspektrums von jedem Nutzer Unterschiedliche CDMA-Techniken: Direct Sequence (DS) Frequency Hopping (FH) Time Hopping (TH) TDMA-Rahmen 4,65 ms DS-CDMA DS-CDMA Power Levels from MS Bitstrom (9,2 Kbit/s) C A Received Power Levels at BTS Chipstrom (,23 Mc/s) Code Generator (,23 Mc/s) C C C D 2.5 Exakte Steuerung der Sendeleistung notwendig, da alle Signale beim Empfänger gleich stark sein müssen. 2.52

14 DS-CDMA Beispiel A Data DS-CDMA Beispiel AKey AKey A Data XOR A Key A Signal Composite A+B Signal BData B Key (A+B)*A Key B Data XOR B Key Integrator B Signal AData Composite A+B Signal * - Operator: (A+B)* = (A+B), (A+B)* = (A+B) DS-CDMA Beispiel DS-CDMA Beispiel BK Key Composite A+B Signal Composite A+B Signal False Key (A+B)*B Key Integrator (A+B)* False Key B Data Integrator

15 FH-CDMA Frequency Hopping (FH-CDMA), z.b. Bluetooth Trägerfrequenz des übertragenen Informationssignals i ist nicht konstant, sondern ändert sich periodisch. In einem Zeitintervall (Slot) bleibt die Trägerfrequenz gleich. Danach hüpft (hops) die Frequenz in einen anderen Bereich. Frequenz Frequency Hopping CDMA T Zeit 2.57 FH-CDMA Es gibt die unterschiedlichsten Hüpf-Algorithmen, z.b.: zyklisches Hüpfen pseudo-zufälliges Hüpfen Ferner wird zwischen Slow Frequency Hopping und Fast Frequency Hopping unterschieden Bei S-FH (Slow FH) wird für jedes Datenpaket (mehrere Bits) eine Frequenz benutzt Bei F-FH (Fast FH) wird ein Bit auf mehrere Frequenzen verteilt. Je mehr Frequenzbänder es gibt, desto geringer wird die Wahrscheinlichkeit einer Kollision, wenn mehrere Geräte hüpfen Bei F-FH ist eine Kollision in einem Frequenzband unerheblich und wird durch die anderen ausgeglichen Bei S-FH gibt es i.d.r. einen Fehlerkorrekturmechanismus 2.58 TH-CDMA Multiplexen: Zusammenfassung Bei time hopping CDMA werden die Daten in kurzen Datenstößen (Bursts) gesendet, mit pseudozufälligen dazwischen liegenden Zeitintervallen Zeitachse wird in gleichgroße Rahmen eingeteilt, die wiederum in Zeitscheiben aufgeteilt sind. Ein Sender belegt dann pseudozufällig eine der Zeitscheiben

16 Mobilitätsmanagement Prinzip von Mobilitätsmanagement: Registrierung g Fragen: wer ist wo? wie kann ich ihn erreichen? darf man in einem fremden Netz Zugang bekommen? wie wird man von einem Zugangspunkt zum nächsten unterbrechungsfrei weitergeleitet?... Heimdatenbank Heimat(sub-)netz Das Prinzip des Mobilitätsmanagements ist in allen Netzen und Technologien ähnlich. Fremd(sub-)netz Prinzip von Mobilitätsmanagement: Anruf Mobilitätsmanagement Heimdatenbank Fremd(sub-)netz 4 Heimat(sub-)netz 3 2 Das Mobilitätsmanagement ist im Prinzip in allen Netzen gleich. Die Heimdatenbank hat unterschiedliche Namen und es kann sich um mehrere Datenbanken, ev. auch verteilt, handeln: Home Location Register (HLR) in GSM/UMTS Home Subscriber Server (HSS) im 3GPP-IMS Home Agent (HA) bei MobileIP SIP-Proxy in Voice over IP (VoIP) Diensten AAA-Server (Authentication, Authorization and Accounting) etc. Die Heimdatenbank kann ein eigener Server (PC) zuhause sein (so wie bei MobileIP), oder eine Datenbank bei einem Netzbetreiber, mit dem man einen Vertrag hat (so wie bei GSM)

17 Mobilitätsmanagement: Herausforderungen Die Herausforderungen und die Kompliziertheit der real existierenden Architekturen und Systeme ergeben sich aus folgenden Aspekten: darf der Benutzer überhaupt im Fremdnetz Zugang erhalten? der Benutzer ist mobil, bewegt sich also, dadurch d ändern sich die Zugangspunkte und es müssen die Verbindungen möglichst unterbrechungsfrei aufrechterhalten bleiben wie werden die Kosten abgerechnet? wie wird sichergestellt, dass die Privatsphäre des mobilen Benutzers geschützt wird? auf welchen Wegen, über welche Gateways, mit welchen Technologien und mit welchen Ressourcen findet die tatsächliche Kommunikation statt? 2.65