Übung 1: TDMA / FDMA / Zellulartechnik

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1 ZHAW WCOM2, Rumc, 1/5 Übung 1: TDMA / FDMA / Zellulartechnik Aufgabe 1: Maximale GSM-Zellgrösse. Am Anfang einer GSM-Verbindung benutzt die Basisstation (BS) und die Mobilstation (MS) den folgenden kurzen Access Burst für die Synchronisation und den Informationsaustausch: Tail Training Sequenz Information Tail guard-zeit 7 Bit 41 Bit 36 Bit 3 Bit 63 Bit Time-Slot 577 μs a) Bestimmen Sie die guard-zeit, wenn die Bit-Periode 3.7 μs beträgt. b) Die Laufzeit zwischen der MS und der BS ist unbekannt, wenn der Access-Burst oben verwendet wird. Wie weit entfernt darf die MS von der BS sein, damit der Access Burst oben gerade noch im Timeslot-Raster der BS empfangen wird und die guard-zeit aufgebraucht ist? Mit anderen Worten: Wie gross ist der maximale Zellradius einer GSM-Zelle? Aufgabe 2: TDMA/FDMA. a) Charakterisieren Sie die Mehrfachzugriffstechniken TDMA und FDMA und vergleichen Sie sie mit der CDMA-Zugriffstechnik. b) Wie können verschiedene Benutzer parallel über GSM kommunizieren? c) Wie sieht das Duplexing bei GSM aus? Wie bei DECT? d) Ein GSM-Operator erhält 1/4 des GSM900-Spektrums (UL: MHz) und muss ein Gebiet versorgen, in dem die Clustergrösse N=7 beträgt. Wie viele Verkehrskanäle stehen im Durchschnitt pro Zelle zur Verfügung? e) Aus wirtschaftlichen Gründen kann ein Operator natürlich nicht für jeden Benutzer einen Verkehrskanal freihalten. Kann der Operator die Anzahl Benutzer berechnen, die er bedienen kann? Von welchen Faktoren hängt diese Zahl ab? f) Wie viele GSM-Benutzer pro Zelle kann der Operator bedienen, wenn seine Kunden eine Blockierwahrscheinlichkeit von maximal 2% akzeptieren und in der busy hour im Durchschnitt 90s lang telefonieren? Hilfe: siehe Erlang-Tabelle. g) Was kann der Operator machen, wenn er zu wenig Kapazität hat? Konsequenzen?

2 ZHAW WCOM2, Rumc, 2/5 Aufgabe 3: Zellulartechnik. Das für eine akzeptable Übertragungsqualität erforderliche Carrier-to-Interference-Ratio betrage C/I=9 db. a) Bestimmen Sie den normierten Frequenzwiederholabstand q = D/R für Gleichkanalzellen in einem Umfeld, in dem die Ausbreitungsdämpfung mit 40 db pro Dekade ansteigt. b) Bestimmen Sie die Cluster-Grösse N zum Aufbau eines homogenen, zellularen Funknetzes. c) Zeichnen Sie das resultierende homogene, hexagonale Funknetz. Aufgabe 4: Zellularfunk. Ein zellulares Funknetz soll mit einer Cluster-Size N=4 oder mit einer Cluster-Size N=7 realisiert werden. Bestimmen Sie die in der folgenden Tabelle aufgeführten Eckwerte, indem Sie die Fragen in den Teilaufgaben a) bis d) unten einzeln beantworten. Cluster-Size N = 4 N = 7 Gleichkanal-Frequenzwiederholabstand D in [km] minimales C/I in [db] fehlerfreie QAM16-Datenübertragung möglich [ja/nein] Anzahl Benutzer pro Zelle a) Bestimmen Sie den Gleichkanal-Frequenzwiederholabstand D in km, wenn der Zellradius R = 1 km beträgt. b) Bestimmen Sie das minimale C/I in db, wenn der Ausbreitungsparameter γ = 3.5 bzw. der mittlere Funkausbreitungsverlust 35 db/dekade beträgt. c) Können bei den oben bestimmten C/I-Werten Daten mit QAM16-Modulation fehlerfrei übertragen werden (ohne zusätzlichen Fehlerschutz)? d) Es stehen total 28 Funkkanäle für den Funkverkehr (in allen Zellen) zur Verfügung. Bestimmen Sie die max. Anzahl Benutzer K, welche pro Zelle bedient werden kann, wenn jeder Benutzer im Mittel 25 me Verkehr produziert und die Blockierwahrscheinlichkeit P block = 2% nicht übersteigen darf.

3 ZHAW WCOM2, Rumc, 3/5 Musterlösung Aufgabe 1 a) guard-zeit = = 233 μs. b) 2 mal Distanz zwischen MS und BS = guard-zeit mal Lichtgeschwindigkeit = 70 km => maximaler Zellradius einer GSM-Zelle = 35 km Why 2 times? The base station transmits the access burst in the downlink and the mobile station receives it with a propagation delay of τ. 4 slots later, the mobile station retransmits the access burst in the uplink delayed by τ and the GSM base station receives it with a propagation delay of τ. Thus, the access burst arrives at the base station with a time error of twice the propagation delay, i.e. 2τ (plus the inherent delay of the 4 time slots between downlink and uplink transmission). Note that normal bursts are used in a connection that have a small guard space only, because mobile stations are roughly synchronized to the base station after connection setup. Aufgabe 2 a) Bei FDMA senden die aktiven Benutzer dauernd über die ganze Zeit, aber auf unterschiedlichen Frequenzkanälen. Bei TDMA senden die aktiven Benutzer in unterschiedlichen Zeitschlitzen, benutzen dann aber die volle Bandbreite. Bei CDMA senden alle aktiven Benutzer dauernd die ganze Zeit auf der ganzen Bandbreite. Die Bandbreite ist typisch viel grösser als die Datenrate eines aktiven Benutzers (Spreiztechnik). Die Benutzertrennung geschieht mit verschiedenen Codes. b) GSM verwendet unterschiedliche Frequenzkanäle bzw. Träger im 200 khz Raster (FDMA). Pro Frequenzträger sind 8 Zeitschlitze vorgesehen (TDMA). Bei GSM wird also ein FDMA / TDMA Mehrfachzugriffsverfahren verwendet. c) GSM macht ein FDD (frequency division duplexing), d.h. Uplink und Downlink sind frequenzmässig getrennt. Im 900 MHz Bereich beträgt der Duplexabstand 45 MHz. Nebenbei: Im UL und im DL werden unterschiedliche Zeitschlitze verwendet, damit der Empfänger Zeit hat, von Senden auf Empfangen umzuschalten. DECT macht ein TDD (time division duplexing), d.h. für die UL- und die DL- Kommunikation werden der gleiche DECT-Frequenzkanal, aber unterschiedliche Zeitschlitze verwendet. d) # GSM900-Träger total = 25 MHz / 200 khz = 125 (defacto sind es 124 Träger). Der GSM-Operator erhält also 31 GSM900-Träger mit je 8 Zeitschlitzen. Pro Zelle stehen ihm im Durchschnitt also ca. 4 Träger bzw. ca. 30 Verkehrskanäle (und ca. 2 Anmeldekanäle) zur Verfügung. e) Ja, z.b. mit der Erlang B Formel. Sie gibt den Gesamtverkehrswert V an, der mit einer bestimmten Anzahl Verkehrskanäle K und einer bestimmten Blockierwahrscheinlichkeit P b erreicht werden kann.

4 ZHAW WCOM2, Rumc, 4/5 f) Erlang B Tabelle: K = 30 Verkehrskanäle, P b =0.02 Blockierwahrscheinlichkeit => V = Erlang Verkehr => Verkehr pro Benutzer in der busy hour : 90s / 3600s = E = 25 me Der Operator kann pro Zelle durchschnittlich / = 880 Benutzer in der busy hour bedienen. g) Mehr Spektrum kaufen, z.b. im 1800 MHz Band, und mehr Träger bzw. mehr Verkehrskanäle pro Basisstation einsetzen (d.h. HW kaufen). Der bewältigbare Verkehr wächst überproportional mit der Anzahl Verkehrskanäle (Bündeleffekt). Zellen verkleinern, ohne die Interferenz bzw. den Frequenzwiederholabstand zu vergrössern. Zusätzliche Basisstationen aufstellen (Standorte und HW kaufen). Aufgabe 3 a) Ausbreitungsdämpfung = 40 db pro Dekade => γ=4. Normierter Frequenzwiederholabstand q = D/R = ( ) 0.25 = b) Cluster-Grösse N q 2 /3 = 2.31 Die kleinste Zahl N der Form N = I 2 +IJ+J 2 = 3, wobei I=J=1. c) Eine Gleichkanalzelle liegt im Ursprung, eine andere Gleichkanalzelle im Abstand D hat die Koordinaten (I=1,J=1). Der Frequenzwiederholabstand D = 3 3 R = 3R j-achse D i-achse

5 ZHAW WCOM2, Rumc, 5/5 Aufgabe 4 Cluster-Size N = 4 N = 7 Gleichkanal-Frequenzwiederholabstand D in [km] km km minimales C/I in [db] 11.1 db 15.4 db fehlerfreie QAM16-Datenübertragung möglich [ja/nein] nein ja Anzahl Benutzer pro Zelle a) D/R = (3N), D = km wenn N=4 und D = km wenn N=7 b) D/R = (6 C/I) 1/γ => C/I = (1/6) (D/R) γ C/I in db = 10 log 10 ((1/6) (D/R) 3.5 ) = 11.1 db wenn N=4 und 15.4 db wenn N=7 c) für fehlerfreie QAM16-Datenübertragung braucht es min db SNR d) Fall N=4: Es gibt 7 Verkehrskanäle pro Zelle, mit denen ein Verkehr von 2.94 P block = 2% bewältigt werden kann => Anzahl Benutzer = 2.94/0.025 = 117 Fall N=7: Es gibt 4 Verkehrskanäle pro Zelle, mit denen ein Verkehr von 1.09 P block = 2% bewältigt werden kann => Anzahl Benutzer = 1.09/0.025 = 43