Neue Übertragungstechniken für mobile Empfänger - Hohe Service-Verfügbarkeit durch moderne Diversity-Techniken

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Viktoria Schmidt
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1 Neue Übertragungstechniken für mobile Empfänger - Hohe Service-Verfügbarkeit durch moderne Diversity-Techniken Dipl.-Ing. Ernst Eberlein Fraunhofer-Institut für info@iis.fhg.de

2 Grundanforderungen - Receiver Consumer Markt Niedrige Receiver Kosten Einfache Antennen geringer Gewinn (z.b. 3dBi G/T < -20dB/K) Professionelle Anwendungen Antennen mit höheren Gewinn denkbar z.b. Tracking Antenne XM Antenne (1. Generation) Teilweise fordern die Autohersteller sogar "nicht sichtbare Antennen" Steerable antenna patch, G/T = -14dB/K

3 Eigenschaften des Mobilempfangs Line-of-sight (LOS) Shadowing (e.g. signal 10dB below LOS signal): Defraction, reflexion, tree shadowing Mobiler Empfang bedeutet: Zeitvariante Übertragungseigenschaften -> Multistate channel model Dauer und Wahrscheinlichkeit der Nichtverfügbarkeit des Signals hängt von Parametern wie Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Art der Bebauung, Satellitenelevation ab. Durch Interleaving ("time diversity" ist ein Spezialfall des Zeitinterleavings) können Lücken überbrückt werden Blockage Non real time ("Forward and store") Lange Interleaver Real time: Interleaverlänge begrenzt. Zusätzlichen Techniken sind erforderlich

4 Space Time Coding Grundkonzept: Die Information wird in Zeit (-> Interleaving) und Raum (mehrere Sender, mehrere Antennen) verteilt, so dass mit hoher Wahrscheinlichkeit genügend Bits am Eingang des Kanaldecoders verfügbar sind.. Sat 1 FEC encoder e.g Turbo encoder Interleaver DMUX Statistically independent propagation Sat 2 MUX De-Interleaver FEC Decoder e.g. Turbo Deencoder Terr Mux: Multiplexing and metric calculation according to the soft decoding principle

5 Typisches Empfangsszenario Geostationärer Satellit Typische Verfügbarkeit Insbesondere Straßen in Richtung West->Ost sind kritisch nur ca. 30% der Zeit/Ortes ist das Satellitensignal verfügbar 70% fehlende Teile müssen überbrückt werden

6 Beispiel für ein kritisches Szenario Very long interleavers Sogar Extremsituationen können mit langen Interleavern (hier: 1 minute) beherrscht werden Rohfehlerrate 20-30% Fehlerfrei nach Decodierung

7 Einfluss der Interleaverlänge 4 seconds 8 seconds Restfehler Fehlerfrei Durch Verlängerung des Interleavers kann der Durchsatz gesteigert werden. Erforderlicher Speicherbedarf wird immer unkritischer. Z.B. Video-Übertragung (...1Mbps... Je nach Qualität ) mit Interleaver von 8 Sekunden benötigt Speicher von 4 Megabyte

8 Wo werden solche Techniken teilweise bereits eingesetzt? Systeme für portablen und mobilen Empfang Initiativen von Alcatel/WorldSpace GlobalRadio ESA (Ku-Band) MBSAT Projekt

9 S-DARS = XM Satellite Radio und Sirius Satellite Radio Hybridsysteme Sirius Satellite Radio XM Satellite Radio Grundversorgung über Satellitenemfpang Terrestrische Repeater in Innenstädten 3 Satelliten "High Elliptical Orbit" (HEO) Konstellation 24 Stunden Umlaufzeit pro Satellit Ein Satellit ist 16 von 24 Stunden aktiv Es sind immer zwei Satelliten aktiv -> Diversity 2 Satelliten Geostationäre Satelliten an unterschiedlichen Positionen -> "Spatial Diversity" Elevation 25 bis 60 In Gebieten mit niedriger Elevation höhere Feldstärke

10 XM Satellite Radio - Übersicht S-Band (2.3 GHz) (Satellit und terrestrisch) Insgesamt 12,5 MHz verfügbare Bandbreite ca. 40% der Bandbreite für das terrestrische Signal ca. 60% für die Satellitensignale 100 Programme Seit Ende 2001 sind Empfänger verfügbar Ca Abonnenten (Stand Dezember 2002) Ab Modelljahr 2003 in der Erstausstattung der Autos verfügbar.

11 Und in Zukunft? Stationärer Empfang Je niedriger die Geschwindigkeit, desto länger müsste de Interleaver werden. Beugung, Reflexionen Durch Beugung und Reflexionen sind auch im Gebäudeschatten schwache Signale verfügbar. Noch nutzbar? Leistungsstarke Satelliten können durchaus eine Margin von 20dB und mehr zur Verfügung stellen. Mit 67dBW (XM Satellit) können ca. 4Mbps mit einer Margin von 20dB zu Empfängern mit sehr kleinen und einfachen Antennen übertragen werden. In Zukunft auch in-door? Konfigurierbare System erlauben, dass man die Paramete entsprechend den Anforderungen wählt. So kann z.b. für besonders wichtige Informationen ein besserer FEC gewählt werden um eine sehr gute Service Verfügbarkeit zu erzielen. 35dB Margin für 144kbps sind machbar... Zu teuer? Die Mischung macht's...

12 Mögliches Szenario Datenverteilung Multimedia Live events Daten werden oft ohnehin gespeichert. Delay unkritisch Die wenigsten Informationen sind live. Lediglich das "Zapping"-Verhalten der User schränkt das Delay ein auch hier gibt es Techniken das Problem zu lösen. Interleaverlänge ist begrenzt Hier hilft nur Link-Margin / Leistungsstarke Satelliten Neue Phyical Layer geben die nötige Flexibilität. Bei gegebenen/festen Störabstand sind z.b. folgende Konfiguration denkbar: Config 1 (z.b. R=3/4): LOS margin Interleaver -> hoher Durchsatz Config 2 (z.b. R=1/4): LOS margin Interleaver -> geringes Delay Config 3 (z.b. R=1/4): LOS margin Interleaver -> hohe Verfügbarkeit

13 Schlussfolgerungen 1) Mobilempfang für fahrendes Auto wird mit Interleavern und Diversitytechniken gut beherrscht -> Hauptthema ist Kapazitätserhöhung 2) Für manche Informationen sind lange Delays nicht akzeptabel. Um eine hohe Service Verfügbarkeit zu erreichen hilft nur hohe Margin oder terrestrische Repeater. 3) Moderne physical Layer (Modulation, FEC mit zugehörigen Interleaver) bieten sowohl hohe Link-Margin für stationären Empfang als auch die nötige Redundanz für die Überbrückung von Lücken. Beispiel: Bei einem guten Turbo Code der Rate 1/4 können bis zu 70% der Kanalbits ausfallen. Gleichzeitig wird der erforderliche Störabstand bei stationären Empfang reduziert -> Empfang im abgeschatteten Bereich wird deutlich verbessert. 4) Durch flexible Übertragungstechniken können die Parameter entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Die Parameter können innerhalb eines Transponders frei gewählt werden -> beliebige Mischszenarien sind möglich.

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