Modulation und Kanalzugriffsverfahren in Mobilfunknetzen. Hauptseminar Maik Bloß

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1 Modulation und Kanalzugriffsverfahren in Mobilfunknetzen Hauptseminar Maik Bloß

2 1 Modulation 1.1 Einführung 1.2 ASK 1.3 FSK 1.4 PSK 1.5 MSK 1.6 OFDM Gliederung

3 Gliederung 2 Kanalzugriffsverfahren 2.1 Einführung 2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff 2.3 SDMA 2.4 FDMA 2.5 TDMA 2.6 Spreizspektrumtechniken 2.7 CDMA 3 Beispiel GSM

4 1.1 Modulation - Einführung Modulation: Veränderung eines Trägersignals in Abhängigkeit eines Nachrichtensignals Ziele: - Benutzung kleinerer Antennen - Frequenzmultiplex mehrerer Teilnehmer - effiziente und robuste Übertragung

5 1.2 ASK (Amplitude Shift Keying) Umschalten der Amplitude eines sinusförmigen Trägersignals zwischen zwei oder mehr diskreten Stufen Vorteil: technisch einfach zu realisieren Nachteil: störanfällig

6 1.3 FSK (Frequency Shift Keying) Umschaltung der Frequenz eines Sinusförmigen Trägersignals zwischen n Stufen Realisierung mit n Oszillatoren, zwischen denen umgeschaltet wird Vorteil: weniger störanfällig als ASK Nachteil: - höhere Bandbreite nötig - abruptes Umschalten zwischen den Frequenzen führt zu hohen spektralen Nebenseitenbändern

7 1.3 FSK (Frequency Shift Keying) Zur Vermeidung der hohen Nebenseitenbänder durch Benutzung eines Oszillators, dessen Frequenz hinreichend schnell geändert werden kann CPFSK (Continous Phase Frequency Shift Keying) Kontinuierliche Frequenz- und Phasenänderung, dadurch trotzdem etwas höhere Bandbreite nötig CPFSK-Signal

8 1.4 PSK (Phase Shift Keying) Umschalten der Phase eines Trägersignals zwischen n diskreten Stufen Je mehr Stufen, desto größer ist die Bandbreiteneffizienz Aber: je mehr Stufen, desto größer die Störanfälligkeit

9 1.4 PSK (Phase Shift Keying) QPSK: 2 Bit je Symbol codiert (45,135,225,315 ) Phasensprung maximal bei jedem 2. Bit

10 1.4 PSK (Phase Shift Keying) Vorteile: - relativ störungssicher (anhängig von Anzahl der Phasenzustände) - höhere Bandbreiteneffizienz Nachteile: - höhere Anzahl der Phasenzustände benötigen höheres Signal-Rauschverhältnis - Seitenbänder durch Phasenumtastung kontinuierliche Phasenumtastung: Änderung der Phase innerhalb einer bestimmten Zeit

11 1.5 MSK (Minimum Shift Keying) Mischung zwischen FSK und PSK Kontinuierliche Änderung der Phase innerhalb einer Bitdauer Es entstehen 2 Trägerfrequenzen f 1 und f 2 mit f 2 = f 1 * 0,5 Bitrate f 2 führt während einer Bitdauer eine halbe Schwingung mehr aus.

12 1.5 MSK (Minimum Shift Keying) Phasendrehung um +90 bei 1 Phasendrehung um -90 bei 0 Knicke beim Phasenwechsel führen zu Verbreiterung des Leistungsdichtespektrums Verbesserung durch Frequenzfilter Frequenz- und Phasenverlauf eines MSK Signals

13 1.5 MSK (Minimum Shift Keying) Begrenzung der Bandbreite mit Gauß-Filter GMSK (Gauß sches MSK) Anwendung von GMSK mit BT=0,3 im GSM und DCS1800 Impulsantwort GMSK Sendefilter

14 1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Mehrträgerverfahren Aufteilung des Datenstroms in n Teile, welche unabhängig auf n Sub-Träger moduliert werden (z.b mit QPSK) Statt 1Mbit/s als 1MHz Signal 100 Subträger mit 10 khz Verwendung orthogonaler Signale lässt Überlappung zu

15 1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Vorteile: - Verlängerung der Symboldauer um das n-fache dadurch weniger Intersymboldifferenz - durch Überlappung geringere Bandbreite nötig Nachteile: - Filterung am Empfänger führt zu S/N-Verlust

16 1.6 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Anwendungsbereiche: DAB (Digital Audio Broadcasting) 6 Programme in 1,5 MHz Block mit ca Unterträgern Unterträger mit QPSK moduliert DVB (Digital Video Broadcasting) 8 MHz Block mit 2000 oder 8000 Unterträgern Unterträger moduliert mit 16 QAM (21 Mbit/s) oder 64 QAM (30 Mbit/s)

17 2.1 Kanalzugriffsverfahren - Einführung Ziele: - gemeinsame Nutzung des Übertragungsmediums von mehreren Teilnehmern - bestmögliche Auslastung des Mediums - Reduzierung der nötigen Sendeleistung

18 2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff Medienzugriffsverfahren von Festnetzen wie z.b. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) versagen bei bestimmten Situationen: Versteckte Endgeräte: - A sendet zu B, C ist ausser Reichweite von A - C sendet zu B, da Medium für C scheinbar frei ist (CS versagt) - Kollision bei B wird von A und C nicht erkannt (CD versagt)

19 2.2 Probleme beim Mehrfachzugriff Ausgelieferte Endgeräte: - B sendet zu A, C will zu einem anderen Gerät senden - CS signalisiert ein besetztes Medium, obwohl A ausser Reichweite von C ist C ist B ausgeliefert Nahe und ferne Endgeräte: - A und B senden zu C - Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab - C kann A nicht hören, da B das Signal von A übertönt

20 2.3 SDMA (Space Division Multiple Access) Aufteilung des Raumes in Funkzellen Je Zelle eine Basisstation, welche mit Mobilstationen kommuniziert Wiederholung der Frequenzen bei genügend großen Abstand Gruppierung der Zellen zu Cluster 1 Cluster steht gesamtes Frequenzspektrum zur Verfügung Größe der Zellen abhängig von Teilnehmerkonzentration z.b. ca. 500 m im Stadtgebiet, bis ca. 35 km in ländlichen Gebiet

21 2.3 SDMA (Space Division Multiple Access)

22 2.3 SDMA (Space Division Multiple Access) Vorteile: - höhere Kapazität durch mehrfache Nutzung der Frequenzen - geringere Sendeleistung nötig - Störungen meist nur auf eine Zelle beschränkt robuster Nachteile - hoher Aufwand für Infrastruktur nötig Basisstationen müssen über Netzwerk verbunden werden - Verwaltungsaufwand zur Lokalisierung von Mobilstationen - Handover bei Zellenwechsel

23 2.4 FDMA (Frequency Division Multiple Access) Aufteilung des Frequenzbandes im gleich große Kanäle Vorteil: - kontinuierliches Senden möglich Nachteil: - Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung

24 2.5 TDMA (Time Division Multiple Access) Zyklische Zuteilung des Frequenzbandes für einen bestimmten Zeitabschnitt (Zeitslot) Im GSM zusammen mit FDMA benutzt Vorteile: - kurzzeitige exklusive Nutzung des Mediums (störsicher) - höhere Auslastung möglich Nachteile: - genaue Synchronisation nötig TDMA mit FDMA

25 2.6 Spreizspektrumtechniken Problem: Löschung von Signalen durch schmalbandige Störung oder frequenzabhängiges Fading Lösung: Aufspreizung eines schmalbandigen Signals auf breiten Frequenzbereich Zwei Spreizvarianten: Codespreizung und Frequenzhopping Spreitzspektrumübertragung mit Codespreizung

26 2.6 Spreizspektrumtechniken Codespreizverfahren DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): XOR Verknüpfung des Signals mit Pseudozufallszahl (Chipping Sequence) mehrere Chips pro Bit (z.b. 128) benötigen höhere Bandbreite

27 2.6 Spreizspektrumtechniken Vorteile DSSS: Reduzierung von schmalbandigen Störungen Mehrfachnutzung von Frequenzen (CDMA) abhörsicher, da gespreiztes Signal als Rauschen erkannt wird Nachteil: exakte Steuerung notwendig Anwendung: IEEE Mobilfunknetze der 3. Generation

28 2.6 Spreizspektrumtechniken Frequenzsprungverfahren FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz, bestimmt durch Zufallszahl 2 Varianten: - schneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzwechsel pro Nutzdatenbit - langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz

29 2.6 Spreizspektrumtechniken Vorteile FHSS: Reduzierung von schmalbandign Störungen Mehrfachnutzung von Frequenzen einfachere Implementierung als DSSS Nachteile: weniger robust einfacher abzuhören Anwendung: IEEE

30 2.7 CDMA (Code Division Multiple Access) Anwendung der Spreiztechniken Codespreizung (DS-CDMA) und Frequenzsprung (FH-CDMA) Verknüpfung des Signals mit einer eindeutigen Zufallszahl Chipfolge (DS-CDMA) oder Frequenzsprungsequenz (FH-CDMA) Mehrfachnutzung eines Frequenzbandes durch Einsatz orthogonaler Codes Vorteile: - großer Coderaum (z.b 2 32 ) im Gegensatz zu Frequenzraum - implizite Verschlüsselung Nachteile: - hohe Komplexität bei Signalregenerierung - alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein

31 3 Beispiel GSM Zeit- und Frequenzmultiplex im GSM: Trägerfrequenzen und TDMA-Rahmen im GSM-Netz