Zeit- und Frequenzmultiplex

Transkript

1 Zeit- und Frequenzmultiplex Kombination der oben genannten Verfahren Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt Beispiel: GSM Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich aber: genaue Koordination erforderlich c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f t 74

2 Cognitive Radio Typically in the form of a spectrum sensing CR Detect unused spectrum and share with others avoiding interference Choose automatically best available spectrum (intelligent form of time/frequency/space multiplexing) Distinguish Primary Users (PU): users assigned to a specific spectrum by e.g. regulation Examples Secondary Users (SU): users with a CR to use unused spectrum Reuse of (regionally) unused analog TV spectrum (aka white space) Temporary reuse of unused spectrum e.g. of pagers, amateur radio etc. SU f PU SU SU PU PU SU SU PU PU SU SU PU space mux PU PU PU PU PU SU SU SU frequency/time mux t 75

3 Codemultiplex Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden Vorteile: Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation notwendig Schutz gegen Störungen Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung Realisierung: Spreizspektrumtechnik t c f 76

4 Zellenstruktur Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile der Zellenstruktur: mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbar weniger Sendeleistung notwendig robuster gegen Ausfälle überschaubarere Ausbreitungsbedingungen Probleme: Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig Störungen in andere Zellen Konzentration in bestimmten Bereichen Zellengröße von z.b 100 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen) 77

5 Frequenzplanung I Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden Modell mit 7 Frequenzbereichen: Feste Kanalzuordnung: bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnet Problem: Wechsel in Belastung der Zellen Dynamische Kanalzuordnung: Kanäle einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Kanälen der benachbarten Zellen gewählt mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich k4 k3 k5 k1 k2 k3 k6 k7 k2 k4 k5 k1 78

6 Frequenzplanung II f 3 f 1 f 2 f 3 f 2 f 1 f 3 f 2 f 1 f 2 f 3 f 1 f 1 f 3 f 2 3 Zellen/Cluster f 3 f 3 f 3 7 Zellen/Cluster f 2 f 4 f 5 f 1 f 3 f 2 f 3 f 2 f 6 f 7 f 4 f 5 f 3 f 7 f 1 f 6 f 5 f 2 f 2 f 2 f 2 f f 1 3 h f 3 h f 3 h 2 h 2 1 h g h 3 g 1 g 3 g 3 f 1 f 1 g 2 g g 2 1 g g Zellen/Cluster plus 3 Sektoren/Zelle 79

7 Zellatmung CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last ab Zusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere Nutzer aus Wenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus 80

8 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 81

9 Modulation Digitale Modulation digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz Motivation kleinere Antennen (z.b. /4) Frequenzmultiplex Mediencharakteristika Varianten Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM) 82

10 Modulation und Demodulation analoges Basisbandsignal digitale Daten digitale analoge Modulation Modulation Sender Trägerfrequenz analoge Demodulation analoges Basisbandsignal Synchronisation Entscheidung digitale Daten Empfänger Trägerfrequenz 83

11 Digitale Modulationstechniken Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet Amplitudenmodulation (ASK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig t Frequenzmodulation (FSK): größere Bandbreite für Telefonübertragung t Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung relativ störungssicher t 84

12 Fortgeschrittene FSK-Verfahren Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand bis auf den halben Wert der Bitrate verringert werden MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying) Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt, die Bitdauer wird dabei verdoppelt Anhand der Bitwerte der beiden Kanäle werden die beiden Trägerfrequenzen mit ihrer Ausrichtung zugeordnet Höhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe Schwingung mehr aus Äquivalent zu Offset-QPSK Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator GMSK (Gaussian MSK), z.b. bei GSM, DECT eingesetzt 85

13 Beispiel für MSK als Modulationstechnik Daten gerade Bits ungerade Bits Bit gerade ungerade Signal- h n n h wert niedere Frequenz hohe Frequenz h: hohe bzw. n: niedere Frequenz +: positive bzw. -: negative Ausrichtung MSK- Signal t Keine Phasensprünge! 86

14 Fortgeschrittene PSK-Verfahren BPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren spektral ineffizient robust, in Satellitensystemen benutzt QPSK (Quaternary Phase Shift Keying): 2 Bits werden in ein Symbol kodiert Symbol entspricht phasenverschobenem Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK benötigt komplexer Oft Übertragung der relativen Phasenverschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.b. IS-136, PHS Q Q 11 I I 87

15 Quadraturamplitudenmodulation Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren Aufteilung von Bits oder Bitgruppen auf zwei Kanäle getrennte Amplitudenmodulation dieser Kanäle auf zwei um 90 phasenverschobene Träger, die dann addiert werden Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren 2 n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren PSK-Verfahren Q Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol) Die Symbole 0011 und 0001 haben 0011 gleiche Phase und unterschiedliche 0000 Amplitude und 1000 haben φ unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude. a I

16 Hierarchische Modulation DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-T- Strom Datenstrom hoher Priorität (HP) eingebettet in einen mit niederer Priorität (LP) Mehrfachträgersystem, etwa 2000 oder 8000 Träger QPSK, 16 QAM, 64QAM Q Beispiel: 64QAM Guter Empfang: Nutzung der 64QAM-Konstellation 10 Schlechter Empfang (z.b. mobil): Nutzung nur des QPSK-Teils I 6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertige bestimmen QPSK HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), 00 LP nutzt verbleibende 4 bit

17 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 90

18 Spreizspektrumtechnik Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen Schutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen Störsignal gespreiztes Nutzsignal Detektion im Empfänger Nutzsignal gespreiztes Störsignal Beseitigung eines Schmalbandstörers Nebeneffekte: Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination Abhörsicherheit Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping 91

19 Auswirkungen von Spreizen und Interferenz dp/df dp/df Nutzsignal i) f ii) f breitbandige Interferenz schmalbandige Interferenz dp/df Sender dp/df dp/df iii) iv) v) f f f Empfänger 92

20 Spreizen und frequenzselektives Fading Kanalqualität schmalbandige Kanäle Frequenz schmalbandige Signale Schutzabstand Kanalqualität gespreizte Kanäle gespreizte Signale Frequenz 93

21 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I XOR des Signals mit einer Pseudozufallszahl (chipping sequence) viele chips pro Bit (z.b. 128) resultiert in einer höheren Bandbreite des Signals Vorteile reduziertes frequenzabhängiges Fading t b in zellularen Netzen Nachteile Basisstationen können den gleichen Frequenzbereich nutzen mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren weiche handover exakte Leistungssteuerung notwendig 0 1 t c t b : Bitdauer t c : chip Dauer Nutzdaten XOR chipping sequence = resultierendes Signal 94

22 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II Nutzdaten X gespreiztes Signal Modulator übertragenes Signal chipping sequence Sender Korrelator empfangenes Signal Demodulator Tiefpassgefiltertes Signal X Produkt Integrator Summen Entscheidung Nutzdaten Trägerfrequenz Trägerfrequenz chipping sequence Empfänger 95

23 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz Sequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen bestimmt Zwei Versionen schneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz Vorteile frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt Nachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören 96

24 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II t b Nutzdaten f f 3 f 2 f 1 f f 3 f 2 f t d t d t b : bit period t t t t d : dwell time slow hopping (3 bit/hop) fast hopping (3 hops/bit) 97

25 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III Nutzdaten Modulator schmalbandiges Signal Modulator gespreiztes Sendesignal Sender Frequenzsynthesizer Sprungsequenz Empfangssignal Demodulator schmalbandiges Signal Demodulator Nutzdaten Sprungsequenz Frequenzsynthesizer Empfänger 98

26 Software Defined Radio Basic idea (ideal world) Real world Full flexibility wrt modulation, carrier frequency, coding Simply download a new radio! Transmitter: digital signal processor plus very fast D/A-converter Receiver: very fast A/D-converter plus digital signal processor Problems due to interference, high accuracy/high data rate, low-noise amplifiers needed, filters etc. Examples Joint Tactical Radio System GNU Radio, Universal Software Radio Peripheral, Application Signal Processor D/A Converter Application Signal Processor A/D Converter 99

27 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes 100

28 Considering Noise: SNR Noise at receiver: N 0 Reception power: S RX Signal to Noise Ratio (SNR) Reception possible if SNR satisfies 101

29 Signal to Noise Interference Ratio Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen WS 12/13 102

30 What Means Reception Possible? Definition: BER = Bit error rate Noise adds to signal Makes correct reception of Bits difficult Low SNR = Low BER High SNR = High BER Bildquelle: Folien der Vorlesung Rechnernetze, Prof. Holger Karl 103

31 Relation between BER and SNR The energy per bit E b [Joule/Bit] Data rate R [Bit/Second] Received power P RX [Watt] The energy per bit over noise BER as a modulation specific function over E b /N 0 104

32 Examples Coherently Detected BPSK Coherently Detected BFSK 0.01 BER e-05 1e-06 Which one is better? BPSK BFSK 1e E b / N 0 [db] Why worst case BER of 0.5? Bildquelle: Folien der Vorlesung Rechnernetze, Prof. Holger Karl 105

33 Shannon-Kapazitätsformel Für ein Signal mit mittlerer Signal-Leistung P [W] und mittlere thermische Rauschleistung N [W] ist das Signal-Rausch-Verhältnis definiert als: Shannon-Kapazitätsformel zur Bestimmung der maximalen Kanalkapazität C [bps] bei gegebener Kanalbandbreite B [Hz] und gegebener SNR am Empfänger (ohne Beweis): 106

34 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes 107

35 Fehlerdetektion check bits Erinnerung an die Vorlesung Grundlagen der Rechnernetze : Parity, Checksumme, CRC WS 12/13 Bildquelle: Drahtlose William Kommunikation Stallings, Data and - Technische Computer Communications, Grundlagen

36 Fehlerdetektion ermöglicht Fehlerkontrolle Erinnerung an die Vorlesung Grundlagen der Rechnernetze : Stop-and- Wait, Go-Back-N, Selective-Reject Einsatz von Fehlerdetektion z.b. auf drahtgebundener Verbindungsebene (z.b. HDLC) auf IP-Transportebene (z.b. TCP) Einsatz im drahtlosen Fall? Probleme: Hohe Bitfehlerrate (im Vergleich zur drahtgebundenen Kommunikation) führt zu häufigen Übertragungswiederholungen Verbindungen mit langer Latenz (im Falle Satellitenkommunikation) erfordert große Übertragungsfenster und damit im Fehlerfall erneute Übertragung vieler Frames Lösung für drahtlose Netze? 109

37 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block-Codes Faltungs-Codes 110

38 Ablauf der Fehlerkorrektur Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, 2004 WS 12/13 111

39 Hamming-Distanz Hamming-Distanz d(v 1, v 2 ) zwischen zwei n-bit-sequenzen v 1 und v 2 Beispiel: vier 4-Bit-Sequenzen mit einer paarweisen Hamming-Distanz von mindestens 2 Wieviele Bit-Fehler können erkannt werden? 112