Mobilkommunikationsnetze - Funkübertragung · • Modulation von digitalen Signalen durch...

MobilkommunikationsnetzeVorlesung

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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-ThielFachgebiet Integrierte Kommunikationssystemewww.tu-ilmenau.de/iks

Mobilkommunikationsnetze- Funkübertragung -

Vorlesung

Andreas Mitschele-Thiel


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Inhalt• Elektromagnetisches Spektrum• Signale• Antennen• Signalausbreitung• Modulation• Frequenzspreizverfahren• Multiplexing


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Elektromagnetisches Spektrum

VLF LF MF HF

1 Mm300 Hz

10 km30 kHz

100 m3 MHz

1 m300 MHz

GSM, UMTS, LTEDECT, WLAN

10 mm30 GHz

VHF UHF

100 µm3 THz

1 µm300 THz

SHF EHF Infrarot UV

DCF77UKW-Radio Flugfunk Satellitenfernsehen

Twisted-Pair Kabel(bspw. Ethernet)

Optische Übertragungen(IR-Fernbedienung, Glasfaser)

OM1-4, OS 1 & 2Glasfaser850 - 1500 nm


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Frequenznutzung• HF und niedriger

– spielen nur für Spezialanwendungen eine Rolle• VHF/UHF

– Radio, Fernsehen– Relativ kleine, einfache Antennen– gute Ausbreitungscharakteristik (geringe Reflektionen,

geringer Verlust, Durchdringung von Wänden)• SHF und höher

– Richtfunk– kleine Antennen, gute Fokussierbarkeit– keine Durchdringung von Wänden


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Signale• physische Repräsentation der Daten• Funktion von Zeit und Ort• Signalparameter: Repräsentation der Datenwerte• Klassifikation

– Zeit: kontinuierlich ↔ diskret– Wertebereich: kontinuierlich ↔ diskret

analog = zeit- & wertkontinuierlichdigital = zeit- & wertdiskret


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Signale• Parameter periodischer Signale:

– Periode t / Frequenz f = 1/t– Amplitude A– Phasenverschiebung φ

• Trägersignale als Spezialfall → Sinusschwingungen s(t) = At sin(2 π ft t + φt )

Amplitude Frequenz Phase


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Signale• Signaldarstellungen

• Komplexere Signale → Überlagerung mehrerer Frequenzen

• Überführung in Frequenzbereich mittels Fouriertransformation

A

tϕ

Zeitbereich(Amplitude, Phasen-verschiebung)

f

A

Frequenzbereich(Amplitude, Frequenz)

I = A cos(ϕ)

ϕ

A

Q = A sin(ϕ)

Phasendarstellung(Amplitude, Phasein Polarkoordinaten)


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Signale• J. Fourier: jedes periodische Signal g(t) kann durch eine

Überlagerung von Sinus- und Cosinusschwingungendargestellt werden

𝑔𝑔 𝑡𝑡 =12𝑐𝑐 + �

𝑛𝑛=1

∞

𝑎𝑎𝑛𝑛 sin 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝑡𝑡 + �𝑛𝑛=1

∞

𝑏𝑏𝑛𝑛 cos 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝑡𝑡

t

0

1

Ideales periodisches Signal Annäherung durch Überlagerungvon Sinus- & Cosinussignalen


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Antennen• Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen• theoretisches Modell: isotroper Strahler

– idealer Punktstrahler– gleichmäßige Abstrahlung in alle Richtungen reale Antennen immer mit Richtcharakteristik

x

y

z

x

z

y


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Antennen: einfache Dipole• einfache Antennen: Dipole

– Länge λ/4– Länge λ/2 (Hertzscher Dipol) Antennenlänge proportional zur Wellenlänge

• Antennengewinn: Konzentration der Antennenleistung auf die Hauptkeule(n)

• Beispiel: Charakteristik eines Hertzschen Dipols(Antenne entlang z-Achse ausgerichtet)

λ/4 λ/2

x

y

z

x

z

y


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Antennen: Richt- und Sektorantennen• Abstrahlung in eine Hauptrichtung• gerichtete Verbindungen

– Basisstationen im Mobilfunk– Richtfunk

x

y

x

z

y

z

Richtantenne (in Richtung z-Achse strahlend)

Sektorantenne (3 Sektoren) Sektorantenne (6 Sektoren)


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Antennen: Diversity• Verwendung mehrerer paralleler Antennen zwecks

Verbesserung der Empfangsleistung• Switched Diversity, Selection Diversity

– Auswahl der Antenne mit der größten Ausgangsleistung• Diversity Combining

– Addition mehrerer Empfangssignale zur Steigerung der Signalstärke → Gleichphasigkeit notwendig!


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• Übertragungsreichweite– Kommunikation möglich– geringe Fehlerrate

• Erkennungsreichweite– Signal wird als solches erkannt– keine Kommunikation möglich

• Interferenzreichweite– keine Erkennung als Signal

möglich– erhöhtes Hintergrundrauschen

Signalausbreitung

Sender

Übertragung

Erkennung

Interferenz


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Signalausbreitung• im freien Raum: wie Licht (Sichtlinie)• empfangene Leistung ~ 1/d² (d = Abstand Sender –

Empfänger)• zusätzliche Einflüsse:

– Fading (frequenzabhängig)– Abschattung– Reflektion– Beugung– Streuung


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Signalausbreitung• Beispiele:


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Signalausbreitung• Mehrwegeausbreitung:

– durch Reflektion, Beugung etc. gelangt Signal auf mehreren Wegen zum Empfänger

• zeitliche Diversität:verschiedene Pfade = verschiedene Ausbreitungs-verzögerungen Intersymbolinterferenz (ISI)

• Phasenverschiebung Auslöschung möglich

Sender Empfänger


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Signalausbreitung: Mobilität• Veränderung des Übertragungssignals

– Slow Fading (langsame Änderung der durchschnittlichen Empfangsstärke)

• Entfernung oder Annäherung an Sender• weit entfernte Hindernisse

– Fast Fading (kurzzeitige, schnelle Änderung der Empfangsstärke)

• Auslöschung durch Mehrwegeausbreitung

• nahe Hindernisse (Abschattung)

Leistung

Zeit

SlowFading

FastFading


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Modulation• Veränderung eines Trägers (hochfrequent) durch ein

Nutzsignal (niederfrequent)• Motivation

– kleinere Antennen– Verfügbarkeit von Frequenzbändern– Frequenzmultiplexing– Ausnutzung der Charakteristik des Übertragungsmediums

• Grundlegende Modulationsverfahren– Amplitudenmodulation (AM)– Frequenzmodulation (FM)– Phasenmodulation (PM)


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Modulation• Analoge Modulation

– Verschiebung der Mittenfrequenz des Basisbandes auf die Trägerfrequenz

• Digitale Modulation– Transformation des digitalen in ein analoges Signal

(Basisband)– ASK, FSK, PSK (siehe folgende Folien)– je nach Verfahren unterschiedliche spektrale Effizienz,

Leistungsausnutzung und Robustheit


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Modulation

digitaleModulation

011001110 analogeModulation

Basisband(analog)

Trägerfrequenz

Sendesignal

analogeDemodulation 011001110digitale

Demodulation

Basisband(analog)

Trägerfrequenz

empfangenes Signal


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• Modulation von digitalen Signalen durch Umtastung(Shift Keying)

• Amplitude Shift Keying (ASK):– sehr einfach– geringer Bandbreitenbedarf– sehr anfällig für Störungen

• Frequency Shift Keying (FSK):– höherer Bandbreitenbedarf– robuster gegen Fading

• Phase Shift Keying (PSK):– komplexer– robust gegen Störungen

Modulation: Digital

1 0 0 1 1

1 0 0 1 1

1 0 0 1 1


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Modulation: Kodierungen• Abbildung Bitfolge (1...n Bit) Symbol moduliertes

Signal• Ziel: möglichst hohe Übertragungsrate• begrenzt durch:

– Kanalbandbreite– Signal-Rausch-Abstand Gesetz von Shannon

• Bespiele– BSPK– QSPK– QAM


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Modulation: BPSK• Binary Phase Shift Keying

– Bitwert 0: Sinuswelle– Bitwert 1: invertierte Sinuswelle– sehr einfaches PSK– geringe Spektraleffizienz– robust, Verwendung bspw. in Satellitensystemen

01

Q

I

1 0 0 1 1


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Modulation: QPSK• QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):

– 2 Bit = 1 Symbol – geringerer Bandbreitenbedarf als BPSK– Pulsformung zur Bandbreitenbegrenzung

01

Q

I

00

10 11

01 11 00 10 10


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Modulation: QAM• QAM

– Kombiniert Amplituden- und Phasenmodulation– Übertragung mehrerer Bits pro Symbol Bitrate > Symbolrate

– Bitfehlerrate steigt mit höherer Symbolanzahl• Beispiel: 16-QAM (4 Bit = 1 Symbol)

– Symbole 0011 und 0001:gleiche Phase, verschiedene Amplitude

– 0000 und 1000:verschiedene Phase, gleiche Amplitude

ϕ

Q

I

0011

0001

0000

1000


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Welche Datenrate lässt sich erzielen?Theorem von Claude Shannon (1950):Die Kanalkapazität C ist durch folgende Faktoren begrenzt:• Verfügbare Bandbreite B des Kanals • Störspannungsabstand des Nutzsignals

– Stärke des Empfangssignals S– Stärke von Störsignalen und Rauschen N

Signal-to-noise ratio SNR


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Frequenzspreizverfahren (Spread Spectrum)• Problem: frequenzabhängige Störungen behindern

schmalbandige Signale Bandbreite erhöhen (spreizen)

• Nebeneffekte:– parallele Nutzung des Mediums ohne dynamische

Koordination Nutzer mit anderem Spreizcode gehen im Rauschen unter

– Abhörsicherheit ohne Kenntnis des Spreizcodes keine Demodulation möglich

• Beispiele: – Direct Sequence (UMTS, WLAN)– Frequency Hopping (slow FH: GSM, fast FH: Bluetooth)


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Frequenzspreizverfahren• Effekte von Störern

dP/df

f

dP/df

f

Spreizung

Senderseite

dP/df

f

Störung durch Kanal

dP/df

f

EntspreizungdP/df

f

Bandpass

EmpfängerseiteNutzsignalBreitbandstörungenSchmalbandstörungen


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Frequenzspreizverfahren: DSSS• Direct Sequence Spread Spectrum• Signal XOR Chipping Sequence (pseudozufällige

Sequenz)– durch viele Chips/Bit (bspw. 128):

Bandbreitenerhöhung• Vorteile

– reduziert frequenzabhängiges Fading– zur Kanalteilung in Funknetzen– alle Basisstationen im selben

Frequenzbereich– Unterscheidung durch verschiedene

Codes (CDMA)• Nachteile

– für CDMA: präzise Leistungssteuerung nötig

tb

0 1

0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1

0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0

Nutzdaten

XOR

ChippingSequence

=übertrageneDaten

tc

tb Bitlängetc Chiplänge


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Frequenzspreizverfahren: DSSS

X ModulatorNutzdaten

ChippingSequence Trägerfrequenz

gespreiztesSignal Sendesignal

Demodulator X Integrator EntscheidungEmpfangssignal

Trägerfrequenz ChippingSequence

NutzdatenProdukte

Korrelator

Sender

Empfänger

SignalsummenBasisbandsignal


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Frequenzspreizverfahren: FHSS• Frequency Hopping Spread Spectrum• ständige Änderung der Trägerfrequenz

– Pseudo-zufällige Sequenz bestimmt Frequenzsprünge• 2 Varianten

– Fast Hopping: mehrere Sprünge pro Nutzdatenbit– Slow Hopping: mehrere Bits pro Sprung (Beispiel Bluetooth: ein

Frame pro Sprung)• Vorteile

– frequenzabhängige Störungen/Dämpfung nur kurzzeitig– einfache Implementierung– nur kleiner Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt besetzt

• Nachteile– weniger robust als DSSS– einfacher zu erkennen (Stichwort: Abhörsicherheit)


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Frequenzspreizverfahren: FHSS

Modulator(digital)

Modulator(analog)

Nutzdaten

Trägerfrequenz(variabel)

schmalbandigesSignal Sendesignal

Demodulator(analog)

Empfangssignal

Trägerfrequenz(variabel)

Nutzdaten

Sender

Empfänger

Frequenz-generator

HoppingSequence

Frequenz-generator

HoppingSequence

Demodulator(digital)

schmalbandigesSignal


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Frequenzspreizverfahren: FHSS

f3

f2

f1

f3

f2

f1

Nutzdaten

Slow Hopping(3 Bit/Hop)

Fast Hopping(3 Hops/Bit)

tb: Bitlänge td: Verweilzeit

tb

td

tb


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Multiplexing• Ziel: Verwendung des gemeinsamen Mediums durch

mehrere Teilnehmer• 4 Dimensionen

– Raum (s)– Zeit (t)– Frequenz (f)– Code (c)

• Wichtig: guard spaces (bei jedem Verfahren)


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Multiplexing: Raummultiplex• Trennung verschiedener Übertragungen durch

ausreichenden Abstand

Sender 1 Sender 2

Übertragung 1 Übertragung 2


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Multiplexing: Frequenzmultiplex• Aufteilung des Spektrums in kleinere Bänder• Ein Kanal = ein Frequenzband (dauerhaft)• Vorteile:

– keine dynamische Koordination– für analoge Signale möglich

• Nachteile:– unflexibel – Bandbreitenverschwendung

bei ungleicher Last

Sender 1

Sender 2

Sender 1 Sender 2Frequenz


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Sender 1 Sender 2 Sender 1

Multiplexing: Zeitmultiplex• Vergabe des gesamten Spektrums zu einem bestimmten

Zeitpunkt• Vorteile:

– nur ein aktiver Carrier im Medium– hoher Durchsatz auch für viele Nutzer

• Nachteile:– Genaue Synchronisation nötig

Zeit


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Multiplexing: Codemultiplex• Ein Kanal = ein Code• Alle Kanäle benutzen das gesamte Spektrum• Vorteile:

– effiziente Bandbreitennutzung– Koordination/Synchronisation unnötig– Schutz gegen Störungen und Abhören

• Nachteile:– komplexere Empfänger (bspw. DSSS)– Umsetzung mittels Frequenzspreizverfahren


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Multiplexing: Zellenbasierte Systeme• Mobile Geräte kommunizieren nur via Basisstation• Vorteile

– höhere Kapazität durch geringere Reichweite – geringere benötigte Sendeleistung– robuster durch Dezentralisierung (je nach System/Anbindung)– Interferenzen, ausgeleuchteter Bereich etc. können

unterschiedlich behandelt werden• Nachteile:

– Anbindung der Basisstationen notwendig– Handover (Zellenwechsel) und Paging (Lokalisierung) nötig– Interferenz zwischen Zellen

• typische Zellgrößen: dutzende Meter (WLAN, LTE Femtozellen) bis mehrere Kilometer (GSM max. 35 km)


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Multiplexing: Zellenbasierte Systeme• Ressourcenplanung

– Wiederverwendung von Ressourcen(Frequenzen, Codes, Zeitscheiben)in hinreichendem Abstand Raummultiplex

– Beispiel: 3-Zellen-Cluster

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