UMTS_Spreizspektrumtechnik

UMTS

Der Vorteil liegt aber nicht nur in der Vereinheitlichung aller bisherigen Standards, sondern auch in der größeren Kapazitätsleistung. Größere Datenmengen von bis zu 2 MB pro Sekunde können übertragen werden. Dank der größeren Bandbreite der Frequenzkanäle (5MHz statt 200kHz bei GSM) wird das UMTS-Funknetz Multimedia-Anwendungen ermöglichen. Das heißt, dass mit UMTS Sprache, Daten, Text, Bilder, Audio und Video übertragen werden können. Reine Sprachübertragung wird zu einem großen Teil aufgrund der geringeren Kosten weiterhin über GSM abgewickelt werden.Das UMTS Universal Mobile Telecommunication Systemfolgt einem Standard der 3. Mobilfunk Generation und ist unmittelbarer Nachfolger von GSM und GPRS.Wie aus den nachfolgenden Abbildungen hervorgeht, existieren die Netze der Generationen 2 (GSM), 2,5 (GPRS) und 3 (UMTS) parallel.Zur Sicherung der Mobilfunkverbindung auf den internationalen Territorien müssen Mobilfunkgeräte der 3. Generation zu GSM und GPRS kompatibel sein.Damit ist für den Besitzer eines UMTS-fähigen Mobiles die durchgängige Funkverbindung auf.Die Spreizspektrumtechnik macht es möglich das Information unterhalb des Rauschpegels gesendet werden kann. Shannon- Hartly- Gesetz:

S…. Signalleistung N…. Rauschleistung B…. Analoge BandbreiteC…. Kanalkapazität (bit/s)

Frage_5_UMTS Spreizspektrumtechnik

SpektrumDas Frequenzspektrum für UMTS liegt zwischen 1900 MHz und 2025 MHz sowie zwischen 2110 MHz und 2200 MHz. Für die Satellitenebene (MSS - Mobile Satellite Service) ist ein eigenes Frequenzband innerhalb des UMTS-Spektrums spezifiziert (Aufwärtsstrecke 1980MHz bis 2010 MHz, Abwärtsstrecke 2170 MHz bis 2200 MHz). Das verbleibende Spektrum für die erdgestützte (terrestrische) Anwendung wird auf zwei Betriebsarten aufgeteilt. In der Betriebsart Frequenzduplex (FDD - Frequency Division Duplex) stehen zwei gleich große Frequenzbänder, eines für die Aufwärtsstrecke (1920 MHz bis 1980 MHz), und das andere für die Abwärtsstrecke (2110 MHz bis 2170 MHz) zur Verfügung. In der Betriebsart Zeitduplex (TDD - Time Division Duplex) werden die Aufwärtsstrecke und die Abwärtsstrecke nicht durch verschiedene Trägerfrequenzen, sondern durch verschiedene Zeitschlitze auf derselben Frequenz realisiert. Daher benötigt man in der Betriebsart Zeitduplex kein symmetrisches Spektrum, sondern kann das verbleibende Spektrum nutzen.

Dienste

Klasse Name Beschreibung Anwendungen

1 Conversational

zeitlich konstante Datenübertragung (Zeitverzögerung <400 ms)

Sprache, Videotelefonie

2 Streaming zeitlich konstante Datenübertragung

Multimedia Streaming, Video on Demand

3 Interactive geringe Bitfehlerrate und kurze Internet-Zugang


Zeitverzögerung

4 Background geringe Bitfehlerrate E-Mail, SMS, Datentransfer

MultiplexverfahrenUMTS verwendet das WCDMA-Multiplexverfahren, das zur Familie der Frequenzspreizverfahren gehört. WCDMA steht für Wideband Code Division Multiple Access, "Wideband" deswegen, weil UMTS für einen Frequenzkanal eine Bandbreite von 5MHz verwendet. Die diversen Teilnehmer werden bei UMTS nicht in Frequenz- bzw. Zeitkanäle aufgeteilt, wie z.B. bei GSM, sondern durch Zuordnung eines für jeden Teilnehmer spezifischen Codes, der es ermöglicht, dass die Teilnehmer differenzierbar bleiben also sich nicht gegenseitig beeinflussen. Das bedeutet, dass alle Teilnehmer über denselben Frequenzkanal und zur gleichen Zeit (Zeitschlitz) kommunizieren. Damit dies funktioniert, müssen die jeweils zugewiesenen Codes eine bestimmte Bedingung erfüllen: Alle zugewiesenen Codes müssen zueinander orthogonal sein!

CDMA- Verfahren

Das Code-Division-Multiple-Access-Verfahren (CDMA-Verfahren) basiert auf der Trennung der Übertragungskanäle durch Codes. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist die Übertragung eines schmalbandigen Funksignals in einem breiten Frequenzspektrum, wobei das schmalbandige Signal durch eine geeignete Codiervorschrift auf ein breitbandiges Signal abgebildet wird. Man spricht in diesem Zusammenhang von Codespreizung. Das CDMA-Verfahren bietet folgende Vorteile:

• Ein Vorteil des CDMA-Verfahrens ist, dass durch die Codierung die Teilnehmerdaten vertraulich bleiben und deshalb ein kryptographisches Verfahren zum Schutz der übertragenen Daten wahrscheinlich entfallen kann.

• Systeme, in denen CDMA angewandt wird, sind störsicherer als FDM- und TDM-Systeme, dies gilt sowohl für atmosphärische als auch für gezielte Störung der Kommunikation.

• Ein weiterer Vorteil gegenüber dem TDMA-Verfahren ist, dass in CDMA-Systemen keine Zeitsynchronisation der verschiedenen Sender erforderlich ist. Sie sind aufgrund des Codes selbstsynchronisierend.

Ein systembedingter Nachteil im CDMA-Verfahren ist, dass Sender und Empfänger synchrone Pseudozufallsfolgen generieren müssen. Wenn mehrere Stationen gleichzeitig übertragen, können zufällige statistische Überlagerungen entstehen, die zu Fehlern führen und Maßnahmen zur Fehlererkennung bzw. -korrektur erfordern. CDMA weist jedem eingehenden Signal einen speziellen Code (eine eigene Sprache) zu anhand dessen der Empfänger des Signals dieses erkennen und decodieren kann. Im Unterschied zu TDMA bzw. FDMA (Frequency Division Multiple Access) ist CDMA auch eine Breitbandtechnik, d.h. jeder Teilnehmer nutzt beim Datentransfer das gesamte Frequenzspektrum und nicht nur rasch aufeinander folgende Zeiteinheiten bzw. kleine Frequenzausschnitte.


http://umtslink.at/UMTS/wcdma.html

http://umtslink.at/UMTS/Spreizverfahren.htm

Signalaufbereitung

Bit: binäre Einheiten des Ausgangssignals (Nutzdaten) Symbol: binäre Einheiten nach der Kanalkodierung (Nutzdaten+ Prüfbits) Chip: binäre Einheiten nach der Spreizung (Nutzdaten+ Prüfbits+ Spreizcode)

1.) Quellkodierung Sprachkodierung reduziert Bitrate

2.) Kanalkodierung Die Kanalkodierung hat die Aufgabe der Fehlererkennung und Korrektur. Bei aufwendigen Kanalkodierungen verringert sich die Nutzbitrate und es können weniger Daten übertragen werden. Bei einer einfachen Kanalkodierung entstehen mehr Bitfehler, die für manche Dienste auf Kosten der Datenrate in Kauf genommen werden. Es werden je nach verwendeter Kanalkodierung Bits hinzugefügt. Die binären Einheiten heißen nicht mehr Bit sondern Symbole. Kodierrate= Bitrate/ Symbolrate

3.) Spreizkodierung Der Symbolstrom wird mit den definierten Spreizcode multipliziert. Das gesamte Signal erhält die Rate des Spreizcodes und dessen Bandbreite. Das Signal kann nur mit dem richtigen (gleichen) Spreizcode im Empfänger rekonstruiert werden. Die binären Einheiten des gespreizten Signals werden Chip genannt. Hört man den Begriff Chip so ist immer das gespreizte Signal gemeint. Die Multiplikation des Signals mit dem Spreizcode entspricht einer XOR- Verknüpfung. (SF) Spreizfaktor= Chiprate/ Symbolrate

Spreizung und Verwürfelung:


1.) Das Signal wird mit dem OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor/ Spreizfaktor) multipliziert.

2.) Das gespreizte Signal wird mit der PN- Sequenz (Verwürfelungscode) verwürfelt.

Ergebnis: Das entstehende Codesignal wird über den Mobilfunkkanal übertragen. Es hat eine höhere Datenrate als das Nutzsignal. Zusammenhang von SF, Nutzdatenrate und Übertragungsrate

SpreizfaktorMit dem Spreizfaktor wird die Datenrate von UMTS gesteuert. Je höher der Spreizfaktor desto niedriger ist die Datenrate. Für die Datenrate von 2 Mbit/s darf maximal ein SF=4 verwendet werden. Je höher der Spreizfaktor desto höher ist der Prozessgewinn.


Prozessgewinn

Durch die Spreizung ändert sich auch die spektrale Leistungsdichte des Signals. Die Leistung des Ausgangsignals wird nach der Spreizung auf den gesamten Frequenzbereich verteilt. Da sich alle Signale denselben Funkkanal teilen, demoduliert der Empfänger das gewünschte Signal mit den individuellen Code. Es werden aber auch alle anderen unerwünschten Signale demoduliert. Es entscheidet das Verhältnis aus Nutzsignal zu alle störenden Signale, ob die Information empfangen werden kann.

Der Prozessgewinn hat in einem CDMA-System eine besondere Bedeutung. Man muss nämlich Nutzsignale, die einen größeren Spreizfaktor (SF) verwenden und somit auch eine geringere Datenrate haben, mit weniger Leistung über die Antenne übertragen als Signale mit hoher Datenrate. Grund dafür ist, dass Signale mit größerem Spreizfaktor auch einen größeren Prozessgewinn haben, da durch die Dekodierung das Signal "mathematisch" durch den Spreizfaktor "verstärkt" wird. So hat das ursprüngliche Nutzsignale die diskreten Werte "-1" und "+1". Bei Verwendung des Spreizfaktors 4 hat das dekodierte Signal bereits die "verstärkten" Werte "-4" bzw. "+4", bei einem Spreizfaktor 128 wären die dekodierten Werte bereits bei "-128" oder "+128".

Die Erzeugung von Kanälen im UMTS


Parameter eines physikalischen Kanals: Frequenzkanal Bandbreite Code

schmalbandiger Kanal → geringe Bitratebreitbandiger Kanal → hohe Bitrate

Spreizung


Scramblingcode (Verwürfelungscode)

UMTS verwendet das Codemultiplexverfahren WCDMA, das für die orthogonale Kodierung und die Bandspreizung den Spreizcode verwendet. Dieser Spreizcode hat die angenehme Eigenschaft, dass alle seine Codes zu 100% orthogonal zueinander sind. Dies gilt aber nur, falls alle kodierten Signale synchron zueinander sind. Das System funktioniert bei fehlender Synchronisation nicht mehr zuverlässig. Der Verwürfelungscode gewährleistet das jeder Sender einen eigenen Code besitzt der zu allen anderen Codes orthogonal ist. Somit kann im Empfänger mit dem richtigen Code das richtige Signal decodieren. Jede Basisstation erhält bei der Zellplanung einen eigenen Scramplingcode, somit können die Zellen untereinander unterschieden werden. Es wird dadurch gewährleistet das jede Basisstation und Mobilstation(UE) ihren eigenen individuellen Code besitzt der eindeutig im System erkannt wird.

Prinzip der Verwürfelung:

Spreizvorgang:


http://umtslink.at/UMTS/wcdma.html

1.) Multiplikation mit den individuellen Spreizcode2.) Addierung zum Summensignal, das Summensignal ist 3-wertig!!!

Entspreizung


1.) Multiplikation des Summensignals mit den individuellen Spreizcode 2.) Mittelung (Integration) über eine Symbolperiode T.Voraussetzung:Kenntnis des verwendeten Spreizcodes und eine hochgenaue Synchronisation des Empfängers.


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