Teil 2 Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung

Teil 2: Technische Grundlagen § Frequenzen § Signale § Antennen § Signalausbreitung 2/19/2021 Multiplextechniken q Spreizspektrumtechnik q Modulationstechniken q Zellenstrukturen q Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 1

Frequenzbereiche für die Kommunikation verdrillte Drähte 1 Mm 300 Hz Koaxialkabel 10 km 30 k. Hz VLF LF 100 m 3 MHz MF HF Hohlleiter 1 m 300 MHz VHF UHF 10 mm 30 GHz SHF EHF VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) Frequency MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) Frequency optische Übertragung 100 m 3 THz 1 m 300 THz Sichtbares Licht Infrarot UV UHF = Ultra High SHF = Super High EHF = Extra High Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 2

Frequenzbereiche für die Kommunikation verdrillte Drähte 1 Mm 300 Hz Koaxialkabel 10 km 30 k. Hz VLF LF 100 m 3 MHz MF HF Hohlleiter 1 m 300 MHz VHF UHF 10 mm 30 GHz SHF HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) EHF optische Übertragung 100 m 3 THz 1 m 300 THz Sichtbares Licht Infrarot UV UV = Ultraviolettes Licht VHF = Very High Frequency (UKW-Radio) Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge: = c/f mit Wellenlänge , Lichtgeschwindigkeit c 3 x 108 m/s, Frequenz f Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 3

Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation §VHF-/UHF-Bereich für Mobilfunk – handhabbare, einfache Fahrzeugantennen – Ausbreitungsbedingungen vorhersehbar für zeitlich zuverlässige Verbindungen (wenig Überreichweiten, nicht zu stark reflektierte Wellen) §Frequenzen ab SHF-Bereich für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation – überschaubare Antennenabmessungen mit starker Bündelwirkung – größere Bandbreiten verfügbar Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 4

Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation §Für drahtlose LANs Frequenzen ab UHF-Bereich bis SHF-Bereich – geplant auch bis in EHF-Bereich – Begrenzung durch Resonanz von Molekülen (Wasser, Sauerstoff etc. ) • damit starke witterungsbedingte Dämpfungen Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 5

Frequenzen und Regulierungen durch die ITU-R WRC, World Radio Conferences Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 6

Signale I §Physikalische Darstellung von Daten §Zeitabhängig oder ortsabhängig §Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren §Einteilung in Klassen nach Eigenschaften: – zeitkontinuierlich oder zeitdiskret – wertkontinuierlich oder wertdiskret – Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich – Digitalsignal = zeit- und wertdiskret Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 7

Signale I §Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/T, Amplitude A, Phasenverschiebung – Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal: s(t) = At sin(2 ft t + t) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 8

Fourier-Repräsentation periodischer Signale 1 1 0 0 t ideales periodisches Signal t reale Komposition (basierend auf Harmonischen) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 9

Signale II Q = M sin (Quadrature) A [V] t[s] I = M cos (In-phase) f [Hz] § Verschiedene Darstellungen eines Signals: – Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) – Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) – Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel werden in Polarkoordinaten aufgetragen) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 10

Signale II Q = M sin (Quadrature) A [V] t[s] I = M cos (In-phase) f [Hz] § Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar § Digitalsignale besitzen Rechteckflanken – im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite – zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 11

Antennen: isotroper Punktstrahler §Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Felder §Isotroper Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen gleichmäßig ab (nur theoretische Bezugsantenne) §Reale Antennen haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder Horizontalebene §Veranschaulichung im Richtdiagramm (durch Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt) y z z y x x Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes idealer isotroper Punktstrahler 12

Antennen: einfache Dipole /4 /2 § Technische Antennen sind keine isotropen Punktstrahler, aber z. B. Viertelwellenstrahler (auf gut leitendem Grund wie ein Fahrzeigdach) und Halbwellendipole Abmessung einer Antenne ist proportional zur Wellenlänge Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 13

Antennen: einfache Dipole y y x Seitenansicht (xy-Ebene) z z x einfacher Dipol Seitenansicht (yz-Ebene) von oben (xz-Ebene) § Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols § Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 14

Antennen: gerichtet und mit Sektoren y y x z z Seitenansicht (xy-Ebene) Seitenansicht (yz-Ebene) z x gerichtete Antenne von oben (xz-Ebene) z x von oben, 3 Sektoren x Sektorenantenne von oben, 6 Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z. B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 15

§Gruppierung von 2 oder mehr Antennen – Antennenfelder mit mehreren Elementen §Antennendiversität – Umschaltung/Auswahl • Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang – Kombination • Kombination der Antennen für einen besseren Empfang • Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden /2 /4 /2 + Grundfläche Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 16

Signalausbreitungsbereiche Übertragungsbereich – Kommunikation möglich – niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich – Signalerkennung möglich – keine Kommunikation möglich Interferenzbereich – Signal kann nicht detektiert werden – Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei Sender Übertragung Entfernung Erkennung Interferenz Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 17

Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht) Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger) Empfangsleistung wird außerdem u. a. beeinflusst durch §Freiraumdämpfung (frequenzabhängig) §Abschattung durch Hindernisse §Reflexion an großen Flächen §Refraktion in Abhängigkeit der Dichte eines Mediums §Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen §Beugung (diffraction) an scharfen Kanten Abschattung Reflexion Refraktion Streuung Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Beugung 18

Praxisbeispiele Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 19

Mehrwegeausbreitung Signal kommt aufgrund von Reflexion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an Sendesignal Empfangssignal Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 20

RAKE Receiver for Multipath-Propagation Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 21

Auswirkungen der Mobilität Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der Zeit – Übertragungswege ändern sich – unterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignale – unterschiedliche Phasenlage der Signalanteile kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading) Zusätzlich ändern sich – Entfernung von der Basisstation – Hindernisse in weiterer Entfernung langsame Veränderungen in der (durchschnittlichen) Empfangsleistung (langsames Fading) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 22

Auswirkungen der Mobilität kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading) langsames Fading langsame Veränderungen in der Empfangsleistung (langsames Fading) schnelles Fading Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 23

Multiplexen Kanäle ki Multiplexen in 4 Dimensionen: – Raum (ri) – Zeit (t) – Frequenz (f) – Code (c) k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c t r 1 f r 2 f c Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums t r 3 f Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig! Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 24

Frequenzmultiplex (FDMA) Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt k 1 Vorteile: §keine dynamische Koordination nötig §auch für analoge Signale Nachteile: §Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung §unflexibel k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 25

Zeitmultiplex (TDMA) Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt Vorteile: §in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem Medium §Durchsatz bleibt auch bei hoher Teilnehmerzahl hoch Nachteile: §genaue Synchronisation nötig k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 26

Zeit- und Frequenzmultiplex Kombination der oben genannten Verfahren Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt Beispiel: GSM Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen aber: genaue Koordination erforderlich k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 27

Codemultiplex (CDMA) k 1 k 2 k 3 Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert 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: Bandspreiztechnik (Spread Spectrum Technik) k 4 k 5 k 6 c f t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 28

Multiple Access FDMA CDMA TDMA P P P f f f t t t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 29

Modulation Digitale Modulation – digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt – ASK, FSK, PSK (verwendet bei UMTS) Analoge Modulation – verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz Motivation – kleinere Antennen (z. B. /4) – Frequenzmultiplex – Mediencharakteristika Varianten – Amplitudenmodulation (AM) – Frequenzmodulation (FM) – Phasenmodulation (PM) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 30

Modulation und Demodulation digitale Daten 101101001 analoges Basisbandsignal digitale Modulation analoge Modulation Sender Trägerfrequenz analoges Basisbandsignal analoge Demodulation Synchronisation Entscheidung digitale Daten 101101001 Empfänger Trägerfrequenz Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 31

Digitale Modulationstechniken 1 Modulation: Umtastung (Shift Keying) §Amplitudenmodulation (ASK): – technisch einfach – benötigt wenig Bandbreite – störanfällig §Frequenzmodulation (FSK): – größere Bandbreite §Phasenmodulation (PSK): – komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung – relativ störungssicher Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 0 1 t t t 32

PSK-Verfahren BPSK (Binary Phase Shift Keying): – Bitwert 0: Sinusförmiges Signal – Bitwert 1: negatives Sinussignal – einfachstes Phasentastungsverfahren – spektral ineffizient – robust, in Satellitensystemen benutzt Q 1 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 0 I 33

PSK-Verfahren 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 11 10 Q 11 I 00 10 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 01 00 01 34

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 35

Quadraturamplitudenmodulation Beispiel: 16 -QAM (4 Bits entspr. einem Symbol) – Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. – Die Symbole 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude. Q 0010 0011 0000 I 1000 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 36

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, 64 QAM Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 37

Hierarchische Modulation §Beispiel: 64 QAM – Guter Empfang: Nutzung der 64 QAM-Konstellation – Schlechter Empfang (z. B. mobil): Nutzung nur des QPSK-Teils – 6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertige bestimmen QPSK – HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), LP nutzt verbleibende 4 bit Q 10 I 00 000010 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 010101 38

Spreizspektrumtechnik Störsignal Nutzsignal gespreiztes Nutzsignal Detektion im Empfänger gespreiztes Störsignal 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 39

Spreizspektrumtechnik Störsignal Nutzsignal gespreiztes Nutzsignal Detektion im Empfänger gespreiztes Störsignal Vorteil: Beseitigung eines Schmalbandstörers möglich Nebeneffekte: – Koexistenz mehrerer Nutzsignale (gegenseitiges Stören) – Abhörsicherheit Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 40

Principles of Spread Spectrum Transmission Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 41

Principles of CDMA Information sequence (Bit domaine) Spreading sequence (SF=8) Spread information sequence (Chip domaine) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 42

Despreading P P f f t t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 43

Auswirkungen von Spreizen und Interferenz d. P/df i) Nutzsignal breitbandige Interferenz schmalbandige Interferenz ii) f f Sender d. P/df iii) iv) f f Empfänger Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 44

Spreizen und frequenzselektives Fading Kanalqualität 1 2 5 3 6 schmalbandige Kanäle 4 Frequenz schmalbandige Signale Schutzabstand Kanalqualität 1 gespreizte Signale 2 2 gespreizte Kanäle 2 Frequenz Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 45

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 – in zellularen Netzen tb Nutzdaten 0 1 XOR tc chipping sequence 0110101 = resultierendes Signal 01101011001010 tb: Bitdauer tc: chip Dauer Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 46

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I Vorteile • Basisstationen können den gleichen Frequenzbereich nutzen • mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren • weiche handover Nachteile • exakte Leistungssteuerung notwendig tb Nutzdaten 0 1 XOR tc chipping sequence 0110101 = resultierendes Signal 01101011001010 tb: Bitdauer tc: chip Dauer Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 47

Power Control --- Near-far-Problem received signal strength of all mobiles schould be the same ! 48

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II gespreiztes Signal Modulator Nutzdaten X chipping sequence Trägerfrequenz Sender empfangenes Signal Demodulator Trägerfrequenz übertragenes Signal Korrelator Tiefpass. Summen gefiltertes Produkt Nutzdaten Signal X Integrator Entscheidung chipping sequence Empfänger Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 49

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 50

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 51

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II tb Nutzdaten 0 1 f 0 1 1 t td f 3 slow hopping (3 bit/hop) f 2 f 1 f t td f 3 fast hopping (3 hops/bit) f 2 f 1 tb: bit period td: dwell time t Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 52

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III schmalbandiges Signal Nutzdaten Empfangssignal Sprungsequenz Modulator Sender Frequenzsynthesizer schmalbandiges Signal Demodulator Frequenzsynthesizer gespreiztes Sendesignal Sprungsequenz Nutzdaten Demodulator Empfänger Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 53

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 54

Zellenstruktur Probleme: – Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen – Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig – Störungen in andere Zellen – Konzentration in bestimmten Bereichen Zellengröße von z. B 300 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 55

Frequenzplanung I Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden Modell mit 7 Frequenzbereichen: k 3 k 5 k 4 k 2 k 6 k 1 k 3 k 5 k 4 k 7 k 1 k 2 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 56

Frequency Reuse R= 1 R= 3 R= 4 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes R= 7 57

Frequenzplanung I 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 58

f 3 f 3 Frequenzplanung II f f f 1 f 2 f 3 f 1 f 1 3 Zellen/Cluster f 2 f 3 f 2 7 Zellen/Cluster f 4 f 3 f 6 f 2 f 2 f 1 f h h 3 3 3 h 2 g 2 1 h 3 g 2 g 1 g 1 g 3 g 3 f 5 f 1 f 2 f 3 f 6 f 7 f 5 f 2 f 4 f 3 f 7 f 5 f 1 f 2 3 Zellen/Cluster plus 3 Sektoren/Zelle Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 59

Cell Characteristics Zone 4: Global Zone 3: Suburban Satellite Zone 2: Urban Zone 1: In-Building World-Cell Macro-Cell Micro-Cell Pico-Cell Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 60

UMTS Netzarchitektur - Zellenhierarchie Zelle Größe Max. Datenrate Max. Geschwindigkeit Makrozelle Mikrozelle Pikozelle 2 km 1 km 60 m 144 kbit/s 384 kbit/s 2 Mbit/s 500 km/h 120 km/h 10 km/h Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 61

Zellatmung CDMA-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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 62