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Power Spectrum of the Doppler Spread

WS 18/19 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 183

Saunders

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Classical Doppler Spectrum


Saunders

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LCR and AFD


Saunders

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LCR Formula


Saunders

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AFD Formula


Saunders

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LCR and AFD Discussed


Saunders

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Autocorrelation of a Fading Signal


Saunders

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Example of the Classical Spectrum


Saunders

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Coherence Time


Saunders

Übersicht

Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitung

Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung

MultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung

Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 18/19 194

Summary: Analog channel models

Friis free space equation for attenuation Two-Ray-GroundFriis equation with modified path loss exponentsLognormal shadowing Slow fading Fast fading

Multi-ray propagation without dominant path = Rayleigh Multi-ray propagation with dominant path = Rice Other models: e.g. Nakagami fading model


Übersicht

Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung


Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen

r2

r3

r1

Multiplexen

Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (ri) Zeit (t) Frequenz (f) Code (c)

Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums

Wichtig: Genügend große Schutzabständenötig!

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

f

t

c

Kanäle ki

WS 18/19 197


Frequenzmultiplex

Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt

Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten ZeitraumVorteile: keine dynamische Koordination

nötig auch für analoge Signale

Nachteile: Bandbreitenver-

schwendung beiungleichmäßiger Belastung

unflexibel

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

WS 18/19 198


f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Zeitmultiplex

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

WS 18/19 199


f

Zeit- und Frequenzmultiplex

Kombination der oben genannten VerfahrenSendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen ZeitabschnittBeispiel: GSM

Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen

aber: genaue Koordinationerforderlich

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

WS 18/19 200

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 Secondary Users (SU): users with a CR to use unused spectrum

Examples Reuse of (regionally) unused analog TV spectrum (aka white space) Temporary reuse of unused spectrum e.g. of pagers, amateur radio etc.


space mux frequency/time mux

PU PU

PU PUSU

SU

SU

SU

f

t

PU

PU

PU PU PU PU

PUSU

SUSU

SU SU SU

WS 18/19 201


Codemultiplex

Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert

Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt sendenVorteile:

Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation

notwendig Schutz gegen Störungen

Nachteile: komplex wegen Signalregenerierung

Realisierung: Spreizspektrumtechnik

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

WS 18/19 202


Zellenstruktur

Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab

Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenVorteile 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)

WS 18/19 203


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

k4k5

k1k3

k2

k6

k7

k3k2

k4k5

k1

WS 18/19 204


Frequenzplanung II

f1f2

f3f2

f1

f1

f2

f3f2

f3f1

f2f1

f3f3

f3f3

f3

f4f5

f1f3

f2

f6

f7

f3f2

f4f5

f1f3

f5f6

f7f2

f2

f1f1 f1f2f3

f2f3

f2f3h1

h2h3g1

g2

g3

h1h2h3g1

g2

g3g1

g2

g3

3 Zellen/Cluster

7 Zellen/Cluster

3 Zellen/Cluster plus3 Sektoren/Zelle

WS 18/19 205


Zellatmung bei CDM-Systemen

CDM-Systeme brauchen keine Frequenzseparierung; d.h. jede Zelle kann volles verfügbares Spektrum verwenden, aber:

Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last abZusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere

Nutzer ausWenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus

WS 18/19 206

Übersicht

Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung



Modulation

Digitale Modulation digitale Daten werden in ein analoges (Basisband-) Signal umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit

Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz

Motivation für Modulation auf Trägerfrequenzen kleinere Antennen (z.B. /4) Frequenzmultiplex Mediencharakteristika

Varianten Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM)

WS 18/19 208


Modulation und Demodulation

SynchronisationEntscheidung

digitaleDatenanaloge

Demodulation

Träger-frequenz

analogesBasisband-signal

101101001 Empfänger

digitaleModulation

digitaleDaten analoge

Modulation

Träger-frequenz

analogesBasisband-signal

101101001 Sender

WS 18/19 209


Digitale Modulationstechniken

Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet

Amplitudenmodulation (ASK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig

Frequenzmodulation (FSK): größere Bandbreite für Telefonübertragung

Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit

Trägerrückgewinnung relativ störungssicher

1 0 1

t

t

t

WS 18/19 210


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)

WS 18/19 211


Beispiel für MSK als Modulationstechnik

Daten

geradeBits

ungeradeBits

1 1 1 1 000

t

niedereFrequenz

hoheFrequenz

MSK-Signal

Bit

gerade 0 1 0 1

ungerade 0 0 1 1

Signal- h n n hwert - - + +

h: hohe bzw.n: niedere Frequenz+: positive bzw.-: negative

Ausrichtung

Keine Phasensprünge!

WS 18/19 212

• Hohe Frequenz immer, wenn gerades und ungerades Bit gleich sind• Signal invertieren, wenn das ungerade Bit 0 ist.


Fortgeschrittene PSK-Verfahren

BPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren 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 Phasen-verschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.B. IS-136, PHS

Q

I

11

01

10

00

11 10 00 01

Q

I01

WS 18/19 213

0°, 90°, 180°, -90° corresponding to data '00', '01', '11', '10‘.


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 2n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren

PSK-VerfahrenBeispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol)Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.

0000

0001

0011

1000

Q

I

0010

φ

a

WS 18/19 214


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)

Beispiel: 64QAM Guter Empfang: Nutzung der

64QAM-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

I

00

10

000010 010101

WS 18/19 215

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