Empfänger

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Mobilkommunikation
Kapitel 2: Technische Grundlagen
Frequenzen
 Signale
 Antennen
 Signalausbreitung

Multiplextechniken
 Spreizspektrumtechnik
 Modulationstechniken
 Zellenstrukturen

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2.1
Frequenzbereiche für die Kommunikation
verdrillte
Drähte
1 Mm
300 Hz
Koaxialkabel
10 km
30 kHz
VLF
LF
100 m
3 MHz
MF
HF
Hohlleiter
1m
300 MHz
VHF
UHF
VLF = Very Low Frequency
LF = Low Frequency (Langwellen-Radio)
MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio)
HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio)
VHF = Very High Frequency (UKW-Radio)
10 mm
30 GHz
SHF
optische Übertragung
100 m
3 THz
EHF
1 m
300 THz
Infrarot
Sichtbares UV
UHF = Ultra High FrequencyLicht
SHF = Super High Frequency
EHF = Extra High Frequency
UV = Ultraviolettes Licht
Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge:
 = c/f
mit Wellenlänge , Lichtgeschwindigkeit c  3x108m/s, Frequenz f
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2.2
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

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
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2.3
Frequenzen und Regulierungen
Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung
und Verwaltung der Frequenzbereiche
(WRC, World Radio Conferences)
Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich:
Cellular
Phones
Cordless
Phones
Wireless
LANs
Others
Europe
USA
Japan
GSM 450-457, 479486/460-467,489496, 890-915/935960,
1710-1785/18051880
UMTS (FDD) 19201980, 2110-2190
UMTS (TDD) 19001920, 2020-2025
CT1+ 885-887, 930932
CT2
864-868
DECT
1880-1900
IEEE 802.11
2400-2483
HIPERLAN 2
5150-5350, 54705725
RF-Control
27, 128, 418, 433,
868
AMPS, TDMA, CDMA
824-849,
869-894
TDMA, CDMA, GSM
1850-1910,
1930-1990
PDC
810-826,
940-956,
1429-1465,
1477-1513
PACS 1850-1910, 19301990
PACS-UB 1910-1930
PHS
1895-1918
JCT
254-380
902-928
IEEE 802.11
2400-2483
5150-5350, 5725-5825
IEEE 802.11
2471-2497
5150-5250
RF-Control
315, 915
RF-Control
426, 868
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2.4
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

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)
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2.5
Fourier-Repräsentation periodischer Signale


1
g (t )  c   an sin( 2nft)   bn cos( 2nft)
2
n 1
n 1
1
1
0
0
t
ideales periodisches Signal
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t
reale Komposition
(basierend auf
Harmonischen)
MC SS05
2.6
Signale II

Verschiedene Darstellungen eines Signals:

Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit)
 Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz)
 Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ
werden in Polarkoordinaten aufgetragen)
Q = M sin φ (Quadrature)
A [V]
A [V]
t[s]

I = M cos φ
(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
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2.7
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
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idealer
isotroper
Punktstrahler
2.8
Antennen: einfache Dipole

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
/4

Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols
y
y
x
Seitenansicht (xy-Ebene)

/2
z
z
einfacher
Dipol
x
Seitenansicht (yz-Ebene) von oben (xz-Ebene)
Gewinn: maximale Leistung in Richtung der
Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines
isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung)
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2.9
Antennen: gerichtet und mit Sektoren
Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte
Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze
(z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)
y
y
x
z
z
Seitenansicht (xy-Ebene)
x
Seitenansicht (yz-Ebene)
gerichtete
Antenne
von oben (xz-Ebene)
z
z
x
x
von oben, 3 Sektoren
Sektorenantenne
von oben, 6 Sektoren
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2.10
Antennen: Diversität

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
/4
/2
/2
+
+
Grundfläche
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2.11
Signalausbreitungsbereiche
Übertragungsbereich

Kommunikation möglich
 niedrige Fehlerrate
Erkennungsbereich

Signalerkennung möglich
 keine Kommunikation
möglich
Sender
Interferenzbereich


Signal kann nicht
detektiert werden
Signal trägt zum
Hintergrundrauschen bei
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Übertragung
Entfernung
Erkennung
Interferenz
MC SS05
2.12
Signalausbreitung
Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)
Empfangsleistung nimmt im Vakuum mit 1/d² ab – in realer Umgebung
dramatischer (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)
Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflusst durch
 Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)
 Abschattung durch Hindernisse
 Reflexion (Spiegelung) an großen Flächen
 Refraktion (Brechung) in Abhängigkeit der Dichte eines Mediums
 Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen
 Beugung (diffraction) an scharfen Kanten
Abschattung
Reflexion
Refraktion
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Streuung
MC SS05
Beugung
2.13
Praxisbeispiele
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MC SS05
2.14
Mehrwegeausbreitung
Signal kommt aufgrund von Reflexion, Streuung und Beugung auf
mehreren Wegen beim Empfänger an
Sichtverbindungsimpulse
Mehrwegeimpulse
Signal beim Sender
Signal beim Empfänger
Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion)
 Interferenz mit Nachbarsymbolen
Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen
 je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal
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2.15
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
langsames
Fading
Leistung
 langsame Veränderungen in der
(durchschnittlichen) Empfangsleistung
(langsames Fading)
schnelles Fading
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2.16
t
Multiplexen
Multiplexen in 4 Dimensionen:
Kanäle ki

Raum (ri)
 Zeit (t)
 Frequenz (f)
 Code (c)
k1
k2
k3
k4
k5
k6
c
t
c
t
Ziel: Mehrfachnutzung des
gemeinsamen Mediums
r1
f
r2
f
c
Wichtig: Genügend große Schutzabstände
nötig!
t
r3
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MC SS05
f
2.17
Frequenzmultiplex
Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte
aufgeteilt
Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum
Vorteile:
 keine dynamische Koordination
k1
k2
k3
k4
k5
k6
nötig
c
 auch für analoge Signale
f
Nachteile:
 Bandbreitenverschwendung bei
ungleichmäßiger
Belastung
t
 unflexibel
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MC SS05
2.18
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
k1
k2
k3
k4
k6
c
f
Nachteile:
 genaue
Synchronisation
nötig
t
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k5
MC SS05
2.19
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
k1
k2
k3
k4
k6
c
f
aber: genaue Koordination
erforderlich
t
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k5
MC SS05
2.20
Codemultiplex
Sendung ist durch persönlichen
Code charakterisiert
k1
k2
Alle Teilnehmer können zur selben Zeit
im selben Frequenzabschnitt senden
Vorteile:
k3
k4
k5
k6
c

Bandbreiteneffizienz
 keine Koordination und Synchronisation
notwendig
 Schutz gegen Störungen
f
Nachteile:

Benutzerdatenrate begrenzt
 komplex wegen Signalregenerierung
Realisierung: Spreizspektrumtechnik
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t
MC SS05
2.21
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)
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2.22
Modulation und Demodulation
digitale
Daten
101101001
analoges
Basisbandsignal
digitale
Modulation
analoge
Modulation
Sender
Trägerfrequenz
analoge
Demodulation
analoges
Basisbandsignal
Synchronisation
Entscheidung
digitale
Daten
101101001
Empfänger
Trägerfrequenz
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MC SS05
2.23
Digitale Modulationstechniken
Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying)
bezeichnet
1
0
1
 Amplitudenmodulation (ASK):




t
Frequenzmodulation (FSK):



technisch einfach
benötigt wenig Bandbreite
störanfällig
größere Bandbreite
für Telefonübertragung
t
Phasenmodulation (PSK):

komplexe Demodulation mit
Trägerrückgewinnung
 relativ störungssicher
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t
MC SS05
2.24
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
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MC SS05
2.25
Beispiel für MSK als Modulationstechnik
1
0
1
1
0
1
0
Bit
Daten
gerade
0101
gerade
Bits
ungerade 0 0 1 1
ungerade
Bits
Signalwert
niedere
Frequenz
h: hohe bzw.
n: niedere Frequenz
+: positive bzw.
-: negative
Ausrichtung
hohe
Frequenz
MSKSignal
t
Keine Phasensprünge!
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2.26
hnnh
- - ++
Fortgeschrittene PSK-Verfahren
Q
BPSK (Binary Phase Shift Keying):





Bitwert 0: Sinusförmiges Signal
Bitwert 1: negatives Sinussignal
einfachstes Phasentastungsverfahren
spektral ineffizient
robust, in Satellitensystemen benutzt
1
10
QPSK (Quaternary Phase Shift Keying):
0
Q
I
11

2 Bits werden in ein Symbol kodiert
 Symbol entspricht phasenverschobenem
Sinussignal
 weniger Bandbreite als bei BPSK
benötigt
 komplexer
I
00
01
Oft Übertragung der relativen Phasenverschiebung (weniger Bitfehler)

DQPSK in z.B. IS-136, PHS
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11
10
MC SS05
01
00
2.27
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-Verfahren
Q
Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol)
0010
0011
0001
0000
φ
a
I
Die Symbole 0011 und 0001 haben
gleiche Phase und unterschiedliche
Amplitude. 0000 und 1000 haben
unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.
1000
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MC SS05
2.28
Hierarchische Modulation
DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-TStrom
 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
 6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertige
bestimmen QPSK
00
 HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit),
000010
LP nutzt verbleibende 4 bit
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MC SS05
I
010101
2.29
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
Nutzsignal
gespreiztes
Nutzsignal
gespreiztes
Störsignal
Detektion
im Empfänger
Beseitigung eines Schmalbandstörers
Nebeneffekte:

Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination
 Abhörsicherheit
Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping
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MC SS05
2.30
Auswirkungen von Spreizen und Interferenz
dP/df
dP/df
i)
Nutzsignal
breitbandige Interferenz
schmalbandige Interferenz
ii)
f
f
Sender
dP/df
dP/df
dP/df
iii)
iv)
f
v)
f
f
Empfänger
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2.31
Spreizen und frequenzselektives Fading
Kanalqualität
1
2
5
3
6
schmalbandige Kanäle
4
Frequenz
schmalbandige
Signale
Schutzabstand
Kanalqualität
1
gespreizte
Signale
2
2
2
2
2
gespreizte Kanäle
Frequenz
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MC SS05
2.32
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

Basisstationen können
den gleichen Frequenzbereich nutzen
 mehrere Basisstationen
können das Signal erkennen
und rekonstruieren
 weiche handover
Nachteile

exakte Leistungssteuerung
notwendig
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tb
Nutzdaten
0
1
XOR
tc
chipping
sequence
01101010110101
=
resultierendes
Signal
01101011001010
tb: Bitdauer
tc: chip Dauer
MC SS05
2.33
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II
gespreiztes
Signal
Modulator
Nutzdaten
X
chipping
sequence
übertragenes
Signal
Trägerfrequenz
Sender
Korrelator
empfangenes
Signal
Demodulator
Trägerfrequenz
TiefpassSummen
gefiltertes Produkt
Nutzdaten
Signal
X
Integrator
Entscheidung
chipping
sequence
Empfänger
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MC SS05
2.34
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
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MC SS05
2.35
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II
tb
Nutzdaten
0
1
f
0
1
1
t
td
f3
slow
hopping
(3 bit/hop)
f2
f1
f
t
td
f3
fast
hopping
(3 hops/bit)
f2
f1
t
tb: bit period
td: dwell time
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2.36
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III
schmalbandiges
Signal
Nutzdaten
Modulator
Modulator
Sprungsequenz
Frequenzsynthesizer
Sender
schmalbandiges
Signal
Empfangssignal
Nutzdaten
Demodulator
Sprungsequenz
gespreiztes
Sendesignal
Demodulator
Frequenzsynthesizer
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Empfänger
MC SS05
2.37
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)
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MC SS05
2.38
Frequenzplanung I
Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen
bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden
Modell mit 7 Frequenzbereichen:
k3
k5
k4
k2
k6
k1
k3
k5
k4
k7
k1
k2
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
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MC SS05
2.39
Frequenzplanung II
f3
f3
f2
f1
f2
f1
f3
f2
f1
f3
f2
3 Zellen/Cluster
f2
f1
f1
f3
f3
f3
f3
f2
f3
f5
7 Zellen/Cluster
f4
f2
f6
f1
f3
f2
f2
f2
f1 f
f1 f
f1 f
h
h
3
3
3
h 2
h 2
g2 1 h3 g2 1 h3
g2
g1
g1
g1
g3
g3
g3
f5
f4
f7
f1
f3
f2
f6
f7
f5
3 Zellen/Cluster plus
3 Sektoren/Zelle
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
MC SS05
2.40
f2
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
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
MC SS05
2.41
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