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Weltweiter Mobilfunk durch Spreizcodes

25.11.1998 - (idw) Universität Ulm

Mit Spreizcodes den Mobilfunk globalisieren
UMTS-Workshop auf der Reisensburg

Vom 26. bis 27. November 1998 veranstaltet die Abteilung Informationstechnik der Universität Ulm (Leiter Prof. Dr.-Ing. Jürgen Lindner) im Rahmen der Reihe "Ulm Research Conferences" auf der Reisensburg einen Workshop mit dem Thema "Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)". UMTS ist der Name des europäischen Systemvorschlags für die nächste Generation von weltweiten mobilen Kommunikationssystemen. Als zuständige UNO-Institution will die International Telecommunications Union (ITU) Ende 1999 über einen weltweiten Standard entscheiden. Von 2002 bis 2005 ist die Einführungsphase für die neuen Systeme vorgesehen. Es zeichnet sich ab, daß der europäische Vorschlag eine wichtige Rolle spielen wird.

Dank der weltweiten Standardisierung durch die ITU soll ein Handy der nächsten Generation überall auf der Welt funktionieren, was heute nur bedingt gegeben ist. Die neuen Systeme werden darüber hinaus Datenraten bis zu 2 Mbit/s erlauben, womit neben Sprache und schnellem Internetzugang auch ein mobiles Bildtelefon möglich wird. Das heute in Europa und vielen weiteren Ländern der Welt genutzte GSM-System erlaubt lediglich Sprachübertragung und zur Zeit eine relativ langsame Datenübertragung mit bis 9,6 kbit/s.

Auf der Reisensburg werden die Leiter der maßgebenden europäischen Projekte über den neuesten Stand von UMTS berichten. Der Workshop widmet sich aber auch solchen Themen, die nicht von der Standardisierung betroffen sind und bei denen noch Forschungsbedarf besteht. Das gilt vor allem für den Empfang der Signale, der - je nach verwendetem Verfahren - mehr oder weniger Teilnehmer zuläßt. Aus Gründen der Frequenzökonomie ist hierbei das Ziel, möglichst viele Teilnehmer in einem vorgegebenen Frequenzband unterzubringen. Die Frequenzökonomie bekommt insofern ein besonderes Gewicht, als die Frequenzen in Deutschland vermutlich versteigert werden, ähnlich wie dies in anderen Ländern schon der Fall war.

Bei UMTS werden unkonventionelle Methoden zur Trennung der einzelnen Teilnehmer verwendet. Konventionell trennt man Teilnehmer in Funknetzen zeitlich oder durch Zuweisung unterschiedlicher Frequenzbänder. UMTS trennt durch unterschiedliche "Spreizcodes", die gewährleisten, daß alle Netzteilnehmer das Funk-Übertragungsmedium gleichzeitig im gleichen Frequenzband nutzen können. Das Verfahren wird "Codevielfachzugriff" (Code Division Multiple Access, CDMA) genannt, es zählt zu den "Bandspreiz-Techniken" (Spread Spectrum Techniques), die ursprünglich für militärische Funk-Kommunikationssysteme entwickelt wurden. Das erste grundlegende Patent für eine derartige Technik erhielten 1942 die Schauspielerin Hedy Lamarr und der Komponist George Antheil.

Das CDMA-Verfahren ist vergleichbar mit Gesprächen in einer Gruppe von Menschen, wobei sich jeweils zwei Partner in einer Sprache unterhalten, die sich von den anderen in der Gruppe verwendeten Sprachen unterscheidet. Die unterschiedlichen Sprachen erleichtern in einer solchen Situation die Verständigung. Wenn aber der Gesprächspartner zu weit entfernt ist, können Störungen durch die anderen Gesprächsgruppen eine Verständigung unmöglich machen. Die unterschiedlichen Sprachen entsprechen den unterschiedlichen Spreizcodes beim CDMA. Mit den herkömmlichen Empfangsmethoden werden allerdings bei Funkübertragungen längst nicht die theoretischen Grenzen der Störfreiheit erreicht. Gesucht werden Verfahren, die eine vollständige Trennung der Signale erlauben, obwohl sie zeitgleich dasselbe Frequenzband nutzen. Voraussetzung dafür ist, daß die verwendeten Spreizcodes des CDMA-Systems hinreichend unterschiedlich sind.

Technisch ist folgendes denkbar: Jeder Empfänger eines CDMA-Systems betrachtet die Störungen durch die unerwünschten Teilnehmer nicht als Störungen, sondern als weitere "Nutzsignale". Seine Aufgabe besteht dann darin, nicht nur das für ihn bestimmte Signal zu empfangen, sondern alle Signale. Dies kann auch nacheinander geschehen. Die im Verhältnis zu den richtig erkannten Datenbits zuvor als Störung aufgefaßten Anteile im Empfangssignal werden subtrahiert. Damit ergibt sich ein besserer Empfang der restlichen Teilnehmer. Im nächsten Schritt werden die Störanteile eines weiteren Teilnehmers eliminiert usw. Das Vorgehen wird so oft wiederholt, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis vorliegt.

Allerdings erfordern perfekt gedachte "Multiuser"-Empfangsverfahren einen unendlich hohen Rechenaufwand, so daß es erforderlich ist, möglichst gute suboptimale Verfahren zu suchen, die bei tragbarem Rechenaufwand in ihrer Leistung nur wenig vom Optimum abweichen. In der von Prof. Lindner geleiteten Abteilung Informationstechnik der Universität Ulm wird an solchen Verfahren gearbeitet, die hier auf künstlichen rekurrenten neuronalen Netzen basieren.

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