Grundlagen der digitalen Informationsübertragung: Von der Theorie zu Mobilfunkanwendungen PDF
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Peter Adam Höher Grundlagen der digitalen Informations- übertragung Von der Theorie zu Mobilfunkanwendungen 2. Auflage Grundlagen der digitalen Informationsübertragung Peter Adam Höher Grundlagen der digitalen Informationsübertragung Von der Theorie zu Mobilfunkanwendungen 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 461Abbildungen,31Tabellen und234Beispielen Prof.Dr.-Ing.PeterAdamHöher Christian-Albrechts-UniversitätKiel Kiel,Deutschland ISBN978-3-8348-1784-6 ISBN978-3-8348-2214-7(eBook) DOI10.1007/978-3-8348-2214-7 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©SpringerFachmedienWiesbaden2011,2013 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei- cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabe vonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier SpringerViewegisteineMarkevonSpringerDE. SpringerDEistTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort Die Informations- und Kommunikationstechnikhatin den letzten Jahrzehnten enorman Bedeutunggewonnen.BesondersInternetundMobilfunkhabenvondenFortschrittender Digitaltechnik profitiert. DasHandyistinzwischen zum Multifunktionsterminal (Smart- phone)geworden –mobiles Telefon,Internet-Zugang,Zahlungsmittel, universelle Fern- bedienungundvieleintegrierteFunktionalitätenmehr(wieDigitalkamera,Terminplaner, NavigationshilfenundSpiele)leistenheutzutagemoderneEndgeräte.Mobilität,Multifunk- tionalitätunduniverselleKompatibilitätsindwichtigeSchlagworte,diefürdenErfolgmit verantwortlichsind. Die technische Revolution im Bereich des Mobilfunksektors kann man gut anhand derDatenrateverdeutlichen:WährendAnfangderneunzigerJahreDatenraten vonetwa kbit/s (in einer Bandbreite von 200kHz) unterstützt wurden, sind nur zwanzig Jahre späterDatenratenvonetwaMbit/sundmehr(ineinerBandbreitevon20MHz)Reali- tät.DernächsteQuantensprungmitDatenratenvonbiszuGbit/s(ineinerBandbreite vonetwa2GHz)istbiszumEndediesesJahrzehntszumindestimNahbereichzuerwar- ten,ungeachtet derunzähligen InnovationenundMöglichkeiten, dieunsderMobilfunk beschert hatundbescheren wird. Interessant istin diesem Zusammenhang,dassdie er- reichbareDatenratebezogenauf1HzBandbreiteimbetrachtetenZeitraumvon30Jahren proJahrzehntetwaumdenFaktorzehngestiegenist.ÄhnlicheempirischeGesetzmäßig- keiten kennt man beispielsweisebezüglich der Komplexität integrierter Schaltkreise, der Rechenleistung vonDigitalrechnern undderSpeicherdichte (MooreschesGesetz)–eine Sättigungistbislangnichterkennbar.Esistzuerwarten,dassdieFortschrittedermobilen Informations-undKommunikationstechnikAlltagundBerufsweltnochnachhaltigerver- ändernwerden,alsdiesbishergeschehenist.DrahtloseInformations-undKommunikati- onssystemewerdenbeispielsweiseinderhäuslichenUmgebung(„SmartHome“),amAr- beitsplatz(„SmartOffice“),inöffentlichenEinrichtungen,inProduktionsstätten(„Smart Fab“)undimTransportwesen(„SmartCar“)Einzughalten,aberauchinvielenanderen Anwendungsbereichen.DerBedarfandrahtloserKommunikationdecktsomitnebenden klassischenAnwendungsfeldernwieRundfunk,SatellitenkommunikationundMobilfunk- telefonievieleweitereGebieteab. In diesem Lehrbuch werden Grundlagen der digitalen Informationsübertragung ver- mittelt. Nach Einschätzung des Autors steht der Vermittlung von Grundlagenwissen V VI Vorwort einegroße,vermutlichsteigendeBedeutungzu.AktuelleForschungsgebietewieMehran- tennensysteme (MIMO-Systeme), Mehrnutzerkommunikation und Netzwerkcodierung basieren auf informationstheoretischen Ansätzen, aber auch auf Kenntnissen der Co- dierungstheorie, der Übertragungstechnik und der Schätzverfahren. Im Vordergrund dieses Lehrbuchs stehenleistungsfähige drahtlose Übertragungstechnikenunter besonde- rer Berücksichtigung des Mobilfunks. Die meisten Prinzipien und Verfahren sind aber auchinanderenBereichenderdigitalenÜbertragungstechnik undverwandtenGebieten anwendbar.DasBuchentstandausdemWunsch,GrundlagenderdigitalenInformations- übertragungineinerverständlichenFormmöglichstumfassenddarzustellen,auchunter WürdigungneuerVerfahren.DurchQuerverweisewirdeinZusammenhangzwischenden TeilbereichenInformationstheorie,Kanalcodierung,Übertragungstechniksowiegrundle- gendenKonzeptenderMobilfunkkommunikationhergestellt.DerLeserwirdsomitindie Lageversetzt,diewesentlichenFacettenderdigitalenInformationsübertragungganzheit- lichzuerfassen. JeglichedigitaleInformationsübertragungkannineinesoftware-orientierteBasisband- Signalverarbeitung sowie eine physikalisch-orientierte Übertragungseinrichtung separiert werden. Die Übertragung selbst geschieht über ein Funkfeld (Mobilfunk, Satelliten- kommunikation, Rundfunk), optisch (Lichtwellenleiter, Infrarot, Freiraum), akustisch (Unterwasserkommunikation)oderübereinKabel.DiesesBuchistderBasisband-Signal- verarbeitunggewidmet. DieSchnittstelle zurphysikalisch-orientierten Übertragungsein- richtungbildetderDigital-Analog-Wandler(imSender)bzw.derAnalog-Digital-Wandler (im Empfänger). Die physikalisch-orientierte Übertragungseinrichtung umfasst somit sämtlichehochfrequentenBauelemente(wieLeistungsverstärkerimSenderundrauschar- mer Verstärkerim Empfänger,Oszillatoren, Antennen,usw.).Effekte der physikalischen ÜbertragungsstreckeeinschließlichderhochfrequentenBauelementekönnenanhandvon KanalmodellenimBasisbandberücksichtigtwerden. Die Basisband-Signalverarbeitung geschieht, wie bereits erwähnt, software-orientiert. Folglich sindsämtliche Basisband-Verfahrenletztlich Algorithmen.Technologische Fort- schritte der letzten Jahrzehnte führten zu einer rasch wachsenden Integrationsdichte in derdigitalenMikroelektronikundeinerdamitverbundenenLeistungssteigerungdigitaler Schaltungen. Gleichzeitig wird der Bedarf an bandbreiteneffizienten und gleichzeitig leis- tungseffizientenÜbertragungsverfahrenstetiggrößer,beispielsweiseumeinehoheörtliche Teilnehmerdichtekostengünstigbereitstellenzukönnen.Deshalbwirdesimmerwichtiger, dieinformationstheoretischenGrenzenzukennenundtechnischumzusetzen. DasGebietderInformationsübertragungistdurchvieleInnovationengeprägt,dieauch in der Grundlagenausbildung angemessen berücksichtigt werden sollten. In der zweiten AuflagewurdennichtnurDetailsverbessert,sonderninsbesonderevieleaktuelleThemen integriert.DiesesLehrbuchistinfünfabgeschlosseneTeilegegliedert.DieTeilebauenein- anderauf,könnenaberaucheinzelnerarbeitetwerden. Teil I behandelt „Grundlagen der angewandten Informationstheorie“. Das Gebiet der Informations- und Codierungstheorie wurde 1948 in einer bahnbrechenden Arbeit von ClaudeE.Shannonetabliert.SeitdemhatsichspezielldieCodierungvoneinerreintheore- Vorwort VII tischenDisziplinzueinerausgedehntenanwendungsbezogenenWissenschaftentwickelt. Nahezu alle fortschrittlichen digitalen Übertragungssysteme nutzen die Möglichkeiten der Codierung, sei es zur Datenkompression (Quellencodierung), zur Datenverschlüs- selung/Datensicherheit (Kryptographie) oder zur Fehlererkennung und Fehlerkorrek- tur (Kanalcodierung). Als Beispiele seien der Mobilfunk, das Internet, Datenmodems, die Satellitenkommunikation, der digitale Rundfunk und digitale Speichermedien ge- nannt. In Teil I werden alle drei Teilgebiete, d.h. Quellencodierung, Kryptographie und Kanalcodierung, sowie die gemeinsame Quellen- und Kanalcodierung und die Mehrnutzer-Informationstheorie behandelt. Die Praxis zeigt, dass bei der Entwicklung vondigitalenÜbertragungsverfahreneineKenntnisderfundamentalenSchrankenderIn- formationsübertragungimmerwichtigerwird(„Theorycomesfirst“).Dashierzubenötigte GrundwissenwirdinTeilIvermittelt. Inderzweiten Auflagewurdedasaktuelle Thema derMehrnutzer-InformationstheorieumweitereKanalmodelleerweitert:DenRelaykanal, den Interferenzkanal und den Duplexkanal. Die bestehenden Abschnitte zum Vielfach- zugriffskanal und zum Rundfunkkanal wurden ergänzt. Neu berücksichtigt wurde das aufstrebende Thema der Netzwerkcodierung, wobei bewusst auf unnötigen mathemati- schenBallastzugunsteneinerverständlichenDarstellungverzichtetwird.DasKapitelzur verlustlosen Quellencodierung wurde um das Thema Algebraische Codierung ergänzt. DerAbschnittzurRate-Distortion-Theoriewurdeerweitert. TeilIIbehandelt„GrundlagenderKanalcodierung“.WährenddieInformationstheorie bezüglich derKanalcodierungmitZufallscodeszumBeweiszentraler Kommunikations- sätzeauskommt, werden in Teil II anwendungsorientierte KanalcodesundVerfahrenzu deren Decodierungbehandelt.Es werden Blockcodes,Faltungscodes undverkettete Co- dierverfahrenvorgestellt.ZudenneuerenTechnikenzählenTurbo-CodesundBlockcodes mit dünn besetzter Generatormatrix (LDPC-Codes), sowie Decodierverfahren mit Zu- verlässigkeitsinformation am Ein- und Ausgangdes Decodierers. Ohne Kanalcodierung wäreeinerobusteInformationsübertragungnichtmöglich.InderzweitenAuflagewurden insbesondereiterativeDecodierverfahrenundzugehörigeAnalysemethodenzumKonver- genzverhaltenverketteterCodesvertiefendbehandelt.DasaktuelleThemadergraphenba- siertenDecodierungwurdeebensowiedieExtrinsicInformationTransfer(EXIT)-Chart- Technikerweitert.ZudemwurdenalternativeAnalysemethodenwiedasVarianceTransfer (VT) Chart,dieDensity Evolution unddasInformationProcessingCharacteristic(IPC) Chartaufgenommen.FernerwurdederAbschnittzuLDPC-Codessignifikanterweitert, wobeiauchratenloseCodesberücksichtigtwurden. Teil III ist „Digitalen Modulations- und Übertragungsverfahren“ gewidmet. Digita- le Übertragungssysteme besitzen typischerweise eine höhere Leistungseffizienz und eine höhereBandbreiteneffizienz imVergleich zu analogenÜbertragungssystemen,wobei die Leistungseffizienzdasbenötigte Signal/Rauschleistungsverhältnis(indB)beigegebenem Gütekriterium und die Bandbreiteneffizienz (in bit/s/Hz) die erreichbare Datenrate (in bit/s) bezogen auf die benötigte Bandbreite (in Hz) ist. Ferner bieten digitale Übertra- gungssysteme eine bessere subjektive Qualität und weisen eine höhere Flexibilität auf. Beispielsweise können per Software-Defined Radio verschiedene Standards auf nur ei- VIII Vorwort ner Hardware-Plattform integriert werden. Daten können in digitalen Speichermedien beliebiglangesicheraufbewahrtwerden.Letztendlich sindMultimedia-Dienste, charak- terisiertdurcheineIntegrationvonSprache,Musik,Bilder,Video,Textenusw.,nurdigital realisierbar. In Teil III werden lineare und nichtlineare digitale Modulationsverfahren, Einträger- und Mehrträgerverfahren, kombinierte Modulations- und Kanalcodierver- fahren, Mehrfachzugriffstechniken und Methoden zur Entzerrung, Kanalschätzung und Synchronisation vorgestellt. Aufgrund der Bedeutung der Abtastung und der Analog- Digital-WandlungwurdedieseThematikinTeilIIIerweitert.Zumeinenwurdedasaktuelle ThemaCompressedSensingneuaufgenommen.BeiCompressedSensing,auchCompres- siveSensingoderCompressiveSamplinggenannt,handeltessichumeineeffizienteForm der Unterabtastung, bei der Abtastung und Datenkompression in nur einem Schritt ge- schieht. Im Vergleich zum Nyquist-Shannon-Abtasttheorem kann die Datenmenge oft drastischreduziert werden,wenndasabzutastendeSignalineinerDomäne(wiez.B.im Frequenzbereich) dünn besetzt ist. Der Abschnitt zur Analog-Digital-Wandlung wurde ferner um einen Abschnitt zur 1-Bit-Wandlung und einen Abschnitt zur Verbesserung der Auflösung durch Überabtastung und Dithering ergänzt. In Teil III wurden außer- dem interessante und aktuelle Themen wie Superpositionsmodulation und Orthogonal Frequency-DivisionMultipleAccess(OFDM)angemessenergänzt. Teil IV stellt anspruchsvolle „Konzepte der Mobilfunkkommunikation“ vor. Zu den Schwerpunkten zählen fortschrittliche Techniken wie Mehrantennensysteme (MIMO- Systeme)undSpace-Time-Codes,VerfahrenzurMehrnutzerdetektionundInterferenzun- terdrückung, sowie Methoden der senderseitigen Vorcodierung und der Strahlformung (Beamforming),aberauchGrundlagenhinsichtlichderKanalmodellierung,einschließlich der MIMO-Kanalmodellierung. In der zweiten Auflage wurden Beiträge zu Mehranten- nensystemenundBeamformingergänztunddieThemenUltrabreitband-Kommunikation undUltrabreitband-OrtungsowieSoftware-DefinedRadioundKogntivesRadioneuauf- genommen. TeilVstelltdiefüreinVerständniswichtigstenGrundlagenderWahrscheinlichkeitsrech- nung,GrundlagenderMatrizenrechnung sowieGrundlagenderSignal-undSystemtheorie inFormvonAnhängenbereit.EinweitererAnhangistSimulationswerkzeugenundderen Prinzipien gewidmet, weil aufgrund der Komplexität anspruchsvoller Übertragungsver- fahrenComputersimulationen ein wichtiger SchrittaufdemWegvomEntwurf über die OptimierungbishinzurRealisierungsind. Dieses Grundlagenbuch entstand auf der Basis von Lehrveranstaltungen zu den Themen „Angewandte Informationstheorie“, „Kanalcodierung“, „Digitale Modulations- verfahren“ und „Mobilfunkkommunikation“, die an verschiedenen Universitäten und HochschuleninBachelor-,Master-undDiplomstudiengängensowieinaußeruniversitär- enFortbildungsveranstaltungenangebotenwurdenbzw.werden. DasBuchrichtetsichanStudierendederElektrotechnikundInformationstechnik,der InformatikundderPhysiksowieanalleIngenieure,InformatikerundPhysikerausIndus- trie,ForschungseinrichtungenundBehörden,diedieGrundlagendermodernenInforma- Vorwort IX tionstechnik kennenlernenoderihrWissenaufdiesemGebietauffrischenundergänzen möchten. MeinDankeschöngiltallenKollegen undLesernfürdiekonstruktiven Hinweise,die zueinerVerbesserungderzweitenAuflagebeigetragenhaben,meinenWissenschaftlichen Mitarbeiterinnen undMitarbeitern Rebecca Adam, Gilbert Forkel, ChristopherKnievel, Meelis Nõmmund Kathrin Schmeink für die konstruktive Durchsicht der vorliegenden Auflage,TorgeRabschfürLaTeX-spezifischeHilfestellungensowieHerrnReinhardDapper undseinTeamfürdieprofessionelleBetreuungseitensdesSpringer-Vieweg-Verlags.Mein besonderer Dank gilt wie bei der Erstauflage meiner Frau Sabah für ihre Unterstützung undGeduld. Kitzeberg,imHerbst2012 PeterAdamHöher Abkürzungsverzeichnis 3GPP Third-GeneratonPartnershipProject ACI AdjacentChannelInterference,Nachbarkanal-Interferenz ACK Acknowledgement,BestätigungeinererfolgreichenÜbertragung ADC Analog/DigitalConversion,Analog-Digital-Wandler AEP AsymptoticEquipartitionProperty,asymptotischeÄquipartitionseigenschaft AF Amplify-and-ForwardRelaying-Strategie AF ArrayFactor,RichtcharakteristikeinerGruppenantenne AFC AutomaticFrequencyControl,Frequenzkorrektur AGC AutomaticGainControl,Leistungsregelung AKF AutocorrelationFunction,Autokorrelationsfunktion ANC Analognetworkcoding,analogeNetzwerkcodierung AOA AngleofArrival,Einfallswinkel AOD AngleofDeparturel,Ausfallswinkel APP APosterioriProbability,aposterioriWahrscheinlichkeit ARQ AutomaticRepeatRequest,Wiederholverfahren ASCII AmericanStandardCodeforInformationInterchange ASIC Application Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische Integrierte Schaltung ASK AmplitudeShiftKeying,Amplitudensprungmodulation AWGN AdditiveWhiteGaussianNoise,additivesweißesgaußschesRauschen BC BroadcastChannel,Rundfunkkanal BCD BinärcodierteDezimalzahl BCJR Bahl,Cocke,Jelinek,Raviv BEC BinaryErasureChannel,binärerAuslöschungskanal BICM Bit-InterleavedCodedModulation B-IFDMA Block-interleavedFDMA,SC-FDMAmitgeblockt-verteiltemMapping BLAST BellLabsLayeredSpace-TimeArchitecture,Raum-ZeitCodierverfahren Blu-ray OptischesSpeichermedium BPSK BinaryPhaseShiftKeying,binärePhasensprungmodulation BS BaseStation,Basisstation XI
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