Wyznaczanie zasięgu łącza. Bilans mocy łącza radiowego. Sieci Bezprzewodowe. Bilans mocy łącza radiowego. Bilans mocy łącza radiowego

Transkrypt

1 dr inż. Krzysztof Hodyr Sieci Bezprzewodowe Część 5 Model COST 231 w opracowaniu nr 7/7 Walfish'a-Ikegami: straty rozproszeniowe L dla fal z zakresu 0,8-2GHz wzdłuż swobodnej drogi w atmosferze Podstawowe pojęcia systemu komórkowego System telefonii komórkowej GSM x - długość drogi w km f - częstotliwość w MHz L - tłumienie w db Straty dodatkowe, uwzględniające 6 db margines Uwzględniając poprzednie wzory bilans energetyczny łącza d1, d2 - długości kabla do anteny 1 i 2 w metrach tw1, tw2 - tłumienie właściwe kabla 1 i 2 w db/m tk1, tk2 - tłumienie złącz konektorowych (może ich być więcej niż dwa) w db Ld - straty dodatkowe w db Po - moc nadajnika w db L - straty rozproszeniowe Ld - straty dodatkowe G1, G2 - zyski energetyczne anten łącza w db Prx - czułość odbiornika w db (np. 89 db) Wyznaczanie zasięgu łącza straty rozproszeniowe w atmosferze : Wyznaczanie zasięgu łącza straty dodatkowe, uwzględniające 6 db margines błędu : bilans energetyczny łącza : skąd mamy : 1

2 Wyznaczanie zasięgu łącza otrzymaliśmy : Należy uwzględnić jeszcze promień pierwszej strefy Fresnela skąd : ostatecznie : Uwaga : x otrzymamy w km, jeżeli f podajemy w MHz, a pozostałe wartości w db Maksymalne zasięgi łączy WLAN sieci.wshe.lodz.pl zasiegi.xls (Sieci Bezprzewodowe) hasło: ws123he Szwedzi ponad 300 km, anteny paraboliczne (26-28dB), moce nadajników po 6W (~38dBm) Polacy ponad 100 km, anteny paraboliczne (26-27dB), moce nadajników po 0,5W (~27dBm) Pierwszy ruchomy radiotelefon z 1924 r. Istotą systemu komórkowego jest podział całego obszaru jego działania na mniejsze fragmenty tzw. komórki Wielokrotne wykorzystanie tej samej częstotliwości (ang. frequency reuse) Tę samą częstotliwość można wykorzystać w wielu, niezbyt od siebie oddalonych komórkach systemu 2

3 Sposób przydziału kanałów radiowych dla obszaru podzielonego na struktury 7-komórkowe - strefy Obszar wokół nadajnika radiowego można podzielić na trzy strefy: - strefa 1 - obszar dobrej słyszalności sygnału - strefa 2 - obszar, w którym sygnał jest zbyt słaby aby umożliwić skuteczną komunikację, ale jeszcze wystarczająco silny, żeby zakłócać pracę innych systemów pracujących na tej samej częstotliwości - strefa 3 - sygnał jest praktycznie niesłyszalny - strefy Jeżeli nadajniki sąsiednich stacji bazowych BS1 i BS2 wykorzystują tę samą częstotliwość f, to strefa 1 komórki z nadajnikiem BS1 musi leżeć poza strefą 2 nadajnika BS2 - przeniki Jeśli strefa 1 komórki z nadajnikiem BS1 będzie zachodzić na obszar strefy 2 nadajnika BS2, to odbiorniki w komórce pierwszej będą zakłócane sygnałem nadajnika BS2. Zjawisko takie to przeniki wspólnokanałowe - przeniki Przeniki międzykanałowe powstają, gdy nadajniki sąsiednich komórek pracują na różnych częstotliwościach. Nieliniowe charakterystyki nadajników i odbiorników generują w systemie dodatkowe częstotliwości sygnału, powodujące zakłócenia. 3

4 - pojemność Metody eliminacji przeników międzykanałowych: - linearyzacja wzmacniaczy - dokładne filtrowanie sygnałów - odpowiedni przydział częstotliwości stacjom bazowym Pojemność sieci komórkowej zdolność obsługiwania ruchu telefonicznego podana w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. Mierzy się ją przez podanie średniej liczby kanałów rozmównych przypadających na jednostkę powierzchni obszaru obsługiwanego przez system. Pojemność sieci komórkowej zależy od: - łącznej szerokości pasma użytkowanego przez operatora - liczby kanałów rozmównych przypadających na 1 MHz pasma - stopnia wielokrotnego wykorzystania tej samej częstotliwości - rozmiarów komórek System telefonii komórkowej GSM GSM (ang. Global System for Mobile Communication) powstawał od 1982 roku zatwierdzony przez ETSI grupą norm EN TELECOM'91 w Genewie pilotażowa wersja systemu październik 1991 GSM w Polsce wrzesień 1996 roku ponad 26 mln abonentów GSM w Polsce w 2005 roku centrum zarządzania siecią GSM część komutacyjno-sieciowa: - centrale MSC (Mobile Switching Center) - centrale tranzytowe GMSC (Gateway Mobile Switching Center) - rejestr stacji własnych HLR (Home Location Register) - rejestr stacji obcych VLR (Visitors Location Register) - centrum identyfikacji AuC (Authentication Center) zespół stacji bazowych BSS (Base Station Subsystem): - stacje bazowe BTS (Base Transceiver Station) - sterowniki stacji bazowych BSC (Base Station Controller) stacje ruchome MS (Mobile Station) 4

5 Centrum zarządzania kilka rozproszonych, połączonych ze sobą centrów eksploatacji i utrzymania OMC (Operation and Maintenance Center) umożliwia administrowanie i zarządzanie systemem. Korzysta z baz danych HLR, EIR i AuC. HLR rejestr stacji własnych HLR m.in. informacje o numerach i uprawnieniach abonenta, jego statusie (np. zablokowany) czy aktualnym położeniu stacji. Lokalizacja abonenta jest uaktualniana co kilka godzin i określa obszar centrali, na terenie której abonent przebywa. EIR rejestr identyfikacji telefonów EIR do identyfikacji stacji ruchomej abonenta przez porównanie numeru IMEI telefonu z danymi zawartymi na karcie SIM. Sprzęt, który nie uzyska akceptacji w systemie, np. zgłoszony jako skradziony, może zostać zablokowany. AuC centrum identyfikacji, połączone zwykle z HLR funkcje związane z niepowołanym dostępem do systemu, przez uniemożliwienie realizacji połączeń na koszt innych abonentów oraz uniemożliwienie podsłuchiwania rozmów w kanale radiowym. W bazie AuC przechowywane są klucze i algorytmy szyfrujące kanały radiowe abonentów. Centrale MSC/GMSC funkcje sterujące i komutacyjne pomiędzy abonentami sieci GSM oraz między abonentami sieci komórkowej i abonentami innych systemów (GMSC). Z każdą centralą GSM skojarzona jest baza danych VLR. VLR rejestr stacji obcych aktualizowane na bieżąco, informacje o abonentach GSM przebywających chwilowo na terenie danej centrali, ale zarejestrowanych na stałe w innej centrali sieci (dotyczy to abonentów z własnej sieci GSM, ale z innego jej rejonu, jak i abonentów z innych sieci GSM) Interfejs A standardowy strumień PCM 2 Mb/s (E1) łączący centrale ze sterownikami stacji bazowych BSC. BSC sterownik stacji bazowych sterowanie kilkoma lub kilkudziesięcioma stacjami bazowymi BTS poprzez interfejs A- BIS, zarządzanie procedurami szyfrowania transmisji w kanałach radiowych, zdalna regulacja mocy podległych stacji bazowych i ruchomych, przełączanie kanałów (handover) BTS stacje bazowe służą terminalom ruchomym MS do komunikacji z innymi abonentami sieci. Realizowane jest to poprzez interfejs radiowy Terminale ruchome MS - wyposażenie ruchome ME (Mobile Equipment) obsługa interfejsu radiowego oraz styk z urządzeniami zewnętrznymi - moduł identyfikacji abonenta SIM (Subscriber Identity Module) zawiera dane użytkownika, realizowany jako karta lub układ scalony montowany wewnątrz terminala. Funkcje modułu SIM - przechowywanie informacji zapisanych przez operatora sieci, służących zapewnieniu bezpiecznego korzystania z systemu, - przechowywanie informacji bieżących definiowanych przez użytkownika i przychodzących do niego SMS-ów. 5

6 łącze radiowe łącze radiowe Dwukierunkowość łącza realizowana techniką FDD (Frequency Division Duplex). Transmisja w górę tj. do stacji bazowej odbywa się na innej częstotliwości niż transmisja w dół tj. od stacji bazowej do stacji ruchomej. wersje systemu Wersje systemu GSM GSM kanały o szerokości 200 khz każdy, zorganizowane w dwa pasma o szerokości po 25 MHz MHz w górę, MHz w dół w górę: f u = ,2 n [MHz] w dół: f d = ,2 n [MHz] gdzie numer kanału n [ ] GSM kanały o szerokości 200 khz każdy, zorganizowane w dwa pasma o szerokości po 75 MHz MHz w górę, MHz w dół w górę: f u = ,2 (n - 511) [MHz] w dół: f d = ,2 (n - 511) [MHz] gdzie numer kanału n [ ] wersje systemu Wersje systemu GSM E-GSM 50 kanałów o szerokości 200 khz każdy, zorganizowanych w dwa pasma o szerokości po 10 MHz MHz w górę, MHz w dół. w górę: f u = ,2 (n ) [MHz] w dół: f d = ,2 (n ) [MHz] gdzie numer kanału n [ ] W niektórych krajach pasmo 1800 MHz jest zajęte przez inne systemy. W USA na potrzeby sieci komórkowej drugiej generacji przeznaczono zakres 1900 MHz ( MHz), który funkcjonuje tam pod nazwą GSM1900. wersje systemu Wersje systemu GSM GSM-R na potrzeby zintegrowanej europejskiej sieci transportu kolejowego (ETSI norma EN ) wydzielono dwa pasma o szerokości po 4 MHz poniżej kanałów E-GSM : w górę: [MHz] w dół: [MHz] wersje systemu Wersje systemu GSM GSM-R na potrzeby zintegrowanej europejskiej sieci transportu kolejowego (ETSI norma EN ) wydzielono dwa pasma o szerokości po 4 MHz poniżej kanałów E-GSM : w górę: [MHz] w dół: [MHz] Trwają prace standaryzacyjne nad systemem GSM400 tworzonym w kanałach zwalnianych przez telefonię analogową NMT. Na potrzeby systemu GSM400 przewidziano pasma: w górę: w dół: 450,4-457,6 oraz 478,8-486,0 [MHz] 460,4-467,6 oraz 488,8-496,0 [MHz] 6

7 wielodostęp Wielodostęp metodami TDMA i FDMA jednocześnie. Na każdej częstotliwości jednostką transmisji jest tzw. ramka TDMA o długości 4,615 ms wielodostęp Ramka osiem szczelin czasowych o czasie trwania 577 µs każda, ponumerowanych od 0 do 7. W pojedynczej szczelinie czasowej nadawany jest pakiet złożony zwykle ze 148 bitów. Kanały "w górę" i "w dół" są przesunięte względem siebie o długość trzech szczelin czasowych tj. o 1,731 ms Zapewnia to uniknięcie jednoczesnego nadawania i odbioru (eliminacja sprzężeń i obniżenia czułości odbiornika w obecności sygnału z własnego nadajnika). Ze względu na efekt Dopplera maksymalna prędkość stacji ruchomej wynosi 250 km/h w systemie GSM900 i tylko 130 km/h w GSM1800. Organizacja kanału fizycznego TDMA/FDMA w systemie GSM GSM pakiet podstawowy GSM pakiet podstawowy sekwencja treningowa 26 bitów wyznaczanie charakterystyki transmisyjnej kanału radiowego w celu kompensacji zniekształceń sygnału powstających wskutek propagacji wielodrogowej grupy bitów dodatkowych D łącznie 8 bitów sygnalizują zmianę zawartości bloków, ułatwiając działanie mechanizmów korekcji kanału radiowego oraz dekodowania kodu splotowego GSM inne pakiety GSM hierarchia wieloramek - korekcji częstotliwości synchronizacja generatora stacji ruchomej MS z częstotliwością stacji bazowej BTS - synchronizacyjny synchronizacja ramek - dostępu wyznaczanie opóźnienia propagacyjnego sygnału - zastępczy procedury systemowe np. do włączania stacji ruchomej do systemu 7

8 GSM ewolucja do systemu 3G GPRS ewolucja do systemu 3G - modyfikacja kodera protekcyjnego wzrost przepływności z 9,6 do 14,4 kb/s w pojedynczej szczelinie ramki TDMA - komutacja łączy HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) od 2 do 4 szczelin ramki na jedno łącze (28,8 do 57,6 kb/s) - GPRS (General Packet Radio Services) wprowadzenie do architektury systemu GSM dodatkowych urządzeń służących wyłącznie do transmisji pakietowych (PCU, SGSN, GGSN), przepływność do 107 kb/s - PCU (Packet Switching Unit) urządzenie rozdzielające dane pomiędzy sieć komutowaną a pakietową - SGSN (Serving GPRS Support Node) urządzenie obsługujące zestawianie połączeń GPRS oraz zapewniające współpracę z infrastrukturą GSM - GGSN (Gateway GPRS Support Node) urządzenie realizujące współpracę z publicznymi sieciami pakietowymi opartymi na protokołach IP i X.25 - EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) nowa metoda modulacji (8-PSK obok GMSK), przepływność do 384 kb/s GPRS ewolucja do systemu 3G EDGE ewolucja do systemu 3G 8