Wyzwania. The future, according to some scientists, will be exactly like the past, only far more expensive. John Sladek

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wyzwania. The future, according to some scientists, will be exactly like the past, only far more expensive. John Sladek"

Kazimierz Borowski
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wyzwania w komunikacji bezprzewodowej The future, according to some scientists, will be exactly like the past, only far more expensive. John Sladek

2 Rozwój sieci bezprzewodowych Obecny trend: unifikacji sieci, usług i odbiorców: Sieci komórkowe nowych generacji: 5G/B4G (Beyong Fourth Generation) Lokalne mobilne sieci bezprzewodowe (mobile IP networks, mobile ad-hoc networks, vehicular ad-hoc networks) Sieci łączące użytkowników, pojazdy (VANETs), sensory (WSNs), urządzenia medyczne, body area networks, inteligentne domy/miasta (Smart Cities) Inne koncepcje: Sieci sensorowe (Wireless Sensor Networks) - systemy malutkich czujników zbierających dane o otoczeniu i przekazujących je drogą radiową do centrum kontrolnego Systemy UWB (Ultra WideBand) - transmisja danych na niewielkie odległości (pojedyncze metry), wewnątrz budynków, w szerokim paśmie częstotliwości ( GHz)

3 Wyzwania stojące przed łącznością bezprzewodową 1. Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma częstotliwości 2. Propagacja wielodrogowa i zaniki sygnału (osobny wykład) 3. Mobilność użytkowników

4 Wyzwania I Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma częstotliwości Dan Page, IEEE Spectrum, October 2010

5 Fale elektromagnetyczne fale radiowe: promieniowanie podczerwone: światło widzialne: promieniowanie ultrafioletowe UV: promienie Roentgena X: promienie gamma : do Hz Hz Hz Hz Hz powyżej Hz

6 Ogólny przydział częstotliwości radiowych poniżej 100 MHz: CB radio, pagery, analogowa telefonia bezprzewodowa, radionawigacja i łączność morska MHz: telewizja i radiofonia MHz, MHz, GHz: sieci komórkowe GHz: pasmo ISM (Industrial, Scientific and Medical), cyfrowa telefonia bezprzewodowa, sieci WLAN i WPAN oraz... kuchenki mikrofalowe GHz, GHz: przewidywane zakresy dla abonenckiego dostępu bezprzewodowego GHz: sieci WLAN GHz: telewizja satelitarna Szczegółowych przydziałów dokonują ITU (WRC), CEPT, FCC i odpowiednie organy państwowe Radio-Allocation-Chart-for-USA

7 Sposoby wykorzystania pasma częstotliwości 1. Pasmo dzierżawione 2. Pasmo niekomercyjne, dedykowane dla danego systemu łączności 3. Pasmo przeznaczone do swobodnego użytku 4. Systemy UWB (Ultra WideBand) 5. Cognitive Radio, podejście typu: opportunistic

8 Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma Reglamentacja pasma częstotliwości (ITU, WRC) Niskie przepustowości systemów radiowych Cel: Osiąganie wysokich przepustowości mimo ograniczonego pasma częstotliwości. Współczynnik wykorzystania pasma: = przepustowość pasmo częstotliwości [bit/s/hz]

9 Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma Rozwiązanie nr. 1: Stosowanie modulacji wysokopoziomowych: BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM?-QAM

10 Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma Ograniczenie klasyczny wzór Shannona : C B log 2 (1 SNR) log 2 (1 SNR)

11 Efektywne wykorzystanie dostępnego pasma Rozwiązanie nr. 2: Systemy wieloantenowe Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Współczynnik wykorzystania pasma może wzrosnąć nawet [min(n,m)]-krotnie

12 Rozw. 3: Wielokrotne wykorzystanie pasma Przypadek I Pasmo dzierżawione np. sieci komórkowe podział obsługiwanego obszaru na podobszary komórki wielokrotny przydział tych samych kanałów częstotliwościowych rezultat: kontrolowane zakłócenia interferencyjne wspólnokanałowe Przypadek II Pasmo przeznaczone do swobodnego użytku np. ISM zmienne, nieprzewidywalne zakłócenia interferencyjne wymagane zabezpieczenia, np. rozpraszanie widma, wybór lub skakanie po kanałach częstotliwościowych

13 Wyzwania II Mobilność użytkowników

14 Mobilność użytkowników Konsekwencje: konieczność przełączeń (handovers) zmiany transmitancji kanału radiowego konieczność aktualizacji informacji o kanale radiowym zmiana częstotliwości efekt Dopplera Efekt Dopplera: częstotliwość fali nośnej: f prędkość pojazdu: v częstotliwość fali nośnej odbieranej na wieży: f ' f f v c

15 Efekt Dopplera ogólny przypadek częstotliwość fali nośnej: f częstotliwość fali nośnej odbieranej na wieży: kąt f ' f f v c cos prędkość pojazdu: v Przykład: częstotliwość fali nośnej: 900 MHz prędkość nadjeżdżającego samochodu: 360 km/h poprawka częstotliwości: 300 Hz

16 Informacja o kanale radiowym Channel State Information (CSI) CSI w odbiorniku : H Sekwencje treningowe Kompletna CSI : H H H Kanał zwrotny Brak CSI :

17 Informacja o kanale radiowym w odbiorniku H przypadek najbardziej powszechny przykłady zastosowań: - działanie korektorów (equalizers) w sieciach telefonii komórkowej - dekodowanie sygnałów, szczególnie w systemach MIMO - kształtowanie wiązek anten odbiorczych Problemy występujące przy stosowaniu sekwencji treningowych: spadek współczynnika wykorzystania pasma szum zniekształcający sekwencje treningowe aktualność sekwencji treningowych w szybkozmiennym kanale radiowym

18 Kompletna CSI H H H Wykorzystanie CSI w nadajniku: modulacja adaptacyjna kształtowanie wiązek anten nadawczych system MIMO: sterowanie mocą poszczególnych anten nadawczych, dopasowywanie transmitowanych sygnałów do kanału radiowego puncturing Wady zastosowania transmisji z kompletną CSI: konieczność rezerwacji kanału zwrotnego aktualność CSI po przesłaniu jej do nadajnika (systemy FDD)

19 Systemy bez CSI (blind detection) Wykorzystanie własności statystycznych transmitowanego sygnału (np. skończona liczba symboli w konstelacji, stałość obwiedni) do jednoczesnej estymacji kanału radiowego i dekodowania danych Wady: długi czas inicjacji algorytmu duża złożoność obliczeniowa

20 Modele kanałów radiowych 20

21 Modele kanału radiowego NADAJNIK H (f, (x,y,z), t) =? ODBIORNIK Pomiary? - uciążliwe, długotrwałe, kosztowne, wymagające sprzętu radiowego Częstotliwość Odległość Tx-Rx Charakterystyka środowiska propagacyjnego Profil mocy kanału Widmo dopplerowskie Tłumienie trasy radiowej Polaryzacja Kierunki propagacji sygnałów 21

22 Zastosowania modeli kanału radiowego NADAJNIK H (f, (x,y,z), t) =? ODBIORNIK Planowanie sieci radiowych: pokrycia terenu, zasięgu, mocy nadajników, interferencji, itp. Opisanie konkretnych warunków propagacyjnych > modele empiryczne i deterministyczne Projektowanie sieci bezprzewodowych: technik kodowania, modulacji, przetwarzania sygnałów, projektowanie i testowanie sprzętu Zobrazowanie w sposób ogólny typowych warunków propagacyjnych > modele stochastyczne

23 Modele empiryczne oparte na pomiarach, danych eksperymentalnych pozwalają wyliczyć parametry kanału radiowego (np. tłumienie, power delay profile) na podstawie danych o środowisku propagacyjnym długości trasy radiowej, średnich wysokościach anten, rodzaju zabudowania terenu, itp. przykłady modeli: - Okumura-Hata, - Walfish-Ikegami, - COST 231 (poprawione wersje dwóch poprzednich), - ITU-R M

24 Modele kanału radiowego dla GSM/UMTS Modele Okumury-Haty i COST 231-Hata - modele empiryczne, bazujący na pomiarach wykonanych w okolicach Tokio jeszcze w latach 60-tych - założenia: duże komórki, anteny stacji bazowych wzniesione wysoko ponad zabudowę terenu - częstotliwości do 2 GHz Path Loss [db] = A + B log(d) + C d -> odległość [w kilometrach] A, B, C -> czynniki zależne od częstotliwości, wysokości, na której znajdują się anteny stacji bazowej i terminala ruchomego oraz środowiska propagacji (metropolitan areas, small and medium-size cities, suburban, rural environments) Przykład (dla niedużego miasta, f < 1500 MHz) : Path Loss [db] = log(f) log(h b ) + + [ log(h b )] log(d) [1.1 log(f) 0.7] h m h b, h m -> wysokości anten stacji bazowej i terminala ruchomego [w metrach] 24

25 Modele kanału radiowego dla GSM/UMTS Model COST 231-Walfish-Ikegami - model empiryczny, odpowiedni dla małych komórek (d<1km) w środowisku miejskim - uwzględnienie rodzaju zabudowy: wysokości budynków i szerokości ulic - analizowane zjawiska: propagacja w kanionach ulicznych, rozproszenie i załamanie fali radiowej na dachach budynków - uwzględnienie wpływu częstotliwości (do 2 GHz) i wysokości anten Path Loss [db] = funkcja(f, d, h b, h m, w, b,, h Roof,...) antena stacji bazowej Typowy scenariusz propagacyjny: antena terminala ruchomego 25

26 Szerokopasmowy model ITU-R M > model empiryczny dla 3 środowisk propagacyjnych: - Indoor (wewnątrz budynków) - Pedestrian (abonenci piesi) - Vehicular (abonenci w samochodach) -> tłumienie trasy zależne od częstotliwości, długości trasy i wysokości anten -> model szerokopasmowy, np. dla środowiska typu Pedestrian: 0 db -9.7 db Profil mocy kanału A: db db t [ns] Analogicznie dla kanału B

27 Modele deterministyczne powstałe na bazie symulacji i obliczeń numerycznych parametry kanału radiowego są obliczane na podstawie bardzo dokładnych danych geometrycznych o obiektach znajdujących się w otoczeniu nadajnika i odbiornika przykłady : ray tracing, ray launching, numeryczne rozwiązywanie równań Maxwella S. Knorzer 27

28 Modele stochastyczne parametry kanału radiowego są zmiennymi losowymi opisanymi przez rozkłady prawdopodobieństwa modele wykorzystywane przy analizie, projektowaniu i optymalizacji części składowych systemów telekomunikacyjnych powszechnie stosowane w symulacjach Monte-Carlo przykłady : modele Rayleigha, Rice a 28

29 Model Rayleigha propagacja wielodrogowa, duża liczba dróg propagacji sygnału radiowego warunki NLoS (brak składowej dominującej) zmienna losowa o rozkładzie Rayleigha powstaje z dwóch zmiennych o rozkładach normalnych: 2 2 R( x, ) N (0, ) N (0, ) przesunięcie fazowe dane rozkładem jednostajnym <0, 360 > amplituda: 2 x x R( x, ) exp, x E( x) 2 pdf: D 2 ( x)

30 Model Rice a model Rayleigha + składowa dominująca, np. propagacja bezpośrednia LoS 30

31 Przykład wyników pomiarowych Pomiary dla standardu p (sieci VANET), f = 5.6 GHz łączność między samochodami: Skrzyżowanie w mieście Autostrada Źródło: COST 2100 TD

32 Dziękuję za uwagę 32

Podobne dokumenty

Planowanie sieci bezprzewodowych - bilans łącza radiowego

Planowanie sieci bezprzewodowych - bilans łącza radiowego Paweł Kułakowski Bilans energetyczny łącza radiowego Zapewnienie wystarczającej wartości SNR (SINR, SIR) : lub wystarczającej wartości E b /N 0