Systemy Bezprzewodowe Paweł Kułakowski
Tematyka kursu - lata komunikacji bezprzewodowej Gwałtowny rozwój sieci bezprzewodowych w ostatnich latach: rozwój urządzeń (smartfony, tablety, laptopy) i aplikacji smartfony: jesteśmy non-stop on-line sukces sieci: komórkowych (mobilnych) i WiFi (IEEE 802.11) Ograniczenia/wyzwania: zaniki sygnału radiowego zapotrzebowanie na większe przepustowości mobilność użytkowników 5
Dane/prognozy Cisco* CAGR = roczna stopa wzrostu * Cisco Visual Networking Index 6
Tematy zajęć na laboratorium 1. Rozgrzewka. Transmisja radiowa, modulacje, układy anten. 2. Kanał radiowy, modulacje adaptacyjne. 3. Propagacja wielodrogowa wewnątrz budynków. 4. Zaniki sygnału w komunikacji mobilnej. 5. Koncepcja orthogonal beamforming. 6. Techniki lokalizacji bezprzewodowej. 7. Lokalizacja pasywna. 8. Protokoły rutingu geograficznego. 7
Wykłady 1. Informacje organizacyjne. Podstawy transmisji bezprzewodowej i techniki antenowej. 2. Wyzwania w rozwoju sieci bezprzewodowych. Modelowanie kanału radiowego. 3. Propagacja fal radiowych. Optyka geometryczna. Ray Tracing. 4. Propagacja wielodrogowa. Zaniki sygnału radiowego. Interferencje międzysymbolowe. 5. Diversity, MIMO, orthogonal beamforming. 6. Techniki lokalizacji bezprzewodowej i nawigacja satelitarna. 7. Systemy Ultra Wideband. Komunikacja mmwave i w paśmie THz. 8. Od sieci sensorowych do Internetu Rzeczy. 8
Kwestie organizacyjne Prowadzący: Paweł Kułakowski D5 pokój 122, telefon: 617 39 67 e-mail: kulakowski@kt.agh.edu.pl Wykłady -> piątki godz. 12:50, sala 201/D6 Materiały do wykładu: http://www.kt.agh.edu.pl/~brus/bezprzewodowe Proszę robić notatki! 9
Laboratorium 1. Zajęcia w piątki, sala 128/D5, 2 grupy : - 14:20-16:15 Zajęcia trwają 2 godziny 15 minut. 2. Osiem obowiązkowych zajęć laboratoryjnych + colloquium ustne (dla chcących poprawić ocenę) Proszę korzystać z zasobów sieci, ale na zajęciach obowiązuje zakaz logowania się: na jakąkolwiek pocztę, google drive, konto google itp. (-3 punkty) 3. Zasady oceniania: - 10 pkt. do zdobycia na rozmowie pod koniec każdych zajęć - 40 pkt. (50%) potrzebnych do zaliczenia na 3.0 - każde 8 pkt. (10% z max.) więcej to ocena 0.5 stopnia wyżej 10
Podstawy radiokomunikacji i techniki antenowej - przypomnienie
Fale elektromagnetyczne k -> wektor falowy określa kierunek propagacji fali E D H B - natężenie pola elektrycznego [V/m] - indukcja elektryczna [C/m 2 ] - natężenie pola magnetycznego [A/m] - indukcja magnetyczna [Wb/m 2 ] Dla ośrodków liniowych: D E 0 r H B H k E Z 0 Z > impedancja właściwa ośrodka - dla próżni: 120 [] r 12
Fale elektromagnetyczne źródło fali EM: polaryzacja wertykalna: natężenie pola elektrycznego: E A e j( 2 f t ) polaryzacja horyzontalna: A amplituda, - faza, f częstotliwość fali EM. 13
Fale elektromagnetyczne KAŻDA fala EM jest sumą (złożeniem, superpozycją) fal elementarnych o określonych A, oraz f. 14
Powierzchniowa gęstość mocy w hipotetycznym przypadku, gdy antena promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, gęstość powierzchniowa mocy w odległości r wynosi: S PT 4 r w ogólnym przypadku: 2 P T moc sygnału nadawanego przez antenę S PT G 4 r T 2 15
Anteny i diagramy kierunkowe źródło fali EM: listek główny Anteny izotropowe oraz anteny promieniujące tylko w jednym, wybranym kierunku NIE ISTNIEJĄ. listki wsteczne listki boczne 16
Parametry anten Zysk kierunkowy D [dbi] stosunek gęstości mocy promieniowanej na danym kierunku do średniej gęstości mocy, w uproszczeniu: wzmocnienie sygnału na danym kierunku w porównaniu z anteną izotropową Zysk energetyczny G [dbi] iloczyn zysku kierunkowego i sprawności energetycznej anteny: G A D 95% Na kierunku maksymalnego promieniowania: D max i G max A 98% Kąt połowy mocy 2 3dB [] kąt poza którym moc sygnału spada o 3dB poniżej mocy maksymalnej 17
Przykłady diagramów kierunkowych 18
Przykłady diagramów kierunkowych 19
Parametry anten Powierzchnia (apertura) skuteczna A S [m 2 ] hipotetyczna, efektywna powierzchnia odbioru sygnału radiowego S gęstość powierzchniowa mocy w pobliżu anteny P R - moc odbierana na zaciskach anteny P S R A S P R P G r T T 2 S A S PT G 4 r T 2 4 20
Transmisja w kanale radiowym Nadajnik Kanał radiowy Odbiornik H( f ) Ae j( f ) S N I BER P T 1010 1010 P R -> czułość odbiornika kodowanie modulacja dekodowanie demodulacja Błędy w transmisji -> kody korekcyjne FEC, retransmisje. UWAGA: omawiana jest pierwsza warstwa modelu OSI. 21
Modulacje Typowe modulacje: BPSK, QPSK, M-QAM, offset QPSK, /4 QPSK QPSK 11 01 00 BPSK 16-QAM /4 QPSK
Modulacje Zależności bitowej stopy błędów BER od stosunku mocy sygnału do mocy szumu SNR dla różnych modulacji 23
Bilans energetyczny łącza radiowego Zapewnienie wystarczającej wartości SNR : BER SER BLER PER FER 24
SNR i E b /N 0 moc sygnału (czasem określana jako: moc nośnej C ) moc szumu S N [W] [W] widmowa gęstość mocy szumu energia przypadająca na jeden bit informacyjny J bit Eb Rb bit s W N 0 B [Hz] Hz szybkość transmisji bitów informacyjnych szerokość pasma częstotliwości krotność modulacji: m = log 2 M M -> liczba stanów w konstelacji symbolowa szybkość transmisji R bit s m b R s bit s sprawność zastosowanych kodów nadmiarowych 25
SNR, SIR, SINR systemy "noise-limited" np. łącza satelitarne SNR - SINR - Signal to Noise Ratio Signal to Interference and Noise Ratio SIR - Signal to Interference Ratio systemy "interference-limited" np. sieci komórkowe 26
Bilans SNR/SINR/SIR łącza radiowego Bilans mocy sygnału Strona nadawcza Kanał radiowy Strona odbiorcza Bilans mocy szumu i interferencji 27
Bilans łącza radiowego Effective Isotropic Radiate Power (P T + G T ± ) Receiver Antenna Gain SNR [db] = EIRP [dbw] PL [db] + G R [db] N [dbw] Path Loss (wg. odpowiedniego modelu kanału radiowego) Noise Power 28
Układy anten Kształtowanie charakterystyk promieniowania: A=1, =90 /4 A=1, =0 kierunek propagacji 29
Układy anten A=1, =90 /4 A=1, =0 kierunek propagacji 30
Układy anten A=1, =90 /4 A=1, =0 31
Układy anten Wybór położenia zer i maksimów charakterystyk Poprawa maksymalnego zysku kierunkowego Niwelowanie niepożądanych sygnałów zakłócających Anteny inteligentne -> modyfikacja charakterystyk promieniowania w reakcji na zmiany sygnałów radiowych docierających do anteny i zmiany w kanale radiowym 32
Dziękuję za uwagę Paweł Kułakowski