Systemy Bezprzewodowe Paweł Kułakowski
Tematyka kursu - dekada łączności bezprzewodowej Gwałtowny rozwój sieci bezprzewodowych w ostatniej dekadzie: popyt na usługi łączności radiowej rozwój technologii VLSI sukces telefonii komórkowej i bezprzewodowego dostępu do internetu Ograniczenia/wyzwania: zaniki sygnału radiowego niskie przepustowości mobilność użytkowników
Tematy zajęć na laboratorium 1. Rozgrzewka. Transmisja radiowa, modulacje, układy anten. 2. Bitowa stopa błędów, model kanału, modulacje adaptacyjne 3. Propagacja wielodrogowa wewnątrz budynków 4. Zaniki sygnału w komunikacji mobilnej 5. Systemy wieloantenowe MIMO 6. Techniki lokalizacji bezprzewodowej 7. Lokalizacja pasywna 8. Protokoły rutingu geograficznego
Wykłady 1. Informacje organizacyjne. Podstawy transmisji bezprzewodowej i techniki antenowej. 2. Wyzwania stojące przed komunikacją bezprzewodową. Modelowanie kanału radiowego. 3. Propagacja fal radiowych. Optyka geometryczna. Ray Tracing. 4. Propagacja wielodrogowa. Zaniki sygnału radiowego. Interferencje międzysymbolowe. 5. Techniki diversity. Systemy wieloantenowe MIMO. 6. Techniki lokalizacji bezprzewodowej i nawigacja satelitarna. 7. Systemy Ultra Wideband. 8. Bezprzewodowe sieci sensorowe.
Kwestie organizacyjne Prowadzący: Paweł Kułakowski D5 pokój 122, telefon: 617 39 67 e-mail: kulakowski@kt.agh.edu.pl Wykłady -> środy godz. 11:15, sala 127/D5 Materiały do wykładu: http://www.kt.agh.edu.pl/~brus/bezprzewodowe Proszę robić notatki!
Laboratorium 1. Zajęcia w środy, sala 128/D5, 2 grupy : - 13:15-15:30 Zajęcia trwają 2 godziny 15 minut. 2. Osiem obowiązkowych spotkań laboratoryjnych + colloquium ustne dla chcących poprawić ocenę 3. Zasady oceniania: - 10 pkt. do zdobycia na rozmowie pod koniec każdych zajęć - 40 pkt. potrzebnych do zaliczenia na 3.0 - każde 8 pkt. więcej to ocena 0.5 stopnia wyżej (skala ocen AGH)
Dla zainteresowanych, do czytania David Tse, Pramod Viswanath Fundamentals of Wireless Communication http://www.eecs.berkeley.edu/~dtse/book.html Andreas Molisch Wireless Communications
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: EM Wave D E 0 r H B H k E Z 0 Z > impedancja właściwa ośrodka - dla próżni: 120 [] r
Fale elektromagnetyczne źródło fali EM: polaryzacja wertykalna: natężenie pola elektrycznego: j( 2 f t ) E A e polaryzacja horyzontalna: A amplituda, - faza, f częstotliwość fali EM.
Fale elektromagnetyczne KAŻDA fala EM jest sumą (złożeniem, superpozycją) fal elementarnych o określonych A, oraz f.
Powierzchniowa gęstość mocy w hipotetycznym przypadku, gdy antena promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, gęstość powierzchniowa mocy w odległości r wynosi: S P T 4 r w ogólnym przypadku: 2 P T moc sygnału nadawanego przez antenę S PT G 4 r T 2
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
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
Przykłady diagramów kierunkowych
Przykłady diagramów kierunkowych
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 S PT G 4 r T 2 P S R A S P R P G 4 r T T 2 A S
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.
Modulacje Typowe modulacje: BPSK, QPSK, M-QAM, /4 offset QPSK, GMSK QPSK 11 01 00 BPSK 16-QAM /4 offset QPSK
Modulacje Zależności bitowej stopy błędów BER od stosunku mocy sygnału do mocy szumu SNR dla różnych modulacji
Bilans energetyczny łącza radiowego Zapewnienie wystarczającej wartości SNR : BER BLER PER FER 24
SNR i E b /N 0 moc sygnału (czasem określana jako: moc nośnej C ) moc szumu S [W] N [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
Układy anten Kształtowanie charakterystyk promieniowania: A=1, =90 /4 A=1, =0 kierunek propagacji
Układy anten A=1, =90 /4 A=1, =0 kierunek propagacji
Układy anten A=1, =90 /4 A=1, =0
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
Dziękuję za uwagę Paweł Kułakowski