Sieci mobilne i bezprzewodowe. Franciszek Seredynski PJWSTK sered@pjwstk.edu.pl

Sieci mobilne i bezprzewodowe Franciszek Seredynski PJWSTK sered@pjwstk.edu.pl

Literatura D. P. Agrawal, Q.-A. Zeng, Introduction to Wireless and Mobile Systems, 2e, Thomson, 2006 W. Stallings, Wireless Communications and Networks, 2e, Pearson Prentice Hall, 2005 M. Ilyas, I. Mahgoub (eds.), Mobile Computing Handbook, Auerbach 2005

Wprowadzenie

Motywacje Warszawa Barcelona Podtrzymywanie bezprzewodowego poł czenia telefonicznego mi dzy urz dzeniami mobilnymi poruszajacymi si w obszarze geograficznym

Technologie bezprzewodowe Sieci komórkowe Systemy satelitarne, GPS Sieci ad hoc (dora ne) i sieci sensorowe Bezprzewodowe WPAN (wireless personal area networks): - 802.15.4, 802.15.1 Bluetooh Bezprzewodowe WLAN (wireless local area networks): - 802.11-802.11b (WiFi) - 802.11g - 802.11a HiperLAN Bezprzewodowe WMAN (wireless metropolitan area networks): -802.16

The History of Mobile Radio Communication (1/3) 1880: Hertz Initial demonstration of practical radio communication 1897: Marconi Radio transmission to a tugboat over an 18 mi path 1921: Detroit Police Department: -- Police car radio dispatch (2 MHz frequency band) 1933: FCC (Federal Communications Commission) Authorized four channels in the 30 to 40 MHz range 1938: FCC Ruled for regular service 1946: Bell Telephone Laboratories 152 MHz (Simplex) 1956: FCC 450 MHz (Simplex) 1959: Bell Telephone Laboratories Suggested 32 MHz band for high capacity mobile radio communication 1964: FCC 152 MHz (Full Duplex) 1964: Bell Telephone Laboratories Active research at 800 MHz 1969: FCC 450 MHz (Full Duplex) 1974: FCC 40 MHz bandwidth allocation in the 800 to 900 MHz range 1981: FCC Release of cellular land mobile phone service in the 40 MHz bandwidth in the 800 to 900 MHz range for commercial operation

The History of Mobile Radio Communication (2/3) 1981: AT&T and RCC (Radio Common Carrier) reach an agreement to split 40 MHz spectrum into two 20 MHz bands. Band A belongs to nonwireline operators (RCC), and Band B belongs to wireline operators (telephone companies). Each market has two operators. 1982: AT&T is divested, and seven RBOCs (Regional Bell Operating Companies) are formed to manage the cellular operations 1982: MFJ (Modified Final Judgment) is issued by the government DOJ. All the operators were prohibited to (1) operate long-distance business, (2) provide information services, and (3) do manufacturing business 1983: Ameritech system in operation in Chicago 1984: Most RBOC markets in operation 1986: FCC allocates 5 MHz in extended band 1987: FCC makes lottery on the small MSA and all RSA licenses 1988: TDMA (Time Division Multiple Access) voted as a digital cellular standard in North America 1992: GSM (Groupe Speciale Mobile) operable in Germany D2 system

The History of Mobile Radio Communication (3/3) 1993: CDMA (Code Division Multiple Access) voted as another digital cellular standard in North America 1994: American TDMA operable in Seattle, Washington 1994: PDC (Personal Digital Cellular) operable in Tokyo, Japan 1994: Two of six broadband PCS (Personal Communication Service) license bands in auction 1995: CDMA operable in Hong Kong 1996: US Congress passes Telecommunication Reform Act Bill 1996: The auction money for six broadband PCS licensed bands (120 MHz) almost reaches 20 billion US dollars 1997: Broadband CDMA considered as one of the third generation mobile communication technologies for UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) during the UMTS workshop conference held in Korea 1999: ITU (International Telecommunication Union) decides the next generation mobile communication systems (e.g., W-CDMA, cdma2000, etc)

Generacje telefonii komórkowej (1) Generacja I (1G) - systemy oparte na technice analogowej, - wiadcz głównie zwykłe rozmowy telefoniczne - funkcjonuj na cz stotliwo ci rz du 450MHz, Generacja II (2G) - systemy oparte na technice cyfrowej, - funkcjonuj na cz stotliwo ci rz du 900MHz, - w ramach systemu GSM dost pne s mi dzy innymi usługi takie, jak: poczta głosowa, przeniesienie poł czenia, blokowanie poł cze, oczekiwanie na poł czenie, zawieszenie poł czenia, poł czenie konferencyjne, identyfikacja rozmówcy, biling (szczegółowy rachunek), mo liwo ć przesyłania danych komputerowych i faksów, przesyłanie wiadomo ci tekstowych, w 1997 r. poprawiono funkcjonalno ć sieci - dodano dwie szybsze technologie transmisji danych: HSCSD (High Speed Circuit Swiched Data) do 115kb/s i GPRS (General Packed Radio Service) do 170kb/s;

Generacje telefonii komórkowej (2) Generacja III (3G) - systemy cyfrowe, zapewniaj korzystanie z bardzo du ego zakresu usług, w tym multimedialnych w skali wykraczaj cej poza mo liwo ci systemów drugiej generacji (GSM) oraz zdolno ć do poł czenia mo liwo ci korzystania z komponentów naziemnych i satelitarnych o globalnym zasi gu, umo liwia integracj wszystkich systemów radiokomunikacyjnych, zaprojektowany pod k tem jak najwi kszej wydajno ci w transmitowaniu danych (384Kb/s - 2Mb/s). Generacja IV (2010?) Od pewnego okresu trwaj badania nad now technologi -4G. Komercyjny debiut tej sieci jest przewidywany na rok 2010. Definicja 4G przyj ta przez Mi dzynarodow Uni Telekomunikacyjn ITU mówi, e pobieranie danych w takich sieciach powinno odbywać si z pr dko ci 1Gb/s w sytuacji gdy telefon jest nieruchomy oraz około 100Mb/s podczas szybkiego przemieszczanie si abonenta.

First Generation Cellular Systems and Services 1970s Developments of radio and computer technologies for 800/900 MHz mobile communications 1976 WARC (World Administrative Radio Conference) allocates spectrum for cellular radio 1979 NTT (Nippon Telephone & Telegraph) introduces the first cellular system in Japan 1981 NMT (Nordic Mobile Telephone) 900 system introduced by Ericsson Radio System AB and deployed in Scandinavia 1984 AMPS (Advanced Mobile Phone Service) introduced by AT&T in North America

Second Generation Cellular Systems and Services 1982 CEPT (Conference Europeenne des Post et Telecommunications) established GSM to define future Pan-European Cellular Radio Standards 1990 Interim Standard IS-54 (USDC) adopted by TIA (Telecommunications Industry Association) 1990 Interim Standard IS-19B (NAMPS) adopted by TIA 1991 Japanese PDC (Personal Digital Cellular) system standardized by the MPT (Ministry of Posts and Telecommunications) 1992 Phase I GSM system is operational 1993 Interim Standard IS-95 (CDMA) adopted by TIA 1994 Interim Standard IS-136 adopted by TIA 1995 PCS Licenses issued in North America 1996 Phase II GSM operational 1997 North American PCS deploys GSM, IS-54, IS-95 1999 IS-54: North America IS-95: North America, Hong Kong, Israel, Japan, China, etc GSM: 110 countries

Third Generation Cellular Systems and Services (1/2) IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000): - Fulfill one's dream of anywhere, anytime communications a reality. Key Features of IMT-2000 include: - High degree of commonality of design worldwide; - Compatibility of services within IMT-2000 and with the fixed networks; - High quality; - Small terminal for worldwide use; - Worldwide roaming capability; - Capability for multimedia applications, and a wide range of services and terminals.

Third Generation Cellular Systems and Services (2/2) Important Component of IMT-2000 is ability to provide high bearer rate capabilities: - 2 Mbps for fixed environment; - 384 Kbps for indoor/outdoor and pedestrian environments; - 144 kbps for vehicular environment. Standardization Work: - Release 1999 specifications - In processing Scheduled Service: - Started in October 2001 in Japan (W-CDMA)

Wzrost liczby abonentów Abonenci 3G abonenci Abonenci 2G cyfrowa Abonenci 1G analogowa 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 rok 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Aspekt pokrycia w mobilnych komunikacyjnych systemach 3 generacji Satelita W budynku miasto podmiejski globalne Picocell Microcell Macrocell Global

Pr dko ci transmisji Mobilino ć Samochodowa Piesi Stacjonarna Global System for Mobile Communications Universal Mobile Telecommunications System Broadband radio Mobile Broadband System Local Multipoint Distribution System Satellite Universal Mobile Telecommunications System Broadband Satellite Multimedia 0.01 0.1 1 10 100 Szybko ć danych (Mb/s) Pr dko ci transmisji jako funkcja mobilno ci w niektórych systemach o dost pie radiowym

np. zastosowania medyczne Lekarz w szpitalu Przeł cznik ATM Sieć Sieć szkieletowa szkieletowa ATM ATM Przeł cznik ATM oddalona Baza danych bezprzewodowa odległo ciowa konsultacja Ambulans Mo liwo ci konsultacji na odległo ć

np. zastosowanie w ruchu drogowym UMTS, WLAN, GSM, cdma2000, ad hoc Personal Travel Assistant, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,...

Sieci komórkowe komórka BS MS Idealna powierzchnia komórki (promie 2-10 km) Alternatywny kształt komórki MS Powierzchnia sze ciok tnej komórki u ywana w wi kszo ci modeli Pojedy cza komórka sieci ze stacjami mobilnymi (MS) oraz stacj bazow (BS)

Pojedy cza komórka W ka dej komórce wielu u ytkowników jest obsługiwanych przez pojedy cz BS Je eli zamierza si powi kszyć obszar komórki to dodatkowe BS-y s umieszczane w tych obszarach ograniczony zakres cz stotliwo ci jest przydzielony do obsługi komórki eby zwi kszyć efektywno ć systemu pewne techniki multipleksowania s u ywane

Multipleksowanie Pojemno ć medium transmisyjnego przekracza zwykle pojemno ć wymagan Multipleksowanie przenoszenie wielu sygnałów w pojedy czym medium Bardziej efektywne u ycie medium transmisyjnego

Techniki multipleksowania FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Nowa technika SDMA (Space Division Multiple Access) jest równie aktualnie testowana z u yciem anten mikrofalowych

FDMA (Frequency Division Multiple Access) (multipleksowanie z podziałem cz stotliwo ci) - w systemach 1G Pasmo cz stotliwo ci jest dzielone na podpasma nazywane kanałami Pojedy czy kanał jest przydzielany przez BS do uzytkownika

Struktura pasma w FDMA 1 2 3 4 n cz stotliwo ć Całkowite pasmo

Przydział kanału w FDMA u ytkownik 1 u ytkownik 2 u ytkownik n cz stotliwo ć 1 cz stotliwo ć 2 cz stotliwo ć n Urz dzenia mobilne Stacja bazowa

TDMA (Time Division Multiple Access) (multipleksowanie z podziałem czasu) w wi kszo ci systemów 2G cz stotliwo ć u ytkownik 1 u ytkownik 2 u ytkownik n czas

TDMA Czas dzielony jest na ramki o stałej długo ci Ka da ramka składa si ze stałej liczby sczelin czasowych Dla danego poł czenia BS przydziela jedn szczelin czasow t sam w kolejnych ramkach

Struktura ramki TDMA 1 2 3 4 n czas ramka

Ilustracja ramki TDMA dla wielu u ytkowników czas 1 u ytkownik 1 czas 2 u ytkownik 2 u ytkownik n czas n Urz dzenia mobilne Stacja bazowa

CDMA (Code Division Multiple Access) (multipleksowanie z podziałem kodu) niektóre 2G, wi kszo ć 3G cz stotliwo ć u ytkow n... u ytkow 2 u ytkow 1 czas kod

Transmitowane i odbierane sygnały w systemie CDMA Bity informacji Kod na wyj ciu transmisji Sygnał transmitowany Odebrany sygnał kod wchodz cy do odbiornika odkodowany sygnał W odbiorniku

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Pojawiła si niedawno pozwala na równoległ transmisj danych z u yciem wielu kanałów U ywa technik transmisji wielono nikowych, aby efektywnie redukować odbicia sygnałów radiowych w terenie

Techniki oparte na kombinacji FDMA, TDMA i CDMA Istnieje szereg technik b d cych wariantami i kombinacjami znanych ju technik Jedn z nich jest tzw. frequency hopping technika oparta na przeskokach cz stotliwo ci (kombinacja FDMA i TDMA): -pojedy czy u ytkownik wykorzystuje jeden kanał przez okre lony czas, a nast pnie zmienia kanał na inny -ka dy u ytkownik ma okre lon własn sekwencj zmian kanałów - ta technika oryginalnie była opracowana dla wojska w zwi zku z problem, aby skutecznie przesyłać informacj je eli nieprzyjaciel zagłusza okre lony zakres cz stotliwo ci

Przeskoki cz stotliwo ci: kombinacja FDMA i TDMA cz stotliwo ć ramka Szczelina f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 czas

Ewolucja infrastruktura systemów komórkowych BS Strefa usługi Wczesne systemy bezprzewodowe: Du a strefa

System komórkowy: mała pojedy cza strefa BS BS Strefa usługi BS BS BS BS BS

MS (mobile station), BS (base station), BSC (BSController), MSC (mobile switch center), and PSTN (public switched telephone network) Domowy telefon PSTN MSC MSC BSC BSC BSC BSC BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS

BS składa si z odbiornika bazy (BTS) oraz kontrolera BS (BSC) Wie a i antena s cz ciami BS, podczas gdy pozostały sprz t nale y do BSC HLR (home location register) oraz VLR (visitor location register) to dwa zbiory wska ników, które zapewniaj mobilno ć i u ywanie tego samego numeru na całym wiecie HLR jest ulokowany w MSC, w którym urz dzenie mobilne jest zarejestrowane i gdzie informacja o pocz tkowym jego poło eniu oraz o bilingu jest przechowywana VLR zawiera informacje o wszystkich MS odwiedzaj cych obszar danego MSC

Do obsługi ka dego komórkowego (mobilnego) urz dzenia potrzebne s 4 kanały zapewniaj ce wymian danych lub synchronizacj mi dzy BS i MS -2 kanały kontrolne: wymiana danych dotycz cych uwierzytelnienia, danych o abonencie,.. -2 kanały informacyjne do celów transmisji danych

Kanały kontrolne i informacyjne Urz dzenie mobilne (MS) kanał kontrolny przekazywania (forward) kanał kontrolny przekazywania odwrotnego (reverse) kanał przekazywanie informacji kanał przekazywania odwrotnego informacji Stacja bazowa (BS)

Kroki kanału kontrolnego poprzedzaj ce rozpocz cie pracy kanału informacyjnego mi dzy MS a BS (handshake steps) BS 1. Potrzeba utworzenia poł czenia MS 2. Przypisanie cz stotliwo ci/szczeliny/kodu (FDMA/TDMA/CDMA) 3. Informacja konytrolna potwierdzaj ca 4. Start komunikacji na przypisanym kanale

Kroki kanału kontrolnego poprzedzaj ce rozpocz cie pracy kanału informacyjnego mi dzy BS a MS (handshake steps) BS MS 1. Info do MS # o rozpocz ciu procedury 2. Gotowy do utworzenia poł czenia 3. U yj cz stotliwo ć/szczelin czasow /kod (FDMA/TDMA/CDMA) 4. Gotowy do komunikacji 5. Start komunikacji na przypisanym kanale

Uproszczony bezprzewodowy system komunikacyjny Antena Informacja do transmisji (głos/dane) kodowanie modulator nadajnik no nik Antena Informacja otrzymana (głos/dane) dekodowanie demodulator odbiornik no nik

Systemy satelitarne Tradycyjne zastosowania Satelity do prognozowania pogody Transmisje radiowe i TV satelity militarne Zastosowania telekomunikacyjne Globalne poł czenia telefoniczne szkielet sieci globalnej GPS

Sieci ad hoc Składaj si z urz dze mobilnych wyposa onych w karty do komunikacji bezprzewodowej (w jednym okre lonym standardzie) Ka de urz dzenie potrafi rozmawiać z ka dym znajduj cym si w jego radiowym polu widzenia

Komunikacja typu multi hop W zeł A komunikuje si z w złem M W tym celu wykorzystuje w zły po rednicz ce, E, H, L

Zastosowanie sieci ad hoc w przemy le motoryzacyjnym Firma BMW pracuje nad projektem inteligentnego auta wykorzystuj cego m.in. sieci ad hoc. Zastosowanie sieci ad hoc w samochodach umo liwia wymian informacji pomi dzy samochodami. Przykładowo mog to być ostrze enia o zagro eniach, korkach itp. Ostrze enie przed niebezpiecze stwem

Zastosowania sieci ad hoc Private Area Networks, projekt cybernetycznego domu brak kabli, samokonfigurowalne, wymiana dokumentów i gier, sterowanie mikserem Akcje ratunkowe Konferencje Operacje militarne

Bezprzewodowe sieci sensorowe stacja bazowa antena cel sensor

Wa niejsze technologie sieci bezprzewodowych IEEE 802.11, 30m Peer-to-peer poł czenia HiperLAN, 30m Sieci ad hoc, >500m Sieci sensorowe, 2m Home RF, 30m Ricochet, 30m Sieci Bluetooh, 10m Lotniska, sprz t AGD Pole walki, zagro enia Fabryki chemiczne, nuklearne Domy Lotniska, biura biura

Wprowadzenie-koniec

Podstawy transmisji sygnałów 1

Sygna elektromagnetyczny Jest funkcj czasu Mo e być równie wyra ony jako funkcja cz stotliwo ci Sygnał składa si ze składowych o róznych cz stotliwo ciach 2

Koncepcja sygnału sygna analogowy intensywno ć sygna u zmienia się w sposób agodny w czasie Brak przerw czy nieciąg o ci w sygnale sygna cyfrowy podtrzymywana jest intensywno ć sygna u na sta ym poziomie przez pewien okres czasu a następnie zmienia się on do innego sta ego poziomu sygnał periodyczny sygnał analogowy lub cyfrowy, którego obraz powtarza si periodycznie (cyklicznie) w czasie s(t +T ) = s(t ) - < t < + gdzie T jest okresem sygnału sygnał aperiodyczny sygnał analogowy lub cyfrowy, którego obraz nie powtarza si w czasie 3

4

Koncepcja sygnału (cd.) amplituda (A) maksymalna warto ć lub si a sygna u w czasie Zwykle mierzona w voltach częstotliwo c (f ) Liczba powtórze (cykli) sygna u w ciągu jednej sekundy; jednostką częstotliwo ci jest herc (Hz) odpowiadający jednemu powtórzeniu sygna u w ciagu 1 sekundy 5

Koncepcje sygnału (cd.) Okres (T) wielko ć czasu jak zajmuje jedno powtórzenie sygnału T = 1/f Faza (φ) -miarawzgl dnej pozycji w czasie wewn trz pojedy czego okresu sygnału Długo ć fali (λ) - odległo ć zajmowana przez pojedy czy cykl sygnału Np: Pr dko ć wiatła v = 3x10 8 m/s. To długo ć fali λf = v (lub λ = vt). 6

Parametery fali sinusoidalnej Ogólna fala sinusoidalna s(t ) = A sin(2πft + φ) uwaga: 2π radianów = 360 = 1 okres Rys 2.3 pokazuje efekt zmian ka dego z trzech parametrów (a) A = 1, f = 1 Hz, φ = 0; tak wi c T = 1s (b) zredukowana amplituda; A=0.5 (c) zwi kszona cz stotliwo c; f = 2, tak wi c T = ½ (d) przesuni cie fazowe; φ = π/4 radiany (45 stopni) 7

Sine Wave Parameters

Koncepcje zwi zane z cz stotliwo ci Sygnał elektromagnetyczny mo e składać si z wielu cz stotliwo ci. przykład: s(t) = (4/π)(sin(2πft) + (1/3)sin(2π(3f)t)) Rys. 2.4(a) + Fig. 2.4(b) = Fig. 2.4(c) Widoczne s dwie składowe cz stotliwo ci: f i 3f. Na podstawie analizy Fouriera, ka dy sygnał utworzony jest ze składowych o ró nych cz stotliwo ciach, wszystkie składowe s falami sinusoidalnymi o ró nych amplitudach, cz stotliwo ciach i fazach. 9

10

Koncepcje zwi zane z cz stotliwo ci (cd.) Spektrum zakres częstotliwo ci które zawiera sygna na Rys. 2.4(c), spektrum rozciaga się z f do 3f. Absolutne pasmo - szeroko ć spektrum sygna u na Rys. 2.4(c), wynosi ono 3f f = 2f. Efektywne pasmo lub pasmo sygnał mo ezawierać wiele cz stotliwo ci. Ale wi kszo cenergiimo e być skoncentrowana na w skiej grupie cz stotliowo ci. Te cz stotliwo ci s efektywnym pasmem. 11

cz stotliwo c podstawowa gdy wszystkie składowe cz stotliwo ci sygnału s całkowitoliczbowymi wielokrotno ciami jednej cz stotliwosci, to nazywana jest ona cz stotliwo ci podstawow (przykład wczesniejszy) f oraz 3f cz st. Podst. = f okres całego sygnałujest równyokresowi cz stotliwo ci podstawowej. Patrz, Rys. 2.4 znowu! 12

Dane a sygna y Sygna y - elektryczna lub elektromagnetyczna reprezentacja danych Dane byty, które przenoszą znaczenia lub informację Transmisja przenoszenie danych przez propagację i przetwarzanie sygna ów 13

Aproksymacjafunkcji kwadratowej przez sygnały dodanie cz stotliwo ci 5f do Rys. 2.4(c) Rys. 2.5(a) dodanie cz stotliwo ci 7f do Rys. 2.4(c) Rys. 2.5(b) dodanie wszystkich cz stotliwo ci 9f, 11f, 13f,... Rys. 2.5(c), funkcja kwadratowa Ta funkcja kwadratowa posiada niesko czon liczb składowych cz stotliwo ci i w ten sposób niesko czone pasmo. 14

15

Pr dko ć danych a pasmo przypadek I: (Rys. 2.5(a)) niech f = 10 6 cykli/sec = 1 MHz Składowe cz stotliwo ci: 1f, 3f, 5f Absolutne pasmo = 5f 1f = 4f = 4 MHz Pr dko ć danych = 2 Mbps (1 bit na 0.5 us) przypadek II: (Rys. 2.5(a)) niech f = 2x10 6 cykli/sec = 2 MHz Składowe cz stotliwo ci: 1f, 3f, 5f Absolutne pasmo = 10M 2M = 8 MHz Pr dko ć danych = 4 Mbps (1 bit na 1/4 us) 16

przypadek III: (Rys. 2.4(c)) niech f = 2x10 6 cykli/sec = 2 MHz cz stotliwo ci: 1f, 3f Absolutne pasmo = 6M 2M = 4 MHz Pr dko ć danych = 4 Mbps (1 bit na 1/4 us) ** porównaj absolutne pasmo i pr dko ć danych w tych przykładach! 17

Kilka poj ć dotycz cych pojemno ci kanału pr dko ć danych - pr dko ć z jak dane mog być przesyłane (bps) pasmo - pasmo transmitowanego sygnału ograniczone nadajnikiem oraz natur of medium transmisyjnego (herc) szum Pojemno ć kanału maksymalna pr dko ć z jak dane mog być transmitowane poprzez dan drog komunikacyjn, lub kanał, przy zadanych warunkach Stopa bł dów pr dko ć z jak pojawiaj si bł dy 18

Pasmo Nyquist a dla zadanej wielko ci pasma B, najwy sza prędko ć transmisji danych jest równa 2B: C = 2B np: B=3100 Hz; C=6200 bps Przy wielopoziomowym sygnale C = 2B log 2 M, gdzie M jest liczb dyskretnych poziomów sygnału lub napi cia 19

Stosunek sygnał-szum Jest to stosunek mocy sygna u (signal power) do mocy zawartej w szumie (noise power), który jest obecny w jakim konkretnym punkcie transmisji Zwykle jest mierzony w odbiorniku Stosunek sygnał-szum (signal-to-noise ratio (SNR, or S/N)) signal power ( SNR ) = db 10log10 noise power = 10 log 10 SNR (SNR) 10 okre la si w decybelach (db) Wysoka warto ć SNR oznacza sygnał wysokiej jako ci. SNR ustanawia górn granic osi galnej pr dko ci danych. 20

Teoretyczna pojemno ć kanału wg. formuły Shannona Maksymalna pojemno ć kanału (bit./s): C = B log 2 + uwaga: SNR nie w db. ( 1 SNR) W praktyce, tylko znacznie mniejsze pr dko ci s osi gane Formula zakłada istnienie białego szumu (szum termiczny) Szum impulsowy nie jest brany pod uwag 21

Klasyfikacja mediów Transmisyjnych Medium transmisyjne Fizyczna droga mi dzy nadajnikiem a odbiornikiem Media przewodz ce Fale s przewodzone wzdłu medium trwałego np., miedziana skr tka pary przewodów, miedziany kabel współosiowy, wiatłowód Media nieprzewodz ce zapewniaj rodki transmisji ale nie przewodz sygnałów elektromagnetycznych Zwykle okre la si je jako media transmisji bezprzewodowej np., atmosfera, przestrze kosmiczna 22

Ogólne zakresy cz stotliwo ci Zakres cz stotliwosci mikrofalowych 1 GHz do 40 GHz Kierunkowe anteny mo liwe Słu do transmisji na du odległo ć, poł czenia typu punkt-punkt U ywane w komunikacji satelitarnej Zakres cz stotliwo ci radiowych 30 MHz do 1 GHz Słu w zastosowaniach wymagaj cych anten dookólnych (omnidirectional) Zakres cz stotliwo ci podczerwonych około, 3x10 11 do 2x10 14 Hz U yteczne w zastosowaniach wymagaj cych poł cze typu wielodost powy punkt-punkt wewn trz zamkni tych obszarów 23

Propagacja fal w rodowisku mobilnym

Spektrum fal radiowych

Pr dko ć, długo ć, cz stotliwo ć fali Pr dko ć wiatła=długo ć fali x cz stotliwo ć = =3 x 10 8 m/s =300 000 km/s

Typy fal

Propagacja fali przyziemnej (Ground Wave) Rozprzestrzenia wzdłu konturów powierzchni Ziemi Mo e być propagowana na znaczne odległo ci cz stotliwo ci a do 2 MHz Np. AM radio

Propagacja fali jonosferycznej (sky wave) Sygnał odbijany od zjonizowanego poziomu atmosferydopowierzchni Ziemi Sygnał mo e wykonać pewn liczb skoków, tam i z powrotem mi dzy jonosfer i powierzchni Ziemi Efekt odbicia jest spowodowany załamaniem fali Np. Radio amatorskie CB radio

Propagacja w linii widoczno ci (Line-of-Sight, LOS) Antena nadaj ca i antena odbiorcza musz być w linii pola widzenia (dla fal powy ej 30 MHz) Załamanie Fale mikrofalowe uginaj si lub załamuja w atmosferze Pr dko ć fali elektromagnetycznej jest funkcj g sto ci medium Gdy fala zmienia medium, zmienia si jej pr dko ć Fale uginaj sie lub załamuj si na granicy mi dzy jednym i drugim medium

Zakresy fal radiowych

Mechanizmy propagacji odbicie Na propagacj fali wpływaj obiekty, które s du e w porównaniu z długo ci fali - np. powierzchnia Ziemi, budynki, ciany, itp. Załamanie Na droge radiow mi dzy nadajnikiem i odbiornikiem maj wpływ kształty z ostrymi nieregularnymi kraw dziami Fale uginaj si w pobli u przeszkód gdy tylko obok nich przechodz Rozproszenie Obiekty mniejsze ni długo ć fali - np. li cie, znaki drogowe, lampy

Efekty propagacji radiowej

Propagacja w pró ni Moc sygnału otrzymanego w odleglo ci d: gdzie P t jest transmitowan moc, A e jest efektywnym obszarem, a G t jest zyskiem anteny

Anteny Dookólna (Omnidirectional) Antena niska wydajno ć w bezprzewodowych sieciach ad hoc z powodu ograniczonych mo liwo ci wykorzystania przestrzeni. E W zły w strefie ciszy A C X B G Antena kierunkowa lepsze mo liwo ci wykorzystania przestrzeni. Ale w zeł w dalszym ci gu nie jest w stanie całkowicie wykorzystać pasmo przestrzenne. E C G A B F D H F D Komunikacja dookólna H Komunikacja kierunkowa

Anteny wielokierunkowe Okre lane równie jako Multiple Beam Antenna Array (MBAA) wykorzystuje w pełni pasmo przestrzenne. w zeł mo e inicjować wi cej ni jedna jednoczesnych transmisji (lub odbiorów). ADATA E DATA B DATA D DATA F DATA DATA C G

Zysk anteny Jest miar kierunkowo ci anteny; jest okre lany przez moc wyj ciow w specyficznym kierunku porównywan do mocy produkowanej we wszystkich kierunkach przez doskonał anten dookóln Dla kołowej reflektorowej anteny zysk G anteny: = współczynnik efektywno ci (zale y od rozkładu pola elektrycznego, strat, itp., zwykle 0.55) D= rednica tak wi c, (c-pr dko ć wiatła) Przykład: Antena ze rednic D=2 m, cz stotliwo c f= 6 GHz, długo ć fali =0.05m, G=39.4 db Cz stotliwo ć=14ghz, D=2, długo ć fali=0.021m, G=46.9 db Im wy sza cz stotliwo ć tym wy szy zysk dla anteny tego samego rozmiaru

Propagacja naziemna Moc otrzymanego sygnału: gdzie G r jest zyskiem anteny odbiornika, L jest strat propagacji w kanale, tzn. (szybkie tłumienie) (powolne tłumienie) (strat drogi)

Strata mocy (path loss) w pró ni Jest to wielko ć mocy utraconej w przestrzeni Definicja utraty mocy L p : Strata mocy w pro ni: gdzie f c jest cz stotliwo ci no n. Widać, e im wi ksza f c tym wi sza jest strata mocy

Strata odległo ciowa (path loss) w pró ni Prosta formuła: gdzie A i : stałe propagacji d: odległo ć mi dzy nadajnikiem i odbiornikiem : ma warto c 3 ~ 4 w typowym miejskim obszarze

Przykład strat odległo ciowych (w pró ni)

Strata odległo ciowa (obszar miejski (urban), podmiejski (suburban), otwarty (open))

Strata odległo ciowa Straty odległo ciowe w zmniejszaj cym si porz dku: Obszar miejski (du e miasto) Obszar miejski ( rednie i małe miasto) Podmiejski obszar Otwarty obszar

Przykład strat odległo ciowych (obszar miejski: du e miasto)

Przykład strat odległo ciowych (obszar zabudowany: rednie i małe miasta)

Przykład strat odległo ciowych (obszar podmiejski)

Przykład strat odległo ciowych (otwarty obszar)

Tłumienie fali radiowej (fading)

Powolne tłumienie Jest spowodowane długoterminowymi przestrzennymi i czasowymi zmianami w odległo ciach mi dzy nadajnikiem i odbiornikiem, które powoduj zmiany w rednim poziomie Poziom otrzymywanego sygnału okreslany jest rozkładem lognormal z funkcj rozkładu prawdopodobie stwa gdzie M jest faktycznym otrzymanym sygnałem na poziomie m w decybelach (db)(tzn. M=10log 10 m), - redni dla obszaru poziom sygnału, tzn. rednia z M okre lona na dostatecznie długiej odległo ci, -standardowe odchylenie w decybelach

Rozkład log-normal Funkcja rozładu prawdopodobie stwa otrzymywanego poziomu sygnału

Szybkie tłumienie Sygnał z nadajnika mo e być odbity od takich obiektów jak wzgórza, budynki lub pojazdy - gdy MS znajduje si daleko od BS to rozkład otrzymanego sygnału podlega rozkładowi Rayleigh gdzie jest standardowym odchyleniem rodkowa warto ć sygnału wewn trz przykładowego zakresu powinna spełniać warunek: To odpowiada

Rozkład Rayleigh Funkcja rozładu prawdopodobie stwa otrzymywanego poziomu sygnału

Szybkie tłumienie (cd.) Gdy MS jest daleko od BS to krzywa rozkładu otrzymywanego sygnału podlega rozkładowi Rician; jego funkcja rozkładu prawdopodobie stwa: gdzie: - standardowe odchylenie - funkcja Bessela zerowego rz du

Rozkład Rician Funkcja rozładu prawdopodobie stwa otrzymywanego poziomu sygnału

Przesuni cie Dopplera Effekt Dopplera: gdy fala od nieruchomej BS i odbiornik MS poruszaj si naprzeciwko siebie, to cz stotliwo ć otrzymywanego sygnału nie b dzie taka sama jak u ródła Przesuni cie Doplera w cz stotliwo ci Gdy oni poruszaj si naprzeciw to cz stotliwo ć otrzymywanego sygnału b dzie wi ksza ni u ródla Gdy oni oddalaj si to cz stotliwo ć si zmniejsza gdzie f c jest cz stotliwo ci no nika ródła, f d jest cz stotliwo ci Doplera Przesuni cie Doplera w cz stotliwo ci gdzie v jest pr dko ci MS, λ jest długo ci fali no nika

Efekt poruszaj cej si pr dko ci

Rozpostarcie opó nienia W czasie propagacji sygnału od nadajnika do odbiornika, sygnał odbija si raz lub wi cej To powoduje, e sygnał przychodzi ró nymi drogami Ka da droga ma inn długo ć, tak wi c czas przybycia sygnału ró nymi drogami jest ró ny Ten efekt, który powoduje rozpostarcie sygnału nazywany jest rozpostarciem opó nienia

Rozpostarcie opó nienia

Rozpostarcie opó nienia Rozpostarcie opó nienia wynosi około 3us w obszarze miejskim i do 10us w terenie pagórkowatym

Interferencja mi dzysymbolowa Jest wynikiem wielotorowo ci sygnałów i spowodowanch tym opó nie czasowych Ma wpływ na stop bł dów kanału (patrz, rysunek) Drugi multipath sygnał jest opó niony tak du o, e jego cz ć mo e być otrzymana w czasie interwału drugiego symbolu aby mieć mał bitow stop bł du R (pr dko ć transmisji cyfrowej) jest ograniczona przez rozpostarcie opó nienia

Interferencja mi dzysymbolowa

Pasmo koherencji (spójno ci) Pasmo koherencji B c : - reprezentuje korelacj mi dzy 2-ma zanikaj cymi sygnałami o cz stotliwo ciach f 1 i f 2 - jest funkcj rozprzestrzeniania opó nienia - dwie cz stotliwo ci, które s wi ksze ni pasmo koherencji zanikaj niezale nie od siebie - koncepcja u yteczna dla dywersyfikacji odbioru: wiele kopii tej samej wiadomo ci jest wysyłanych przy uzyciu róznych cz stotliwo ci -

Mi dzykanałowa interferencja Komórki maj ce t sam cz stotliwo ć interferuj mi dzy sob r d jest chcianym sygnałem r u jest interferuj cym niechcianym sygnałem jest współczynnikiem protekcji, takim e (takim, e sygnały interferuj najmniej) Je eli P jest prawdopodobie stwem, e Prawdopodobie stwo mi dzykanałowe P co = P

Mobilne systemy komunikacyjne 1

Spis tre ci Infrastruktura systemów komórkowych Rejestracja Przenoszenie poł czenia Roaming Multicasting (multiemisja) Bezpiecze stwo i prywatno ć 2

MS (mobile station), BS (base station), BSC (BSController), MSC (mobile switch center), and PSTN (public switched telephone network) Domowy telefon PSTN MSC MSC BSC BSC BSC BSC BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS BS MS 3