Sieci mobilne i bezprzewodowe

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

Barcelona

Warszawa

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 2G cyfrowa

Abonenci 1G analogowa

abonenci

1990 1991

1992 1993

1994 1995

1996 1997

1998 1999

2000 2001

2002 2003

2004 2005

2006 2007

2008 2009

2010

rok

Aspekt pokrycia w mobilnych

komunikacyjnych systemach 3 generacji

Picocell Microcell Macrocell Global

miasto

podmiejski globalne Satelita

W budynku

Pr dko ci transmisji

Broadband radio

Global System for Mobile Communications

0.01 0.1 1 10 100

Pr dko ci transmisji jako funkcja mobilno ci w niektórych systemach o dost pie radiowym

Mobilinoć

Universal Mobile Telecommunications System

Mobile Broadband System

Broadband Satellite Multimedia Local Multipoint Distribution System

Satellite Universal Mobile Telecommunications System

Stacjonarna Piesi Samochodowa

Szybko ć danych (Mb/s)

np. zastosowania medyczne

bezprzewodowa odległo ciowa konsultacja

Sieć szkieletowa ATM Sieć szkieletowa

ATM

Mo liwo ci konsultacji na odległo ć Przeł cznik ATM

Przeł cznik ATM Lekarz w

szpitalu

oddalona Baza danych

Ambulans

np. zastosowanie w ruchu drogowym

ad hoc UMTS, WLAN,

GSM,

cdma2000,

Personal Travel Assistant, PDA, laptop,

GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...

Sieci komórkowe

Pojedy cza komórka sieci ze stacjami mobilnymi (MS) oraz stacj bazow (BS)

BS

MS komórka

Powierzchnia sze ciok tnej

komórki u ywana w wi kszo ci modeli

Idealna powierzchnia

komórki (promie 2-10

km)

Alternatywny kształt komórki

MS

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 sygna łów w pojedy czym medium

̈

Bardziej efektywne u ycie medium

transmisyjnego

Techniki multipleksowania

̈

FDMA (

̈

TDMA

̈

CDMA

̈

OFDM

̈

Nowa technika SDMA

Access)

jest równie aktualnie testowana z

u yciem anten mikrofalowych

FDMA (Frequency Division Multiple Access)

(multipleksowanie z podzia łem 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 … n

cz stotliwo ć Ca łkowite pasmo

4

Przydzia ł kanału w FDMA

cz stotliwo ć 1 u ytkownik 1

cz stotliwo ć 2 u ytkownik 2

cz stotliwo ć n u ytkownik n

Stacja bazowa

…

Urz dzenia

mobilne

TDMA (Time Division Multiple Access)

(multipleksowanie z podzia łem czasu)

– w wi kszo ci systemów 2G

u yt kow ni k 1 u yt kow ni k 2 u yt kow ni k n

…

czas

cz stotliwo ć

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 …

n czas

ramka

4

Ilustracja ramki TDMA dla wielu u ytkowników

czas 1

czas 2

czas n

… …

Stacja bazowa

u ytkownik 1 u ytkownik 2

u ytkownik n

…

Urz dzenia

mobilne

CDMA (Code Division Multiple Access)

(multipleksowanie z podzia łem kodu)

– niektóre 2G, wi kszo ć 3G

u yt kow 1

czas cz stotliwo ć

u yt kow 2

u yt kow n

kod

. .

.

Transmitowane i odbierane sygna ły 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

f

f

f

f

f

ramka Szcze- lina

czas

Ewolucja infrastruktura systemów komórkowych

BS

Strefa usługi

Wczesne systemy bezprzewodowe: Du a strefa

System komórkowy: ma ła pojedy cza strefa

BS BS

BS BS BS

BS BS

Strefa us ługi

Domowy telefon

PSTN

MSC

BSC

…

BS

…

…

MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS MSC

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

telephone network)

̈

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

Kana ły kontrolne i informacyjne

Stacja bazowa (BS)

kanał kontrolny

przekazywania (forward)

Urz dzenie mobilne (MS)

kanałkontrolny

przekazywania odwrotne

go (reverse)

kanałprzekazywanie informacji

kanałprzekazywania odwrotne

go informacji

Kroki kana łu kontrolnego poprzedzaj ce rozpocz cie pracy kana łu informacyjnego mi dzy MS a BS

(handshake steps)

BS MS

1. Potrzeba utworzenia poł czenia

2. Przypisanie cz stotliwo ci/szczeliny/kodu (FDMA/TDMA/CDMA)

3. Informacja konytrolna potwierdzaj ca

4. Start komunikacji na przypisanym kanale

Kroki kana łu kontrolnego poprzedzaj ce rozpocz cie pracy kana łu informacyjnego mi dzy BS a MS (handshake steps)

BS MS

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 1. Info do MS # o rozpocz ciu procedury

Uproszczony bezprzewodowy system komunikacyjny

Informacja do transmisji (głos/dane)

kodowanie modulator nadajnik

Informacja otrzymana (głos/dane)

dekodowanie demodulator odbiornik

Antena

Antena no nik

no nik

Systemy satelitarne

̈

Tradycyjne zastosowania

̈

Satelity do prognozowania pogody

̈

Transmisje radiowe i TV

̈

satelity militarne

̈

Zastosowania telekomunikacyjne

̈

Globalne po ł 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

Ostrze enie przed niebezpiecze stwem

̇ 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.

Zastosowania sieci ad hoc

̇ Akcje ratunkowe

̇ Konferencje

̇ Operacje militarne

̇ Private Area Networks, projekt

cybernetycznego domu – brak kabli, samokonfigurowalne,

wymiana dokumentów i gier,

„sterowanie mikserem”

Bezprzewodowe sieci sensorowe

stacja bazowa

antena

sensor

cel

Wa niejsze technologie sieci bezprzewodowych

̈

IEEE 802.11, 30m

̈

HiperLAN, 30m

̈

Sieci ad hoc, >500m

̈

Sieci sensorowe, 2m

̈

Home RF, 30m

̈

Ricochet, 30m

̈

Sieci Bluetooh, 10m

̈

Peer-to-peer poł czenia

̈

Lotniska, sprz t AGD

̈

Pole walki, zagro enia

̈

Fabryki chemiczne, nuklearne

̈

Domy

̈

Lotniska, biura

̈

biura

Wprowadzenie-koniec

Podstawy transmisji sygna łów

2

Sygna elektromagnetyczny

̈

Jest funkcj czasu

̈

Mo e by ć równie wyra ony jako funkcja cz stotliwo ci

̈

Sygna ł składa si ze składowych o róznych

cz stotliwo ciach

Koncepcja sygna łu

̈

sygna analogowy – intensywno ć sygna u zmienia się w sposób agodny w czasie

̈

Brak przerw czy nieci ąg o ci w sygnale

̈

sygna cyfrowy – podtrzymywana jest intensywno ć sygna u na sta ym poziomie przez pewien okres czasu a nast ępnie zmienia się on do innego sta ego poziomu

̈

sygna ł periodyczny – sygna ł analogowy lub cyfrowy, którego obraz powtarza si periodycznie (cyklicznie) w czasie

s(t +T ) = s(t ) -∞< t < +∞

gdzie T jest okresem sygna łu

̈

sygna ł aperiodyczny – sygna ł analogowy lub cyfrowy,

którego obraz nie powtarza si w czasie

4

Koncepcja sygna łu (cd.)

̈

amplituda (A)

̈

maksymalna warto ć lub si a sygna u w czasie

̈

Zwykle mierzona w voltach

̈

cz ęstotliwo c (f )

̈

Liczba powtórze (cykli) sygna u w ci ągu

jednej sekundy; jednostk ą częstotliwo ci jest

herc (Hz) odpowiadaj ący jednemu powtórzeniu

sygna u w ciagu 1 sekundy

6

Koncepcje sygna łu (cd.)

̈

Okres (T)

̈

wielko ć czasu jak zajmuje jedno powtórzenie sygna łu

̈

T = 1/f

̈

Faza (φ) - miara wzgl dnej pozycji w czasie wewn trz pojedy czego okresu sygna łu

̈

D ługo ć fali (λ) - odleg ło ć zajmowana przez pojedy czy cykl sygna łu

̈

Np: Pr dko ć wiatła v = 3x10

m/s. To

d ługo ć fali λf = v (lub λ = vT).

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)

Sine Wave Parameters

Koncepcje zwi zane z cz stotliwo ci

̈

Sygna ł elektromagnetyczny mo e składać si z wielu cz stotliwo ci.

̈

przyk ład:

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 sk ładowe cz stotliwo ci: f i 3f.

̈

Na podstawie analizy Fouriera, ka dy sygna ł utworzony jest ze sk ładowych o ró nych cz stotliwo ciach,

̈

wszystkie sk ładowe s falami sinusoidalnymi o

ró nych amplitudach, cz stotliwo ciach i fazach.

10

Koncepcje zwi zane z cz stotliwo ci (cd.)

̈

Spektrum – zakres cz ęstotliwo ci które zawiera sygna

̈

na Rys. 2.4(c), spektrum rozciaga si ę 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 –

̈

sygna ł mo e zawierać wiele cz stotliwo ci.

̈

Ale wi kszo c energii mo e by ć skoncentrowana na w skiej grupie cz stotliowo ci.

̈

Te cz stotliwo ci s efektywnym pasmem.

12

̈

cz stotliwo c podstawowa –

̈

gdy wszystkie sk ładowe cz stotliwo ci sygnału s ca łkowitoliczbowymi wielokrotno ciami jednej cz stotliwosci, to nazywana jest ona cz stotliwo ci podstawow

̈

(przyk ład wczesniejszy) f oraz 3f î cz st. Podst. = f

̈

okres ca łego sygnału jest równy okresowi cz stotliwo ci podstawowej.

̈

Patrz, Rys. 2.4 znowu!

Dane a sygna y

̈

Sygna y - elektryczna lub

elektromagnetyczna reprezentacja danych

̈

Dane – byty, które przenosz ą znaczenia lub informacj ę

̈

Transmisja – przenoszenie danych przez

propagacj ę i przetwarzanie sygna ów

14

Aproksymacja funkcji

kwadratowej przez sygnały

̈

dodanie cz stotliwo ci 5f do Rys. 2.4(c) î Rys. 2.5(a)

̈

dodanie cz stotliwo ci 7f do Rys. 2.4(c) î Rys. 2.5(b)

̈

dodanie wszystkich cz stotliwo ci 9f, 11f, 13f, ... î Rys. 2.5(c), funkcja kwadratowa

̈

Ta funkcja kwadratowa posiada niesko czon

liczb składowych cz stotliwo ci i w ten sposób

niesko czone pasmo.

16

Pr dko ć danych a pasmo

̈

przypadek I: (Rys. 2.5(a))

̈

niech f = 10

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

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)

̈

przypadek III: (Rys. 2.4(c))

̈

niech f = 2x10

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!

18

Kilka poj ć dotycz cych pojemno ci kana łu

̈

pr dko ć danych - pr dko ć z jak dane mog być przesy łane (bps)

̈

pasmo - pasmo transmitowanego sygna łu

ograniczone nadajnikiem oraz natur of medium transmisyjnego (herc)

̈

szum

̈

Pojemno ć kanału – maksymalna pr dko ć z jak dane mog by ć transmitowane poprzez dan drog komunikacyjn , lub kana ł, przy zadanych

warunkach

̈

Stopa b ł dów – pr dko ć z jak pojawiaj si

b ł dy

Pasmo Nyquist’a

̈

dla zadanej wielko ci pasma B, najwy sza pr ędko ć transmisji danych jest równa 2B:

̈

C = 2B

̈

np: B=3100 Hz; C=6200 bps

̈

Przy wielopoziomowym sygnale

̈

C = 2B log

M, gdzie M jest liczb dyskretnych

poziomów sygna łu lub napi cia

20

Stosunek sygna ł-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 sygna ł-szum (signal-to-noise ratio (SNR, or S/N))

̈ = 10 log₁₀ 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.

power noise

power signal

log 10

)

( SNR

=

Teoretyczna pojemno ć kanału wg.

formu ły Shannona

̈

Maksymalna pojemno ć kanału (bit./s):

̈

uwaga: SNR nie w db.

̈

W praktyce, tylko znacznie mniejsze pr dko ci s osi gane

̈

Formula zak łada istnienie białego szumu (szum termiczny)

̈

Szum impulsowy nie jest brany pod uwag

( ^{1 SNR} )

log

+

= B

C

22

Klasyfikacja mediów Transmisyjnych

̈

Medium transmisyjne

̈

Fizyczna droga mi dzy nadajnikiem a odbiornikiem

̈

Media przewodz ce

̈

Fale s przewodzone wzd łu medium trwałego

̈

np., miedziana skr tka pary przewodów, miedziany kabel wspó łosiowy, wiatłowód

̈

Media nieprzewodz ce

̈

zapewniaj rodki transmisji ale nie przewodz sygna łów elektromagnetycznych

̈

Zwykle okre la si je jako media transmisji bezprzewodowej

̈

np., atmosfera, przestrze kosmiczna

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, 3x10¹¹ do 2x10¹⁴ Hz

̈ U yteczne w zastosowaniach wymagaj cych poł cze typu wielodost powy punkt-punkt wewn trz zamkni tych obszarów

Propagacja fal w

rodowisku mobilnym

Spektrum fal radiowych

Pr dko ć, długo ć, cz stotliwo ć fali

̈

Pr dko ć

=

=3 x 10

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 atmosfery do powierzchni 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

jest transmitowan moc , A

jest

efektywnym obszarem, a G

jest zyskiem

anteny

Anteny

Dookólna (Omnidirectional) Antena –

niska wydajno ć w

bezprzewodowych sieciach ad hoc z powodu ograniczonych

mo liwo ci wykorzystania przestrzeni.

Komunikacja dookólna

A B

C

D E

F

G

H

Komunikacja kierunkowa

Antena kierunkowa – lepsze mo liwo ci wykorzystania przestrzeni. Ale w zeł w dalszym ci gu nie jest w

stanie całkowicie

wykorzystać “pasmo przestrzenne”.

A B

C

F D

G

H X

W zły w strefie ciszy

E

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).

DATA

DATA DA

TA A

B

C

D

E

F

G DATA DATA

DA TA

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

:

Strata mocy w pro ni:

gdzie f

jest cz stotliwo ci no n .

Widać, e im wi ksza f

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 log- normal z funkcj rozkładu prawdopodobie stwa

gdzie M jest faktycznym otrzymanym sygnałem na poziomie m w decybelach (db)(tzn. M=10log₁₀m), - 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

-

gdzie jest standardowym odchyleniem

̇ rodkowa warto ć sygnału wewn trz przykładowego zakresu powinna spełniać warunek:

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 roz ładu 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

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

:

- reprezentuje korelacj mi dzy 2-ma zanikaj cymi sygnałami o cz stotliwo ciach f

i f

- 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

jest chcianym sygnałem

̈

r

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 = P

1

Mobilne systemy

komunikacyjne

Spis tre ci

̈

Infrastruktura systemów komórkowych

̈

Rejestracja

̈

Przenoszenie poł czenia

̈

Roaming

̈

Multicasting (multiemisja)

̈

Bezpiecze stwo i prywatno ć

3

Domowy telefon

PSTN

MSC

BSC

…

BS

…

…

MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS

BSC

BS MS

…

BS MS MSC

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

telephone network)

System komórkowy

5

VLR/HLR

̈

VLR zawiera informacj o wszystkich

wizytuj cych MS-ach w danym obszarze zarz dzanym przez MSC

̈

VLR posiada wska niki do HLR-ów wizytuj cych MS-ów

̈

VLR pomaga w rozliczeniach oraz

pozwoleniach dost pu wizytuj cych MS-

ów

Przekierowanie rozmowy do MS-a

w obszarze wizytowanym

7

Rejestracja

̈ System bezprzewodowy musi wiedzieć czy MS w danej chwili znajduje sie w swoim domowym obszarze czy w jakim innym obszarze (rutowanie przychodz cych rozmów)

̈ Jest to realizowane przez periodyczn wymian sygnałów mi dzy BS-ami i MS-ami nazywanych sygnałami znacznika (beacons)

̈ BS periodycznie rozsyła sygnał znacznika (co 1 sek), aby odnajdywać i testować MS-y znajduj ce si wokół niej

̈ Ka dy MS nasłuchuje sygnałów znacznika (boje sygnalowe);

je eli usłyszał sygnał znacznika, którego nie słyszał do tej pory to dodaje go do tablicy aktywnych znaczników sygnałowych

̈ Ta informacja jest u ywana przez MS do odnajdywania najbli szej BS

̈ Sygnał znacznika zawiera tak informacj jak: identyfikator sieci komórkowej, znacznik czasu, adres bramki, idendyfikator

obszaru stronicowania, itp.

U ywanie telefonu mobilnego

poza obszarem subskrypcji

9

Kroki rejestracji

̈ MS nasłuchuje sygnałów znacznika czasowego; je li odbierze nowy znacznik to MS dodaje go do tablicy aktywnych znaczników sygnałowych

̈ Je eli MS zdecyduje, e musi komunikować si poprzez nowy BS to j dro tablicy inicjuje proces przeniesienia poł czenia

̈ MS lokalizuje najbli szy BS poprzez przetwarzanie poziomu u ytkownika

̈ Wizytowany BS wykonuje przetwarzanie poziomu u ytkownika i okre la

̈ Kim jest jest u ytkownik

̈ Jakie s jego uprawnienia dost pu

̈ Jaki jest jego domowy MSC, który prowadzi jego rozliczenia

̈ Domowy MSC wysyła odpowiedni odpowied autoryzacji do bie cego obsługuj cego BS

̈ BS zatwierdza/nie zatwierdza dost p u ytkownika

Zastosowania i charakterystyki sygnałów znacznika czasowego

̈

W USA te sygnały s transmitowane przez system AMPS (Advanced Mobile Phone System) lub CDPD (Cellular

Digital Packet Data) system

̈

W Europie i Azji przez system drugiej generacji GSM

̈

W zale no ci od aplikacji sygnały o

ró nych cz stotliwo ciach s u ywane

11

Zastosowania i charakterystyki

sygnałów znacznika czasowego

Przeniesienie poł czenia

̈

Jest to zmiana zasobów radiowych z danej komórki do przyległej

̈

Przeniesienie poł czenia zale y od rozmiaru komórki, jej długo ci granic, siły sygnału, zanikania sygnału, odbicia, itp.

̈

Przeniesienie poł czenia mo e być

inicjalizowane przez MS lub BS i mo e nastapić z powodu

̈

Poł czenia radiowego

̈

Zarz dzania sieciowego

̈

Kwestii zwi zanych z jako ci obsługi

13

Przeniesienie poł czenia (cd.)

̈ Przeniesienie poł czenia typu ł cze radiowe jest spowodowane mobilno ci MS-a. Zale y ono od:

̈ Liczby MS-ów w komórce

̈ Liczby MS-ów, które wła nie opu ciły komórk

̈ Liczby połacze generowanych w komórce

̈ Liczby poł cze tranferowanych z s siednich komórek przez przeniesienie poł czenia

̈ Liczby i długo ci poł cze zako czonych w komórce

̈ Liczby poł cze , które były przeniesione do s siednich komórek

̈ Liczby aktywnych połacze w komórce

̈ Wielko ci populacji w komórce

̈ Całkowitego czasu trwania poł czenia w komórce

̈ Czasu pojawienia si poł czenia w komórce

̈ Itp.

Przeniesienie poł czenia (cd.)

̈

System zarz dzania sieci mo e spowodować przeniesienie poł czenia je eli pojawi si

drastyczne niezbalansowanie obci enia w przyległych komórkach i wymagane jest optymalne zbalansowanie zasobów

̈

Przeniesienie z powodu obsługi jest

powodowane degradacj jako ci obsługi

(QoS)

15

Wybór czasu przeniesienia poł czenia

̈

Czynnikami, które decyduj o wyborze wła ciwego czasu przeniesienia poł czenia s :

̈ Siła sygnału

̈ Faza sygnału

̈ Kombinacja siły i fazy sygnału

̈ Stopa bł dów bitów (BER-bit error rate)

̈ Odleglo ć

̈

Konieczno ć przeniesienia poł czenia jest okre lana przez

̈ Sił sygnału

̈ Stosunek sygnału no nika do sygnału interferencji (CIR- carrier to interference ratio)

Inicjalizacja przeniesienia

poł czenia

17

Inicjalizacja przeniesienia poł czenia (cd.)

̈

Region X

-X

jest regionem gdzie w zale no ci od innych czynników przeniesienie poł czenia mo e nast pić

̈

Jedna z mo liwo ci przeniesienia poł czenia jest jego realizacja w X

, gdzie siły obu sygnałów s równe

̈

Je eli MS porusza si do tyłu i do przodu wokół X

, to wynikiem tego b d cz sto wykonywane

przeniesienia połaczenia (efekt ping-ponga)

̈

Dlatego pozwala si MS-owi pracować z bie cym BS tak długo jak siła sygnału nie zni y si do progowej warto ci E

̈

Ró ne systemy komórkowe posługuj si ró nymi

procedurami przeniesienia poł czenia

Typy przeniesienia poł czenia

̈

Twarde przeniesienie poł czenia (break before make)

̈

Zwolnienie bie cych zasobów danego BS-a przed uzyskaniem zasobów z nast pnego BS-a

̈

FDMA, TDMA realizuj takie przeniesienia

̈

Mi kkie przeniesienie poł czenia (make before break)

̈

W CDMA, poniewa ten sam kanał jest u ywany nale y zmienić kode przeniesienia połaczenia je eli ten kod nie jest ortogonalny do kodu w

nast pnym BS

̈

Dlatego, jest mozliwe aby MS komunikował si

jednocze nie z danym BS oraz z nowym BS

19

Twarde przeniesienie poł czenia

Mi kkie przeniesienia poł czenia

(tylko dla CDMA)

21

Roaming

̈

Odbywa si gdy MS przechodzi z komórki znajduj cej sie w obszarze zarz dzanym przez jeden MSC do komórki zarz dzanej przez inny MSC

̈

sygnały znaczników czasowych oraz u ycie

HLR-VLR umo liwia roaming wsz dzie pod

warunkiem, e prowajderzy u ywaj tego

samego zakresu cz stotliwo ci

Roaming

23

Scenariusze przeniesienia poł czenia

przy ró nych stopniach mobilno ci

Mo liwe sytuacje podczas przeniesienia poł czenia

̈ Załó my, e MSC₁ jest wła ciwe dla danego MS z punktu widzenia jego rejestracji, podliczania, uwierzytelnienia, itp.

̈ Gdy przeniesienie poł czenia nast puje z pozycji „a” do „b” to rutowanie jest wykonane przez MSC₁ wył cznie

̈ Gdy przeniesienie poł czenia nast puje z „b” do „c” to dwukierunkowe pointery s ustawiane, aby poł czyć HLR nale ce do MSC₁ z VLR nale ce do MSC₂

̈ Gdy przeniesienie poł czenia nast puje z „d” do „e” to rutowanie informacji z u yciem HLR-VLR mo e nie być adekwatne („d” jest w innym obszarze stronicowania-PA)

̈ PA-obszar pokryty przez jeden lub kilka MSC w celu odnajdywania bie cej lokalizacji MS-ów

̈ Koncepcja sieci szkieletowej

25

Droga transmisji informacji gdy

MS przechodzi z „b” do „c”

Ilustracja poł cze MSC (Mobile Switching Center) do sieci szkieletowej oraz

rutowanie/rerutowanie