BMS 0x1 Základy bezdrátové komunikace Petr Hanáček Faculty of Information Technology Technical University of Brno Božetěchova 2 612 66 Brno tel. (05) 4114 1216 e-mail:
[email protected] Petr Hanáček
BMS0x Slide 1
Frekvence
Petr Hanáček
BMS0x Slide 2
Frekvence a délka vlny • Vztah mezi frekvencí, rychlostí šíření a délkou vlny f ·λ = c f je frekvence, λ je délka vlny, c je rychlost světla
• Různé frekvence se hodí pro různé účely • Frekvence určuje způsob šíření vlny prostorem
Petr Hanáček
BMS0x Slide 3
Přidělení kmitočtových pásem
Petr Hanáček
BMS0x Slide 4
Přidělení kmitočtových pásem • Národní kmitočtová tabulka
Petr Hanáček
BMS0x Slide 5
Databáze přidělených kmitočtů
Trunk
ČD
Petr Hanáček
BMS0x Slide 6
Databáze přidělených kmitočtů
Petr Hanáček
BMS0x Slide 7
Databáze přidělených kmitočtů
Petr Hanáček
BMS0x Slide 8
FCC Databáze
Petr Hanáček
BMS0x Slide 9
Frekvence pro mobilní komunikace • VHF-UHF – pro mobilní rádio – Jednoduché, malé antény – Deterministické šíření, spolehlivé spojení
• SHF a vyšší pro směrové spoje, satelitní komunikaci – Malá anténa, směrová – Široké pásmo k dispozici
• Bezdrátové LAN používají frekvence ve UHF až SHF – Některé systémy až v EHF (30 GHz a výše) – Omezení vzhledem k pohlcování vln molekulami vody a kyslíku (rezonanční frekvence) » Únik závislý na počasí, ztráta signálu v silném dešti atd.
Petr Hanáček
BMS0x Slide 10
Antény
Petr Hanáček
BMS0x Slide 11
Anténa: izotropní zářič • Slouží k příjmu a vysílání elektromagnetických vln, propojení drátové části s bezdrátovou – Vysílání je obtížnější než příjem
• Izotropní zářič: vyzařuje stejně ve všech směrech (3D) – pouze teoretická referenční anténa • Reálné antény mají vždy jistý směrový efekt (vertikální nebo horizontální) • Vyzařovací diagram (radiation pattern) množství vyzářené energie kolem antény y
z
z y x
Petr Hanáček
x
ideální izotropní zářič
BMS0x Slide 12
Anténa: jednoduchý dipól • Reálné antény nejsou izotropním zářičem, např. dipóly s délkou λ/4 na střeše auta nebo λ/2 jako půlvlnný dipól délka antény závisí na délce vlny λ/4
λ/2
• Příklad: Vyzařovací diagram jednoduchého dipólu y
y
x
z
z
Boční pohled (rovina xy) Boční pohled (rovina yz)
x
Jednoduchý dipól
Půdorys (rovina xz)
• Zisk: maximální výkon ve směru hlavního laloku vztažený k výkonu izotropního zářiče (napájeného stejným výkonem) – Udává s v dB
Petr Hanáček
BMS0x Slide 13
Anténa: směrová a sektorová • Často používaná pro mikrovlnné spoje nebo základnové stanice y
y
x
z
z
x
Boční pohled (rovina xy) Boční pohled (rovina yz)
Půdorys (rovina xz)
z
z
x
x
Půdorys, 3 sektorová
Půdorys, 6 sektorová
Petr Hanáček
Směrová anténa
Sektorová anténa
BMS0x Slide 14
Anténa: diverzita • Seskupení 2 nebo více antén – Víceprvková anténní pole
• Způsoby diverzity – Přepínaná diverzita, selektivní diverzita » Přijímač si vybere anténu s nejlepší, signálem – Kombinovaná diverzita » Kombinuje výstupy pro zvýšení zisku » Je nutné správné sfázování
λ/4
λ/2
+
λ/4
λ/2
λ/2
λ/2
+
ground plane
Petr Hanáček
BMS0x Slide 15
Dosah šíření signálu • Dosah přenosu – Možná komunikace – Nízké množství chyb (error rate)
• Dosah detekce – Možná detekce signálu – Není možná komunikace
vysílač
• Dosah interference – Signál nemusí být detekován – Signál přispívá k šumu pozadí
přenos vzdálenost detekce interference
Petr Hanáček
BMS0x Slide 16
Šíření signálu • Ve volné prostředí se šíří přímočaře (jako světlo), LOS (Line of Sight) • Přijatý výkon odpovídá 1/d² (d = vzdálenost mezi příjímačem a vysílačem) – Proč?
• Příjem je ovlivněn: – – – – – –
Únikem - fading (závislý na frekvenci) Odstíněním - shadowing Odrazem od velkých překážek (reflection) Lomem na hranici různých prostředí (refraction) Rozptylem na malých překážkách (scattering) Difrakcí na hranách
stínění Petr Hanáček
odraz
lom
rozptyl
difrakce BMS0x Slide 17
Příklady z reálného světa
Petr Hanáček
BMS0x Slide 18
Vícecestné šíření (multipath) • Signál se může šířit několika různými cestami (kvůli odrazu, rozptylu, difrakci) LOS impulzy
multipath impulzy
Signál u vysílače Signál u přijímače
• Rozptyl v čase: signál je časově posunutý – Interference mezi sousedními symboly, Inter Symbol Interference (ISI)
• Signál je přijat s posunutou fází – Zkreslení signálu v závislosti na fázi přijatých částí Petr Hanáček
BMS0x Slide 19
Vliv mobility • Charakteristika kanálu se mění podle času a místa – Mění se cesta signálu – Různá zpoždění různých částí signálu – Různý fázový posuv různých částí signálu – rychlé změny v síle přijatého signálu – rychlý únik (short term fading)
• Dodatečné změny ve – Vzdálenosti od vysílače – Vzdálené překážky – pomalé změny v průměrné síle přijatého signálu – pomalý únik (long term fading)
Petr Hanáček
long term fading
power
t
short term fading
BMS0x Slide 20
Směry přenosu – typ provozu
Petr Hanáček
BMS0x Slide 21
Jednosměrný provoz • Na jedné straně je pouze vysílač, na druhé pouze přijímač – Rozhlasové a TV vysílání (broadcasting) – Pagingové služby (služba „operátor“) – Telemetrické služby
Petr Hanáček
BMS0x Slide 22
Obousměrný provoz • Simplexní provoz • V jednom okamžiku je možný přenos informace pouze jedním směrem (musíme přepínat mezi příjmem a vysíláním). Provoz probíhá na jednom kmitočtu • OVER, ROGER
Petr Hanáček
• Dusimplexní provoz • V jednom okamžiku je možný přenos informace pouze jedním směrem. Provoz probíhá na dvou kmitočtech, tj. radiostanice na jiném kmitočtu vysílá a na jiném přijímá (UL/DL) • Kdo na kterém kmitočtu?
BMS0x Slide 23
Obousměrný provoz • Duplexní provoz • Obousměrný způsob provozu, možný přenos informace v obou směrech současně. Vyžaduje použití dvou kmitočtů; pokud je použito tzv. duplexeru, postačuje jedna anténa • radiotelefon
Petr Hanáček
• Semiduplexní provoz • Obousměrný provoz, při kterém jedna stanice (zpravidla základnová) pracuje v duplexním režimu a druhá (pohyblivá) v režimu dusimplexním. Provoz probíhá na dvou kmitočtech
BMS0x Slide 24
Sdílení spektra
Petr Hanáček
BMS0x Slide 25
Multiplexování • Multiplexování ve 4 rozměrech – – – –
prostor (si) čas (t) frekvence (f) kód (c)
Kanály ki k1
k2
k3
k4
k5
Prostorový multiplex c t
• Cíl: vícenásobné využití zdíleného média
k6
c t
s1
f s2 c
• Poznámka: jsou nutné ochranné intervaly (guard spaces)!
t
s3 Petr Hanáček
f
f BMS0x Slide 26
Frekvenční multiplex (FDMA) • Rozdělení spektra na menší frekvenční úseky • Kanál má přidělenou část spektra pro celý čas – Atributy kanálu: frekvence, šířka
• Výhody: – Není třeba žádná dynamická koordinace – Funguje pro analogové i digitální sítě
k1
k2
k3
k4
k6
c f
• Nevýhody: – Plýtvání pásmem, pokud je provoz rozložen nerovnoměrně – Nepružné – Potřebné ochranné t intervaly
Petr Hanáček
k5
BMS0x Slide 27
Časový multiplex (TDMA) • Kanál dostane celé spektrum pro určitý časový interval • Výhody: – Pouze jedna nosná v jednom okamžiku – Vysoká propustnost i v případě mnoha uživatelů
k1
k2
k3
k4
k5
k6
c f
• Nevýhody: – Nutná přesná synchronizace t
Petr Hanáček
BMS0x Slide 28
Časový a frekvenční multiplex (TDMA?) • Kombinace předchozích metod • Kanál dostává určitou frekvenci pro určitý časový interval • Příklad: GSM • Výhody: – Lepší ochrana proti odposlechu – Ochrana proti frekvenčně omezené interferenci – Vyšší rychlost přenosu oproti CDMA??
• ale: nutná časová i frekvenční koordinace Petr Hanáček
k1
k2
k3
k4
k5
k6
c f
t
BMS0x Slide 29
Kódový multiplex (CDMA) • Každý kanál ma jedinečný kód k1
k2
• Všechny kanály používají totéž pásmo současně • Výhody:
k3
k4
k5
c
– Efektivní využití pásma – Není nutná koordinace a synchronizace – Lepší ochrana proti interferenci a odposlouchávání
f
• Nevýhody: – Nižší rychlost přenosu – Složitější regenerace signálu
• Implementováno pomocí technologií s rozprostřeným spektrem (spread spectrum) Petr Hanáček
k6
t
BMS0x Slide 30
Celulární (buňkové) sítě
Petr Hanáček
BMS0x Slide 31
Buňkové systémy • Implementují prostorový multiplex: základnová stanice pokrývá pouze určité území (buňka) • Mobilní stanice komunikují pouze prostřednictvím základnových stanic (neexistuje tzv. přímý mód (Direct Mode - DMO)) • Výhody: – Vysoká kapacita, velký počet uživatelů – Je třeba menší vysílací výkon – Základnové stanice se starají o interference atd. pouze lokálně
• Problémy: – Základnové stanice musí spojovat pevná síť – Je třeba implementovat tzv. handover (přechod spojení od jedné buňky ke druhé) – Interference mezi buňkami
• Velikost buňky se pohybuje od 100 m ve městech, přes např. 35 km v krajině pro (GSM) – až po cca 100 km – Závisí na použité frekvenci
Petr Hanáček
BMS0x Slide 32
Frekvenční plánování I • Frekvence se dá znovu použít pouze v určité vzdálenosti mezi základnovými stanicemi • Standardní model používá 7 frekvencí: f3 f5 f4
f2 f6
f1 f3
f5 f4
f7
f1
f2
• Pevné přidělení frekvencí: – Každá buňka má pevně přidělenou svoji frekvenci/frekvence – Problém: v různých buňkách může být různá zátěž
• Dynamické přidělení frekvencí: – Základnová stanice si vybere frekvenci podle toho, jaké frekvence zrovna používají sousední buňky – Lze zvýšit kapacitu buněk s vyšším provozem – Přiřazení lze také provést na základě měření interference
Petr Hanáček
BMS0x Slide 33
Frekvenční plánování II f3
f3 f2
f1
f2 f1
f3 f2
f1 f3
f2
f2 f1
f1 f3
f3
f3
Frekvenční plán se 3 frekvencemi
f3
f2
f3 f5
f4
f2 f6
f1 f3
f5 f4
f7
f1 f3
f2 f6
f7
f5
f2
Frekvenční plán se 7 frekvencemi f2 f2 f2 f1 f1 f f f3 h h 1 f3 3 h1 2 h1 2 g2 h3 g2 h3 g2 g1 g1 g 1g g3 g3 3
Petr Hanáček
Frekvenční plán se 3 frekvencemi a s třísektorovými anténami
BMS0x Slide 34
„Dýchání“ buněk (cell breathing) • U CDMA systémů: velikost buňky závisí na momentální zátěži • Navýšení provozu se pro ostatní uživatele jako zvýšení šumu • Pokud je úroveň šumu příliš vysoká, okrajoví uživatelé vypadávají z buňky
Petr Hanáček
BMS0x Slide 35
Modulace a demodulace
Petr Hanáček
BMS0x Slide 36
Digitální modulace and demodulace digitální data 101101001
digitální modulace
analogový baseband signál
analogová modulace
vysílač
nosná
analogová demodulace
analogový baseband signál
synchronizace digitalizace
digitálníl data 101101001
přijímač
nosná
Petr Hanáček
BMS0x Slide 37
Modulace • Analogová modulace – Posouvá frekvenci baseband signálu na frekvenci nosné – U analogových sítí je jediná
• Motivace – Charakteristika média (baseband se špatně vysílá) – Kmitočtové příděly, FDMA
• Základní typy – – – –
Amplitudová modulace (AM) Frekvenční modulace (FM) Fázová modulace (PM) …
• Digitální modulace („klíčování“) – Digitální data jsou převedena na analogový signál (baseband)
• Hlavní typy – – – –
ASK (Amplitude shift keying) FSK (Frequancy…) PSK (Phase…) …
• Kombinovaná modulace (nosná se moduluje přímo digitálním signálem) • Vyšší rychlosti přenosu • Problémy s čistotou spektra • Např. GMSK (u GSM) Petr Hanáček
BMS0x Slide 38
AM • Amplitudová modulace (AM) využívá změny signálu pro přenos informace • Velikost změny se nazývá hloubka modulace
Petr Hanáček
BMS0x Slide 39
FM • Frekvenční modulace (FM) využívá změny frekvence pro přenos informace • Velikost změny se nazývá kmitočtový zdvih
Petr Hanáček
BMS0x Slide 40
PM • Fázová modulace (PM) využívá změny posuvu fáze nosné pro přenos informace • Je podobná frekvenční modulaci s velmi malým zdvihem • Je používaná jako součást složitějších modulačních schémat (QAM)
Petr Hanáček
BMS0x Slide 41
Analogové AM a FM v praxi • AM • Frekvence od 530 kHz až po cca 20 MHz – Každá stanice využívá 9 kHz – Separace stanic je 10 kHz – 9 kHz pásma znamená, že 4.5 kHz je nejvyšší frekvence, kterou lze přenést
• FM • FM rádio je 87.8 MHz až 108.0 MHz ve 200 kHz intervalech – – – –
Nominálně využívá asi 150 kHz 75 kHz na každé straně 30 kHz pro L + R (mono) → 15 kHz audio 30 kHz offset pro rozdílový signál stereo (L - R)
Petr Hanáček
BMS0x Slide 42
Digitální modulace • Modulace digitálních signálů se často (ale ne vždy) 1 0 1 nazývá klíčování (shift keying) • Amplitude shift keying (ASK): – Velmi jednoduché – Malé požadavky na pásmo – Velmi náchylné k interferencím
t
1
0
1
• Frequency shift keying (FSK): – Větší šířka pásma – Pro snížení požadavků na pásmo se používá tzv. Continuous phase modulation (CPM)
t
1
0
1
• Phase shift keying (PSK): t
– Složitější – Odolnější proti interferencím Petr Hanáček
BMS0x Slide 43
Varianty FSK • Šířka pásma, potřebná pro FSK, závisí na rozdílu mezi dvěma použitými frekvencemi a na fázovém posuvu při přechodu mezi nimi • Fázové přechody je možné z určitých okolností odstranit – MSK (Minimum Shift Keying), FFSK (Fast Frequency Shift
Keying)
• Ještě lepší využití pásma se dosáhne pomocí Gaussovské dolní propusti – GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), používá se u GSM
Petr Hanáček
BMS0x Slide 44
MSK, FFSK • Střídání dvou frekvencí s fázovou návazností, např. • 2400 Hz / 4800 Hz = 2400 Bd • 1200 Hz / 1800 Hz = 1200 Bd
Petr Hanáček
BMS0x Slide 45
Varianty PSK Q
• BPSK (Binary Phase Shift Keying): – – – – –
Bit 0: sinusovka Bit 1: invertovaná sinusovka Velmi jednoduché PSK Špatné využití pásma Robustní, užité např. u satelitních systémů
1
0
• Často se bere v úvahu ne absolutní, ale relativní posuv fáze: DQPSK - Differential QPSK
Petr Hanáček
BMS0x Slide 46
I
Bitová rychlost, baudová rychlost • Bitová rychlost, Bit rate – Počet přenesených bitů za sekundu
• Baudová rychlost, Baud rate – Počet signálových jednotek za sekundu
• Baudová rychlost je menší nebo rovna bitové • Pro ASK, FSK a BPSK: Bit rate = Baud rate
BPSK Petr Hanáček
BMS0x Slide 47
QPSK, 4-PSK • QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 4PSK: – – – –
2 bity jsou zakódovány jako jeden symbol Symbol je definován posuvem sinusovky Oproti BPSK vyžaduje menší šířku pásma Bit rate = 2*Baud rate
10
Q
11
I
00
01
• Existuje také 8-PSK – Bit rate = 3*Baud rate
Petr Hanáček
BMS0x Slide 48
QAM • Kvadraturní amplitudová modulace, Quadrature Amplitude Modulation (QAM): kombinuje amplitudovou a fázovou modulaci • Pomocí jednoho symbolu je možné zakódovat n bitů • 2n diskrétních úrovní, pro n=2 je shodná s QPSK • Bitová chybovost (bit error rate, BER) stoupá s n, ale je lepší než u porovnatelných PSK modulací
Digitální modulace
Petr Hanáček
BMS0x Slide 49
4-QAM, 8-QAM
Petr Hanáček
BMS0x Slide 50
16-QAM 16-QAM (4 bity = 1 symbol) • Symboly 0011 a 0001 mají stejnou fázi φ, ale různou amplitudu a. Symboly 0000 a 1000 mají různou fázi a stejnou amplitudu. • použito například u standardních 9600 bit/s modemů
Petr Hanáček
BMS0x Slide 51
Příklad: • Spočtěte bitovou rychlost pro 1000 baudový 16QAM signál
Petr Hanáček
BMS0x Slide 52
Příklad: • Spočtěte bitovou rychlost pro 1000 baudový 16QAM signál • Řešení: – 16-QAM signál má 4 bity na jeden symbol – 1000 * 4 = 4000 bps
Petr Hanáček
BMS0x Slide 53
Porovnání Modulace
Jednotky
Bitů/Baud
Baud rate
Bit Rate
Bit
1
N
N
4-PSK, 4-QAM
Dibit
2
N
2N
8-PSK, 8-QAM
Tribit
3
N
3N
16-QAM
Quadbit
4
N
4N
32-QAM
Pentabit
5
N
5N
64-QAM
Hexabit
6
N
6N
128-QAM
Septabit
7
N
7N
256-QAM
Octabit
8
N
8N
ASK, FSK, 2-PSK
Petr Hanáček
BMS0x Slide 54
Hierarchické modulace • Např. DVB-T moduluje dva různé datové streamy na jeden DVB-T stream • Stream s vysokou prioritou (High Priority (HP)) je zabudován ve streamu s nízkou prioritou (Low Priority (LP)) Q • Příklad: 64QAM – Dobrý signál: dekóduje se celý 64QAM signál 10 – Špatný signál, mobilní příjem: dekóduje se pouze QPSK část – 6 bitů pro QAM symbol, 2 nejvyšší určují hodnotu QPSK – HP signál je zakódován 00 ve QPSK (2 bity), 000010 LP využívá zbývající 4 bity
Petr Hanáček
I
010101
BMS0x Slide 55
Systémy s více nosnými (MCM) • Multi Carrier Modulation (MCM) – datový tok je rozdělen do několika souběžných komunikačních toků, které používají různé • Příkladem MCM je ADSL, kde je několik nosných a každá je modulována pomocí BPSK nebo QAM • Problémem je interference mezi nosnými – OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) využívá ortogonální frekvence pro zabránění interferencí mezi nosnými
• Využívá delší doby trvání přenosu symbolu pro redukci ISI • Pokud rychlost přenosu n symbolů rozdělíme mezi c nosných, doba trvání přenosu symbolu může být prodloužena na n/c
Petr Hanáček
BMS0x Slide 56
Co je Ultra Wideband? • Rádiová technologie která moduluje impulsy namísto kontinuální nosné
Petr Hanáček
BMS0x Slide 57
Konec
Petr Hanáček
BMS0x Slide 58
