Prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc. Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. Brno, listopad 2006

ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Prof. Prof. Ing. Ing. Stanislav Stanislav Hanus, Hanus, CSc. CSc. Ústav Ústav radioelektroniky radioelektroniky FEKT FEKT VUT VUT vv Brně Brně

Brno, Brno, listopad listopad 2006 2006 1

1

Obsah

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

1 2 3

Vývoj a rozd ělení syst émů mobiln ích komunikac rozdělení systémů mobilních komunikacíí Z ákladní koncepce a funkce syst émů Základní systémů Zpracov ání sign álů Zpracování signálů

4

Syst émy sou časnosti Systémy současnosti • • • • •

ázka programu GSM, GPRS, HSCSD, EDGE (uká (uk (ukázka programu TEMS) TEMS) ázka) UMTS (video uk (video uká ukázka) ázka př řipojení Internet 4G T -Mobile CZ (uká (uk p ipojení) T-Mobile (ukázka připojení) Bluetooth WiFi

5

Syst émy bl ízké budoucnosti Systémy blízké

6 7

• DVB -H DVB-H • WiMAX Syst émy vzd álenější budoucnosti Systémy vzdálenější Hlavn é trendy mobiln ích komunikac Hlavníí vývojov vývojové mobilních komunikacíí 2

2

1 Vývoj a rozdě rozdělení lení systé systémů mobilní mobilních komunikací komunikací


Přibližné časové období:

80. léta

1. polovina 90. let

2. polovina 90. let

2000 - 2010

2010 - 2020

2020 - 2030

Generace:

1G

2G

2,5G

3G

4G

5G

4G-buňkové

5G-buňkové

Širokopásmový přístup

Širokopásmový přístup

WiMAX

ITS

Flarion

HAPS

Digitální buňkové (GSM, IS-95) Analogové buňkové (NMT, AMPS) Systémy:

Analogové bezšňůrové telefony

Digitální bezšňůrové telefony (DECT) Paging (ERMES)

VoD a DoV

3G-buňkový

(GSM-GPRS, GSM-HSCSD)

(IMT-2000, UMTS, GSM-EDGE)

Datové Satelitní (Iridium, Inmarsat-M) Přenosová rychlost:

~ 500 bit/s

~ 9,6 kbit/s

???

WLAN (Bluetooth WiFi)

~ 64 kbit/s

do 2 Mbit/s

2-20 Mbit/s ???

20-100 Mbit/s ???

3

3



WAN Wideband Area Network

IEEE 802.20 MBWA

GSM, EDGE, 3GPP

MAN Metropolitan Area Network

IEEE 802.16 WirelessMAN IEEE 802.11 WirelessLAN IEEE 802.15 Bluetooth

ETSI HiperMAN

LAN Local Area Network

ETSI HiperLAN

PAN Personal Area Network

ETSI HiperPAN

4

4



T- Mobile Czech Republic, a.s. • • • •

GSM 900 MHz (P) ….. 47 rádiových kanálů GSM 900 MHz (E) ….. 9 rádiových kanálů GSM 1800 MHz ……… 90 rádiových kanálů UMTS 2 GHz, 5 kanálů (5 x 5 MHz), 1.1.2007

Telefónica O2 Czech Republic, a.s. • • • •

GSM 900 MHz (P) …… 46 rádiových kanálů GSM 900 MHz (E) …… 9 rádiových kanálů GSM 1800 MHz ……… 70 rádiových kanálů UMTS 2 GHz, 5 kanálů (5 x 5 MHz), 1.1.2007

Vodafone Czech Republic a.s. • GSM 900 MHz (P) …… 31 rádiových kanálů • GSM 1800 MHz ….…. 90 rádiových kanálů • UMTS 2 GHz, 5 kanálů (5 x 5 MHz), 1.1.2008 5

55


2 Zá Základní kladní koncepce a funkce systé systémů

2.1 Systémy s multiplexním přenosem, mnohonásobný přístup do systému Metody mnohonásobného přístupu umožňují sdílení rádiového prostředí (obecně přenosového média) mnoha účastníkům • FDMA (Frequency Division Multiple Access), mnohonásobný přístup s kmitočtovým dělením • TDMA (Time Division Multiple Access), mnohonásobný přístup s dělením • CDMA (Code Division Multiple Access), mnohonásobný přístup s dělením

časovým

kódovým

FDMA – TDMA (GSM, DECT, …) FDMA – CDMA (UMTS, IS95, …) 6

6



2.2 Plošná struktura Možnosti spojení • bod-bod (PP, Point to Point) • bod-několik bodů (PM, Point to Multipoint) • struktura buňková neboli celulární BTS (Base Transceiver Station) základnová rádiová stanice BSC (Base Station Controller) základnová řídicí jednotka MSC (GMSC) (Mobile Switching Center) radiotelefonní ústředna Handover (tvrdý, měkký, bezešvý) Roaming 7

7



Typy buněk (makrobuňky, mikrobuňky, pikobuňky, deštníkového typu – umbrella cells)

8

8



2.3 Využití frekvenčního pásma systému

S omezeným frekvenčním pásmem systému lze pokrýt teoreticky nekonečně rozlehlé území • FCA (Fixed Channel Allocation) – pevné přidělování kanálů • DCA (Dynamic Channel Allocation) – dynamické přidělování kanálů 9

9



2.4 Způsoby přenosu • Simplexní přenos (simplex) Signál se v přenosovém kanálu přenáší pouze v jednom směru (rozhlasové a televizní vysílání, paging)

• Poloduplexní přenos (poloduplex) Přenosový kanál je využit pro komunikaci oběma směry, které je však třeba přepínat („over“) (dříve rádiová pojítka policie, taxi, apod.)

10

10



• Duplexní přenos (duplex) Každý směr přenosu využívá jiný přenosový kanál a) Kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex)

b) Časový duplex TDD (Time Division Duplex)

11

11


3 Zpracová Zpracování signá signálů

3.1 Blokové schéma radiokomunikačního systému

12

12



3.2 Převod analogového signálu na digitální – PCM 1. vzorkování, 2. kvantování, 3. kódování

13

13



3.3 Zdrojové kódování • Cílem je odstranit ze signálu redundanci a irelevanci – týká se především zvukových a obrazových signálů • Výsledkem je snížení přenosové rychlosti signálu, určené kompresním poměrem (Compress Ratio)

CR =

R vst R výst

[− ]

Obr. 2.3. Časové průběhy hovorového signálu

14

14



• Blokové schéma vokodéru (Voice Coder) • Vysílací část – analýza lidského hlasu • Přijímací část – syntéza lidského hlasu

VYSÍLACÍ ČÁST

Vstup

Převod A-D

PŘIJÍMACÍ ČÁST T0

Stanovení koeficientů filtru

Multiplexer PF

Segmentování

Stanovení znělosti hlásky

Z-N

Stanovení periody T0

T0

Stanovení úrovně

G

Demultiplexer Komunikační kanál

Generátor impulzů Filtr

G Generátor šumu

Zesilovač

Z-N

PF

Repro

15

15



3.4 Kanálové kódování • Cílem je zabezpečit signál proti chybám na přenosové cestě • Podstatou je mírné úmyslné a kontrolované zvýšení redundance signálu • Výsledkem je sice zvýšení přenosové rychlosti signálu a tím i větší šířka pásma, ale sníží se chybovost signálu BER (Bit Error Rate) • Nejčastěji se používají blokové kódy, konvoluční kódy a nyní turbo kódy.

• Prokládání (Interleaving) – ochrana signálu proti shlukům chyb

16

16



3.5 Digitální modulace Modulace ASK (Amplitude Shift Keying)

Modulace PSK (Phase Shift Keying)

Modulace FSK (Frequency Shift Keying)

17

17



• Grafické znázornění digitálních modulací : konstelační neboli stavový diagram rovina IQ (In-phase – synfázní složka, Quadrature – kvadraturní složka)

• Lepší využití konstelačního diagramu - diskrétní kvadraturní modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

18

18


4 Systé Systémy souč současnosti

4.1 Systém GSM (Global System for Mobile communications) • Využívá různá kmitočtová pásma GSM 900 (PGSM, EGSM, 1800, 1900, 800, R) • • • •

Přenos hovorových a datových signálů do 9,6 kbit/s FDD: MS-BS (uplink), BS-MS (downlink), rozteč duplexního páru je 45 (95, 80, …) MHz Celkem 124 (374, 299, …) duplexních rádiových kanálů FDMA / TDMA

19

19



Využití kmitočtového skákání - FH (Frequency Hopping)

20

20



• Architektura systému GSM

21

21



• Zpracování signálu v MS

22

22



• Zabezpečení signálu v systému GSM

Ověření totožnosti účastníka

Šifrování signálu

23

23



4.2 GPRS (General Packet Radio Service) • Přenos datových paketů přes rádiové rozhraní • Nové bloky a) PCU (Packet Controller Unit) b) SGSN (Serving GPRS Support Node) c) GGSN (Gateway GPRS Support Node) • Nutná úprava i MS • Kódovací schéma CS1 – CS4 (ETSI) • Teoretická přenosová rychlost 171,2 kbit/s ( 21,4 . 8)

4.3 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) • • • •

Není třeba hardwarový zásah do systému Nejedná se o paketový přenos Je použit nový způsob kódování – 14,4 kbit/s Př.: nesymetrický provoz ( 3+1 timeslot service ) 43,2 – 14,4 kbit/s

4.4 EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) – používá modulaci 8PSK, až 200 kbit/s 24

24



Testovací systém TEMS (TEst Mobile System) Umožní „nahlédnout“ do rádiového prostředí systému GSM

• Základní vybavení systému sestává z Trace mobile master

Trace mobile slave Test mobile software TEMS

Positioning equipment GPS

MS a notebooku s programem TEMS (pod Windows) • MS je běžné výroby, ale se speciálním firmware TEMS a HW úpravou (klíčem) pro nelegální užívání SW – Trace Mobile Master. S notebookem je propojena pomocí RS232 • Je možné využít i zařízení GPS – výsledky měření lze potom také graficky zobrazit do mapy – srovnání s počítačovými simulacemi • K notebooku lze připojit také druhou MS – Trace Mobile Slave. Používá se ke skenování pásma – má částečně omezené funkce

25

25



4.5 Systém třetí generace UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) • Podstatným zvýšením přenosové rychlosti umožní přenos multimediálních signálů s různou kvalitou (QoS)

• Vícemódové rádiové rozhraní (WCDMA-FDD, WCDMA-TDD, TDMA) 26

26



• Architektura systému • Mobilní terminál MT, ME (Mobile Terminal, Mobile Equipment) s modulem USIM (UMTS SIM) – mikrofon se sluchátkem je propojen s MT pomocí systému Bluetooth • Přístupová síť AN (Access Network) – plní přenosové a přepojovací funkce • Pevná páteřní síť CN (Core Network) – řídí provoz a spojení, spolupracuje s externími sítěmi • Servisní řídící síť SCN (Service Control Network) – zpracování a uchování dat • Síť telekomunikačního managementu TMN (Telecommunication Management Network) • Vzájemná součinnost systémů GSM a UMTS

AN

MT (USIM)

Rozhraní UTRA (Uu)

MS (SIM)

Node B (BTS), RNC (BSC)

BSS / GSM Rozhraní GSM (Um)

BTS, BSC

Rozhraní IuPS Rozhraní IuCS

CN WMSC/VLR, GMSC, HLR, 3G-SGSN, GGSN

Externí sítě CS (PSTN, …)

SCN TMN

Externí sítě PS (Internet, …)

27

27

28

25

29

29



• Rádiové rozhraní UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access )

• Pro symetrický provoz (párovaná pásma) se bude používá FDD-WCDMA • Pro nesymetrický provoz (nepárovaná pásma) se bude používá TDD-WCDMA • Rozprostření spektra signálu DS-WCDMA • Základní čipová rychlost 3,84 Mchip/s • Použité modulace QPSK (DL) a BPSK (UL) • Podpora přenosu s přepojování okruhů CS (Circuit Switching) i přepojováním paketů PS (Packet Switching)

• Přístupové techniky • Používá kombinovaný přístup FDMA – CDMA • Ke generování rozprostřeného signálu se používají různé modulační techniky 30

30



a) Modulační technika FH-SS • Kmitočet nosné se mění v čase – skoky jsou určeny kódovou sekvencí neboli rozprostíracím kódem b) Modulační technika DS-SS

• Používané kódy jsou ortogonální – v ideálním prostředí vzájemně neinterferují • Činitel rozprostírání 10 až cca 1000

31

31



• Základní charakteristika systému s rozprostřeným spektrem

32

32



• Výhody systémů s rozprostřeným spektrem

• Vznik šumového pozadí • Původně vyvíjeny pro vojenské účely - utajení 33

33



4.6 Internet 4G T- Mobile CZ • Systém třetí generace (3G) TDD UMTS pracuje v pásmech ¾ 1910 – 1915 MHz …….. v Praze ¾ 872 – 876 MHz ……….. v ČR mimo Prahu • PCM-CIA karta nebo modem (combi !!) pracují i v pásmu GSM 900, GSM 1800 a podporují GPRS i EDGE

34

34



Mapa pokrytí ČR signálem Internet 4G (k 31. 10. 2006)

35

35



4.7 Systém Bluetooth • Pracuje v pásmu 2,4 GHz (ISM – Industrial, Scientific, Medical) • Umožňuje komunikaci na vzdálenost do desítek metrů ¾ Class 1, výkonová úroveň 20 dBm ……………. dosah do 100 metrů ¾ Class 2, výkonová úroveň 4 dBm ……………. dosah do 10 metrů ¾ Class 3, výkonová úroveň 0 dBm ……………. dosah do 1 metru

Bluetooth 1.0 Bluetooth 1.1 Bluetooth 1.2 Bluetooth 2.0

……….. ……….. ……….. ………..

723,2 kbit/s pro DL, 57,6 kbit/s pro UL 1 Mbit/s, oprava chyb 1 Mbit/s, používá AFH (adaptive FH), odolný vůči rušení od WiFi 3 Mbit/s, snížená spotřeba energie, zlepšení BER 36

36



Vytváření piconetu (max. 8 zařízení, Master a Slaves)

M

M

M

M

S S S

S

S

S

S

S

M/S

S

S

Topologie „ad hoc“

S

Topologie „scatter ad hoc“

37

37



Další systémy PAN (Personal Area Network) Specifikace: IEEE 802.15, ETSI HiperPAN

IEEE 802.15.1

IEEE 802.15.3

Bluetooth 1.0

IEEE 802.15.3a

IEEE 802.15.4

UWB

ZIGBEE

2,402 – 2,480 GHz

2,4 – 2,4835 GHz

3,168 – 4,752 GHz nebo 3,1 – 5,15 GHz

2,4 – 2,4835 GHz (svět) 868,3 MHz (Evropa)

GFSK

QPSK, DQPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM

OFDM, QPSK, BPSK

OQPSK (svět) BPSK (Evropa)

DS/FH CDMA FDMA

CSMA

B = 503,25 MHz (B = 2,736 GHz)

B = 5 MHz

FHSS, TDD B = 1 MHz

B = 15 MHz

79 rád. kanálů

4 rád. kanály

732,2 kbit/s

55 Mbit/s

480 Mbit/s Mbit/s)

(600

6 rád. k. (svět) rád. k. (Evropa)

1

250 kbit/s (svět) kbit/s (Evropa)

20

38

38



4.8 WiFi (Wireless Fidelity) Patří mezi systémy LAN (Local Area Network) • Standard IEEE 802.11 (1997), byl vypracován jako bezdrátová alternativa Ethernetu pro pásmo 2,4 GHz • Používá DSSS, FHSS a CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

IEEE 802.11a WiFi5 5,15 – 5,35 GHz 5,725 – 5,825 GHz (USA,12 kanálů, 8 se nepřekrývá) CSMA/CA, TDD B = 20 MHz OFDM, BPSK (6 Mbit/s, 9 Mbit/s)

IEEE 802.11b WiFi (Wireless Fidelity) 2,4 – 2,4835 GHz (Evropa) 2,4465 – 2,4835 GHz (Francie) 2,445 – 2,475 GHz (Španělsko)

IEEE 802.11g

2,4 – 2,4835 GHz (14 kanálů, 3 se nepřekrývají)

(14 kanálů, 3 se nepřekrývají) CSMA/CA, TDD CSMA/CA, TDD B = 20 MHz B = 20 MHz

OFDM, QPSK (12 Mbit/s, 18 Mbit/s)

BPSK, QPSK, CCK

OFDM, 16QAM (24 Mbit/s, 36 Mbit/s)

1 Mbit/s, 2 Mbit/s

OFDM, 64QAM (48 Mbit/s, 54 Mbit/s)

5,5 Mbit/s, 11 Mbit/s

OFDM, BPSK, QPSK, 16 – 64 QAM, CCK, PBCC 1 Mbit/s - 54 Mbit/s

DFS, TPC

39

39


5 Systé Systémy blí blízké zké budoucnosti

5.1 DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handhelds) • Televizní vysílání přijímané mobilním telefonem • Na rozdíl od klasického vysílání DVB-T je televizní signál přijímán v kratším intervalu (timeslicing) - úspora až 90% energie • Obraz má menší rozlišení 352 x 288 bodů (na malém displeji nevadí) a proto přenosová rychlost může být menší (pod 400 kbit/s – menší šířka pásma) • Pro komprimaci signálu používá MPEG4 a systémovou specifikaci MPEG2 • V říjnu a listopadu 2006 probíhá experimentální vysílání DVB-H v Praze • Vysíláno 9 TV programů (CT24, Eurosport, Óčko ……. a 3 kódované National Geographic, …. ) • Vysílač Strahov, 50 kW, 29. kanál • T-Mobile CZ a České radiokomunikace vyčlenily pro testování 250 ks mobilních telefonů MOTOROLA a SAMSUNG SGH-P910

Film

40

40



SAMSUNG SGH-P910

41

41



5.2 WiMAX • Organizace WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum) • Nové širokopásmové bezdrátové sítě BWA (Broadband Wireless Access) pro rádiový poslední míle (alternativa xDSL) • Splňují požadavky na přenos dat, hlasu VoIP, videokonference, včetně řízení QoS • Systémy WiMAX dosahují spektrální účinnosti až 5 b/s/Hz

přístup tzv.

Specifikace: IEEE 802.16, ETSI HiperMAN IEEE 802.16

IEEE 802.16a

IEEE 802.16b

WirelessMAN

WiMAX

WirelessHUMAN

10 – 66 GHz

2 – 11 GHz

BPSK, QPSK, 4-256QAM

BPSK, QPSK, 4-256QAM

Jednotlivé nosné

TDMA/OFDMA

LOS, fixní (2-5 km)

NLOS, fixní + přenosný (310 km, max. 50 km)

TDD/FDD

TDD/FDD

B = 28 MHz (EU) B = 20/25 MHz (USA)

B = 28 MHz (EU) odstupňovaná B = 20/25 MHz (USA)

32-134 Mbit/s

70 Mbit/s

5 – 6 GHz

IEEE 802.16e 2 – 6 GHz BPSK, QPSK, 16-256 QAM

v návrhu

NLOS, plně mobilní 5 km)

(2-

B = 5 MHz (15 Mbit/s) odstupňovaná 1,25 – 20 MHz

42

42



• Architektura sítě • Ryze paketový systém (UMTS využívá PS i CS) využívající IP (MIP) • Změna struktury sítě směrem k vyšší inteligenci základnové stanice

Laptop

Základnová stanice s IP řadičem (IP Router) tvoří nový prvek sítě – Radio Router

MIP

63250 / 0/ /0 1

2

4 7

*

3

5

6

8

9

0

#

Radio Router

Modem

Síťový manager HA (Home Agent) – řídí přenos dat v rámci jádra sítě

Radio Router Radio Router

HA

Switch

IP network

AAA

GW

Server AAA (Authentication, Authorization, Accounting) – zpracování uživatelských dat podle nabízené služby 43

43



• Zpracování signálu Využívá OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Odražené signály (terénní překážky, budovy, apod.) mají různá časová zpoždění, amplitudy, fáze Interference přímého a odraženého signálu (ISI Inter Symbol Interference → BER Bit Error Rate)

Prodloužení TB - odražené signály s velkou amplitudou a malou dobou zpoždění neovlivní sousední bity Velký počet paralelních cest (2k, 8k) – mapování do symbolů vhodných pro následné modulace QPSK, QAM 44

44



Spektrum signálu u klasického systému

Spektrum signálu u ortogonálního systému

V praxi se modulace OFDM realizuje pomocí IFFT a FFT v signálovém procesoru

45

45

6 Systé Systémy vzdá vzdáleně lenější budoucnosti


6.1 Systém ITS (Intelligent Transport System)

Řídící základnová stanice CBS

K páteřní síti Lokální základnové stanice LBS

Optický kabel

• Umožní komunikaci LBS – vozidlo (pásmo mikrovln) nebo komunikaci mezi vozidly (pásmo mm vln) • Vhodný nejen pro řešení dopravních problémů, ale i pro přenos multimediálních signálů k vozidlům případně mezi vozidly 46

46


6 Systé Systémy vzdá vzdáleně lenější budoucnosti

6.2 Systém HAPS (High Altitude stratospheric Platform station System) • Systém určený pro přenos multimediálních signálů • Vhodný pro pevné, přenosné i mobilní účastnické terminály • Základnové stanice jsou umístěny ve stratosféře – výška cca 20 km

• Vzájemná komunikace mezi základnovými stanicemi • Typická přenosová rychlost signálu pro pevné a přenosné účastnické stanice je 25 Mbit/s

BS

Optické spoje BS

BS

BS

Pásmo mm vln

• Při použití antén s vyšším ziskem lze dosáhnout až několika stovek Mbit/s 47

47


7 Hlavní Hlavní vývojové vývojové trendy mobilní mobilních komunikací komunikací

7.1 Zpracování signálů • robustní modulace odolnější vůči selektivnímu úniku – modulace s několika nosnými včetně OFDM nebo jednoduché modulace s ekvalizací, • rychlé TPC (Transmitter power Control), • použití FH (Frequency Hopping), • vysoce účinná FEC (Forward Error Correction) – turbo kódy, diverzita, atd.

7.2 Šíření rádiových vln • rozbor šíření signálu s velkou přenosovou rychlostí (~20 Mbit/s) uvnitř budov (několikanásobné odrazy), • vliv útlumu atmosféry na šíření vln (déšť, sníh), atd.

7.3 Softwarové rádio • snaha posunout digitální zpracování signálu ke vstupu přijímače, • digitální zpracování signálu – DSP, • jedno z řešení problémů koexistence několika mobilních systémů (jeden terminál pro několik systémů), atd. 48

48



7.4 Antény • potlačení interferencí signálů, • tvarování vyzařovacích charakteristik pomocí adaptivních algoritmů pro časově – prostorové zpracování signálů, • sledování požadovaného signálu, atd. vysílající uživatel interferenční signál uživatelé

20 ° 120°

dynamicky tvarovaný vyzařovací diagram antény 49

49



7.5 Obvodové řešení • vysoce účinné výkonové zesilovače, • vstupní nízkošumové zesilovače, teplotně nezávislé, atd.

7.6 EMC • hodnocení elektromagnetické kompatibility, • vliv působení signálů cm a mm vln na lidský organismus, atd.

Všechny uvedené oblasti výzkumu se také řeší v rámci různých výzkumných projektů na

Ústavu radioelektroniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně

www.urel.feec.vutbr.cz 50

50


Děkuji za pozornost.

51

51

Prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc. Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. Brno, listopad 2006

Recommend Documents