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

Transkript

1 ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky Prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc. Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Brno, listopad

2 Obsah 1 Vývoj a rozdělení systémů mobilních komunikací 2 Základní koncepce a funkce systémů 3 Zpracování signálů 4 Systémy současnosti GSM, GPRS, HSCSD, EDGE (ukázka programu TEMS) UMTS (video ukázka) Internet 4G T-Mobile T CZ (ukázka připojení) Bluetooth WiFi 5 Systémy blízké budoucnosti DVB-H WiMAX 6 Systémy vzdálenější budoucnosti 7 Hlavní vývojové trendy mobilních komunikací 2 2

3 1 Vývoj a rozdělen lení systémů mobilních komunikací Přibližné časové období: 80. léta 1. polovina 90. let 2. polovina 90. let Generace: 1G 2G 2,5G 3G 4G 5G Digitální buňkové (GSM, IS-95) Systémy: Analogové buňkové (NMT, AMPS) Analogové bezšňůrové telefony Digitální bezšňůrové telefony (DECT) Paging (ERMES) VoD a DoV (GSM-GPRS, GSM-HSCSD) 3G-buňkový (IMT-2000, UMTS, GSM-EDGE) 4G-buňkové Širokopásmový přístup WiMAX Flarion 5G-buňkové Širokopásmový přístup ITS HAPS Datové Satelitní (Iridium, Inmarsat-M) WLAN (Bluetooth WiFi)??? Přenosová rychlost: ~ 500 bit/s ~ 9,6 kbit/s ~ 64 kbit/s do 2 Mbit/s 2-20 Mbit/s??? Mbit/s??? 3 3

4 1 Vývoj a rozdělen lení systémů mobilních komunikací WAN Wideband Area Network IEEE MBWA IEEE WirelessMAN IEEE WirelessLAN IEEE Bluetooth MAN Metropolitan Area Network LAN Local Area Network PAN Personal Area Network ETSI HiperPAN GSM, EDGE, 3GPP ETSI HiperMAN ETSI HiperLAN 4 4

5 1 Vývoj a rozdělen lení systémů mobilních komunikací 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), 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), 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),

6 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce 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 časovým dělením CDMA (Code Division Multiple Access), mnohonásobný přístup s kódovým dělením FDMA TDMA (GSM, DECT, ) FDMA CDMA (UMTS, IS95, ) 6 6

7 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce systémů 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

8 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce systémů Typy buněk (makrobuňky, mikrobuňky, pikobuňky, deštníkového typu umbrella cells) 8 8

9 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce systémů 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

10 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce systémů 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

11 2 ZákladnZ kladní koncepce a funkce systémů 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

12 3 Zpracování signálů 3.1 Blokové schéma radiokomunikačního systému 12 12

13 3 Zpracování signálů 3.2 Převod analogového signálu na digitální PCM 1. vzorkování, 2. kvantování, 3. kódování 13 13

14 3 Zpracování signálů 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 R vst výst [ ] Obr Časové průběhy hovorového signálu 14 14

15 3 Zpracování signálů Blokové schéma vokodéru (Voice Coder) Vysílací část analýza lidského hlasu Přijímací část syntéza lidského hlasu VYSÍLACÍ ČÁST PŘIJÍMACÍ ČÁST Vstup Převod A-D Stanovení koeficientů filtru PF Multiplexer Komunikační kanál Demultiplexer T 0 G Generátor impulzů Filtr Segmentování Stanovení znělosti hlásky Z-N Generátor šumu Z-N PF Stanovení periody T 0 T 0 Stanovení úrovně G Zesilovač Repro 15 15

16 3 Zpracování signálů 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

17 3 Zpracování signálů 3.5 Digitální modulace Modulace ASK (Amplitude Shift Keying) Modulace PSK (Phase Shift Keying) Modulace FSK (Frequency Shift Keying) 17 17

18 3 Zpracování signálů 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

19 4 Systémy 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

20 4 Systémy současnosti Využití kmitočtového skákání - FH (Frequency Hopping) 20 20

21 4 Systémy současnosti Architektura systému GSM 21 21

22 4 Systémy současnosti Zpracování signálu v MS 22 22

23 4 Systémy současnosti Zabezpečení signálu v systému GSM Ověření totožnosti účastníka Šifrování signálu 23 23

24 4 Systémy současnosti 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

25 4 Systémy současnosti Testovací systém TEMS (TEst Mobile System) Umožní nahlédnout do rádiového prostředí systému GSM Positioning equipment GPS Trace mobile master Trace mobile slave Test mobile software TEMS Základní vybavení systému sestává z 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

26 4 Systémy současnosti 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

27 4 Systémy současnosti 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 MT (USIM) Rozhraní UTRA (Uu) AN Node B (BTS), RNC (BSC) Rozhraní IuPS Rozhraní IuCS CN WMSC/VLR, GMSC, HLR, 3G-SGSN, GGSN SCN TMN MS (SIM) Rozhraní GSM (Um) BSS / GSM BTS, BSC Externí sítě CS (PSTN, ) Externí sítě PS (Internet, ) 27 27

28 28 25

29 29 29

30 4 Systémy současnosti 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

31 4 Systémy současnosti 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

32 4 Systémy současnosti Základní charakteristika systému s rozprostřeným spektrem 32 32

33 4 Systémy současnosti Výhody systémů s rozprostřeným spektrem Vznik šumového pozadí Původně vyvíjeny pro vojenské účely - utajení 33 33

34 4 Systémy současnosti 4.6 Internet 4G T- Mobile CZ Systém třetí generace (3G) TDD UMTS pracuje v pásmech MHz.. v Praze 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

35 4 Systémy současnosti Mapa pokrytí ČR signálem Internet 4G (k ) 35 35

36 4 Systémy současnosti 4.7 Systém Bluetooth Pracuje v pásmu 2,4 GHz (ISM Industrial, Scientific, Medical) Umožňuje komunikaci na vzdálenost do desítek metrů Class 1, výkonová úroveň 20 dbm. dosah do 100 metrů Class 2, výkonová úroveň 4 dbm. dosah do 10 metrů Class 3, výkonová úroveň 0 dbm. dosah do 1 metru Bluetooth ,2 kbit/s pro DL, 57,6 kbit/s pro UL Bluetooth Mbit/s, oprava chyb Bluetooth Mbit/s, používá AFH (adaptive FH), odolný vůči rušení od WiFi Bluetooth Mbit/s, snížená spotřeba energie, zlepšení BER 36 36

37 4 Systémy současnosti Vytváření piconetu (max. 8 zařízení, Master a Slaves) M M M M S S S S S S S M/S S S Topologie ad hoc S S Topologie scatter ad hoc 37 37

38 4 Systémy současnosti Další systémy PAN (Personal Area Network) Specifikace: IEEE , ETSI HiperPAN IEEE Bluetooth 1.0 IEEE IEEE a UWB IEEE ZIGBEE 2,402 2,480 GHz GFSK FHSS, TDD B = 1 MHz 2,4 2,4835 GHz QPSK, DQPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM B = 15 MHz 3,168 4,752 GHz nebo 3,1 5,15 GHz OFDM, QPSK, BPSK DS/FH CDMA FDMA B = 503,25 MHz (B = 2,736 GHz) 2,4 2,4835 GHz (svět) 868,3 MHz (Evropa) OQPSK (svět) BPSK (Evropa) CSMA B = 5 MHz 79 rád. kanálů 4 rád. kanály 6 rád. k. (svět) 1 rád. k. (Evropa) 732,2 kbit/s 55 Mbit/s 480 Mbit/s (600 Mbit/s) 250 kbit/s (svět) 20 kbit/s (Evropa) 38 38

39 4 Systémy současnosti 4.8 WiFi (Wireless Fidelity) Patří mezi systémy LAN (Local Area Network) Standard IEEE (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 a WiFi5 IEEE b WiFi (Wireless Fidelity) IEEE g 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) OFDM, QPSK (12 Mbit/s, 18 Mbit/s) OFDM, 16QAM (24 Mbit/s, 36 Mbit/s) OFDM, 64QAM (48 Mbit/s, 54 Mbit/s) DFS, TPC 2,4 2,4835 GHz (Evropa) 2,4465 2,4835 GHz (Francie) 2,445 2,475 GHz (Španělsko) (14 kanálů, 3 se nepřekrývají) CSMA/CA, TDD B = 20 MHz BPSK, QPSK, CCK 1 Mbit/s, 2 Mbit/s 5,5 Mbit/s, 11 Mbit/s 2,4 2,4835 GHz (14 kanálů, 3 se nepřekrývají) CSMA/CA, TDD B = 20 MHz OFDM, BPSK, QPSK, QAM, CCK, PBCC 1 Mbit/s - 54 Mbit/s 39 39

40 5 Systémy blízk 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, Film. ) Vysílač Strahov, 50 kw, 29. kanál T-Mobile CZ a České radiokomunikace vyčlenily pro testování 250 ks mobilních telefonů MOTOROLA a SAMSUNG SGH-P

41 5 Systémy blízk zké budoucnosti SAMSUNG SGH-P

42 5 Systémy blízk zké budoucnosti 5.2 WiMAX Organizace WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum) Nové širokopásmové bezdrátové sítě BWA (Broadband Wireless Access) pro rádiový přístup tzv. 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 Specifikace: IEEE , ETSI HiperMAN IEEE WirelessMAN IEEE a WiMAX IEEE b WirelessHUMAN IEEE e GHz 2 11 GHz 5 6 GHz 2 6 GHz BPSK, QPSK, 4-256QAM BPSK, QPSK, 4-256QAM BPSK, QPSK, QAM Jednotlivé nosné LOS, fixní (2-5 km) TDMA/OFDMA NLOS, fixní + přenosný (3-10 km, max. 50 km) v návrhu NLOS, plně mobilní (2-5 km) TDD/FDD B = 28 MHz (EU) B = 20/25 MHz (USA) Mbit/s TDD/FDD B = 28 MHz (EU) odstupňovaná B = 20/25 MHz (USA) 70 Mbit/s B = 5 MHz (15 Mbit/s) odstupňovaná 1,25 20 MHz 42 42

43 1 4 7 * / 0/ 0/ # Fakulta elektrotechniky 5 Systémy blízk zké budoucnosti Architektura sítě Ryze paketový systém (UMTS využívá PS i CS) využívající IP (MIP) Změna struktury sítě směrem k vyšší inteligenci základnové stanice Laptop MIP Základnová stanice s IP řadičem (IP Router) tvoří nový prvek sítě Radio Router Modem Radio Router Radio Router Radio Router HA Síťový manager HA (Home Agent) řídí přenos dat v rámci jádra sítě IP network Switch AAA GW Server AAA (Authentication, Authorization, Accounting) zpracování uživatelských dat podle nabízené služby 43 43

44 5 Systémy blízk zké budoucnosti 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 T B - 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

45 5 Systémy blízk zké budoucnosti 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

46 6 Systémy vzdálen 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

47 6 Systémy vzdálen 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 BS Optické spoje BS BS Typická přenosová rychlost signálu pro pevné a přenosné účastnické stanice je 25 Mbit/s Při použití antén s vyšším ziskem lze dosáhnout až několika stovek Mbit/s BS Pásmo mm vln 47 47

48 7 Hlavní vývojové trendy mobilních 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

49 7 Hlavní vývojové trendy mobilních komunikací 7.4 Antény potlačení interferencí signálů, tvarování vyzařovacích charakteristik pomocí adaptivních algoritmů pro časově prostorové zpracování signálů, sledování požadovaného signálu, atd. vysílající uživatel uživatelé interferenční signál dynamicky tvarovaný vyzařovací diagram antény 49 49

50 7 Hlavní vývojové trendy mobilních komunikací 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 Vysokého učení technického v Brně urel.feec.vutbr.cz 50 50

51 Děkuji za pozornost