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: hanacek@fit.vutbr.cz BMS0x Slide 1
Frekvence 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 BMS0x Slide 3
Přidělení kmitočtových pásem BMS0x Slide 4
Přidělení kmitočtových pásem Národní kmitočtová tabulka BMS0x Slide 5
Databáze přidělených kmitočtů Trunk ČD BMS0x Slide 6
Databáze přidělených kmitočtů BMS0x Slide 7
Databáze přidělených kmitočtů BMS0x Slide 8
FCC Databáze 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. BMS0x Slide 10
Antény 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 x z y 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 z x z x Jednoduchý dipól Boční pohled (rovina xy) Zisk: maximální výkon ve směru hlavního laloku vztažený k výkonu izotropního zářiče (napájeného stejným výkonem) Udává s v db Boční pohled (rovina yz) Půdorys (rovina xz) BMS0x Slide 13
Anténa: směrová a sektorová Často používaná pro mikrovlnné spoje nebo základnové stanice y y z x z x Směrová anténa Boční pohled (rovina xy) Boční pohled (rovina yz) Půdorys (rovina xz) z z x x Sektorová anténa Půdorys, 3 sektorová Půdorys, 6 sektorová 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 BMS0x Slide 15
Dosah šíření signálu Dosah přenosu Možná komunikace Nízké množství chyb (error rate) Dosah detekce Možná detekce signálu Není možná komunikace Dosah interference Signál nemusí být detekován Signál přispívá k šumu pozadí vysílač přenos detekce vzdálenost interference 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 odraz lom rozptyl difrakce BMS0x Slide 17
Příklady z reálného světa 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 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) power short term fading long term fading t BMS0x Slide 20
Směry přenosu typ provozu 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 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 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 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 BMS0x Slide 25
Multiplexování Multiplexování ve 4 rozměrech prostor (s i ) čas (t) frekvence (f) kód (c) Kanály k i k 1 c k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Prostorový multiplex t c Cíl: vícenásobné využití zdíleného média s 1 f t s 2 f Poznámka: jsou nutné ochranné intervaly (guard spaces)! c t s 3 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 k dynamická koordinace 1 Funguje pro analogové c i digitální sítě Nevýhody: Plýtvání pásmem, pokud je provoz rozložen nerovnoměrně Nepružné Potřebné ochranné intervaly t k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f 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 c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Nevýhody: Nutná přesná synchronizace f t 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 t c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f BMS0x Slide 29
Kódový multiplex (CDMA) Každý kanál ma jedinečný kód Všechny kanály používají totéž pásmo současně Výhody: Efektivní využití pásma Není nutná koordinace a synchronizace Lepší ochrana proti interferenci a odposlouchávání Nevýhody: Nižší rychlost přenosu Složitější regenerace signálu Implementováno pomocí technologií s rozprostřeným spektrem (spread spectrum) k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 t c f BMS0x Slide 30
Celulární (buňkové) sítě 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 BMS0x Slide 32
Frekvenční plánování I Frekvence se dá znovu použít pouze v určité vzdálenosti mezi základnovými stanicemi Standardní model používá 7 frekvencí: f 4 f 5 f 1 f 3 f 2 f 6 f 4 f 5 f 3 f 2 f 7 f 1 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 BMS0x Slide 33
Frekvenční plánování II f 3 f 3 f 1 f 2 f 3 f 2 f 1 f 3 f 1 f 2 f 3 f 3 f 2 f 3 f 1 f 1 f 2 Frekvenční plán se 3 frekvencemi f 3 f 4 f 2 f 5 f 1 f 3 f 2 f 3 f 2 f 6 f 7 f 4 f 5 f 3 f 7 f 1 f 6 f 5 f 2 Frekvenční plán se 7 frekvencemi f 2 f 2 f 2 f f 1 3 h f 3 h f 3 h 2 h 2 1 h g 1 3 2 h g 3 1 g 3 g 3 f 1 f 1 g 2 g g 2 1 g g 1 3 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 BMS0x Slide 35
Modulace a demodulace BMS0x Slide 36
Digitální modulace and demodulace analogový baseband digitální signál data digitální analogová 101101001 modulace modulace vysílač nosná analogová demodulace analogový baseband signál synchronizace digitalizace digitálníl data 101101001 přijímač nosná 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) BMS0x Slide 38
AM Amplitudová modulace (AM) využívá změny signálu pro přenos informace Velikost změny se nazývá hloubka modulace BMS0x Slide 39
FM Frekvenční modulace (FM) využívá změny frekvence pro přenos informace Velikost změny se nazývá kmitočtový zdvih 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) BMS0x Slide 41
AM Analogové AM a FM v praxi 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) BMS0x Slide 42
Digitální modulace Modulace digitálních signálů se často (ale ne vždy) nazývá klíčování (shift keying) Amplitude shift keying (ASK): 1 0 1 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) Phase shift keying (PSK): Složitější Odolnější proti interferencím 1 0 1 t t 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 BMS0x Slide 44
MSK, FFSK Střídání dvou frekvencí s fázovou návazností, např. 2400 Hz / 4800 Hz = 2400 Bd 1200 Hz / 1800 Hz = 1200 Bd BMS0x Slide 45
Varianty PSK BPSK (Binary Phase Shift Keying): Q Bit 0: sinusovka Bit 1: invertovaná sinusovka 1 0 I Velmi jednoduché PSK Špatné využití pásma Robustní, užité např. u satelitních systémů Často se bere v úvahu ne absolutní, ale relativní posuv fáze: DQPSK - Differential QPSK BMS0x Slide 46
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 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 BMS0x Slide 48
QAM Kvadraturní amplitudová modulace, Quadrature Amplitude Modulation (QAM): kombinuje amplitudovou a fázovou modulaci Pomocí jednoho symbolu je možné zakódovat n bitů 2 n 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 BMS0x Slide 49
4-QAM, 8-QAM 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 BMS0x Slide 51
Příklad: Spočtěte bitovou rychlost pro 1000 baudový 16- QAM signál BMS0x Slide 52
Příklad: Spočtěte bitovou rychlost pro 1000 baudový 16- QAM signál Řešení: 16-QAM signál má 4 bity na jeden symbol 1000 * 4 = 4000 bps BMS0x Slide 53
Porovnání Modulace Jednotky Bitů/Baud Baud rate Bit Rate ASK, FSK, 2-PSK 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 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)) Příklad: 64QAM Dobrý signál: dekóduje se celý 64QAM signál Špatný signál, mobilní příjem: dekóduje se pouze QPSK část 6 bitů pro QAM symbol, 2 nejvyšší určují hodnotu QPSK HP signál je zakódován ve QPSK (2 bity), LP využívá zbývající 4 bity 10 00 Q 000010 010101 I 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 BMS0x Slide 56
Co je Ultra Wideband? Rádiová technologie která moduluje impulsy namísto kontinuální nosné BMS0x Slide 57
Konec BMS0x Slide 58