Curs Com Mobile

21 oct 2009 Curs Comunicatii Mobile 1

COMUNICATII MOBILE• Domeniul telecomunicatilor• Sisteme de comunicatii• Benzi de frecventa• Semnale si forme de modulatie• Modulatia analogica• Modulatia digitala• Linii de transmisiuni• Fibra Optica• Antene• Metode de multiplexare


Sisteme mobile terestre– Sisteme de comunicatii mobile celulare

• AMPS• GSM, etc

– Sisteme de telefonie cordless• CT2• DECT

– Sisteme de telefonie dedicata

• Tehnologii de interconectare radio (WIRELESS)– Bluetooth– WiFi– WiMAX– ZigBee– LMDS si MMDS


• Comunicatii pe linile de distributie a energiei electrice

• Comunicatii mobile prin satelit• Convergenta tehnologiilor

Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 4

Sisteme si benzi de frecventa•Telecomunicaţii: orice emisie, transmisie sau receptie de

semne, semnale, înscrisuri, imagini, sunete sau informatii de orice natură prin fir, unde radio, optic sau alte sisteme electromagnetice. (Definitia UIT din 1907)

•Unde radioelectrice: unde electromagnetice a căror frecvenţă este prin convenţie mai mică de 3000 Ghz, propagându-se in spaţiu, fără ghid artificial.

•Radiocomunicaţii: telcomunicaţii realizate prin intermediul undelor radioelectrice.

Regulamentul Radiocomunicatiilor al U.I.T., in art.8 stabileste atribuirea unor benzi si subenzi de frecvenţă pentru anumite tipuri de transmisii - denumite servicii.

Sistem de comunicatie = complex de echipamente, legate intre ele prin functiuni specifice, realizate cu scopul de a stabilii un anumit tip de legaturi de comunicatie.

Criterii de grupare:– natura informatiei - mesaj– mediul de transmisiune


Dupa natura informatiei

vorbire

– telefonie– teleconferinţă– radiodifuziunemuzică – radiodifuziunetexte– telegrafie– teleximagini fixe– facsimil (fax)– videotextimagini mobile – televiziunedate– teleinformatică– telecomandă

Dupa mediul de transmisiune

Sisteme ghidate (pe fir, cu conductor– pereche de fire rasucite (UTP)– pereche de fire rasucite, ecranate (STP)– Cablu coaxial –Ghid de unda– Fibra optica

Sisteme cu radiatie in spatiul liber– Infrarosii– Radio – Microunde


Spectrul ElectromagneticSOUND LIGHTRADIO HARMFUL RADIATION

VHF = VERY HIGH FREQUENCYUHF = ULTRA HIGH FREQUENCYSHF = SUPER HIGH FREQUENCY EHF = EXTRA HIGH FREQUENCY

4G CELLULAR56-100 GHz

3G CELLULAR1.5-5.2 GHz

1G, 2G CELLULAR0.4-1.5GHz

UWB3.1-10.6 GHz


→ Serviciul fix – serviciul de radiocomunicaţii între puncte fixe determinate→ Serviciul mobil - serviciul de radiocomunicaţii între staţii mobile şi staţii

terestre sau între staţii mobile.→ Serviciul de radiodifuziune .→ Serviciul de amatorSimilar se definesc şi serviciile: ISM (Industrial, Scientific, Medical), cele

realizate prin satelit, pentru radionavigaţie maritimă şi aeronautică, meteorologie cercetări spaţiale, radioreperaj, radiolocaţie, frecvenţe etalon, radioastronomie, etc.

Gestionarea spectrului → împărtirea sa pe benzi de frecvenţă şi asignarea lor pentru un anumit tip de serviciu de radiocomunicatii se face de către o serie de organisme internaţionale şi naţionale:

→ UIT (sub egida ONU) – elaborează şi regulile de radiocomunicaţie (Regulamentul Radiocomunicaţiilor )

ERC din cadrul CEPT (organism european) MCTI → ΑNRCTI → IGCTI (organism national)→ Globul pământesc este divizat în 3 regiuni geografice de atribuire a benzilor de

frecvenţe. România face parte din regiunea 1.Unei benzi sau subbenzi de frecvenţă i se pot atribui unul sau mai multe tipuri de

servicii. Acestea pot să aibă statut de: serviciu primar, serviciu permis sau serviciu secundar



MOBILE

FIXED

MARITIME MOBILE

BROADCAST

AERO

RADIOLOCATION


Clasificarea sistemelor de comunicatie dupa destinatia lor:• Sisteme de investigare

– sisteme radar– sisteme pentru dirijarea navigatiei aeriene– sisteme de teledetectie

• Sisteme de radiodifuziune– radiodifuziune terestra– radiodifuziune satelitara– radiodifuziune de apel general

• Sisteme de legaturi punct la punct– sisteme de telefonice – sisteme radiotelefonice (celulare, necelulare, dedicate)– sisteme de apel selectiv– sisteme de radiorelee– sisteme de legaturi satelitare punct la punct– sisteme de radiotelefonie aeriana– sisteme de radiotelefonie maritima


Sisteme de comunicatii → retele complexe de comunicatii → reguli si standarde specifice• retele fixe

– retea telefonica publica comutata PSTN (Public Switched Telephone Network)

– retea locala de date – LAN (Local Area Network)– internet (MAN, WAN)– retele digitale cu servicii integrate (ISDN)

• retele mobile → cel putin unul din terminale este mobil• comunicatii personale (PCN)RETEAUA DE TELECOMUNICATII GLOBALEDupa modul de realizare a legaturii intre participanti:• sisteme unilaterale ( doar unul din participanti este activ)• sisteme bilaterale


Canalul de transmisiune

Mesaj

Procedeu de prelucrare şi transpunere

Procedeu invers de prelucrare şi

transpunere

Mesaj

Emisie ReceptieMediu de propagare

Sistem ideal de telecomunicaţii

Sistem ideal este sistemul în care mesajul la recepţie este identic cu mesajul emis


Sisteme reale → mesajul de la emisie este diferit de cel de la recepţie.

Cauze care conduc la această diferenţă sunt:

- distorsiuni liniare şi neliniare

- se adaugă zgomotul propriu al echipamentului

- se adaugă perturbaţii din mediul de transmisiune.

Procedeul de prelucrare şi transpunere a mesajului poartă denumirea de modulaţie.

Prin modulaţie se realizează următoarele:

- se facilitează transmisia prin mediul dat

- se realizează transmisia multiplă

- se măreşte stabilitatea la perturbaţii.


purtătoare sinusoidală

–modulaţie de amplitudine liniară

–modulaţie de frecvenţă → unghiulară sau exponenţială

–modulaţie de fază → unghiulară sau exponenţială

purtătoare pulsatorie

– în amplitudine

– în durată

– în poziţie

– în frecvenţă.

Fundamental pentru procesul de modulaţie este existenţa undei purtătoare (purtătoarea)


Mesajmi(t)

Prelucrare Mesaj RFModulator RF Demodulator

Mesajmo(t)

Prelucrare semnal

demodulat

Sistem real de radioemisiune

Moduri de efectuare a unei transmisiuni:•sistem unilateral (simplex)•bilateral

- duplex- semiduplex

•multilateral•difuziune


Reprezentarea in domeniul timp

Purtatoarea → c(t)

Mesaj → m(t)

Analog

Digital


1 2 3 F recven ta 0 4

B a nd a d e b az a

Reprezentarea in domeniul frecventa a mesajului

Domeniul de frecventa al mesajului = banda de baza

Transmisiuni in banda de baza: telefonia în reţeaua locală; transmisie sunet studiou-emiţător, semnalul video de la cameră la sistemele de procesare (prelucrare); date transmise direct sub formă de semnale codate (LAN)

Canalul de transmisiune poate fi reprezentat printr-un FTJ

ωcωc

ωω

Procedeul de transpunere a semnalului într-o bandă de frecvenţe, alta decât banda de bază → modulaţiePurtătoarea → parametrii ce pot fi modificaţi de catre mesaj ( Ac , ωc , Φ0 )

Lărgimea de bandă necesară a canalului

Canalul de transmisiune poate fi reprezentat printr-un FTB

)2cos()( 0Φ+= tfAtc cc π

0i ΦΦ += tft cπ2)(


Modulatia liniara ( AM, DSB, SSB, VSB, ASK )

x BPFm(t)

c(t)

m(t)c(t)+ c(t)- m(t)

m(t)]-[c(t)+ -[c(t)-m(t)]FTB

Modulator de produs

)2cos()()()()(

0Φ+=⋅=

cc ftmAtmtctf

π

Frequencyfm-fm

Frequency fc

Passband Bandwidth

fm-fm fc+fmfc-fm

Frequency

BasebandBandwidth

fc

Passband Bandwidth

BasebandSpectrum

PassbandSpectrum

Upper SidebandLower Sideband

fm-fm fc+fmfc-fm

AM

ASK


Modulatia unghiulara (PM, PSK, FM, FSK)

θθω dtt

i∫=0

)()(iΦ

fi → frecventa instantanee

→ modulatie exponentiala

)(2cos()( t)Φ+= tfAtc cc π

))(()( ReRe)( 0 tjtj eetc c iΦ== Φ+ω

PM )()( tmkt p=Φ


Modulatie in faza cu semnal analogic Modulatie in faza cu semnal digital binar

Variatia fazei in cazul semnalului modulator binar:0 → −180° (sau 0) 1 → +180° BPSK

FM )()( tmkftf fci += ∫∞−

+=t

fc dttmkfts ))(22cos()( ππ

mωωβ ∆=

c

Dω

ω∆=

Trei frecvenţe asociate semnalului MF: ωc – frecvenţa purtătoarei; Δω – măsura în care frecvenţa instantanee se îndepărtează de ωc când m(t) variază între ±1; ωmM – frecvenţa modulatoare (maximă) care arată cât de rapid variază frecvenţa între ±1

Spectrul este infinit şi simetric faţă de purtătoare (functii Bessel de speta I)

Parametrii: — indicele de modulaţie; — raportul deviaţiei de frecvenţă


FM → faza semnalului modulat, depinde liniar de integrala semnalului modulator PhM → frecvenţa instantanee depinde liniar de derivata semnalului modulator

Semnal modulat digital → FSK ( BFSK)

)2cos()(0)2cos()(1

22

11

tfAtstfAts

c

c

ππ

=→=→

))(2cos()(0))(2cos()(1

2

1

tffAtstffAts

cc

cc

ΔΔ

+=→−=→

ππ

ffffff chcl ΔΔ +=−=

Modulator FSK

)2cos()2cos( lllhhhBFSK tfAtfAs ΦΦ +++= ππ


Trecere la semnal bipolar → ''

21

21

21

21

llhh AAAA +=+=

)2cos()2cos()2cos()2cos( lllhhhllhhBFSK tfAtfAtftfs ΦΦΦΦ +++++++= ππππ

PURTATOARE Sin x / x

Mesajul binar m(t) = 2

Δf = 2fc= 4

Semnalul modulat s(t)


Spectrul semnalului BFSK

β<<1 → FM de banda ingustaβ>>1 → FM de banda largaβ = 1 → Δf = f m → Sunde FSK

MSK – Minimum Shift Keying (Continuous Phase FSK) → caz special de FSK β = 0.5

Medii de transmisiune


Mediu de transmisiune → mediu sau suportul prin care are loc transportul informatiei, transpusa sub forma undelor electromagnetice

Categorii: Medii de transmisiune in care are loc o deplasare ghidata a

undelor elmg. Linii de transmisiune

Linii din fire torsadate, neecrante Linii din fire torsadate, ecranate Cablu coaxial Ghiduri de unda Stripline & microstrip

Fibra Optica Medii de transmisiune in care are loc o propagare neghidata a

undelor elmg.Transmisia se realizeaza cu ajutorul antenelor de emisie si de receptie:

Antene directionale Antene omnidirectionale


Comparatie

Mediu neghidat• Energia semnalului se propaga in

spatiu, cu directionalitate limitata.• Sunt posibile interferente deci este

necesara reglementarea spectrului • Largime de banda limitata• Infrastructura simpla: antene si

tranceivere• Atenuarea depinde de distanta

logaritmic: α (db)=nlog d → n =2 in spatiu liber

• Nu exista conectare fizica intre cele doua terminale

• Utilizatorul poate fi mobil

Mediu ghidat• Energia semnalului continuta si

ghidata prin mediu • Spectrul poate fi reutilizat in medii

(linii) separate• Largime de banda foarte mare• Infrastructura complexa: canale

de cablu, stalpi, traversari, etc. • Atenuarea depinde de distanta

exponential: α =10-kd → k → dB/metru,

• Capacitatea de transmisie depinde de distanta si daca se face punct - punct sau multipunct


Linii de transmisiune

V

I

I

E

+

-

+

-

+

-

+

-

V + ∆ V

I + ∆ I

I + ∆ I

V

IH

IH

V + ∆V

I + ∆ I

∆I + I

Ansamblu de doua conductoare, separate de dielectric

Fenomen de propagare a campului electromagnetic cu → viteza finita

Valorile tensiunii si curentului variaza de la un punct la altul.

Fenomenul de propagare poate fi neglijat doar daca dimensiunile circuitului << λ lungimea de unda

Dimensiunea in plan transversal << λ → neglijam propagarea

Analiza → in regim cuasistatic


Linia formata dintr-o suma infinita de tronsoane cu lungime ∆z

Parametrii lineici R, L, C, G definiti pentru ∆z → 0

Aplicam legile lui Kirchoff → ecuatiile diferentiale ale tensiunii si curentului pe linie

ttziLtzRi

ztzv

∂∂−−=

∂∂ ),(),(),(

ttzvCtzGv

ztzi

∂∂−−=

∂∂ ),(),(),( Ecuatiile “ telegrafistilor”


Impedanta caracteristica a liniei0)(

)(),(),( Z

CjGLjR

zIzVZC =

++==

ωω

ωω

),()(),( ωωω zILjRdzzdV +−=

),()(),( ωωω zVCjGdzzdI +−=

Forma in domeniul frecventaRezulta o ecuatie diferentiala ordinara, liniara si omogena → solutie de forma:

inversaunda

z

directaunda

z eVeVzV γγω −−+ += 00),(

→−+00 ;VV Constante de integrare

βαωωγ jCjGLjR +=++= ))((Constanta de propagare →α → constanta de atenuare / lungime β → defazarea / lungime

zshIZzchVzV γγ 000)( −= zchIzshZVzI γγ 0

0

0)( +=

Forma utilizata in telecomunicatii:

V0, I0 → valorile pentru z = 0


Sarcina oarecare

z = - l z = 0

Unda directa Unda inversa

LZIV =

0

0 Coeficientul de reflexie al tensiunii pe sarcina → →

0

0

0

0

ZZZZ

VVρΓ

L

LLL +

−=== +

−

ZL=Z0 → ρL = - ρI = 0 → linie terminata adaptat Linii fara pierderi → R = G = 0; Linii cu pierderi mici → R << ωL, G << ωC

Unde stationare → Raportul dintre valoarea maxima si valoarea minima a tensiunii se numeste raport de unda stationara → σ

Sρρ

zVzV

=−+

==11

),(),(

min

max

ωω

σ

Z0, α, β → parametrii care definesc linia de transmisiuni → determinati de constantele constructive (configuratie, geometrice, de material)


Linii din fire torsadate, neecranate Doi conductori liniari din cupru, izolati, torsadati impreuna pentru a realiza o spirala uniforma astfel incat sa minimizeze interferentele → UTP (Unshielded Twisted Pair) Performantele → functie de diametrul conductorilor si pasul de torsadare

Atte

nuat

ion

(dB

/mi)

19 gauge / Φ =0,9mm

f (kHz)

22 gauge

24 gauge26 gauge / Φ =0,4mm

6

12

18

24

30

1 10 100 1000

Atenuarea si largimea de banda limiteaza distanta de utilizare

Interferente + zgomot → diafonia intre cai → linii ecranate (STP)Cost redus → utilizare in sistemele telefonice clasice → Bucla locala

Retele de calculatoare → Ethernet


Standard american de definirea tipurilor de linii de tip UTP → 7 categorii → unele depasite altele in curs de introducere

Categoria 3 → comunicatii voce si retele Ethernet 10Base T → limita: 16Mb/s

Categoria 5 → retele Ethernet 100Base T / 10Base T → limita: 100Mb/s

Lungimea maxima in retelele cablate → 100 m

UTP Categoria 3 → 3 la 4 rasuciri / foot

UTP Categoria 5 → min 2, tipic 3 rasuciri/inch

24 gauge

24 gauge

Impedanta caracteristica → cca. 100 Ω

Ethernet hub

10Base T → 2 perechi UTP cat 3

100BASE-TX → 100 Mbit/s pe doua perechi UTP cat 5 → cat 5e

100BASE-T4 → 100 Mbit/s pe patru perechi UTP cat 3 → depasita


Linia digitala de abonat - DSL

Configuratie tipica a echipamentului ADSL.

ADSL → Asymmetric Digital Subscriber Line

Linie bifilara torsadata neincaracata (fara bobinele de filtrare egalizare)

Realizata cu o modulatie tip OFDM → Discrete Multitone (DMT)

Upstream → de la abonat 64÷640kB/s Downstream → de la retea 1.536÷6.144 MB/s

Avantaje UTPDezavantaje UTP


Cablul coaxial

conductor din cupru sau aluminu

Material izolator εr

ecran(fire intretesute)

Invelis exterior(polietilena)

d

D

Cablul coaxial → linie de transmisiune cu cei doi conductori coaxiali

Impedanta caracteristica → )(log1380 Ω=

dDZ

rε


Atenuarea → functie de diametrele conductoarelor si calitatea materialului izolator (εr )

35

30

10

25

20

5

15

Ate

nuar

e (d

B/km

)

0.1 1.0 10 100f (MHz)

2.6/9.5 mm

1.2/4.4 mm

0.7/2.9 mm

Z0 = 75Ω → retele de banda larga (CATV)

Frecventa maxima → 500 MHz (1GHz)

Z0 = 50Ω → in echipamente si retele in banda de baza

Nu poate fi utilizat pe distante foarte lungi fara repetoare

Prezinta o protectie buna la perturbatii si interferente

Scump fata de UTP Mai greu de pozitionat si interconectat

http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization


Fibre Optice

Invelis plastic Manta de sticla sau plastic Miezul fibrei

Istoric:

1930 ÷1966 → Baze teoretice

1970 Corning Glass → cablul

1977 → prima retea ( telefon, video, date)

1982 → retea mare distantaIn prezent → se instaleaza cca 3000 km/ora

Unghiul critic θ=θc

mediu 1

mediu 2

θi>θc

θi< θc

Zona de pierdere

Reflectia totala

Explicarea transmisiei → trei modele fizice pentru lumina: particula (fotoni), unda, raza

FO → ghiduri dielectrice → unde electromagnetice de frecventa foarte inaltaConditie: reflexie totala → θi >θc → n1 > n2

n1

n2

nfc⋅

=λSilica n = 1,44 ÷ 1,48n – indice de refractie


n2 =1.46n1 =1.48

manta

miez

Raza de lumina intra din aer

Reflectie interna totala

Indice de treapta ( Step Index )

→ raportul indicilor de refractie

Apertura numerica NA → unghiul limita de la care se obtine reflexia totala

∆≅−== 2)sin( 122

21 nnnNA mθ

1

21

nnn −=∆unde

Modificarea indicelui de refractie la limita dintre miez si manta poate avea loc: Abrupt (Treapta) → Step - IndexGradual → Graded - Index

Manta

Conul de acceptare

Miez

Birefrigerente, cu mentinerea polarizariiCu cristal fotonic


Propagare → Ecuatiile lui Maxwell → moduri de propagare = distributia spatiala in sectiune perpendiculara pe directia de propagare a lui E si H

FO → apare modul Hibrid → exista si camp electric E si camp magnetic H pe directia de propagare

Numarul de moduri ce apare in FO → diametrul miezului, NA, λ si variatia lui n1

Tipic NA=0.15 pentru modul singular (Single Mode Fiber SMF) si 0.3 pentru pentru fibra multimode MMF

SMF

39Curs Comunicatii MobileOct 21, 2009

MMF la FO cu variatia tip treapta a lui n (SI)

SMF (single mode)

MMF la FO cu variatia tip graduala a lui n

Pentru o valoare relativ mare a diametrului FO si profil de variatie a lui n, treapta sau graduala → unde multimode

Diametrul FO mic (< 10 λ ) (V<2,405) → modurile superioare sunt inlaturate → mod fundamental de propagare → SMF

a

22

210 nnakV −=k0→ numarul de unda

Dispersia → cauze: aparitia modurilor de propagare, cromatica, de polarizare Dispersia modala → diferite moduri de propagare au viteze diferiteDispersia cromatica → diferite componente spectrale ale impulsului au viteze diferite de propagare → omogenitate material; uniformitate FO

Dispersia de polarizare → diferite componente ale impulsului au polarizari diferite si viteze diferite de propagare

Dispersia → ISI


Atenuarea in FO100

50

10

5

1

0.5

0.1

0.05

0.010.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 λ (µm)

Ate

nuar

ea (d

B/k

m)

absorbtie infrarosii

Imprastiere Rayleigh

850 nmLED pret scazut

LAN

1300 nmMAN - Metropolitan Area

Networks

1550 nmTelecomunicatii pe distante

lungi, WAN

Absorbtie datorata vaporilor de apa

(inlaturata la FO noi)


WDM → Wavelength Division Multiplex → marirea capacitatii de transmisieASK → modulatie in intensitate →metoda cel mai des folosita

Sisteme optice WDM

Fibra Optica

40 - 120 km

Pana la 10,000 km

Amp Amp

R

R

R

R

WDMDeMux

∆λ = 25 - 100 GHz = (0.4 ÷ 0.8 nm la 1500 nm)

λ1

λ2

λ3

λN

WDMMux

Emitatoare cu frecventa prestabilita Receptoare

ASK


Avantaje• Capacitate mai mare (largime

de banda ≤ 2 Gb/s)• Dimensiuni mai mici si mai

usoare

• Atenuare mai scazuta• Imunitate la interferente

exterioare• Securitate a comunicatiei mult

mai buna (dificil de conectat, nu sunt radiatii)

448 perechi cupru5500 kg/km

62 mm

21mm

648 fibre optice363 kg/km

Dezavantaje

• Pret de cost ridicat pentru distante scurte

• Necesita o calificare mai ridicata a celor care fac instalarea

• Adaugarea ulterioara a unor noduri noi este dificila


Gama de Frecventa

Atenuarea tipica

Intarzierea tipica

Spatiere Repetoare

UTP (incarcate) 0 to 3.5 kHz

0.2 dB/km @ 1 kHz 50 µs/km 2 km

UTP(cablu multiperchi) 0 to 1 MHz

0.7 dB/km @ 1 kHz 5 µs/km 2 km

Cablu Coaxial

0 to 500 MHz 7 dB/km @ 10 MHz

4 µs/km 1 to 9 km

Fibra Optica 186 to 370 THz

0.2 to 0.5 dB/km

5 µs/km 40 km

Comparatie a mediilor de transmisiune ghidata


Transmisia neghidata prin mediu - Wireless

Echipamentde

comunicatii

Echipamentde

comunicatii

Antena Antena

Linia de transmisiune Linia de

transmisiune

Spatiu liber

Transformare a undei EM ghidate din linia de transmisiune intr-o unda EM care se propaga liber in spatiu (si/sau procesul invers), cu o caracteristica de directivitate specificata

Sistem radiant:— Linia de transmisune → transport putere de RF la antena— Elemente de distributie → interconectarea si repartizarea puterii

la\de la mai multe antene— Elemente de control si masura— Elementele radiante → antena

Antena → regiunea de tranzitie dintre undele ghidate si cele neghidate


Unda in spatiu

Unda ghidata

Transformare din functie de timp in spatiul cu o singura dimensiune → functie de timp in spatiul cu trei dimensiuni

Forma undei radiate este definita de structura antenei si de mediu de propagare

Antena → uniport, sarcina a liniei de transmisiuni

DirectivitatePolarizare

Caracteristica de radiatieLargimea de banda

CastigApertura

ImpedantaRandament

Distribu tie

de curen t

P

Rezist. radiatie

RR

Temp. antenei

TA

Parametrii antenei → regim armonic, mediul omogen, liniar, izotrop

Ecuatiile lui Maxwell


Regiune Camp Indepartat

Plan ecuatorial

Proprietatile de radiatie → depind de distanta fata de antena → trei zone Regiunea Camp Apropiat reactiva → camp reactiv dominant → energia oscileaza din spre antena – inapoi in antena → apare o reactanta → limita R1

λ3

1 62,0 DR =

Regiunea Camp Apropiat radianta → Fresnel → camp de radiatie dominant, camp reactiv redus → distributia unghiulara de camp functie de de distanta la antena → limita R2 λ2

2 2DR =Regiunea Camp Indepartat → Fraunhofer

Regiunea Camp Apropiat reactiva

Regiunea Camp Apropiat radianta

Regiunea Camp Indepartat

Planul E

Planul H


x

y

z

θ

ϕ

OP

r

Er

Eθ

Eϕ

I, dz

ϕϑ

ϕϑ

HHHH

EEEE

r

r

++=

++=Camp Indepartat → doar camp de radiatie → unda plana

222

222

ϕϑ

ϕϑ

HHHH

EEEE

r

r

++=

++=)()()( tHtEtP ×=

Valoarea instantane mediata pe o perioada → Puterea radiata care strabate o suprafata unitate = densitate de putere = Vectorul Pointing → S

)()(21)( tHtEtPS ∗×==

Dipolul lui Herz (infinitezimal)

Efectuand calculele se arata ca: Hr , Hθ , Eϕ = 0; Er → 0 Avem o unda plana (Eθ , Hϕ ),

transversala pe directia de propagareΩ==== 3771200 πηϕ

θ

HEZ

← Impedanta intrinseca (de unda)


Densitatea de putere → variaza cu distanta → proportionala cu 1 / r2

Vectorul Pointing → are doar componenta radiala → Sr

Sursa care radiaza energia uniform, in toate directiile → radiator izotrop → antena teoretica, nerealizabila fizic, utilizata ca referinta → dBi radiator izotrop

radiator anizotrop

Antenele reale → surse de radiatie anizotrope Antene directionale → anizotropie pronuntata

Teorema Reciprocitati → Caracteristicile antenei nu depind de sensul de curgere al energiei. Impedanta si caracteristica de radiatie sunt aceleasi la emisie si la receptie.

Caracteristica de radiatie a unei antene este o reprezentare matematica sau pictoriala a distributiei puterii emise sau receptionate de catre aceasta, functie de unghiul de directie al antenei.

Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 49Caracteristica de radiatie a antenei dipol cu 2 elemente

Caracteristica de radiatie a radiatorului izotropCaracteristica de radiatie a antenei dipol

Caracteristica de radiatie a antenei Yagi

Reprezentare 3-D


Masurator Putere (intensitate camp)

Antena testata

Masa rotativa

Generator

Antenaauxiliara

Distanta mare

Caracteristica de radiatie, de putere → reprezentarea puterii |P(θ, ϕ)|, masurata la o distanta mare, constanta de antena

Caracteristica de radiatie, de amplitudine → reprezentarea intensitatii campului electric(magnetic) |E(θ, ϕ)| sau |H(θ, ϕ)| , masurate la o distanta mare, constanta de antena


Caracteristicile de radiatie ale antenei hornReprezentarile principale:Planul E: plan paralel cu

vectorul E si continand directia pe care are loc radiatia maxima

Planul H: plan paralel cu vectorul H, ortogonal pe planul E si continand directia pe care are loc radiatia maxima

Reprezentarile → normalizate la valoarea maxima sau la valorile radiatorul izotropReprezentari carteziene

Valori scalare pentru exprimarea sintetica a celor mai importanti parametrii ai caracteristicii de radiatie: unghiul solid al lobului ΩA (suprafata de radiatie), intensitatea de radiatie, randamentul de radiatie, directivitatea antenei, castigul antenei, apertura antenei (aria suprafetei de radiatie), apertura efectiva, inaltimea efectiva, puterea efectiv radiata, etc.


Caracteristici de radiatie la antena directionala

1

1/2

1

1/2


Fenomen pasiv → nu se adauga putere, se concentreaza si se directioneaza

Castigul antenei G (castig directiv sau castig de putere) → raportul puterilor ce trebuiesc aplicate antenei considerate si unei antene de referinta astfel ca acestea sa produca aceiasi intensitate de camp (putere pe unitate de suprafata) intr-un punct situat pe directia de radiatie maxima.Antene de referinta → radiatorul izotrop (dBi) sau dipolul λ/2 (dBd) dBd =dBi - 1,76

Castigul antenei

2

4

=

rGGPP RTTR π

λ∀λ: lungimea de unda [m]• r: distanta dintre antene• PR: puterea disponibila la antena de receptie• PT: puterea furnizata antenei de emisie• GR: castigul al antenei de emisie in directia

antenei de receptie• GT: castigul al antenei de receptie in directia

antenei de emisie

• vedere directa• adaptare, polarizare• fara pierderi pe cablu• fara componente multicai

Calculul semnalului receptionat → Formula de transmisiune a lui Friis


Polarizarea antenei → orientarea vectorului campului electric – planul E – fata de suprafata pamantului. .

Polarizarea

Structura fizica si orientarea antenei determina polarizarea

Cele mai utilizate polarizari → liniara; circulara → forma generala - elipticaPolarizarea → verticala sau orizontala; stanga sau dreapta , dupa sensul de deplasare a vectorului


Ey

Ex

M

N

ψ

• Polarizarea → suma orientarilor planului vectorului E in timp, proiectat pe un plan imaginar, perpendicular pe directia de miscare a undei radio.

Polarizarea unei antene intr-o anumita directie este definta ca fiind polarizarea undei produse de antena la mare distanta pe directia respectiva.

• Superpozitia componentelor din doua plane conduce la unda polarizata eliptic.

• Elipsa de polarizare este definita de raportul axelor N/M, unghiul de inclinatie ψ si sensul de rotatie.

• In orice moment, intr-un anumit punct din spatiu, exista un singur vector electric E (si vectorul magnetic asociat H ).

• Acesta rezulta prin superpozitia campurilor instantanee E (si H) produse de toate sursele active in acel moment.

• Separarea campurilor dupa lungimea de unda, polarizare, directie → “ filtrare”


• Puterea receptionata de o antena dintr-o anumita directie este maxima daca polarizarea undei incidente si polarizarea antenei pe directia de sosire a undei au:

– Acelasi raport axial

– Acelasi sens de polarizare

– Aceiasi orientare spatiala

Perete din fire conductoare subtiri

|E1|>0

|E2| = 0Vector E ⊥ pe fire

Vector E || cu firele

|E1|>0

|E2| ~ |E1|


Antene pentru comunicatii mobile

Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 58Sectiune prin antena Patch

Patch

Plan de masa Substrat

Antena microstrip Patch

r

Lε

λ 049,0=

Linie de transmisiune microstrip

Antenele Patch → avantaje privind pret de cost, usor de realizat, integrate cu circuiteleelectronice pe placile de circuit imprimat


C U S H C R A F T C O R P O R A T I O N 4 8 P e r i m e t e r R o a d , M a n c h e s t e r , N H 0 1 3 0 3

0

- 5

- 1 0

- 1 5

- 2 0

C U S H C R A F T C O R P O R A T I O N 4 8 P e r i m e t e r R o a d , M a n c h e s t e r , N H 0 1 3 0 3

0

- 5

- 1 0

- 1 5

- 2 0

Caracteristicile de radiatie ale antenei microstrip PATCH

PLAN-E PLAN- H


• Sirurile de antene sunt formate din mai multe antene (elemente), de obicei identice care contribuie la sinteza unei caracteristici de radiatie, ce nu poate fi obtinuta cu o singura antena.

Siruri de antene

• Sirurile de antene pot realiza:– Adaptarea caracteristicii de radiatie pentru acoperirea unei

anumite zone de interes– Schimbarea caracteristicii de radiatie electronic (baleiere

electronica) prin controlul fazei si amplitudinii semnalului furnizat fiecarui element

– Sa se adapteze conditilor schimbatoare la care este supus semnalul

– Cresterea capacitatii de comunicatie prin o utilizare mai buna a resurselor radio si micsorarea interferentelor

• Dezavantaje: Complexitate mare si costuri ridicate– Cercetari privind aplicatii militare, spatiale, etc– Antene inteligente ( Smart), antene pentru procesarea

semnalului, antene de urmarire, siruri fazate, etc.


Antene Adaptive = antene Smart (“Inteligente”)• Sir de antene → in configuratie liniara,

circulara sau planara

• Amplitudinea si faza excitatiei fiecarei antene sunt controlate electronic (definite software)

• Algoritmul de determinare a ponderii utilizeaza informatii masurate sau/si stabilite apriorii pentru a adaptarea la conditii schimbatoare

• Circuitele de ponderare si insumare pot functiona in RF sau FI

w1

wN

Σ

Algoritm de determinare a ponderii

1

N

Antene Adaptive

• Utilizare → selectarea semnalelor de la sursele dorite si suprimarea semnalelor de la surse nedorite

• Caracteristica de radiatie se adapteaza/urmareste sursa

• Ajustare → anularea interferentelor si maximizare a raportului semnal / interferenta

• Capabile sa receptioneze si sa combine constructiv semnale multicai


Parabola Parabola

Statie uplink Statie downlink

Transpondersatelit

35.800km

Legatura radioStabilirea legaturii radio → doi factori: antenele si propagareaPropagarea → doua mari categorii:Cu vedere directa → Line of Sight → LOSFara vedre directa → Non (Near) Line of Sight → NLOS

Exemplu de legatura de tip LOS → comunicatii prin satelitAntene parabolice → televiune digitala, Wi-fi, WLAN


PropagareaPropagarea radio → termenul care defineste modul in care undele radio se comporta cand sunt transmise, (propagate), dintr-un punct de pe Glob (spatiu) la un alt punct (din spatiu).

Atenuarea undelor radio → in spatiu liber, intensitatea campului undelor EM scade proportional cu 1/ r2 (r – distanta la sursa de radiatie)

Modul de propagare → diferit → functie de frecventa transmisa

Unde → directe (LOS), unde de suprafata, reflectate ( ionosfera, aurora boreala, meteoriti, avioane, obiecte), difractie si imprastiere (troposfera, obiecte), absorbtii (vapori de apa)

Model de propagare RF → formulare matematic - empirica pentru a realiza caracterizarea propagarii undelor radio functie de frecventa si de alte conditii

Scopul modelului de propagare → predictia pierderilor de semnal intre cele doua puncte considerate (path loss) si a ariei de acoperire a emitatorului


Numar foarte mare de modele de propagare → o prima impartire:Modele pentru aplicatii de interior (in cladiri) → spatii inchise

model ITUModele pentru aplicatii exterioare → spatii deschise

→ modele de propagare cu unde de suprafata→ modele de propagare cu unde din atmosfera→ modele de propagare cu considerarea atenuarilor mediului incojurator

modele de atenuare la ploaie→ modele de propagare punct la punct→ modele functie de natura terenului

o model Eglio model Longley – Riceo model ITU

→ modele pentru orase modele Hata model Young model Okamura model Cost 231

COMUNICATII MOBILE


Banda radio Frecventa λ Calea de propagare

VLF

Very Low Frequency 3 – 30 kHz 100 – 10

km – Ghidate intre pamant si ionosfera

LF Low Frequency 30 – 300

kHz10 – 1 km

– Ghidate intre pamant si ionosfera– Unde de suprafata (urmaresc curbura globului)

MF Medium Frequency 300 –

3000 kHz1000 – 100 m

– Unde de suprafata– Refractie ionosferica pe stratul E noaptea (stratul D de absorbtie dispare)

HF

High Frequency (Unde scurte)

3 – 30 MHz

100 – 10 m

– Refractie ionosferica pe stratul E– Refractie ionosferica pe stratul F

VHF

Very High Frequency

30 – 300 MHz 10 – 1 m – Vizibilitate directa (Line-of-sight)

UHF

Ultra High Frequency

300 – 3000 MHz

100 – 10 cm – Vizibilitate directa (Line-of-sight)

SHF

Super High Frequency

3 – 30 GHz

10 – 1 cm – Vizibilitate directa (Line-of-sight)

EHF

Extremely High Frequency

30 – 300 GHz

10 – 1 mm

– Vizibilitate directa (Line-of-sight)Limitata de absorbtie

MODULATIA DIGITALA


CONCEPTII DE BAZAModulatia digitala → definitoriu:

Semanlul modulator → sir de simboluri → conversie analog - digitala

# ∪

Mesaj analogic Semnal digital – [k] •Esantionare•Cuantizare – uniforma – neuniforma

•Codare

Semnal digital → sir de biti (valoare 0 sau 1)M – numarul nivelelor de cuantizare (sau biti/simbol)Simbol – bit sau grup de biti (asociat unui nivel de cuantizare)Codare – transcrierea numerelor in expresii logice → cuvinte de cod


Reprezentarea procesului de esantionare.


Prelucrea digitala a semnalului. Filtre Antialias.


Conditia Nyquist pentru esantionare

Care este valoarea minima a frecventei de esantionare 1/ w pentru a nu avea suprapunerea spectrelor?


Procesul de cuantizare a semnalului esantionat.


Codarea• Codarea → notiunea se poate referi la modul in care are loc conversia datelor

analogice in semnale digitale (ex. ADC, PCM)

• Codarea la sursa → modul in care datele analogice digitizate pot fi comprimate la viteze de transmisie date mai mici fara a pierde din informatie (ex. voce, video, fax, grafica)

• Codarea de canal → modul in care este transformat semnalul pentru a fi mai putin afectat de perturbatiile din canalul de transmisiune

– Codarea formei de unda → transforma forma de unda a semnalului in una mai bine adaptata erorilor de propagare din canalul de transmisiune ( diferite scheme de modulatie, modulatii cu M-stari, spectru imprastiat)

– Codarea secventiala (denumita codarea erorii sau FEC) → transforma secventa de biti de date intruna mai putin expusa la erori prin inserarea unor biti redundanti (ex. codarea de bloc si codarea convolutionala)


Modulatia (codare) ∆ - Delta

Modulatie diferentiala → •se cuantizeaza diferenta dintre valoarea actuala si cea prezisa•se inlatura erori de faza

Modulatia ∆ - Delta → •cuantizare cu un singur bit pentru semnalul diferenta.•frecventa de esantionare > frecventa Nyquist

PCM – Pulse Code Modulation → codarea semnalelor cuantizate in cuvinte digitale



Modulatia Sigma Delta (Σ∆)

Cuantizeaza suma diferentelor anterioareAlte variante:∆ adaptiva;∆ cu panta variabila∆ cu panta continuu variabila


Parametrii principali Ri = 1/Tb (biti/s) → bit rate (viteza de bit = debit) defineste viteza de transfer a informatiei.

Rs = 1/T → baud (or signalling) rate defineste viteza ( debit) de simbol = numar de simboluri pe secunda. Simbolul = n bits, poate avea M stari → M = 2n → Semnalizare tip M-ary (stari)

Viteza maxima in canalul de baza → Capacitatea canalului fb = 2 W log2M bits/s

in care W = largimea de banda a semnalului in banda de baza

BER → Bit Error Rate = raportul dintre numarul de biti eronati si numarul total de biti receptionati

Eficacitatea de putere → energia per bit a semnalului Eb / N0 densitatea de putere a zgomotului Gaussian, astfel ca BER sa aiba valoarea data Eficacitaea largimii de banda → raportul dintre viteza de transmitere a informatiei - R (biti/s) si W – largimea de banda necesara a canalului (Hz)

MRR Si 2log=


Definitii pentru W – largimea de banda:

a) largimea de banda la 1/2 putere

b) largimea de banda echivalenta de zgomot

c) largimea de banda nul-la-nul

d) largimea de banda continand o fractiune din putere (de ex. 90%)

e) largimea de banda definita de nivelul densitatii spectrale de putere

f) largimea de banda absoluta

(a)(b)

(c)(d)

(e)50dB

Densitatea spectrala de putere

Largime de banda Nyquist

5,0=−

c

c

fff


ISI – Interferenta intersimbol1

2

3 4

5

6

Ampl

Simbol

t

Ampl

Simbol

t

Interferenta Simbol 3 de

la 1 si 2

Interferenta Simbol 4 de

la 2 si 3

Ampl

Simbol

t

Secventa 101101

Semnalul la intrarea canalului

Semnalul la iesirea canalului

Comparatie intre semnalul la intrarea canalului si cel de la iesire, obtinut dupa operatia de sincronizare de la receptie.ISI → procesul de deformare si imprastiere a semnalului astfel ca acesta este susceptibil de crestere a erorilor


Prelucrarea spectralaInput Output

Sistem Linear

Filtru Nyquist (trece –jos ideal) Raspunsul in domeniul timp al FTJ idealT21

T21−

)( fH

TW

21=

)/sinc()( Ttth =


Transformata Fourier → functia sinc

C

C

TfTfjH

/)/sin()(

ππω =

Teorema reciprocitatii → semnal de esantionare de tip sinc

f1/Ts

H(f)Dezavantaje:• Dificil de creat (crestere/descrestere)• Descrestere lenta a spectrului• produce ISI

Solutie teoretica: semnal de tip sinc in domeniul timp → dreptunghiular in domeniul frecventaLargimea de banda Nyquist → W=RS /2

NU ESTE FIZIC REALIZABIL

-2 -1,5 -1 -,5 0 ,5 1 1.5 2

TS

t / TS


Aproximare a acestei functii → functia cosinus alungitLargimea de banda → W0=W ÷2W → α sau β = 1- W/ W0

2)/2(1)/cos(

/)/sin()(

S

S

S

s

TtTt

TtTtth

π απ α

ππ

−=

f / RS

α → roll – off factor

Raspunsul in domeniul timp

Raspunsul in domeniul frecventa

Filtrul → divizat → radacina patrata din cosinus alungit (SRRC) → la emisie si la receptie

Anularea simbolurilor adiacente → Nuluri la multiplu de TS


Modul de utilizare a filtrului cu caracteristica radacina patrata din cosinus alungit

Filtrare in banda de baza


Filtrul Trece-Jos Gaussian• caracteristica de tip curba Gauss in domeniul timp si in domeniul frecventa• prelucrarea fluxului de simboluri NRZ la intrarea modulatorului • modulatii de tip cu anvelopa constanta• nu are ISI = 0, interactioneaza cu simbolurile adiacente

Raspunsul fitrului Gaussian in domeniul timp pentru BTS= 0,5

)exp()( 2

2

tthG απ

απ −=

)exp()( 22 ffHG α−=

undeBB

5887,02

2ln ==α

B → Banda la 3-db (1/2 putere)B → BTs – reprezentare normata




Tipuri de modulatie digitalaReprezentare: coordonate carteziene ( amplitudine, frecventa, faza, timp)

coordonate polare ( vector → amplitudine, faza) Dupa parametru care se modifica: ASK, PSK, FSK, Hibride (doi sau toti parametrii)


Doua mari categorii:• metode de modulatie cu anvelopa constanta• metode de modulatie cu anvelopa neconstanta

Alte criterii: liniara/neliniara; fara memorie/ cu memorie. Se formeaza clase: Liniare, fara memorie (PAM, PSK, FSK, QAM) Neliniare, cu memorie (MSK, CPFSK ) Liniare, cu memorie (codare diferentiala, convolutionala)

Conversia de la coordonate polare la rectangulare.

Modulatie IQ → metode de procesare ale semnalului.

S(t)


= reprezentarea grafica a anvelopei complexe a fiecarei stari de simbol posibile:

– axa-x → I - reprezinta componenta in faza a anvelopei complexe;

–axa-y → Q - componenta in cuadratura a anvelopei complexe;

– distanta dintre semnalele reprezentate in diagrama constelatiei ne releveaza cat de diferite sunt undele modulate si cat de usor este pentru receptor sa diferentieze intre ele.

Reprezentarea “Constelatiei digitale”

Planul I,Q → semnal elementar → punct Ck = Ak+jBk

Modulatii binare → BASK, BPSK, BFSKModulatii cu M-stari (nivele) → marirea eficientei spectrale


Distanta din origine la un punct → proportionala cu radacina patrata a energiei necesare pentru transmiterea simbolului


Modulatii binare

Modulatii binare de tip OOK (On Off Keying)

ASK

PSK

FSK


Modulatii liniare Modulatia ASK

M=2

M=4

M=8

I

Q nM 2=

0)12( aMiAi +−=

unde i=1, 2,…M

Constelatiile digitale pentru modulatia de tip ASK cu M-stari (MASK)

Tehnica putin eficientaAfectata de modificari de amplitudineUtilizata in modulatia pe FO


Modulatia PSKQ Q

Q

I

I

I

BPSK → M=2 → ϕk= 0 sau π

M > 2

k = 0, 1, …, M-1

Mk

Mkππϕ 2+=

M = 4 → modulatia QPSK


Modulatia QPSKQ

I

00

11

01

10

Se transmit 2 bit/simbol RS = Ri / 2

Datele de intrare → doua componente ortogonaleI(t) → biti pari si Q(t) → biti impariQ → saltul intre stari = 90° → quadraturaO componenta schimba semnul → salt 90° Ambele componente schimba semnul → salt 180°

Filtrare: filtru (radacina patrata) cosinus alungit → FRPCAApar situatii de variatie mare a amplitudinii purtatoarei, cu treceri prin zeroDezavantaj → refacerea purtatoarei si tactul de sincronizareUtilizare → satelit, CDMA, DVB – S, cablu, LMDS, TETRA


Modulatia OQPSK (OffsetQPSK)Q

I0011

01

10

Se evita trecerile prin zeroSe decaleaza fluxul de date Q(t) cu Tb = TS / 2 fata de fluxul I(t)Saltul de faza admis este de ± π / 4

Variatia maxima de amplitudine: 3dBDiagrama tip “ochi” (Eye diagram) → datele sunt aplicate repetitiv, la intrarea verticala a unui osciloscop sincronizat pe orizontala cu frecventa de simbol.


8PSK → Simbol de 3 biti →stari: 0; ± π / 4; ± π / 2 ; ± 3π /4 ; ± π → RS=Ri / 3 utilizare → EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution).

16 PSK8 PSKModulatii MPSK


Differential QPSK (DQPSK)

Informatia este furnizata de tranzitia intre stari si nu de valoarea absoluta ( diferenta intre valorile absolute ale fazei intre simboluri consecutive)

)()1()( iii kϕϕϕ ∆+−=

λπϕ +=∆ kM

ik2)(

unde:

∈−=

MMk πλ ,0;1,....0

Constelatia modulatiei π/4-DQPSK

Functii de starea anterioara


M=4; λ= π/4; 8 trepte ale fazei:

∈

∈+ ;

46;

44;

42;0)2(;

47;

45;

43;

41)12( πππϕππππϕ ii

Modulatia π/4-DQPSK

Doua constelatii QPSK, una defazata cu π/4Conditie: tranzitile pot sa aiba loc doar catre puncte ce apartin celeilate retele

Variatii permise: ± π / 4; ± 3π /4 Variatii interzise: ± π / 2 ; ± π

Functie de variatia relativa a fazei ∆ϕk , avem simbolurile:00 → 45°; 01 → 135°; 10 → -45°; 11 → -135°;

Modulatia PSK cu variatia cea mai mica a amplitudunii semnalului.

Aplicatii: PDC, IS –136, PHS, Bluetooth, WLAN


Modulatii neliniareModulatia MFSK

Categoria sistemelor de modulatie neliniare∆f → diferenta dintre frecventele instantanee corespunzand la transmiterea a doua simboluri adiacente ; ak → un simbol apartinand multimii: ±1, ±3,… ±(M-1) .

Faza are o variatie liniara: Φ(t) =π.∆f .ak.(t − kT )+θk unde θk → ct.

kafftf2

)( 0∆+=

∆+= kafftm

22cos)( 0πfrecventa instantanee → Semnalul →

BFSK cu faza discontinua

Flux binar, 0 si 1 →ak → -1, 1

Trecerea f1 la f2 si invers → salt de faza


Impunem conditia → θk =θk − 1+π∆f Tak → variatia de la o valoare a frecventei la alta se face fara salt

BFSK cu faza continua → CPFSK

Indicele de modulatie → h =µ = ∆ f ·T

MFSK M=4


MSKMSK → Minimum Shift Keying → forma particulara a CPFSK → considerata si ca forma de PSK (echivalenta dintre cele doua tipuri de modulatie)

MSK → Valoarea minima a variatiei frecventei pentru care se mentine ortogonaliatea intre cele doua frecvente → h=0.5 M = 2 → forma de modulatie binara

MSK → forma de OQPSK la care se inlocuieste FRPCA cu FTJ - semisinusoida

)(2cos(2)( ttfTEts cb

b ϑπ +=

Semnalul MSK

unde

0)0()(

1)0()(

simbolT

ht

simbolT

ht

b

b

↔−=

↔+=

πθθ

πθθ

Simboluri succesive identice → variatie mare a fazei


Conditia h=1/2 → increment de π / 2 in variatia fazei1 → +π / 2

0 → -π / 2

s(t) poate fi scris ca: )()()( 2211 tststs ΦΦ +=

)2sin()2

sin(2)2cos()2

cos(2)( tfTT

(t)ΦtfTT

tΦ cbb

2cbb

1 ππππ ==

bbbbbb TtpentruTEsTtTpentruEs 20))(cos())0(cos( 11 ≤≤−=≤≤−= ϑϑ

θ(t) poate lua valorile:-π / 2 , 0, π / 2, π

s1 si s2 depind doar de valorile lui θ(t) la t = 0 si t = Tb


Apar patru combinatii posibile:

θ (0) = 0 si θ (Tb) = +π / 2 → 1θ (0) = π si θ (Tb) = +π / 2 → 0θ (0) = 0 si θ (Tb) = -π / 2 → 0θ (0) = π si θ (Tb) = -π / 2 → 1

Constelatia in cazul MSK

Se obtine o densitate spectrala de putere cu o cadere mai rapida in afara benzii, comparativ cu QPSK


GMSKImbunatatirea distributiei spectrale a puterii MSK → inlocuire FTJ - semisinusoida → FTJ Gaussian. Datele binare (0/1) codate →

-1/1 → filtrare → FMVarianta cea mai utilizata → modulator OQPSK+ FTJ Gaussian

Densitatea spectrala pentru GMSK si MSK


1-2 α

α

0T 2T2T T

Time

αα

MSKGMSK,BT=0.5

GMSKBT=0.3

Raspunsul in domeniul timp depinde de banda normata BT → scade → ISI creste → zona notata α1 – GMSK fara suprapuneri2 – GMSK cu suprapuneri 50%Decodari speciale → 5– GMSK


32768 65536-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0

Frequency (Hz)

Powe

r (dB

)

QPSK

Data Rate: 8192 bps

GMSK BT=0.3

GMSK BT=0.5

16384 49152

MSK


QAMQAM → Quadrature Amplitude Modulation → forma de modulatie in amplitudine a doua purtatoare, sinusoidale, defazate cu 90° (in quadratura) Modulatie bidimensionalaSemnalul modulator → analogic sau digital → flux de biti

Fluxul de date divizat in: I(t) → biti impari → aI(t)

Q(t) → biti pari → aQ(t)

)()(

)sin()()cos()()( 00

tata

tkTtgbtkTtgats

QI

ck

kck

k ϕωϕω +−−+−= ∑∑

Modulator QAM

QAM = ASK+PSK

kkk jbac +=

ak; bk → simboluri independente


M stari → M=2n → aIk; aQk → QAM → aIk → n/2 biti; aQk → n/2 biti

( )ick

k tTEts ϕω += cos2)(Un punct din constelatie → E → energia simbol

( ) ( )tT

ttT

t

MEMktatats

cQcI

QQkIIkk

ωψωψ

ψψ

sin2)( cos2)(

3)1(2 ,,1 )( )()(

==

−==+=

( )

+−−+−+−+−+−

−−−+−−+−−−−+−−+−

=

)1,1()1,3()1,1(

)3,1()3,3()3,1()1,1()1,3()1,1(

,

MMMMMM

MMMMMMMMMMMM

aa QkIk

Constelatia → o matrice de semnale

cuvant = n biti → n=2k → par sau n=2k +1 → impar (prelucrare flux date)

n=1 → M= 2 → 2 - QAMn=2 → M= 4 → 4 – QAMn=3 → M= 8 → 8 – QAMn=4 → M= 16 → 16– QAMn=5 → M= 32 → 32 – QAMn=6 → M= 64 → 64 – QAMn=8 → M= 256 → 256 - QAM


sQ

sI

QAM rectangulara

4-QAM = QPSK

• Nu sunt optimale d.pd.v. al distantei dintre punctele constelatiei• Avantaje la demodulare

Constelatia QAM rectangulara

16– QAM

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/16QAM_Gray_Coded.svg


8-QAM

8-QAM

8-QAM


90

45135

180

225

270

315

nivel 1

nivel 2

QAM ne-rectangulara Combinatie ASK+PSK

8-QAM 16-QAM

16-QAM2 amplitudini8 faze

4 amplitudini8 faze

Criteriu de optimizare: distanta maxima si uniforma intre punctele constelatiei

)cos()( 0 kckj

kk tAtseAc k ϕϕωϕ ++=→=

Necesita amplificare liniara


ModulatiaModulatia UnitateUnitate Bits/BaudBits/Baud Baud rateBaud rate Bit Rate

ASK, FSK, 2-PSKASK, FSK, 2-PSK Bit 1 N N

4-PSK, 4-QAM4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N

8-PSK, 8-QAM8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N

16-QAM16-QAM Quadbit 4 N 4N

32-QAM32-QAM Pentabit 5 N 5N

64-QAM64-QAM Hexabit 6 N 6N

128-QAM128-QAM Septabit 7 N 7N

256-QAM256-QAM Octabit 8 N 8N

Tabel cu cele mai uzuale modulatii QAM


Modulatia

Efficienta largimii de

banda (C/B)

log2 (C/B)

Eb/NoFara Erori

16 PSK 4 2 18dB

16 QAM 4 2 15dB

8PSK 3 1.585 14.5dB

4PSK 2 1 10.1dB

4QAM 2 1 10.1dB

BFSK 1 0 13dB

BPSK 1 0 10.5dB

Tabel comparativ cu performantele diferitelor tipuri de modulatii


PSK → realizarea de scheme de modulatie cu eficacitate de banda ridicata

QPSK → modulatie foarte robusta dar necesita amplificare liniara → alternative → Offset QPSK si π/4-QPSK reduc variatia anvelopei semnalului;

Schemele cu nivel mare M-stari (ca de ex. 64-QAM) → eficacitate spectrala foarte buna dar sunt susceptibile la zgomot si necesita amplificare liniara;

Schemele cu anvelopa constanta (de ex. GMSK) → avantajul ca pot utiliza amplificatoare neliniare

Concluzii

Accesul MultipluAccesul Multiplu


Introducere

• Proces de comunicare → mai multi utilizatori trebuie sa utilizeze in aceiasi perioada de timp acelasi mediu de transmisiune (linie, cablu, fibra optica , banda radio de frecvente);

• Intre doua puncte A si B comunicatia poate avea loc in modul simplex ( A ⇒ B ) sau duplex ( A ⇔ B ) → (semiduplex);

• Acces multiplu → solutii de departajare si utilizare de catre mai multi utilizatori a unei portiuni finite a spectrului de frecvente radio;

• Se urmareste realizarea unei capacitati mari de transport a informatiei


• Controlul Accesului Multiplu ( MAC) → se implementeaza in arhitectura retelei de comunicatii → necesita transmiterea unei anume cantitati de date prin retea

Reverse

channel

Forward

channel

Divizat in frecventasau

Divizat in Timp

• Duplex → in domeniul frecventa sau in domeniul timp: In domeniul frecventa → Frequency division duplexing (FDD)

In domeniul timp → Time division duplexing (TDD)

• Sistem de comunicatii → N canale deservesc M utilizatori• Metodele de Acces Multiplu → definesc cele N canale si le

repartizeaza la cei M utilizatori• Diminuare performantelor sistemului prin solutia de acces multiplu

sa fie minima.


Frequency Division Duplexing (FDD)

• Frequency division duplexing (FDD) → se aloca 2 benzi distincte de frecventa pentru fiecare utilizator;

• Comunicatii mobile → BS la MS = forward band ; MS la BS = reverse band

• Alte denumiri: uplink respectiv downlink

• Diferenta de frecventa intre cele doua sensuri ramane constanta la schimbarea canalului

• Raportul cu benzile de frecventa si canalele adiacente

• FDD = doua canale simplex → utilizarea simultana → duplexor


Time division duplexing (TDD)

• Time division duplexing (TDD) → departajarea sensurilor de transmisiune se face in domeniul timp

• TDD → furnizeaza doua sloturi de timp pe aceiasi frecventa

• Utilizeaza banda de frecvente a unui singur canal de tip transmisiune simplex

• Nu avem nevoie de duplexor

• Diferenta de timp intre sloturile direct si invers este mica → transmiterea si receptia datelor apare ca si cum ar fi simultana la utilizator


CDMA (Code Division Multiple Access ) → se bazeaza pe separarea canalelor prin utilizare unor coduri individuale

Metode de realizare MAC

Metode principale: FDMA ( Frequency Division Multiple Access) → se bazeaza pe

separarea canalelor in frcventa TDMA (Time Division Multiple Access ) → se bazeaza pe

separarea canalelor in timp

SDMA ( Space Division Multiple Access) → se bazeaza pe separarea canalelor in spatiu

• Utilizare combinata a doua sau mai multe metode de acces multiplu la realizarea unui sistem de comunicatii

• Combinarea cu metode de modulatie digitala → OFDM, COFDM


k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

• FDMA → Acces Multiplu cu repartitie de frecventa → Banda de frecventa alocata este divizata in n segmente de frecventa → k canale de transmisiune.

• Fiecare utilizator are alocat un canal pe care il poate utiliza tot timpul transmisiunii;

• Sistemele de Comunicatii Mobile → combinatie cu FDD → duplexor• Dupa alocarea unui canal cele doua terminale transmit simultan si

continuu


• Un canal alocat care nu este utilizat pentru o perioada de timp ramine neutilizat → capacitatea sistemului se diminueaza

• Largimea de banda a canalelor FDMA (SCM) → relativ ingusta (30 kHZ)• Fiecare banda (canal) trebuie sa aiba un spatiu de garda• Necesita filtre de separare a canalelor (reducere a interferentei intre

canale si a intermodulatiei) → cresc costurile• FDMA → metoda cu transmisie continua → necesari mai putini biti de

date (sincronizare si cadre) comparativ cu TDMA


• Avantaje:– nu este necesara o coordonare dinamica (sincronizare sau cadre); – poate fi utilizata si cu semnale analogice si cu semnale digitale;– nu sunt restrictionate in timp;– Simboluri >> imprastiere a intarzierii → nu este necesara egalizarea

gB gBNumarul maxim de canale pentru Bt - banda de frecvente alocate ::

k

gt

BBB

N2−

=Bg – banda de garda ; Bk – banda canalului

• Dezavantaje:– risipa de largime de banda pentru trafic distribuit neuniform– foarte putin flexibil– banda de garda– canal cu largime de banda relativ redusa – necesita un grad de filtrare ridicat pentru a reduce interferentele


f

t

c FREQUENCY BAND

Time Division Multiple Access (TDMA)

• TDMA → Acces Multiplu cu repartitie in timp → canalul de frecventa alocat transmiunii este divizat in segmente (intervale) de timp, alocate unor utilizatori diferiti;

• Fiecare utilizator poate sa transmita sau sa receptioneze in oricare din aceste intervale de timp, care nu au perioade de suprapunere;

• interval de timp → alocat unui singur utilizator → repetare ciclica → ocupa aceiasi pozitie in cadrul cadrului

• Se poate aloca un numar diferit de intervale de timp (Time Slot) dintr-un cadru unor utilizatori diferiti (pe baza de prioritati).


• Utilizam intervale de timp (TS) diferite pentru transmisie / receptie → nu este necesar un duplexor

• Transmisiune discontinua → salva (burst) → necesara bufferare• Utilizatorul limitat la transmiterea / receptionarea unor salve regulate de semnal de banda larga

• Se utilizeaza doar date digitale si o forma de modulatie digitala• Sisteme de Comunicatie Mobila → TDMA prezinta avantaje la

realizarea functiilor legate de mobilitate


Structura Cadrului TDMACadru = Frame → Necesara sincronizare (statica sau dinamica) intre echipamentele de transmisie si receptie

Preambul Informatia din mesaj

Trail Bits

Slot 1 Slot 2 Slot N

Trail Bit Sync Bit Information Bit

Guard Bits

Preambul → Adrese si informatii de sincronizare pentru tranceivere

Guard Bits → sincronizarea receptorului intre diferitele intervale de timp si cadre


Eficienta TDMAEficienta cadrului ηf → raportul dintre numarul de biti continand date ale mesajului propriu zis si bT - numarul total de biti dimtr-un cadru

%100×−=T

OHTf b

bbη

unde bT = Tf Ri Tf → durata cadrului; Ri → viteza de bitbOH → numarul total de biti neapartinand mesajului propiu zis

grgtptrrOH bNbNbNbNb +++=

unde Nr → numarul de biti de referinta pe cadru Nt → numarul de biti de trafic pe cadrubr → numarul total de biti neapartinand mesajului propiu zis in cadrul salvei de referinta;br → numarul total de biti din preambulul intervalului de timp (TS), neapartinand mesajului propiu zis;bg → numarul de biti echivalenti din fiecare interval de garda;


f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Acces Multiplu Hibrid TDMA / FDMA

Canal in domeniu frecventa → alocata o anumita frecventa, pentru un anumit interval de timp al canalului → Exemplu: GSMAdvantaje:• Mai performant fata de interferenta in domeniu frecventa intre canale• Capacitate mult crecuta cu aplicare comprimarii in domeniul timp• Protectie sporita la interceptariDezavantaje• Schimbarea de frecventa trebuieste coordonata


Space Division Multiple Access (SDMA)

SDMA → Acces multiplu cu divizarea spatiului pe care este operativa reteaua de comunicatii → doua perechi sau mai multe de tranceivere utilizeaza aceleasi frecevente purtatoare → optimizarea utilizarii spectrului de frecventa

• Varianta cablata – (cabluri separate pentru fiecare legatura);• Varianta radio – utilizeaza un set de frecvente, emise din locatii separate

spatial, cu o distanta suficienta intre ele pentru a evita interferentele• Spatiu de garda intre zonele care utilizeaza acelasi set de frecvente• SDMA → larg utilizata in sistemele de comunicatii mobile – structura

celulara + antene directive

Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 129SDMA aplicata la un sistem de comunicatii mobile

Celule de o anumita culoare → acelasi set de frecvente


Utilizatorii dintr-o celula sunt separati spatial cu ajutorul antenelor directive ale statiei de baza, situata in centrul celulei

SDMA se utilizeaza in combinatie cu una sau mai multe din celelalte metode de Acces Multiplu

Se impune : o diferenta unghiulara minima un criteru de distanta minima

Tehnologia antenelor adaptive (“inteligente”)


k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

Code Division Multiple Access (CDMA)

CDMA → Acces Multiplu cu Departajare prin Cod

Utilizatorii folosesc aceiasi banda de frecventa, in aceiasi perioada de timp

Departajare → utilizarea unor secvente de cod pseudo-aleatoare, diferite pentru fiecare utilizator


The CDMA Cocktail Party The CDMA Cocktail Party

Analogie pentru ilustrarea modului in care se realizeaza departajarea prin cod a unei comunicari.

CDMA → parte a familiei de metode de realizare a accesului multiplu prin metode de imprastiere a spectrului (Spread-Spectrum).

Spread-Spectrum → tehnologie dezvoltata initial pentru aplicatii militare


Code generator Code generator

spreader despreader

identik

Principiul metodelor cu Spectru Imprastiat (SS)

SS → accesului multiplu prin metode de imprastiere a spectrului (Spread-Spectrum) → tehnologie de comunicatie prin care un cod pseudo-aleator, independent de datele ce se transmit, este utilizat ca semnal de modulatie pentru a a realiza “imprastierea” energiei semnalului de date intr-o banda alocata, mult mai mare decat banda de frecventa a semnalului de date.Receptia → se utilizeaza o “replica” identica de cod pseudo-aleator (pseudo-noise) pentru a realiza operatiune inversa a imprastierii.


Variante de sisteme cu Acces Multiplu cu Spectru Imprăştiat: Sistem cu secvenţe directe (DS-SS → Direct-Sequence Spread

Spectrum) → se realizează prin modularea purtătoarei (PSK) cu o secvenţă digitală de cod a cărui raport de bit este mult mai mare decât lărgimea de bandă a semnalului informaţie → CDMA.

Sistem cu salt de frecvenţă (FH-SS → Frequency-Hopping Spread Spectrum) → Frecvenţa purtătoarei se modifică cu incremente discrete (FSK), după un plan de asignare comandat de o secvenţă de cod care determină ordinea de utilizare a valorilor frecvenţei purtătoare.

Sistem cu salt de timp → durata şi rata de bit a informaţiei ce urmează a fi transmise sunt comandate de o secvenţă de cod.

Sistem cu salt de frecvenţă / timp → secvenţa de cod determină atât frecvenţa de transmisie cât şi rata de bit a transmisiei..

Sistem cu modulaţie de frecvenţă în impuls (“Chirp” sau Pulse – FM) → purtătoarea este baleiată pe o bandă largă de frecvenţe pe durata dată a unui impuls.


Sistemele de comunicatii traditionale → cauta sa ingusteze banda de frecvente ocupata de transmisiuneSistemele Spread-Spectrum → fac o conversie a spectrului mesajului intr-o banda de largime mare → functie de viteza secventei de cod (denumita “chip”) →Rch).

Raportul Rch / Rb → factor de imprastiere → N sau castigul procesului → Gp


Direct-Sequence Spread Spectrum (DS-SS)DS – CDMA → utilizata in sisteme de telefonie celulara si WLAN

CDMA Sincron → utilizeaza secvente de coduri ortogonale (ex. functii Walsh) → produsul scalar a doua secvente de cod ortogonal este nul

CDMA Sincron → se utilizeaza in sisteme de telefonie celulara la transmisia dinspre statia fixa spre mobil → poate genera si mentine ortogonalitatea codurilor

Conditia de ortogoanlitate pentru codurile de imprastiereCk:

kidacaJCCkidacaCC

ki

ki

≠=⋅==⋅ 0

−−−−

−−=

1111111111111111

4

3

2

1

CCCC

C1

C2

C3

C4


Canalul DS – CDMA → Operatiunea inversa a imprastierii spectrului efectuata la receptie


Datele: forma bipolara 1 si –1 → di

Codarea: Cm·di → di =1 → 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1

di = -1 → -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 Lungime secventei de cod Ck → M

Cmdi: 1 -1

Codul Cm :1 1 1 -1 1 -1 -1 -1

La decodare → produs vectorial semnal codat x secventa de cod → sumare de bit → comparare cu nivelul de prag → > → 1 sau < → -1


Exemplu cu un singur utilizator


Exemplu cu un doi utilizatori

Cod utilizator1 : 1 1 1 -1 1 -1 -1 –1 Cod utilizator2 : 1 -1 1 1 1 -1 1 1

N utilizatori → Matrice Walsh NxN → limitata ca numar de coduri ortogonale


CDMA Asincron

Problema situarii utilizatorilor in cadul celulei fata de statia de baza → Problema Aproape – Departe.

Sistem CDMA Asincron → utilizeaza secvente de coduri “pseudo-aleatoare (pseudo-noise –PN)”

Utilizatorii mobili → nu se poate coordona initializarea comunicatiei din puncte distribuite aleator cu realizarea de secvente de coduri ortogonale

Secventele PN sunt statistic necorelate → suma unui numar mare de PN conduce la MAI – Multiple Access Interference → distributia → aproximata prin zgomotul gaussian

Receptionare → utilizatori mobili cu acelasi nivel al puterii → varianta (puterea de zgomot) creste proportional cu numarul de utilizatori


Generarea secventei de cod PN

A → Coduri ortogonale → Walsh - Hadamard (64 sau 256) .B → Codul lung → PN Long Code → 242-1 chips → unic intr-un ciclu → coduri utilizate: M-secvente, coduri Gold, coduri Barker si coduri KasamiC → Codul scurt → PN Short Code → 32k chips → generat perche de catre statiile de baza din celule


Modul de assignare si realizare a secventelor de cod PN intr-un sistem cu trei celule


Frequency-Hopping Spread Spectrum FH-SS

Actrita Hedy Lamarr (Hedy Kiesler Markey) → principiul transmisiunilor cu salt de frecventa – patent 1942

Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) → metoda de acces multiplu in care purtatoarea este comutata rapid pe frecventa canalelor din banda de transmisiune, comutare realizata in conformitate cu o secventa de cod pseudo-aleatoare, cunoscuta atat emitatorului cat si receptorului.


• Banda de transmisiune divizata in canale de largime egala cu cea a semnalului de intrare

• Purtatoarea modulata este transmisa intr-un canal pentru o durata de timp td – dwell time → chip rate

• Frecventa purtatoarei este modificata cu ∆f → salt de frecventa ( hop) → ocupa pentru timpul td alt canal din cele asignate transmisiei


• Modificarea frecventei purtatoare cu ∆f → conform unei comenzi realizate cu un cod pseudo-aleator → viteza de salt (hopping rate)

• Sinconism la receptie → modificarea frecventei de receptie sincron cu modificarea canalului la emisie → problema dificila.

• Solutie → conditie ca la emisie sa fie accesate toate canalele intr-un interval dat de timp → receptorul se caleaza aleator pe un canal → receptioneaza si identifica o secventa de date de identificare → check sum pentru integritate → pot fi utilizate tabele fixe de secvente de coduri

• Banda de frecventa instantanee a transmisiei → mica → prin mediere se obtine banda de spectru imprastiat → mare

• Banda de frecvente folosita simultan de mai multi utilizatori → probabilitate foarte mica ca doi utilizatori sa foloseasca simultan acelasi canal, in acelasi interval de timp;

• Purtatoarea → modulata M - FSK


user data

slowhopping(3 bits/hop)

fasthopping(3 hops/bit)

0 1

tb

0 1 1 t

f

f1

f2

f3

t

td

f

f1

f2

f3

t

td

tb: perioada de bit td: dwell time

Versiuni:• Slow Hopping (SFH-SS) → tb (sau TS) < td

• Fast Hopping (FFH-SS) → tb (sau TS) > td

• FH → tb = td


Slow-FH: td > Ts

Mai usor de implementat Faza purtatoarei are salturi mai rare → permite realizarea unor

timpi de integrare pentru simboluri mai lungi Fast-FH: td < Ts Importante pierderi datorate incoerentei → produse de salturile de faza foarte

dese; Realizeaza o protectie buna la bruiaj si la interferenta → metode de evitare

FH: TS = td


Lantul de transmisiune in cazul variantei FH-SS

Structura salturilor = setul de frecvenţe, ordinea lor de utilizare si durata de emisie pe fiecare frecvenţă → impuse de diferite standarde


Dezavantajele FH-SS• Exista posibilitatea aparitiei de interferente in cazul prezentei simultane

a unui numar mare de utilizatori in banda de frecventa• Solutie → codare de canal si metode de intretesere

FH-SS → rejectia interferentelor prin evitarea lor → sisteme cu salt de frecvenţă adaptiv → se elimină de la început din structura de frecvenţe alocate salturilor, frecveţele perturbate.Avantaje FH-SS → • Rejectia interferentelor prin evitarea lor → sisteme cu salt de frecvenţă

adaptiv → se elimină de la început din structura de frecvenţe alocate salturilor, frecveţele perturbate.

• Receptia neautorizata → se receptioneaza doar franturi neinteligibile• Incercarile de bruiaj pe o frecventa → pierderi de cativa biti• Prin utilizare de: codare de canal, intretesere si utilizarea de canale

disjuncte → se amelioreaza imunitatea la fading• Nu prezinta problema de nivel semnal: aproape / departe


Comparatie SDMA TDMA FDMA CDMAIdea Segmente de

spatiu celule/ sectoare

Segmentare a timpului de emisie in TS

Segmentare a benzii in sub-

benzi

Imprastiere spectru →

coduri ortogonale

Terminale Un terminal activ per

celula/sector

Terminalele active succesiv

Terminalele active simultan

Terminalele active simultan

Separarea semnalului

Structura celulara /

antene directive

Sinconizare in domeniul timp

Filtrare in domeniul frecventa

Codarea si structura receptor

Avantaje Simplu + capacitate mare

/ km2

Stabilizat, digital total,

flexibil

Stabilizat, simplu, robust

Flexibila, planificarea, preluare lina

Dezavantaje Inflexibila, antene fixe

Spatiu garda (propagarea), sincronizare

Inflexibila, spectrul re-sursa limit.

Receptoare complicate,

contr. emisie

Comentarii Utilizata in forme hibride

Retele fixe, hibrid mobile

Tipic forme hibride

Hibride, in dezvoltare

OFDM


Orthogonal Frequency Division Multiplexing

subcanal

frecventa

ampl

itudi

ne purtatoare

canal

OFDM → Multiplexare cu repartitie de frecvente ortogonale

OFDM → Combinatie intre o operatiune de modulare si una de multiplexare

Modulatia → Transpunerea informatiei mesajului in modificari ale parametrilor purtatoarei (amplitudine, frecventa , faza)Multiplexarea → metoda de partajare a aceluiasi spectru de frecvente de catre mai multe canale de date, independente, produse de surse diferite


Calea directa

Calea directa

Propagarea pe cai multiple


Semnal direct

Semnal reflectat si intarziat

Semnalul la intrarea receptorului

t

t

t

Semnalul la intrarea receptorului → ISI datorat propagarii pe cai multiple


f

t

W

NT

1NT

Transmisie de date paralelSimbol cu durata lunga → NT Un canal de date ocupa 1/N din largimea de banda → 1/TViteza de transmisie scazuta → mai putin afectata de propagarea prin canal

Transmisie secventiala de date Simbol cu durata scurta → TLargimea de banda necesara transmisiei → W=1/TViteze mari de transmisie → erori introduse de propagarea multipla


Semnale ortogonaleSpatiul Euclidian cu 2 sau 3 dimensiuni → doi vectori sunt ortogonali daca produsul lor este nul → unghiul lor 90° ori π/2 radiani (I si Q)

∫ =b

aoxwxgxf )()()(

Doua functii f(x) si g(x) sunt ortogonale daca:

unde w(x) – functie de pondere, nenegativa

wwfff ,=Valoarea normata a produsului se scrie:

jiijiji fdxxwxfxfff ,

2)()()(, δ∫

∞

∞−==

Termenii unei secvente fi unde i=1,2,3… sunt:Ortogonali daca:

jijiji dxxwxfxfff ,)()()(, δ∫∞

∞−==

≠=

=jidacajidaca

ji 01

,δOrtonormati daca:

unde:

Delta Kronecker


Set de semnale ortogonale, continue in timp

∫=

≠=∗

T

mn mnifT

mnifdttt

0

0)()( ψψ

<≤

−−=⋅⋅=

k Tt

ktk

Tjt

0

,,2,1,0,1,2,:)2exp()( πψ

<≤

−−=

Tt

kt

k 0

,,2,1,0,1,2,:)( ψ

Daca doua procese aleatoare nu sunt corelate, ele sunt ortogonale


Set de semnale ortogonale, discrete in timp

k

1

0

..., 2, 1,0,1,2,....,( ):

0 1

0,1,2,...., 12( ) exp( ):0

0,1,2,...., 12exp( ):0

0( ) ( )

: ( ) ( ) ( ) ( )

k

N

n mn

k N k k N k

kn

n N

k Nn j k nT

NT nT NTk N

j k nN n N

if n mn n

N if n m

NOTE n n n n

ψ

πψ

π

ψ ψ

ψ ψ ψ ψ

−∗

=

+ − −

= − −≤ ≤ −

= −= ⋅ ⋅

≤ <= −

= ⋅ ⋅≤ <

≠=

=

= =

∑


fW

1NT

Canalul de date → impartit in alte canale de date, independente → modulare set de subpurtatoare (BPSK, QPSK, QAM) → remultiplexare → modulare purtatoare

Σtje 0ω

.. .

tj Ne 1−ω

0,ns

1, −Nns

Serie /Paralel

ns

FDM

ω0 ω N-1

Dezavantaj: Spatiu de garda intre canale, largime de banda mare

)(tvk


Consideram ca avem: o purtatoare sinusoidala cu frecventa n si o serie de purtatoare sinusoidale cu frecventa m → k = m/n = 1,2,3… → armonici

Timp

T

1 2

3

Purtatoarele in raport armonic → functii ortogonale in domeniul frecventa

TtestvN

k

tjknk

k ≤≤= ∑−

=

0)(1

0,

ω

Semnalul obtinut la iesirea sumatorului:


Canalul de date → impartit in alte canale de date, independente → modulare (QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, etc) set de subpurtatoare ORTOGONALE → re-multiplexare → modulare purtatoare

f

W

2NT1

OFDMPrimele trei subpurtatoare

Perioada simboluluiSpectrele subcanalelor pot fi suprapuse partial → numarul de subcanale se dubleaza intr-un sistem ideal (filtru Nyquist)

Nu este nevoie ca subpurtatoarele sa fie in faza sau sa aiba un numar intreg de perioade in cadrul unui simbol!

plS BBR == 2


Semnalul de baza OFDM (anvelopa complexa) poate fi scris :

TttTkjstv

N

kknk ≤≤= ∑

−

=

0)2exp()(1

0, π

unde: Sn,k – simbolul ce se transmite,

Tkfk = - frecventa centrala a canalului k

Subpurtatoarele → armonici distantate la RS → functii ortogonale

Filtre fizic realizabile → ex. filtrul cosinus patrat

α+=

1p

S

BR

Spectrul purtatoarelor modulate → de tip sinc deplasate cu fk

Ampl f0 f1 f2 fN-1


• Sistemele moderne → cantitate mare de date → N mare

• Realizarea practica a unor sisteme cu un numar mare de subpurtatoare armonice (sute, mii oscilatoare) → dificila si foarte costisitoare

• Observam expresia anvelopei complexe• Consideram fluxul de date drept coeficienti in domeniul frecventa • Expresia → Transformata Fourier Rapida Inversa → semnal secvential in domeniul timp


Fourier

∫∞

∞−

−= dtetxfX ftj π2)()(

∫∞

∞−= dfefXtx ftj π2)()(

Transformata Fourier (continua)

Transformata Fourier (continua) Inversa

Functia continua → Set de valori discrete, reale sau complexe x[n], n ∈ Z

∑∞

− ∞=

−=n

njenxX ωω ][)(

x(t) → esantionata la momente discrete, periodice 1/T=fS →x(n)

Transformata Fourier Discreta in Timp

∑∞

− ∞=

−=k

ST kffXX )()(ω

∫−

=T

T

fnTjT dfefXTnx

21

21

2)(][ πTransformata Fourier Discreta in Timp Inversa

Functie de semnalul aplicat la intrare:


1,...,021

0−==

−−

=∑ NkexX

knN

jN

nnk

π

1,...,01 21

0−== ∑

−

=

NneXN

xkn

NjN

kkn

π

DFT -Transformata Fourier Discreta, numita → Transformata Fourier Finita.Transformata pentru analiza Fourier a semnalelor discrete in domeniu finit

DFT - Transformata Fourier Discreta

IDFT -Transformata Fourier Discreta Inversa

Secventa de N numere complexe: x0,…, xN-1 este transformata intr-o alta secventa de N numere complexe X0,…, XN-1

FFT → Fast Fourier Transform =Transformata Fourier Rapida → algoritm eficient pentru calculul DFT si inversa sa IDFT

Exista mai multe variante de algoritm FFT → Reduc calculul de la N2 la N·log N operatiuni aritmetice

Cel mai cunoscut → Cooley – Tukey → divide et impera → metoda radix-2

Semnal discret si periodic


Utilizarea IFFT

∑−

=

=1

0)()()(

N

kk thkdts

∑−

=

=1

0

2

)()(N

k

ktNT

jekdts

π

Serial la SimbolGenerator d(k) d(0)

d(1)

d(2)

d(3)

d(4)

d(5)

d(N-1)

h (t) 0

h (t)2

h (t)3

h (t)4

h (t)5

h (t)N-1

h (t)1

s (t)

Functii de baza

Parale l


Practic sistemele OFDM sunt implementate utilizand combinatia de blocuri FFT si IFFT → necesita circuite DSP ( realizate 1980÷1990)

Sistemul OFDM trateaza simbolurile = sursa, ca semnale in domeniul frecventa → semnal de intrare al blocului IFFT

Blocul IFFT aduce semnalele in domeniul frecventa

Blocul IFFT prelucreaza simultan N simboluri = numar subpurtatoare

Functiile de baza → N sinusoide ortogonale, frecventa minima = c.c.

Simbolurile → semnale complexe → determina amplitudinea si faza subpurtatoarelor

Cele N sinusoide ortogonale → insumare

DSP pentru IFFT → modulare N sinusoide ortogonale + insumare = simbol OFDM = NT


Date (valori complexe) la intrarea IFFT

Semnal iesire IFFT – esantioane ale semnalului modulat multiplexat

Formarea semnalului OFDM la emisie


Anvelopa semnalului OFDM


Timp Normalizat0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.5

0

0.5

1OFDM - Reprezentarea in domeniul timp

Am

plitu

dine

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10Spectrul

Frecventa Normalizata

Log

Am

plitu

dine

(dB

)


Serie

Serie

Serie

Serie

BloculModulator

BlocDemodulator

la

la

la

la

SimboluriGenerator

SimbolDetector

d(n)

d(n)^

Canal de comunicatie

Paralel

Par

alel

Paralel Par

alel

Necesita o sincronizare foarte buna intre emisie si receptie.Erori datorate: 1) instabilitatii din echipament; 2)Efectului DopplerICI – Inter-Carrier Interference.

OFDM – Procesare pe blocuri


OFDM → prezinta solutii relativ simple, implementate prin algoritmi DSP

Sistemele de comunicatii radio de banda larga sunt supuse fenomenelor introduse de propagarea pe cai multiple → fading selectiv .

Valori tipice pentru valoarea medie a intarzierii in macro-celule ale sistemelor de telefonie celulara:

Urban : 1 ÷ 4 msec, Sub-urban : 3 ÷ 6 msecRural (plan, teren deschis) : 3 ÷10 msecTeren deluros : 5 ÷15 msecs

Solutia clasica pentru compensarea fenomenelor introduse de propagarea pe cai multiple → circuite de egalizare in receptor.

Pentru viteze de transmisie ridicate circuitele de egalizare devin prea complicate


Interferenta datorata simbolului adiacent (ISI) la trecerea prin canalul de comunicatie

x(t) h(t) y(t)

t t t

t

t

Simboluri adjacente

Simbol Canal Simbol Distorsionat


Inserarea Intervalului de Garda intre Simboluri Adiacente pentru suprimarea ISI (ASI)

x(t) h(t) y(t)

x(t) h(t) y(t)

t t tSimbol Canal Simbol distorsionat

t

t

Simboluri separate de Intervale de Garda


Inserarea “Cyclic Prefix” in Intervalul de Garda pentru suprimarea ISI (ACI)

x(t) h(t) y(t)

x(t) h(t) y(t)

t t tSimbol Canal Simbol Distorsionat

De inlaturat De inlaturat

CP CP CPt

t

Intervale de Garda ale Simbolurilor ocupate cu “prefixul ciclic” (Cyclic Prefix)


Intarzierea produsa de propagarea multicai are o durata mai mica decat Prefixul Ciclic → nu se produce ISI sau ICIAmplitudinea poate sa creasca sau sa descreasca.

Fiecare simbol este extins ciclic → reducere a eficientei deoarece nu contine informatie noua

Primul simbol Al doilea simbol

Semnalul unei subpurtatoare pe

durata unui simbol

Simbolul fara prefix


Modulatia OFDM cu IFFT si Interpolare

D(k)

d(n)

D(0)

d(0)

D(1)

d(1)

D(2)

d(2)

D(3)

d(3)

D( )

d( )d( )

N-1

N-1N-1

......

......

......

..........

Adaugare - Prefix Cyclic

IFFT

Interpolare

DAC

DAC

s (t)Id (n)I

d (n)Qs (t)Q

In systemele OFDM, durata mare a simbolului face Estimarea Comportarii Canalului si antrenarea (sincronizarea) subpurtatoarelor foarte importanta.


Examplu de estimare a canalului in OFDM

• Sloturile de Trafic pot contine si cateva tonuri egal distantate pentru corectia fazei (datorata offsetului rezidual de frecventa, zgomotului de faza, fading)

• Slotul de control poate contine si mesaje MAC

Frame (ex. 4 slots)

Slot Control +Antrenare Slot Trafic 1 Slot Trafic 3Slot Trafic 2

Tonuri ptr.CorectiaFazei

Tonuri deantrenare (identificare canal)

Mesaj MAC(difuzat)

Slot Control +Antrenare


Tonuri Pilot → pe anumite frecvente se transmit anumite simboluri cu informatie cunoscuta cu ajutorul carora se realizeaza corectia de frecventa a oscilatoarelor sau se determina raspunsul real al canalului de comunicatie → Channel State Information.

Sistemul OFDM → foarte sensibil la erori de frecventa Conditii dificile pentru oscilatoarele locale de la receptie

Celule ce transmit tonuri pilot


Timp

. . .User 1 User 2 User NUser N-1User N-2 . . .. . .

Varianta TDMA - OFDM

Pilot

Frecventa

CSI


.. . Paralel / Serial (P/S)

IFFT

.. .Serial / Parallel (S/P)

d(t)

.. .Adaugare Cyclic Prefix

Filtru laemisie GT(ω)

CanalH(ω)

n(t)

.. . Serial / Paralel (S/P)

FFT

.. .Paralel / Serial (P/S)

r(t)

.. .Inlaturare Cyclic Prefix

Filtru laReceptie GR(ω)

Emitator

Receptor

Canal

Schema bloc a sistemului OFDM


Semnalul OFDM este o suma a mai multor sinusoide

Masuri speciale la amplificatoarele RF DE PUTERE → liniare , cu gama dinamica larga → comprimare

In cazul cel mai defavorabil avem insumarea tuturor sinusoidelor PAPR → Peak-to-Average Power Ratio → raportul intre valoarea de

varf si valoarea medie → Valoarea de varf are probabilitate scazuta


COFDM: Coded OFDM Coded OFDM = COFDM → termen utilizat pentru sistemul la care sunt

utilizate ambele procedee: codarea erorii de control si procesul de modulatie OFDM.

Etapa importanta la COFDM → intreteserea si codarea bitilor inainte de a efectua IFFT → bitii adiacenti imprastiati pe subpurtatoare neadiacente → reducere a erorilor si corectie mult mai buna

Sistemul COFDM utilizeaza informatia privind comportarea canalului obtinuta de la egalizorul din receptor → determina nivelul de incredere privind biti receptionati

Egalizor → circuit din receptor care realizeaza compensarea variatilor de nivel ale subpurtatoarelor din canal

Pot apare cazuri de “frecvente nule“ → egalizorul → amplificare mare → simbolul se marcheaza la procesare ca “ de incredere scazuta ” → decizie soft privind ponderea diferitilor biti → corectia erorilor

Definitorii: codarea erori (error coding), intreteserea (interleaving) si Informatia privind Starea Canalului (channel-state information) (CSI).

Performante bune in cazul fadingului selectiv in frecventa si a interferentelor


Avantajele OFDM Rezolva problema propagarii multicale printr-o egalizare simpla

(introducerea CP)

Eficienta spectrala mai buna → operatiunile IFFT/ FFT asigura ca subpurtatorele nu interfera intre ele

CP (Cyclic prefix) → mentin ortogonalitatea intre subpurtatoare CP (Cyclic prefix) → permit receptorului sa capteze energia din

propagarea multicai mai eficient Randament de calcul → mult mai eficient fata de metodele cu o

singura purtatoare Poate fi utilizat cu diferite scheme de Acces Multiplu si de modulatie

→ modulatia adaptiva

Performante mai bune la interferente de banda ingusta → afecteaza doar cateva subcanale

Informatia afectata poate fi stearsa si refacuta cu ajutorul codurilor FEC Abilitatea de a indeplini reglementari foarte variate existente in lume Coexistenta cu sisteme prezente si viitoare


Sensibilitate ridicata la interferentele inter-canale - ICI

Dezavantaje ale OFDM

Sensibil la offset-ul frecventei si fazei subpurtatoarei

PAPR → neliniaritatile amplificatoarelor afecteaza ortogonalitatea

Sensibil la offset-ul tactului de esantionare

Sensibil la zgomotul de faza de inalta frecventa

PAPR → reduce randamentul amplificatoarelor de putere RF


WOFDM - Wideband OFDM

Wideband OFDM → varianta a OFDM la care distanta intre subpurtatoare este aleasa suficient de mare astfel incat erorile in frecventa intre emisie si receptie sa fie o fractiune mica a acestei diferente → efect redus asupra performantelor globale

WOFDM → Introdusa la realizarea W-LAN

Avantaje → cele pe care le are OFDM

Avantaje in plus:

→ mai putin sensibil la offset-ul subpurtatoarelor

→ randament bun al amplificatoarelor de putere RF

→ comportare mai buna la fadingul multicai, dependent de frecventa


Specificati pentru: Viteza de Bit, Largimea de banda, Cerinte ale BER,

Imprastierea valorii medii a intarzierii de propagare, etc. Spatiul de garda (Guard Time)

2 - 4 ori Imprastierea valorii medii a intarzierii de propagare a canalului.

Durata Simbolului. Durata Simbolului cel putin de 5 ori spatiul de garda pentru a

minimiza reducerea raportului Semnal / Zgomot (SNR). Numarul de Subpurtatoare (NSC).

Spatierea Subpurtatoarelor = 1/(Durata Simbol), NSC = BW/(Spatiul Subpurtatoare)

Alegerea Modulatiei si a Codarii. Determinata de cerintele privind BER. Numbarul de biti continuti de un simbol OFDM.

Definirea unui sistem OFDM


Digital Television (terestra)

Standard European si Australian DAB → Digital Audio Broadcasting Wireless Local Area Networks (W - LANs)

IEEE 802.11a, 11g

HiperLAN – 2 Wireless MAN and WAN

IEEE 802.16 o singura purtatoare, 10 – 66GHz

IEEE 802.16a,b – 2-11GHz, MAN ADSL (asymmetric digital subscriber loop)

Transmiterea de date cu viteza mare pe linile telefonice existente

Viitoarele sisteme de telefonie celulara ?

Aplicatii ale OFDM


0.64-8.192

231.91.1041.1044.312536-1277-28

256 (down)64 (up)

ADSL

3.07224/48/96msec

2.0481.5361.00153620488192

DAB

0.68-14.92

2249.1747.6434.4641712842

20481024

DVB-T

1341128/7 BW

1.25÷ 20

1.25÷ 28

Max 2048

2048802.16

6-543.2 0.8

20 16.56 312.5 524

64802.11a

6-543.20.8

2016.25312.5524

64HyperLAN/2

Rata pentruDate

Mbit/s

DurataSimbolµsec

Rate de esantion

areMHz

Largimea de BandaMHz

Distanta intre

CanalekHz

Numar Purtatoa

re

Marimea Transformat

ei

Sistemul

Sisteme OFDM


OFDM → bine situat pentru a indeplinii nevoile viitoare pentru traficul de transmisii pachetizate ale datelor.

OFDM → pe cale sa devina o solutie populara pentru retele locale wireless (LAN) si pentru accesul de banda larga

OFDM → va fi implementat in sistemul de telefonie mobila celulara 4G ?

CONCLUZII & PERSPECTIVE


Gata Profesore!Ne-ai umflat capul!

Sisteme de comunicatii mobile terestre


Definitii, clasificariComunicatii mobile → comunicatii ce asigura legatura intre doi corespondenti, din care cel putin unul este mobil.

Evolutie → CM orientate pe transport voce → CM orientate pe transport date

Comunicatii mobile → doua aspecte ale mobilitatii :mobilitatea utilizatorului : comunica radio (wireless) in orice moment,

oriunde, cu oricine ( “anytime, anywhere, with anyone”)portabilitatea dispozitivului: acesta poate fi conectat in orice moment, oriunde

in retea

Necesitatea interconectarii retelelor fixe si a celor mobile (GSM↔ISDN; IP↔ IPM)Comparativ cu retelele fixe, cele mobile ridica o serie de aspecte:

• Reduceri ale vitezelor de transmisie si BER datorita interferentelor produse de surse perturbatoare ( auto, consumatori electrici, atmosferice, etc)

• Reglementari restrictive privind frecventele disponibile• Intarzieri mai mari, propagare multicai, jitter mai mare• Securitate mai scazuta → potential atacuri active ( interfata accesibila, simulare retea)• Mediul de transmisiune este partajat continuu


Comunicatii mobile terestre Comunicatii mobile de telefonie convenionala (duplex sau semiduplex) Comunicatii mobile de telefonie dedicate (trunking) → statie de baza (controller) Comunicatii mobile de telefonie celulara → terminale grupate spatial (voce +date) Comunicatii mobile de telefonie fara fir → “cordless” Comunicatii mobile de paging Comunicatii mobile pentru transmisiuni de date → Wireless → retele ce

realizeaza transmisiuni complexe: tehnica de calcul, media, voce,etc. Wireless Personal Area Network → WPAN Wireless Local Area Network → WLAN Wireless Metroplitan Area Network → WMAN Wireless Wide Area Network → WWAN

Comunicatii mobile punct – multipunct → LMDS, MMDS

Comunicatii mobile prin satelit Comunicatii mobile dedicate, telefonie voce si/sau date → INMARSAT, GPS,etc Comunicatii mobile telefonie voce si date → sisteme LEO, MEO (Iridium,

Skybridge)


Retele de Comunicatii Mobile

Prima Generatie

• Analog• Baza: telefonia vocala• Capacitate scazuta• Acoperire limitata

local si regionala• Ex. NMT, AMPS,

TACS, C-net

• Digital:– Circuite comutate

• Voce plus aplicatii de baza cu date :

– Fax– SMS (small message

services)– Date cu circuite comutate

• Viteza Date scazuta• Acoperire Regionala

cu roaming trans-national

• Ex. GSM, D-AMPS, PDC, IS 95 CDMA

• Digital:– Pachete si circuite

comutate• Date avansate— ex.

aplicatii multimedia • Acces date rapid• Acoperire globala• Ex. UMTS (WCDMA,

TD/CDMA), IMT-2000

A doua Generatie A treia Generatie

Evolutia comunicatilor mobile

Utilizatori 2006: 2.53Mld total; 2.02 Mld - GSM, 320 Mil - CDMA, 81.2Mil -UMTS


telefonie celulara satelite Wireless LANtelefonie cordless

1992:GSM

1994:DCS 1800

2001:IMT-2000

1987:CT1+

1982:Inmarsat-A

1992:Inmarsat-BInmarsat-M

1998:Iridium

1989:CT 2

1991:DECT 199x:

proprietary

1997:IEEE 802.11

1999:802.11b, Bluetooth

1988:Inmarsat-C

analog

digital

1991:D-AMPS

1991:CDMA

1981:NMT 450

1986:NMT 900

1980:CT0

1984:CT1

1983:AMPS

1993:PDC

4G – A patra generatie: cand si cum?

2000:GPRS

2000:IEEE 802.11a

200?:A patra

Generatie(bazata pe Internet)

Prima Generatie

A doua Generatie

A treia Generatie

Dezvoltarea Comunicatilor Mobile


2.5G, 2.75G …(posibil 3.5G, 3.75G!)

CDMA

GSM

TDMA

PHS (IP-Based)

64 Kbps

GPRS

115 Kbps

CDMA 1xRTT

144 Kbps

EDGE

384 Kbps

cdma20001X-EV-DV

Over 2.4 Mbps

W-CDMA (UMTS)

Up to 2 Mbps

2G2.5G

2.75G 3G

1992 - 2000+2001+

2003+

1G

1984 - 1996+

2003 - 2004+

TACS

NMT

AMPS

GSM/GPRS

(Overlay) 115 Kbps

9.6 Kbps

9.6 Kbps

14.4 Kbps/ 64 Kbps

9.6 Kbps

PDC

Analog Voice

Digital VoicePacket Data

IntermediateMultimedia

Multimedia

PHS

TD-SCDMA

2 Mbps?

9.6 Kbps

iDEN(Overlay)

iDEN

Source: U.S. Bancorp Piper Jaffray


Retele orientate spre voce / orientate spre date

• Retelele orientate spre voce utilizeaza asa numita metoda de alocare fixa.Fiecarui utilizator i se aloca o o portiune de frecventa din banda, pe o portiune de timp (slot) sau un cod specific pentru intrega durata a legaturii.

• Alocarea fixa asigura o conectare continua, necesara pentru comunicatii de voce dar pote avea o rata de utilizare scazuta.

• Retelele orientate spre date utilizeaza metode de acces aleatoriu. Utilizatorii folosesc partajat acelasi mediu de transmisiune. Datele sosesc la momente de timp aleatoriu, mediul este atribuit fiecarui utilizator in mod aleatoriu.

• Metoda de alocare aleatorie este mai potrivita pentru transmisia de date deoarece datele sosesc in salve.


Serviciul Mobil si/sau Wireless → adapte la tipul de serviciu si locatie

UMTS2 Mbit/s

UMTS, GSM384 kbit/s

LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s

UMTS, GSM115 kbit/s

GSM 115 kbit/s,WLAN 11 Mbit/s

GSM / GPRS 53 kbit/sBluetooth 500 kbit/s

GSM / EDGE 384 kbit/s,DSL/WLAN 3 Mbit/s

DSL / WLAN3 Mbit/s


Relatia dintre viteza de transmisie si mobilitate la sistemele pentru comunicatii mobile


Viteza de transmisie a datelor la diferite sisteme

10 kbits/sec

100 kbits/sec1 Mbit/sec

10 Mbit/sec

100 Mbit/sec

0 GHz 2 GHz1GHz 3 GHz 5 GHz4 GHz 6 GHz

802.11a

UWBZigBee

Bluetooth

ZigBee

802.11b802.11g

3G

UWB


Raza de actiune a sistemelor de comunicatii mobile

1 m

10 m

100 m

1 km

10 km

0 GHz 2 GHz1GHz 3 GHz 5 GHz4 GHz 6 GHz

802.11a

UWB

ZigBee BluetoothZigBee

802.11b,g

3G

UWB


performantaperformanta

Pager• doar receptie• display redus• mesaj text simplu

Telefon Mobil• voce, date• afiseaza grafica simpla

PDA• afiseaza grafica• recunoastere caractere•WWW simplificat

Palmtop• claviatura dimensiuni reduse• versiuni simple ale aplicatiilor standard

Laptop/Notebook• Functionalitate completa• aplicatii standard

Sensori,Controllere

Terminalele mobile → realizeaza o utilizare graduala a posibilitatilor oferite de retelele mobile.


Sinteza performantelor sistemelor de comunicatii mobile.


GSM : TDMA, FDMA, FDD DECT : TDMA, FDMA, TDD UMTS : W-CDMA (5 MHz band), FDD (or TDD) WLAN (IEEE 802.xx):

802.11: DSSS or FHSS (2.4 GHz) 802.11 b,g: DSSS (2.4 GHz) 802.11 a: OFDM (banda de 20 MHz / 48subpurtatoare) in

gama de 5 GHz [similar si la ADSL] Bluetooth: FHSS, 1 mW, 1600 hops/sec

…Alte sisteme

Metode de acces multiplu utilizate in comunicatiile mobile:


• Vehicole– transmisia de stiri,conditii drum, meteo, muzica → DAB– comunicatii personale → GSM– pozitia → via GPS– Retele locale ad-hoc cu vehicolele din apropiere pentru prevenirea

accidentelor, ghidare, etc. – Transmiterea in avans date vehicole (autobuze, camioane, etc) pentru

programare intretinere vehicole

• Urgente– Transmisia date pacient la spital, stare curenta, prim diagnostic– inlocuire infrastructurei fixe in caz de cutremur, uragane, incendii, etc.– Situatii de criza, razboi ...

Exemplu de aplicatie la trafic auto


Exemplu de aplicatie la trafic auto

ad ho

cUMTS, WLAN,DAB, DVB, GSM, cdma2000, TETRA, ...

Personal Travel Assistant,PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...


Comunicatii Mobile celulare

Comunicatii Mobile celulare → sisteme diferite (AMPS, GSM, CDMA,etc ) → factor comun → SDMA


Banda de frecventa alocata pentru un tip de serviciu → divizata in canale (definite de frecventa purtatoare) → constituire seturi de frecvente Teritoriu ce urmeaza sa fie acoperit → divizat in celule → reprezentare celule sub forma hexagonala

Numar de celule > Numar de seturi de frecvente → REUTILIZARE

Celule care utilizeaza acelasi set de frecvente

d

Dispunerea celulelor → perturbatiile reciproce intre celule cu acelasi set de frecvente sa fie minime → PLANIFICAREA RETELELOR MOBILE

d → distanta de reutilizare

Celula de baza + celule ce o inconjoara → zona de reutilizare


Centrala de comanda a celulelor

PSTN

1

2

3

4

5

6

7

25

1

4

1

PLANIFICAREA RETELELOR MOBILE

N celule (1 ÷7) → Zona de reutilizare


Zona de reutilizare → N celule egale ca suprafata

R → raza celuleir → distanta la mobil(m,n) → coordonatele celulei de reutilizare

Se arata ca:

NRd 3=

4)3( 22 nmN +=

Valori uzuale N = 3,4,7,9

d

rM

A0 A1

A2A3

A4

A5 A6

( 0,0 )

( m,n )

N

R

Celulele A1÷An produc perturbatii in A0 → I

N, R, d → se determina astfel incat sa se asigure o anumita valoarea S /I


• Capacitatea creste > 3x. • Fiecare sector poate reutiliza sloturi (intervale de timp) si coduri.• Presupune utilizarea de antene adaptive• Interferentele sunt reduse prin sectorizare deoarece provin doar de la

sectoarele care au aceleasi frecvente

Sectorizarea imbunatateste S/I


Abonatul mobil se deplaseaza din celula A in celula B. Handover ( handoffs) → procesul de preluare a comunicatiei de echipamentul din

celula B cand mobilul paraseste celula A Conditie → comunicatia nu trebuie sa sufere intreruperi sau o scadere a calitatii

Limita performantei minime

Margine de preluare (Handover)

A Bx y

z

Decizia de preluare → computer → prelucreaza informatia privind nivelul semnalului

Preluarea comunicatiei (Handover)


Marimea celulei → adaptata tipului de zona si sistemului de comunicatii

Satellite

Macrocell Microcell

UrbanIn-Building

Picocell

Global

Suburban

Basic TerminalPDA Terminal

Audio/Visual Terminal

O zona poate fi acoperita de mai multe tipuri de celule, de la diferite sisteme de comunicatii mobile → Straturi Multiple


Tabel comparativ al sistemelor celulare din generatia a doua


Tabel comparativ al sistemelor cordless


Retele Wireless

IEEE 802.15.3 UWB, Bluetooth

Wi-Media, BTSIG, MBOA

WAN

MAN

LAN

PAN ETSI HiperPAN

IEEE 802.11 Wi-Fi Alliance

ETSI-BRAN HiperLAN2

IEEE 802.16d WiMAX

ETSI HiperMAN &

HIPERACCESS

IEEE 802.20IEEE 802.16e

3GPP (GPRS/UMTS)3GPP2 (1X--/CDMA2000)

GSMA, OMA

SensorsIEEE 802.15.4(Zigbee Alliance)

RFID(AutoID Center)

RANIEEE 802.22

Radio Aria Network


Retele suprapuse

Integratrea unor retele heterogene, fixe simobile cu caracteristici de transmisie diferite

Regionala

Zona metropolitana

Campus

In casa

Preluare (handover)pe verticala

Preluare (handover)pe orizontala


OSI – Open Sistem Interconnection

Modelul OSI Unitate pt date Plan funct. Functia

Pl funct Host

Date

Aplicatia Proces retea la aplicatie

Prezentare Reprezentare date si criptare

Sesiune Comunicatia Interhost

Segmente Transport Conectare end-to-end si fiabilitatea (TCP)Pl funct Media

Pachete Retea Determinarea drumului si adresarea logica (IP)

Cadre Link Date Adresarea fizica (MAC & LLC)

Biti Fizic Mediul, semnalul si transmisia binara

OSI → efort de standardizare (1982) ISO si ITU-T → model de protocoale pentru planurile functionale, definind interoperabilitatea intre dispozitive si software

Modelul OSI → descriere abstracta a planurilor functionale pentru protocoalele de comunicatii si retele de calculatoare → Modelul OSI cu sapte planuri functionale


Modelul OSI aplicat la comunicatile mobile– Locare serviciu– Aplicatii noi, multimedia– Aplicatii adaptive– Aglomerare si flow control– Calitatea serviciului (QoS)– adrese, rutare, localizare dispozitive– hand-over– Autentificare– Acces media– Multiplexare– Control acces media– Criptare– Modulatie– Interferente– Atenuare– Frecventa

• Pl. funct Aplicatii

• Pl. funct Transport

• Pl. funct Retea

• Pl. funct link date

• Pl. funct fizic


Modelul OSI la sistemele celularePlanurile functionale (PF) → ierarhizate → PF inferioare asigura servicii pentru cele superioarePF → constituit din parti situate in diferite echipamente si subsisteme.

Sistemele celulare → structura si denumire diferita a PF → protocoale pe mai multe PF

RR ManagementTransmisiune

Mob. Managment

Com. Management

Oper., Adm., Man.

OperatorAbonat

Necesita un schimb de informatii pentru functionare → protocoale

Incadrarea in OSI → pana la Planul Functional 3 (trei)


Aspectele economice


• Communicatii Wireless – Calitatea transmisiunii (largime de banda, rata erori (BER), intarzierea)– modulatia, codarea, interferenta– Accesul media , reglementari– ...

• Mobilitatea– servicii dependente de locatie– Transparenta locatiei– Calitatea suportului pentru serviciu (intarzierea, jitter, securitatea)– ...

• Portabilitatea– Consumul de putere– Dimensiunea afisorului, puterea de calcul limitata, ...– Calitatea serviciului (QoS)– ...

Domenii de interes in Comunicatiile Mobile

Comunicatii Mobile Celulare

GSM


IstoricSistemele de CM din generatia 1 prezinta dezavantaje majore: Cresterea capacitatii sistemului limitata Limitari in asigurarea calitatii Pret de cost ridicat

1982 in Europa in cadru CEPT → “Group Special Mobile” = GSM → sistem Pan European → specificatii tehnice CM in banda 900MHz

1987 adoptarea tehnologiei si primul prototip

1991 Expozitia Telecom 91 → se prezinta sistemul sub denumirea “Global System for Mobile” = GSM → specificatii tehnice cuprind 161 recomandari in 16 sectiuni → 6000 pagini

1989 responsabilitatea este preluata de ETSI : faza 1 – 1990 ; faza 2 – 1995

Peste 300 de retele GSM in peste 200 tari GSM etape de dezvoltare pentru cresterea capacitatii de transmisie date →

generatia 2.5 → generatia 3


Evolutia sistemelor de comunicatii mobile celulare


Principalele caracteristici

Prelucrarea digitala a semnalelor→ voce, fax, date → 22,8 kb/s / 11.4 kb/s Codarea vorbirii → 22,8 kb/s → reducere la 13 kb/s (6,5 kb/s) → date 9,6

kb/sGPRS (General Packet Radio Service), in GSM phase 2 → 115kb/sEDGE (Enhanced Data rates for GSM Enhancement) → 384kb/s Reducerea interferentei intersimbol (ISI) → egalizari adaptive ale caracteristicilor canalului

Alocare adaptiva a canalului → Adaptive Channel Alocation → ACA

FDMA/TDMA → utilizarea unui canal de catre 8 utilizatori Transmisia si receptia de la si spre terminal → benzi de frecventa diferite (25MHz)

Terminalul Mobil (MS) participa la transferul intre celule → reduce timpul de transfer → Mobile Assisted HandOff = MAHO

Controlul puterii semnalului de la emisie Control lent al saltului de frecventa a purtatoarei → Freqency Hopping = FH Control interfata prin transmisie discontinua → Discontinous Transmmision =DTX Sistem flexibil → functiile configurabile software

SDMA → celule: macrocelule, microcelule, celule selective, tip umbrela


REGISTRUL VIZITATORI(ROAMING)

REGISTRUL ABONATILOR DIN ZONA

REGISTRUL MOBILEFURATE, STRICATE

AUTENTIFICARE,CODARE

INTERFATA SPRE RETELE DE TELEFONIE FIXA

IERARHIACELULELOR

EMITATOARE& RECEPTORE

DIN CELULA

Mobil

SIM:IDENTIFICA

ABONAT

RATA DATE : 9.6 Kbps

Interfata Um

Interfata Abis

Interfata A

Architectura GSM


GSM: elemente si interfete

MS MS

BTS

BSC

GMSC

IWF

OMC

BTS

BSC

MSC MSC

Um

EIR

HLR

VLR VLR ISDN, PSTN

radio cell

radio cell

MS

AUC

O

NSS

MS MS

BTS

BSC

GMSC

IWF

OMC

BTS

BSC

MSC MSC

Abis

Um

EIR

HLR

VLR VLR

A

BSS

PDN

RSS

celula radio

celula radio

MS

AUCOSS

semnalizare

HLR

VLR


Sistemul GSM → subsisteme:

Terminalul Mobil (ME sau TE)→ identificat prin International Mobile Equipment Identity (IMEI) → tara/tipul_aprobare_cod – producator –_numar_ serial

1. Abonatul Mobil → Mobile Subscrieber = MS → format din:

Modulul de identificare a abonatului → Subscriber Identity Module SIM → poate fi mutat pe un alt terminal

→ contine International Mobile Subscriber Identity (IMSI) (<= 15 digits) codul_de tara_mobile – codul_retelei_ mobile – ID_HLR/statie_mobila

→ cheia secreta de autentificare

→ modul memorie pentru agenda, tonuri de apel, etc.

→ accesul se face pentru serviciile de pe SIM nu de pe TE

→ facturarea se face pentru serviciile de pe SIM


2. Subsistemul statiei de baza → Base Station Subsystem → BSS• Statia de emisie–receptie de baza → Base Tranceiver Station → BTS→

realizeaza legatura radio cu MS (1 ÷ 6 purtatoare) si PCM cu BSC → 7 ÷ 48 convorbiri simultane

• Controlerul statiei de baza → Base Station Controller → BSC → controleaza si gestioneaza resursele radio → primeste informatii de la MS la interval de 480ms si ia decizii privind celula, putere de emisie, handover, etc.Realizeaza legatura MS cu centrala de comutatie a mobilelor MSCControleaza pana la 40 BTS-uri

3. Subsistemul de comutare al retelei → Network Switching System → NSS → principalele subsisteme componente:

• MSC (Mobile Switching Centre) → Centrala de comutatie a abonatilor mobili• HLR (Home Location Register) → Registrul abonatilor locali (din zona)• VLR (Visitor Location Register) → Registrul abonatilor in vizita• EIR (Equipment Identity Register) → Registrul cu echipamentul abonatilor • AUC (Authentication Centre) → Centrul de autentificare • IWF (InterWorking Function) → pentru conectarea cu alte retele• EC (Echo Canceller) → Anularea ecoului

MS + BSS → RSS


Componentele sistemului de comutare GSM

• MSC

– Comutarea convorbirilor

– Suport pentru operarea si managementul retelei

– Asigura realizarea diferitelor semnalizari intre componente (Signaling System 7 → SS7)

– Interconectarea diferitelor retele

– Colecteaza date pentru facturarea convorbirilor

– Deserveste o zona geografica mai mare (mai multe BSS)

• Gateway MSC → GMSC

– MSC care realizeaza interfatarea si interconectarea BSS din reteaua GSM cu PSTN / ISDN


Home Location Register (HLR)• Baza de date de referinta pentru profilul abonatului

– Datele de identificare ale abonatului → ID →(IMSI si mobile station ISDN number – MSISDN)

– Adresa curenta din VLR ( locarea geografica a abonatului)– Servicile suplimentare pentru care a optat abonatul– Informatii suplimentare ale serviciului – Statutul abonatului (inregistrat /anulat)– Cheia de autentificare si functionalitatea AUC– TMSI →Temporary Mobile Subscriber Identity– MSRN → Mobile [Station|Subscriber] Roaming Number – HLR → poate deservii mai multe MSC


Visitor Location Register (VLR)• Baza de date temporare → exista atata timp cat abonatul se gaseste

si este activ intr-o anumita zona de acoperire.

• Schimba informatii cu HLR de care apartine MS→ directionare apeluri direct la celula in care se gaseste abonatul

• Contine urmatoarele:

– Starea in care se gaseste Mobilul (Ocupat/ Liber/ Nu raspunde /etc.)

– Identitatea zonei de locare →Location Area Identity (LAI)– TMSI →Temporary Mobile Subscriber Identity– Numarul de roaming → MSRN (Mobile Station Roaming

Number)– Integrat in MSC (cel mai adesea)


Equipment Identity Register (EIR)• Baza de date care contine informatii pentru validarea IMEI

– White List → lista cu toate echipamentele mobile validate → IMEI valabil

– Black List → lista cu echipamentele mobile care nu corespund cu prescriptiile retelei sau sunt furate

– Grey List → lista cu echipamentele mobile care sunt incerte sau defecte

Authentication Center (AUC)– Contine baza de date cu cheile secrete din SIM-urile ME– Furnizeaza parametrii pentru autentificare si criptare– Asigura confindentialitatea convorbirii– Protectia retelei contra fraudelor si al accesului neautorizat– Se realizeaza combinat cu EIR si se plaseaza in apropierea HLR


• Realizeaza functii ce fac posibila comunicarea intre GSM si retele publice /private de date.

• Functile de baza ale IWF sunt:– Conversia vitezei de transmisie– Adaptarea protocoalelor de transmisie

• IWF incorporeaza si ansmablul de ModemuriDe exemplu: GSM DTE PSTN DTE

IWF Modem Analog

Inter Working Function

Echo Canceller = EC→ schema de anulare a ecoului• Ecoul apare foarte suparator la comunicarea GSM – PSTN →

generat de trecere de la 4 fire la 2 fire.• Pentru anulare → se utilizeaza o schema → Echo Canceller (EC).

– Ecoul → greu suportat de abonatii mobili MS– Intarzierea totala pe ambele sensuri → 180 ms in sistemul GSM – EC este plasat pe partea spre PSTN a MSC– Compensare de pana la 68 ms cu EC


4. Operation & Maintenance System (OMS)

OMC → Operation & Maintenance Center → sistem de management care supravegheaza blocurile functionale GSM

• Management al evenimentelor si alarmelor• Managementul defectiunilor, detectia erorilor si a blocarii retelei• Managementul performantelor• Managementul programelor si configurarilor de setare• Managementul securitatii• Asigura operatiuni pentru intreaga retea sau pentru o parte

Format din:

NMC → Network Management Center → centrul de administrare al retelei• Unic la nivelul unei retele• Instrument de planificare al retelei• Comunicatiile de date intre NMC, OMC, celelalte subsisteme si module →

interfete de date cu protocol X25


Interfete in GSMDoua categorii de Interfete

Interfete Standard– Trunchiuri 2 Mbps (E1)– Signalling System No. 7 SS7 ( CCS7)– X.25 (Mod Pachete Comutate)

• Um → MS ↔ BTS

• Abis → BTS ↔ BSC

• A → BSC ↔ MSC

• B → MSC ↔ VLR

• C → MSC ↔ HLR

• D → VLR ↔ HLR

• E → MSC ↔ MSC

• F → MSC ↔ EIR

• G → VLR ↔ VLR

• H → HLR ↔ AUC

Interfete GSM


Protocoalele GSM sunt in principal divizate pe trei planuri functionale (PF):PF 1: Planul functional fizic Realizeaza transmisia fizica (TDMA, FDMA, etc.) Evalueaza calitatea canalului Se utilizeaza interfata Um si legaturi PCM 30 sau ISDN (interfata Abis si

interfetele A la F).PF 2: Planul functional pentru link-uri de date Multiplexarea a doua sau mai multe conectari pe canalele de control /semnalizare Detectia Erorilor (bazat pe HDLC → High level Data Link Control) Flow control Asigurarea calitatii transmisiei RutareaPF 3: Planul functional de retea Managementul conectarii (interfata radio) Managementul datelor de localizare Identificarea abonat Managementul servicilor suplimentare (SMS transfer apel, conferinta, etc.)

Planurile functionale GSM


Procese de Baza

• AUTENTIFICAREA

• CIFRAREA

• INREGISTRAREA

• STABILIREA LEGATURII

• HANDOVER / HANDOFF

• ROAMING


Specificatile GSM• Spectrul RFGSM 900 Mobil la BTS (uplink): 890-915 (880-915) MHz BTS la Mobil (downlink): 935-960 (925-960)

MHzGSM 1800 (DCS) Mobile la BTS (uplink): 1710-1785 MHz BTS la Mobile (downlink) 1805-1880 MHzGSM1900 (PCS)

Mobil la BTS (uplink): 1850 - 1910 MHz BTS la Mobil (downlink): 1930 - 1990 MHz• Separare purtatoare : 200 kHz• Distanta Duplex : 45 MHz• Nr. de purtatoare RF : 124• Metoda Access : TDMA/FDMA/SDMA• Metoda de modulatie : GMSK• Viteza de transmisie date: 270.833 Kbps

Largimea de Banda 2x25 MHz




Canalul radio

Spatiu de

garda 100 kHz

Spatiu de

garda 100 kHz

Spatiu de

garda 100 kHz

GSM → accesul multiplu de tip SDMA / FDMA / TDMA


FDD

Uplink= 890 ÷ 915 MHz

Downlink = 935 ÷ 960 MHz

ful(k) = 890,2 + (0,2)∙(k-1) MHz

fdl(k) = ful + 45 MHz

in care k = ARFCN ; 1 ≤ k ≤ 124ARFCN → numarul canalului de radiofrecventa alocat legaturii

MS

MS BTS

BTS


Canal fizicCanal fizic GSM → canalul se obtine prin alocarea unei purtatoare radio (perechi) pentru un interval de timp bine precizat (Time Slot, cu aceiasi indici ).

TDMA → 8 salve (burst) grupate → cadru = frame → 4.615 ms → 8 utilzatori numerotati 0 ÷ 7.

Masura timpului → durata unei salve = Time Slot = burst = 15/26 ms

TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7


TS0 TS1 TS2 TS3

TS0TS5 TS6 TS7

BTS transmite

Mobilul transmite

Mobilul nu trebuie sa emita si sa receptioneze simultanDecalare cu durata a 3 TS a emisiei BTS si Mobil → TDDSimplificare importanta a constructiei echipamentului


Tail (3 biti) : biti zero acopera perioada de ajustare a puterii de emisie la mobil →Stealing (Flag) : indica daca TS corespunde traficului sau datelor de semnalizareSecv. de antrenare sincronizarea receptorului, evita fadingul multicale→Perioada de garda : utilizata pentru a evita suprapunerea a doua mobile

Organizarea temporalaNecesara pentru a permite sincronizarea mobilelor cu reteaua

12 13 14 15 16 17 18 190 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 20 21 22 23 24 25

TCH

SACCH

TCH

neutilizat

26 Cadre = MulticadruMultiframe : durata 120ms

Cadrul (frame) TDMA : durata 120/26 ms

Tail3 biti Date 57 biti 1

bit26 biti secv.de antrenare

1bit Date 57 biti Tail

3 biti81/4 bitigarda

Stealing (Flag)TS = 15/26 ms


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Canale dedicate


canale dedicate

canale comune

superframe = 26x51=1326 frame

2048 superframe

Numerotare pentru supercadre, multicadre → se reia ciclic


Canale LogiceReteua GSM → informatii foarte diferite: voce, date, semnalizari pentru functionarea reteleiFunctie de natura informatiei transmise se definesc canale logice, prin transpunerea informatiei intr-un anumit canal fizic si asignarea anumitor parametrii ai transmisiei.

Organizarea canalelor logice depinde de tipul aplicatiei si de directia in carea are loc transmisia (uplink/downlink sau bidirectional)

Distingem doua grupe mari de canale logice: • canale de trafic (TCH), care transporta date de la utilizator • canale de control (CCH) care gestioneaza transmisiunea

Canalele de trafic transporta voce si date ale abonatului → se doreste ca sa aiba o viteza de transmisie cat mai ridicata

Canalele de control transporta date necesare realizarii comunicatiei si functionarii retelei (semnalizare, sincronizare, informatii privind parametrii ai transmisiei, mobilitatea, etc) → se doreste ca sa aiba viteze cat mai mici pentru a ocupa cat mai putin din capacitatea canalului.


Organizarea canalelor logice

TCH (trafic)

CCH(control)

BCH

CCCH

Dedicate

2.4 kbps4.8 kbps9.6 kbps

FCCH (Corectarea frecventei)

SCH (Sincronizare)

PCH (Paging → dl)

RACH (Random Access → ul)

AGCH (Access Grant → dl)

SDCH (Stand Alone)

SACCH (Slow-associated)

FACCH (Fast-associated)

Half rate 11.4kbps

Full rate 22.8kbps

Vorba

Date Canale logice GSM


TCH → Traffic channels → canale dedicate → transport vorba si date• TCH/F → canalele de trafic cu debit intreg (Full-rate Traffic CHannels)

utilizeaza grupul de 26 cadre TDMA → 22,8 kb/s (voce 13kb/s + FEC)• debit date: 12, 6, 3.6 kb/s +FEC → debit mai mare la GPRS → utilizare

canale logice multiple• durata multicadrului : 26 ∙ 8 ∙ 15/26 ms = 120ms → denumit Multicadru 26 • 24 cadre rezervate pentru trafic• 1 cadru utilizat pentru Slow Associated Control Channel (SACCH)

– utilizat pentru semnalizari care nu sunt critice• 1 cadru in mod curent nu este folosit

– aceasta perioada permite mobilelor sa realizeze alte functiuni ca de ex. masurarea nivelului semnalului din celulele invecinate

• TCH/H → canale de trafic cu debit jumatate (Half-rate Traffic CHannels) → 11.4 kb/s

– dubleaza capacitatea sistemului– structura multicadrului 26 diferita fata de cele cu debit intreg– codarea la debit jumatate definita in specificatile din faza 2-a

» la 6.5 kbs in loc de 13 kbs• sunt specificate si canale cu debit 1/8 → utilizate pentru semnalizare


Canalele de control (Control channels) → mesaje management si intretinere retea•BCH → Broadcast Control CHannel :

– transmite identitatea BS, frecventele alocate BS, secventa alocata salturilor de frecventa, lista celulelor vecine pentru a fi monitorizate

•SCH → Synchronisation CHannel :– transmite mobilului una din cele 8 secvente definite pentru antrenare in

vederea realizarii egalizarii – MS compara aceasta cu secventa de antrenare primita in fiecare TS

•FCCH → Frequency Correction CHannel :– referinta de frecventa a retelei → sincronizeaza MS cu reteua

•PCH → Paging Channel : se face anuntul catre MS ca este apelat•RACH → Random Access CHannel :

– utilizat de MS pentru a cere accesul in retea•AGCH → Access Grant CHannel :

– utilizat de BS pentru a transmite catre MS ce canal sa utilizeze•SDCH → Standalone Dedicated Control CHannel :

– pentru schimburi de semnalizari bidirectionale•SACCH → Slow Associated Control CHannels → asociat fiecarui TCH

– date non critice privind parametri de masura si control •FACCH → Fast Associated Control CHannels → poate sa inlocuiasca un

TCH– date urgente (ex. semnalizare handover, autentificare)


Realizarea legaturii radioBTS si MS → clasificare in clase, functie de puterea de emisieBTS → 2,5 ÷ 320 w, clase de putere de 3 dB → in cadrul unei clase variatia in trepte 6x2 dBMS → 0,8 ÷ 20 w, 5 clase, reglaj in trepte de 2 dB

Propagarea de tip NLOS → fading pe termen scurt (Rayleigh) → treceri sub pragul stabilit pentru S/I

Conduc la aparitia ISI si cresterea BER

tms

dB Nivel semnal

Prag

Apare si o dispersie a intarzierilor semnalului receptionat


Mijloace de combatere a acestor fenomene nedorite:• controlul adaptiv al puterii → asigurarea S/I optim• egalizarea canalului• transmisia discontinua (DTX) cu detectia activitatii vocale• saltul lent de frecventa (Frequency Hopping) → fadingul depinde de λ– F H → pe amble sensuri de comunicatie (Uplink si Downlink) .– Frecventa se modifica la fiecare cadru TDMA ( se realizeaza o

calitate egala a canalelor)– FH → proces continuu– MS poate sari (Hop) pe maximum 64 frecvente cu viteza de 217 H/s– Secventele de realizarea a salturilor → Ciclic sau Non-Ciclic– Sunt posibile 63 secvente de salt Non-Ciclic – In aceiasi celula pot fi utilizate secvente de salt diferite– BS alege secventa de salt si o transmite prin BCCH– FH → optionala pentru BS, obligatorie pentru MS


Etapele de procesare in GSM

Decodare Vorbire

Decodare Canal

De- Intretesere

Formare Salve

Decriptare

DemodulationModulare

Criptare

Formare Salve

Intretesere

Codare Canal

Codare Vorbire

Interfata Radio

Vorba Vorba

13 Kbps

22.8 Kbps

22.8 Kbps

33.6 Kbps

33.6 Kbps

270.83 Kbps

Vorba = semnal analogic audio → informatia principala → necesita o prelucrare laborioasa in banda de baza pentru a fi transmisa ca semnal digital

Etapele → pot cuprinde mai multe procese


La codorul de canal

Voce

0,4 ÷ 3,5 kHz

EsantionareCuantizare

Codorul pentru voce trebuie sa realizeze o compresie a fluxului de date de 104 kbps la 13 kbps → 8 ori → codare parametrica (RPE – LTP)

RPE-LPC : Regular Pulse Excited – Long Term Prediction (GSM 06.10)

x(n)

Extragere parametrii

model

Model

x(n)+

- em(n)

pm

(n)xmˆModel

++ x(n)

(n)xmˆ

Principiul codarii parametrice → ambii parteneri cunosc apriorii structura modelului

Codor Decodor

Semnal

Estimatul Semnalului

parametrii

Semnal eroare model


Semnalul audio vocal → semnal nestationar, lent variabil in timpPe durate de 15 ÷ 30 ms poate fi considerat quasistationar → cadre de 20ms ≈ 1 perioada glotala pentru voce grava sau 10 perioade pentru voce inalta

Modelul → pe baza modelului tractului vocal uman → analiza si sinteza vorbirii

Preprocesare x(n)s(n) Semnalul audio vocal s(t) → esantionare si formare cadre de 20 ms → 160 esantioane x 13 biti

Preprocesare → eliminare componenta de cc si accentuare frecvente inalteSemnalul x(n) → analiza liniar predictive pe termen scurt (LPC : Linear Prediction Coding filter) → se determina parametrii de model → cuantizati si codati → Coeficientii LAR (Log Area Ratio) → 36 biti / 20msEliminare corelatiei dintre 8 esantioane succesive → Filtru de eroare a predictiei antegrade pe termen scurtEliminare (reducerea) corelatiei pe termen lung (periodicitatea fonemelor sonore) → Filtru de eroare a predictiei antegrade pe termen lung → coeficientii LTP (Long Term Prediction filter) → 9biti / 5 ms

Legare in bucla → semnalul rezultat aplicat unui bloc functional RPE (Regular Pulse Excitation signal) → 47 biti / 5 ms


260 bits/20 msla codorul de canal → 76 parametrii

LPC (LAR): linear prediction coding LTP: long term predictionRPE: regular pulse excitationExperimental → eronarea bitilor ce formeaza cadrul vocal (260biti / 20 ms) are efect diferit asupra calitatii → 6 clase de importanta → 3 clase de protectie

Codarea de canal Codare convolutionala si intreteserea blocurilor pentru a obtine protectia la erori a blocului de 260 biti, divizat in cele trei clase de protectie → TCH / F clasa 1a : 50 biti – cei mai sensibili la erori de bit → protejare cu 3-biti de paritate clasa 1b : 132 biti – cu sensibilitate moderata la erori biti din clasa 1a si cei de paritate + biti din clasa 1b sunt aplicati unui codor convolutional cu debit ½ clasa 2 : 78 biti – cei mai putin sensibili la erori → se concateneaza


Clasa 1a: CRC (3-biti detectia erori) si codare convolutionala (corectia erorii)Clasa 1b: codare convolutionala Clasa 2: fara protectie la eroare

clasa 1a clasa 1b clasa 2

50 biti 132 biti 78 biti

3 biti paritate 182 bits

codarea convolutionala de bloc

biti neprotejati

260 bits

clasa 1a 3-biti paritate

codo

r co

nvol

utio

nal

r =

½

clasa 1b

clasa 2

tail biti4/

50/

3/

132/

78/

189/

189/

mux

intr

etes

ere

378/

456 biti / 20 ms/

22,8 kbps

codare de canal


Cadru 20 ms

Procesarea datelor pentru vorba


de la codorul de canal

blocurisegmente 57-biti

segmente 114-biti

salva TCH / F

IntretesereaIntreteserea → egalizare a erorilor Blocul → divizat in 4 → 114 biti

Segmentele de la doua blocuri → amestecate (intretesere) → 57+57 bitiBiti din cele 4 subblocuri → amestecate (intretesere) → 8 segmente


Evolutia sistemelor mobile celulare


Sistemul GSM → sistem de generaţia 2-a → evoluează prin GPRS , HSCSD şi EDGE → UMTS


Principalele obiective → marirea debitului de date, marirea capacitatii si integrarea cu celelate retele


HSCSD nu presupune schimbări de echipamente (schimbări hardware) în reţeaua GSM → reţea care utilizează comutaţia de circuite în transmisia de date.

HSCSD – High Speed Circuit Switched DataHSCSD este o variantă îmbunătăţită de GSM care permite unui utilizator obişnuit

GSM să stabilească legături de date la debite de până la 57.6 kbps.Acest debit este obţinut prin posibilitatea operării pe canale (sloturi) temporale multiple.

Se pot atribui până la 4 canale de trafic pentru un utilizator → pe un canal se pottransmite 9.6 kbps utili sau 14.4 kbps (variantă obtinuta prin reducerea protecţiei datelor pe interfaţa radio Um) Extinderea ratei la 14.4 kbps → anterior HSCSD.

Debite utile maxime 4x9.6 kbps=38.4 kbps sau 4x14.4 kbps=57.6 kbps

Utilă şi eficientă în aplicaţiile de timp real de debit mediu şi este o bună pregătire pentru pasul următor: GPRS.


GPRS –General Packet Radio ServicePrincipalele metode de comutaţie sunt: comutaţia de circuite → Reţeaua GSM comutaţia de mesaje; comutaţia de pachete de date

• Comutaţia de pachete fără conexiune (sau neorientată pe conexiune) → internetul.

• Comutaţia de pachete orientată pe conexiune (sau circuit virtual) → configurarea unui circuit logic, numit circuit virtual. X.25 şi ATM.

GSM → standardizarea şi dezvoltarea GPRS → gestionată în faze. Faza I → standardele au fost create în 1997 → exploatarea comercială în anul 2000

Faza 2+. transferul de date în mod pachet punct la punct; serviciile SMS peste GPRS; tarifarea în funcţie de volumul de date transferat; interoperarea în mod pachet cu reţele IP si X.25.


GPRS → infrastructura ce permite transmiterea datelor pe baza comutaţiei de pachete într-o reţea GSM → debite de la 14 kbps la maximum 170 kbps.Reprezinta trecerea de la comutaţia de circuite la cea de pachete. Schimbarea tipului de comutaţie (2.5G şi 3G) → transmiterea datelor vocea → comutată prin MSC.Soluţiile utilizate pentru creşterea eficienţei utilizării resurselor radio sunt: reducerea codării canalului → creşterea ratei de transmisie a datelor (sunt

definite 4 scheme de codare: 9.05kbps, 13.4 kbps, 15.6 kbps, 21.4kbps); operare multislot → până la 8 sloturi temporale per utilizator (HSCSD) multiplexarea mai multor utilizatori pe acelaşi canal fizic → transmisie de

pachete → maximum 8 utilizatori pe slot temporal); alocare asimetrică uplink/downlink; alocarea dinamică a canalelor între servicii comutate în mod circuit respectiv

pachet.Cadru TDMA alocat unui utilizator cu schema de protecţie minimă (fără corecţie de erori) → rezultă rata utilă instantanee maximă posibilă în GPRS (8x21.4 kbps = 171.2 kbps).


BSS Base Station SystemBTS Base Transceiver Station

BSC Base Station Controller

NSS Network Sub-SystemMSC Mobile-service Switching Controller

VLR Visitor Location Register

HLR Home Location Register

AuC Authentication Server

GMSC Gateway MSC

SGSN Serving GPRS Support Node

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Service

Arhitectura GPRS

SS7BTS

BSC MSC VLR

HLR AuC

GMSC

BSS

PSTN

NSS

AE

CD

PSTNAbis

B

H

MS

IP

2G+ MS (voce & date)

PSDNGi

SGSN

Gr

GbGs

GGSN

Gc

Gn

2G MS (doar voce)


GPRS → o reţea nucleu proprie formată prin interconectarea serverelor care gestionează transmisia de pachete → noduri suport GPRS (GSN- GPRS Suport Node).Reţeua → operează în paralel cu subsistemul reţea şi comutaţie (NSS) al GSM, care gestioneaza în continuare transmisia cu comutaţie de circuiteGSN- GPRS → două tipuri: noduri care servesc abonaţii mobili (SGSN) şi noduri

poartă (GGSN).

SGSN (Serving GSN) → rol principal gestiunea mobilităţii şi a comunicaţiei (ca şi MSC în GSM);

GGSN (Gateway GSN) → rol principal asigurarea interoperării cu reţele exterioare (ca şi GMSC în GSM ).

GGSN asigură interoperarea cu reţele de date de tip X.25 şi IP.

Funcţiile de interoperare pot fi integrate într-un echipament unic (ca şi în GSM), un SGSN devenind şi GGSN.

Realizeaza interconectarea cu alte retele externe cu transmisia tip pachet de date

Permit realizarea facturarii pe baza de volum de date sau de timp de conectare


Elemente comune:– Partea radio:• Base Station Sub-system (BSS=BTS+BSC), care reprezinta

70% din costul hardware-ului• interfata radio (Um)– Bazele de date: HLR, VLR, AUC, EIR

Comparatie GSM - GPRS

Elemente noi in GPRS:

– Packet Control Unit: PCU in BSS

– SGSN, GGSN

– Interfete: Gb, Gi, Gn, etc.

– Software nou, dedicat


EDGEEDGE: Enhanced Datarates for GSM Evolution.

Evolutia sistemului GSM → realizata prin introducerea suplimentara fata de GMSK a modulatiei 8-PSK.

ECSD: Enhanced Circuit-Switched Data.Evolutia EDGE din HSCSD (release 99).

EGPRS: Enhanced General Packet Radio Service.Evolutia EDGE din GPRS (release 99).

GERAN: GSM/EDGE Radio Access Network. → Varianta 5 de standardizare a evolutiei tehnologiei GSM si EDGE

EDGE evoluează din GPRS → comutaţia de pachete de date, operare multislot, codare adaptivăEDGE → noua scheme de modulatie si codare → introduce o modulaţie cu eficienţă spectrală mai mare → 8-PSK liniară pentru cinci variante superioareRata de simbol → identică cu rata GMSK → 270.833 kbps8 canale de trafic / utilizator → debitul de bit maxim → 384 kbps.EDGE → considerata ca tehnologia de generatia 2.75 a sistemelor celulare mobile


Acoperire 8-PSK

TRX apt EDGEcompatibil GSM

Acoperire GSM

A-bis

BTS

BTS

MSC

Gn

GGSN

Terminal EDGE, compatibil GSM

Interfete care suporta debit mai mare de date

GbBSC

A

SGSN

Functionalitate EDGE in elementele retelei

Implementarea EDGE pe retele GSM existente


Scheme de codare GPRS & EGPRS• GPRS → patru scheme de codare,

CS-1…4 → GMSK.• EGPRS → scheme de codare si

modulatie → MCS-1...9.• MCS-1...4 → GMSK,

MCS-5...9 → modulatie 8-PSK

CS-120

CS-230

CS-336

CS-450

8 kbps

12 kbps

14.4 kbps

20 kbps

MCS-7

MCS-122

MCS-228

MCS-337

MCS-444

MCS-556

MCS-674

5656

MCS-86868

MCS-974 74

redundancy fromchannel coding

RLC data block,number of octets

RLC/MAC block(radio block)8.8 kbps

11.2 kbps

14.8 kbps

17.6 kbps

59.6 kbps

22.4 kbps

29.6 kbps

44.8 kbps

54.4 kbps

8PSK


In concluzieIn concluzieAplicatiile pentru comunicatii mobile migreaza spre multimedia

GSMGSM GSM faza 2+GSM faza 2+ UMTSUMTS

Retele GSM evolueaza spre 3G

SMSSMS WAPWAP InternetInternet

Retele Wireless

WLAN


Definitii (UIT)

• Fixed wireless access (FWA) → acces radio fix → aplicatie de tip acces wireless, in care amplasarea (locatia) terminalului utilizatorului final si punctul de acces in retea la care se va conecta acesta sunt fixe.

• Mobile wireless access (MWA) → acces radio mobil → aplicatie de tip acces wireless, in care amplasarea (locatia) terminalului utilizatorului final este mobila.

• Nomadic wireless access (NWA) → acces radio nomad → aplicatie de tip acces wireless, in care amplasarea (locatia) terminalului utilizatorului final poate fi in diferite locatii dar el trebuie sa fie stationar cand este activ (functioneaza)

Definitia generala a retelei → Orice aranjament de elemente ce sunt interconectate Scopul fundamental al realizarii retelei → furnizarea unor proceduri bine definite de interconectare si curgere a informatiei intre noduriAlt scop → Asigurarea fiabilitatii comunicatiei


LAN → Local Area Network → grup de computere si dispozitive asociate care impart in comun o linie de comunicatii sau o legatura radio, si in mod tipic si resursele unui singur procesor sau server intr-o arie geografica mica. Poate contine de la 2 ÷ 3 utilizatori la mii de utilizatori

Wireless LAN → o retea locala la care interconectarile se realizeaza prin mijloace radio, cel mai frecvent in banda de frecvente ISM. Legatura radio este de tip NLOS.Punctele de acces in retea sunt in esenta niste base station → AP → sunt conectate la un hub Ethernet sau server si acopera cu semnal o zona cu raza de zeci, sute de metri, prin penetrarea zidurilor si a altor obstacole nemetalice.Access controller → echipamentul hardware ce face parte din partea cablata a retelei si care este dispus intre AP si partea protejata a retelei.Utilizatorii mobili pot fi preluati de la un AP la un altul similar ca intr-un sistem celular.

Protocoale → regulile si specificatile de codare cu privire la datele ce se transmit. Protocolul defineste formatul si semnificatia datelor care sunt schimbate in retea.Protocolul determina de asemenea daca reteaua utilizeaza o arhitectura PP sau client / server.


Topologia → aranjamentul geometric al dispozitivelor dintr-o retea sau forma de realizare a unei retele locale (LAN) sau a altor sisteme de comunicatii. Topologia Bus (magistrala) →

toate dispozitivele sunt conectate la un cablu central → bus sau backbone → relativ ieftine, usor de instalat → Ethernet

Topologia in stea → toate dispozitivele sunt conectate la un hub central → usor de instalat → se pot produce blocari la nivelul hub → comutatoare de retea.

Topologia in inel → dispozitivele sunt conectate unul dupa altul , in bucla inchisa → relativ scupe si dificil de instalat → permit o largime de banda mare si pot fi realizate pe distante mari

Stea

Inel

Bus


Hub → dispozitiv de retea fara inteligenta care transmite cate un semnal catre toate dispozitivele conectate la el → datele care intra intr-un port sunt distribuite catre celelalte porturi → cel mai frecvent sunt utilizate in retelele cu topologie in stea, permit adaugarea sau scoaterea din retea foarte usor → fac parte din PF 1 OSI.

Switch → comutator de retea → imparte o retea de dimensiuni mari in segmente mai mici, reducand numarul de utilizatori care folosesc aceleasi resurse de retea → stabileste o conexiune /comutare intre doua dipozitive care vor sa comunice intre ele → ajuta la prevenirea coliziunilor la transmisia de date si reduce congestia de date imbunatind performantele retelei → fac parte din PF 2 OSI.


Bridge → conecteaza doua LAN si directioneaza sau filtreaza pachetele de date dintre ele → oricare doua statii de lucru din cele doua retele pot schimba date intre ele → transparente pentru protocoale si dispozitivele de la alte niveluri ca de ex. routerele → directioneaza datele functie de adresa Hardware (MAC) si nu de adresa de retea (IP) → fac parte din PF 2 OSI

Repetoare → utilizate pentru a mari nivelul semnalului intre doua portiuni de cablu sau doua AP wireless → nu pot conecta doua arhitecturi de retea diferite → realizeaza o refacere a formei semnalului si sincronizarilor → fac parte din PF 2 OSI


Router → dispozitiv care poate conecta orice numar de LAN –uri → utilizeaza protocoale standard pentru mutarea pachetelor de date la destinatia lor → mai complexe decat Bridge conecteaza retele cu topologii diferite → dirijeaza datele dupa adresa de retea (IP) si nu dupa cea de hardware (MAC) → fac parte din PF 3 OSI.

Network Interface Cards → (NIC) → pun datele in pachete si le transmit in retea → pot fi pentru retele cablate sau retele radio → la laptopuri in slot de tip PCMIA sau incluse in carduri PC → desktop si servere → carduri de tip plug-in ISA, PCI, etc)

Gateway → conecteaza retele cu protocoale diferite Proxy server → server care izoleaza reteua interna de internet


Tehnologii de acces WirelessDAB

HiperLAN2,802.11a/.11gvi

teza

rela

tiva

[km

/h]

250

100

50

5

0

10 kbit/s 2 Mbit/s 20 Mbit/s 150 Mbit/s

DECT

UMTS

GS

M, TE

TRA

Debit de date

802.11b

Bluetooth

Sisteme de distributie punct-multipunct

FDD

TDD

limita fizic / economica

ED

GE


ExtremelyLow

VeryLow

Low Medium High VeryHigh

UltraHigh

SuperHigh

Infrared VisibleLight

Ultra-violet

X-Rays

AudioRadio UM

Radio US Radio FM Television Infrared wireless LAN

902 - 928 MHz26 MHz

Celulare)G3 (1.9GHz)

2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz

(IEEE 802.11)

5 GHz(IEEE 802.11)

HyperLANHyperLAN2

ETSI → benzi putin diferite : 5.15 – 5.35 GHz si 5.47 – 5.725 GHz.• 12 canale in banda 5 GHz, fiecare cu largime de banda de 20 MHz fara suprapunere• Conditii suplimentare ETSI → alocarea dinamica a frecventelor (Dynamic Frequency Selection – DFS ) si controlul puterii la emisie ( Transmit Power Control – TPC ) → au condus la elaborarea standardului IEEE 802.11h → Max. 200 mW EIRP• DFS si TPC nu sunt necesare daca puterea de emisie este permanent mai mica de 50mW EIRP si se utilizeaza doar banda de 5.15-5.25 GHz

Benzi de frecventa ISMISM → benzile pentru serviciul Industrial, Scientific, Medical → fara licenta 22MHz


Standardizarea retelelor Wireless• Retelele Wireless sunt standardizate de catre IEEE.• Coordonare → comitetul de standardizare pentru 802 LAN MAN.

ApplicationPresentation

SessionTransportNetwork

Data Link

Physical

ModelulISO –OSI 7 PF

Logical Link Control

Medium Access (MAC)

Physical (PHY)

StandardeIEEE 802


• IEEE 802.11 → standard ce defineste o retea wireless pentru o zona locala → WLAN → comparat cu standardul 802.3 Ethernet LAN.

• Specificatiile 802.11 se refera la PF fizic –PHY si la PF al controlului mediului de acces – MAC → asigura compatibilitatea intre echipamentele de la diferiti producatori.

• Prima varianta – 1997 → 2 Mbps cu legatura in InfraRosii (IR) si wireless in banda ISM de 2,4 GHz → MAC – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) → deficiente privind interoprabilitatea

• Apar variante bazate pe nucleul de baza al standardului

Definirea unor termeni

Wi-Fi → Wireless FidelityTermen generic aplicat oricaror retele 802.11 Wi-Fi Alliance → organizatie non-profit la nivel mondial, avand drept scop realizarea adoptarii unui singur standard acceptat la nivel mondial pentru retele WLAN de viteza mareRetea Wi-FI → se conformeaza specificatilor Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA)Produsele certificate Wi – Fi → compatibile indiferent de producator → sigla


• IEEE 802.11– Specifica PF1– PHY si PF2 – MAC pentru retele WLAN – PF2 – MAC → protocol CSMA/CA– PF1– PHY: DSSS, FHSS, 2.4GHz, DBSPK, DQPSK, IR → 1 Mbit/s, 2 Mbit/s• IEEE 802.11 a– PF1– PHY de mare viteza in banda de 5 GHz, (1999)– OFDM cu BPSK, QPSK, 16-QAM si 64-QAM, rata de codare 1/2, 3/4 conduce la debit de date de 6 – 54 Mbit/s• IEEE 802.11 b– Extindere PF1– PHY de mare viteza in banda de 2.4 GHz (1999)– Suplimentar 2 scheme de modulatie : CCK, PBCC 5.5 sau 11 Mbit/s– Utilizeaza DSSS, poate sa devina compatibil cu 802.11 de 1 Mbit/s• IEEE 802.11 g– O noua extindere PF1– PHY de mare viteza in banda de 2.4 GHz (2003)– OFDM in banda de 2.4 GHz– Debit de date pana la 54 Mbit/s la fel ca in 802.11a– Compatibil cu 802.11• IEEE 802.11h (2003)– Management al spectrului ETSI (Europa) pentru banda de 5 GHz – (802.11a)– DFS (Dynamic Frequency Selection) / TPC (Transmit Power Control)• IEEE 802.11c-v – in lucru


IEEE 802.11infrastructura retelei

retea ad-hoc

APAP

AP

retea cablata

AP: Access Point


IEEE 802.16 → standard care defineste reteua wireless pentru o zona metropolitana → WMAN → proiectat sa accepte utilizatori nomazi si stationari.

IEEE 802.16e → varianta evoluata care mareste mobilitatea (viteze de vehicol – max. 150 km ) si creste debitul de date → utilizeaza OFDM

Solutie de realizare a buclei locale pentru accesul de banda larga, inlocuind cablul, DSL sau T1 / E1

Tehnologie complementara de conectare a AP din WiFi la internet 75 Mbit/s pana la 50 km pentru LOS, pana la 10 km pentru NLOS; benzi in

domeniul de frecventa 2 ÷ 66 GHz Variante: 802.16: 10-66 GHz; 802.16a: 2-11 GHz in benzi licentiate; 802.16b:

5-6 GHz Canale de banda larga – 20, 25, 28 Mhz, capacitate pe ambele sensuri MAC – OFDM, TDM/TDMA, TDD/ FDD, profil adaptabil al salvei Modulatie adaptiva WiMAX = Worldwide Interoperability for Microwave Access WiMAX → Forumul WiMAX este o organizatie non-profit a industriei creata ca

sa promoveze si sa certifice compatibilitatea si interoperabilitatea produselor wireless de banda larga → promoveaza standardele IEEE 802.16 si ETSI HiperMAN


Modulatia adaptivaReteaua alege dinamic cea mai buna forma de modulatie functie de calitatea canalului


WPAN

IEEE 802.15.4 → varianta de debit mic denumit → ZigBee → PHY: 868; 915 MHz si 2400 MHz

WPAN → Wireless Personal Area Network Zona acoperita mai mica → 1m ... cativa km Frecventele utilizate depind de cerintele impuse de transfer Mai multe protocoale specifice → Aria de aplicatii este enorma • Communicatia dintre dispozitive mobile (telefoane, aparate foto, computere, periferice, etc.)• Retele de senzori in automatizari casnice si industriale

IEEE 802.15 → standarde pentru retele Wireless personale → cinci grupuri de lucru

IEEE 802.15.1-2002 → standard WPAN bazat pe specificatiile Bluetooth v1.1

Bluetooth → interfata universala pentru conectari wireless ad-hoc → computere, periferice dispozitive handheld, PDA, telefoane mobile, etc → inlocuire IrDAIEEE 802.15.3 → variante de debit mare

IEEE 802.15.3a → varianta de debit mare denumita → UWB (Ultra Wide Band) → Multi Band-OFDM


Aplicatia principala → Senzori si Control:

Automatizari casnice

Automatizari industriale

Masuratori la distanta

Retele pe automobile

Jucarii Interactive

Urmarire RFID active

Medicale

ZigBee → Metoda de acces: CSMA/CA• modulatie: DS-SS• 20kbps (868MHz) – 250kbps (2.4GHz)• Reteaua poate contine pana la 216 dispozitive


Elementele unei retele tip Wireless LAN

Wireless LAN

Conventional Wired LAN Access PointAccess Point

Access Access

NodeNode


Definirea retelei

Retele Wireless pentru zone personale (WPAN)

Retele Wireless pentru zone personale cu debit scazut (LR-WPAN)

Retele Wireless pentru zone locale (WLAN)

Retele Wireless pentru zone metroplitane (WMAN)

Standard IEEE

IEEE 802.15.1

IEEE 802.15.4

IEEE 802.11

IEEE 802.16

Denumire

Bluetooth

ZigBee

WiFi

WiMAX

Variante de retele wireless in standardul IEEE 802


Retele Wireless

SenzoriIEEE 802.15.4(Zigbee Alliance)

RFID(AutoID Center)

IEEE 802.15.3 UWB, Bluetooth

Wi-Media, BTSIG, MBOA

WAN

MAN

LAN

PAN ETSI HiperPAN

IEEE 802.11 Wi-Fi Alliance

ETSI-BRAN HiperLAN2

IEEE 802.16d WiMAX

ETSI HiperMAN &

HIPERACCESS

IEEE 802.20IEEE 802.16e

3GPP (GPRS/UMTS)3GPP2 (1X--/CDMA2000)

GSMA, OMA

RANIEEE 802.22

Radio Aria Network


Retea cu Infrastructura :Reteaua wireless are un element central fix care gestioneaza reteaua si prin intermediul caruia au loc toate procesele de comunicare.

Retea Ad hoc :Reteaua wireless nu are un element central fix sau acesta este alocat dinamic astfel ca topologia retelei se poate schimba in decursul timpului fara interventia utilizatorului. Astfel de retele sunt mult mai flexibile si sunt mult mai dificil de gestionat.

Topologia retelelor Wireless

Reteaua

IEEE 802.15.1 WPAN (Bluetooth)

IEEE 802.15.4 LR-WPAN (ZigBee)

IEEE 802.11 WLAN (WiFi)

IEEE 802.16 WMAN (WiMAX)

Topologia

Ad hoc (cu element central alocat dinamic)

Ad hoc

Infrastructura (posibil si ad hoc)

Infrastructura


Retea

IEEE 802.15.1 WPAN (Bluetooth)

IEEE 802.15.4 LR-WPAN (ZigBee)

IEEE 802.11 WLAN (WiFi)

IEEE 802.16 WMAN (WiMAX)

Debit de date maxim

1 Mbit/s (Bluetooth v. 1.2)3 Mbit/s (Bluetooth v. 2.0)

250 kbit/s

11 Mbit/s (802.11b)54 Mbit/s (802.11g)

134 Mbit/s

Debite de date maxime pe un canal


Debitul de date in retele wireless

Debit date (Mbps)

Zona

ZigBee802.15.4 802.15.3

802.15.3a802.15.3cWPAN

WLAN

WMAN

WWAN

WiFi802.11

0.01 0.1 1 10 100 1000

Bluetooth802.15.1

IEEE 802.22

WiMaxIEEE 802.16

IEEE 802.20



Retele Wireless si Mobile



Furnizorii de servicii mobile internet inzestreaza nodul IP cu abilitatea de retine aceiasi adresa IP si de a mentine conectivitatea neintrerupta cand terminalul se deplaseaza in cadrul retelei (subretele) sau intre retele

Internet

Host BGateway A171.68.0.0

Gateway C140.31.0.0

Mobile Router171.68.69.0171.68.70.0 Mobile Router

171.68.69.0171.68.70.0


Integrarea IP mobil si GPRS

Internet

WLAN WLAN HotspotHotspot

Serving GPRSSupport Node(SGSN)

BSC

BTS

Gateway GPRSSupport Node(GGSN)

RADIUS Server

GPRSGPRSBackboneBackboneNetworkNetwork

(IP-Based)(IP-Based)GTP

AP

Home Agent

Functia de Foreign Agent (FA poate fi adaugata la GGSN si WLAN Access Router, desi retelele mobile Mobile IP lucreaza bine si fara FA.


• Mobile Router (MR)• Home Agent (HA)• Foreign Agent (FA) [1 Hop Away from MR]• Care of Address (CoA) [Tunnel Endpoint]• Correspondent Node (CN)• Security Association (SA) [SPI/Key]• ICMP Router Discovery Protocol (IRDP) [Advertisement]• Registration Request (RRQ)

Terminologia pentru IP mobil

MR

HA FA

CNInternet


Bluetooth• Bluetooth → solutie a unui sistem wireless ce cuprinde cerintele hardware,

software si de interoperabilitate → standard deschis• retea de tip WPAN ce leaga laptopuri, PC-uri, periferice, telefoane mobile,etc• Document in doua volume: vol.1 – Partea centrala (Core ); vol 2 – Profile • Specificatiile Bluetooth elaborate de Bluetooth SIG ( Special Interest Group )

– 1994 ideia apartine specialistilor de la Ericsson– 1998 Februarie : se formeaza grupul Bluetooth SIG

• promotori grupul de companii : Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba– 1998 Mai : Bluetooth SIG devine “public”– 1999 Iulie : este publicata specificatia 1.0A spec (>1,500 pagini)– 1999 Decembrie : se lanseaza ver. 1.0B si se mareste numarul membrilor cu

3Com, (Lucent) Agere, Microsoft, Motorola– 2000 Februarie : existau 1,500+, in prezent peste 2500

• versiuni: 0.7 ---> 0.9 ---> 1.0A ---> 1.0B ---> 1.1 --> • 2003 Noiembrie: versiunea 1.2• 2004 Noiembrie: versiunea 2.0 ( denumita EDR or Extended Data Rate)

– se mareste debitul de date la 2,1 ÷ 3 Mb/s• In prezent in testare versiunea 2.1


Banda ISM 2.4 GHz → 79 (23) canale RF distantate la 1 MHzCanalul 0: 2402 MHz … canal 78: 2480 MHz; spaţiu de gardă de 2 MHz la limita inferioară şi de 3,5 MHz la limita superioară

Modulatie GFSK → filtrul Gaussian având BT=0.5 1-100 mW putere de emisie → 3 clase: 100 mW (reglaj), 2.5 mW, 1 mW

MAC → FHSS si TDD Salturi de frecventa → 1600 hops/s → Secventele de salt intr-o maniera pseudoaleatorie, determinate de master → durată de 625 μsec pentru slotul de timp asignat unui hop TDD pentru separarea sensurilor de transmisie


Legatura de voce → SCO (Synchronous Connection Oriented), cu FEC (forward error correction) fara retransmisie, duplex 64 kbps, punct la punct, comutare de circuite

Legatura de date → ACL (Asynchronous ConnectionLess) → asincron, recunoastere rapida, punct – multipunct, debit date pana 433,9 kbps in mod simetric si 723.2/57.6 kbps in mod asimetric, comutare de pachete

Topologie:Celule ad-hoc ce se suprapun → piconets (stea) → formeaza un scatternet


• piconet → poate avea minim doua dispozitive şi maxim opt. • Intotdeauna unul din ele acţionează ca master iar celelalte acţionează ca

slave. • Intr-un piconet pot fi opt dispozitive active (un master şi şapte slave) dar mai

pot fi incluse şi alte dispozitive slave în stare de aşteptare (parked).• Aceste dispozitive nu pot fi active dar rămân sincronizate, în stare de

aşteptare. • Atât dispozitivele active cât şi cele în stare de aşteptare sunt controlate de

catre master. • Un dispozitiv poate aparţine la mai multe piconet-uri simultan. • Piconet-ul se stabileşte dinamic şi automat după cum un dispozitiv intră sau

parăseşte zona. • Combinaţia de piconet-uri care folosesc simultan dispozitive aflate în zone ce

se suprapun → scatternet. • Intr-un piconet poate să existe un singur master dar un dispozitiv master din

cadrul unui piconet va fi slave în celelate din care face parte • Fiecare piconet are propriul său canal logic de transmisie. • Numărul maxim de piconet-uri care pot fi interconectate într-un scatternet,

fără ca să apară conflicte, este de opt


Configuratile ce pot apare sunt: – Un singur punct la un singur punct (Piconet): In aceasta topologie

reteaua este formata din un dispozitiv master si un dispozitiv slave.– Multipunct (Piconet): aceasta topologie combina un dispozitiv

master si sapte dispozitive slave intr-o retea ad-hoco Scatternet: un grup de Piconeturi legate prin intermediul unui

dispozitiv care are rolul de slave in unul din piconeturi si are rolul de master in celalalt piconet.

M

S

Piconet (Punct-la -Punct)

M

SS

S

S

Piconet (Multipoint)

M

S S S

M

S S

MasterSlave

Scatternet


Starile de conectare in Bluetooth Exista patru stari de conectare la un dispozitiv

Bluetooth : Active: atat master cat si slave participa activ

la procesul de comunicatie, transmitand si receptionand packetele de date (A,B,E,F,H)

Sniff: in acest mod slave nu asculta in fiecare slot ca sa determine ca este un mesaj de la master pentru el ci doar la anumite sloturi bine precizate “adulmeca” ce se intampla. In pauze consumul energetic este redus ( C ) .

Hold: funcţionează doar clock-ul intern, slave poate să ceară singur trecerea în această stare sau să fie trecut de către master. Temporar nu suporta ACL Transferul de date începe instantaneu când se face trecerea la starea Activ ( G )

Park: slave sta sincronizat dar nu participa la piconet, primeste Parking Member Address (PMA) si pierde Active Member Address (AMA) (D,I)

E

A

G

H

C

D

I

H

C

B

F

Master


Inquiry: pentru a determina identitatea dispozitivelor Bluetooth din apropiere.

Inquiry Scan: in aceasta stare dispozitivele asculta pentru interogari de la alte dispozitive.

Inquiry Response: slave raspunde cu un pachet care contine codul sau de acces, clock-ul si alte informatii despre el.

Page: master trimite un mesaj de anunt comunicand la slave codul de acces al dispozitivului (DAC) in diferite canale hop.

Page Scan: slave asculta la una din frecventele de hop obtinuta din secventa sa de pagina in fereastra scanata.

Slave Response: slave raspunde la mesajul de anunt de la master

Master Response: master atinge acest nivel dupa ce receptioneaza mesajul sau da anunt pentru el

Master

Inquiry

Inquiry Scan

Inquiry Response

Page

Page Scan

Slave Response

Master Response

ConnectionConnection

Slave

3

2

4

1

5

7

6

Procesul de formare a unui Piconet


Structura Pachetului

Control packets Data/voice packets

Voicedata

HV1HV2HV3DV

(136 bits) DM1 DM3 DM5DH1DH3DH5 (2712 bits)

ID*NullPollFHSDM1

DataHeader CRC

•ARQ•CRC•FEC (optional)

72 bits 54 bits 0 - 2745 bits

Access Code Header Payload Guard

•No retries •No CRC•FEC (optional)

220µs

13 tipuri diferite de pachetele de date


Categoria 1 → modulele de adaptare care se adaugă în echipament : card PCMIA, card Flash Bluetooth, adaptor USB Bluetooth, dispozitiv de securitate RS-232 Bluetooth, convertor de port paralel Bluetooth, etc. in PC uri, laptopuri, a PDA, imprimante, etc .

Categoria a 2-a → perifericele de tipul căştilor care emit şi recepţionează semnale audio de la telefon, telefon celular, PC, playere MPEG, combine muzicale, perifericele pentru computer ca mouse-ul, claviatura, joystick, difuzoare, etc.

Categoria a 3-a → sistemele integrate, realizat ca parte integrantă, de exemplu în cazul PC-urilor, direct pe placa de bază fără a utiliza circuite de interfaţă (ca la cat. 1)

Categoria a 4-a → telefoanele mobile.


Exemplu de retea 4G avand ca baza IP

IP-basedcore

SS7 signalling

InternetGSM

UMTS

publicWLAN

RNC

BSC

firewall, GGSN,gateway

gateways

server farm,gateways, proxies

PSTN, CS core

MSC

SGSN

router

broadcast

accesspoints

privateWLANprivate

WPAN


Infastructura viitoarei generatii de retea IP Multimedia Mobile

SGSNGGSN(FA)/

PDSN

GPRS/UMTS/CDMA

PLMN

IP Core

MSC/VLR

CCM

MSC/VLR

CMX

Session control(SIP)

PSTN Gateway

Visited AAA

Home AAA

(FA)

WLAN 802.11Access Network

Visited AAA

Mobilitatea(HA)

Handsets cu VoIP si suport dual-modet sisuport al MobilitatiCorp

AAA

PrezentaHosted Applications

V

Intrepridere

RAN

RNCRNC

http://www.expansys.com/img/big_HTC-GPRS-PDA.jpg

http://www.expansys.com/img/big_HTC-GPRS-PDA.jpg

Date post:	11-Aug-2015
Category:	Documents
Upload:	crissdemon
View:	82 times
Download:	10 times

Curs Com Mobile

Documents