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
21 oct 2009 Curs Comunicatii Mobile 2
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
21 oct 2009 Curs Comunicatii Mobile 3
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 5
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 6
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 7
→ 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 8
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 9
MOBILE
FIXED
MARITIME MOBILE
BROADCAST
AERO
RADIOLOCATION
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 10
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 11
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 12
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 13
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 14
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 15
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 16
Reprezentarea in domeniul timp
Purtatoarea → c(t)
Mesaj → m(t)
Analog
Digital
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 17
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)(
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 18
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 19
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 20
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 21
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 22
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 23
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 25
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 26
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 27
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 28
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”
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 29
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 30
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 31
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 32
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 33
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 34
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 35
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 36
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 37
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 38
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 40
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 41
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 42
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 43
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 44
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 45
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 46
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 47
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 48
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 50
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 51
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 52
Caracteristici de radiatie la antena directionala
1
1/2
1
1/2
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 53
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 54
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 55
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”
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 56
• 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|
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 57
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 59
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 60
• 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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 61
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 62
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 63
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 64
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 65
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 67
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 68
Reprezentarea procesului de esantionare.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 69
Prelucrea digitala a semnalului. Filtre Antialias.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 70
Conditia Nyquist pentru esantionare
Care este valoarea minima a frecventei de esantionare 1/ w pentru a nu avea suprapunerea spectrelor?
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 71
Procesul de cuantizare a semnalului esantionat.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 72
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 73
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 74
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 75
Modulatia Sigma Delta (Σ∆)
Cuantizeaza suma diferentelor anterioareAlte variante:∆ adaptiva;∆ cu panta variabila∆ cu panta continuu variabila
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 76
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=
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 77
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 78
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 79
Prelucrarea spectralaInput Output
Sistem Linear
Filtru Nyquist (trece –jos ideal) Raspunsul in domeniul timp al FTJ idealT21
T21−
)( fH
TW
21=
)/sinc()( Ttth =
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 80
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 81
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 82
Modul de utilizare a filtrului cu caracteristica radacina patrata din cosinus alungit
Filtrare in banda de baza
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 83
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 84
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 85
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 86
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 87
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 88
= 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 89
Distanta din origine la un punct → proportionala cu radacina patrata a energiei necesare pentru transmiterea simbolului
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 90
Modulatii binare
Modulatii binare de tip OOK (On Off Keying)
ASK
PSK
FSK
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 91
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 92
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 93
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 94
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 95
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 96
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 97
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 98
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 99
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 100
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 101
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 102
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 103
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 104
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 105
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 106
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 107
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 108
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 109
8-QAM
8-QAM
8-QAM
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 110
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 111
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 112
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 113
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 115
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 116
• 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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 117
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 118
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 119
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 120
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 121
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 122
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 123
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).
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 124
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 125
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 126
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;
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 127
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 128
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 130
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”)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 131
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 132
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 133
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 134
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 135
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 136
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 137
Canalul DS – CDMA → Operatiunea inversa a imprastierii spectrului efectuata la receptie
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 138
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 139
Exemplu cu un singur utilizator
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 140
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 141
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 142
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 143
Modul de assignare si realizare a secventelor de cod PN intr-un sistem cu trei celule
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 144
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 145
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 146
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 147
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 148
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 149
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 150
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 151
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 153
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 154
Calea directa
Calea directa
Propagarea pe cai multiple
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 155
Semnal direct
Semnal reflectat si intarziat
Semnalul la intrarea receptorului
t
t
t
Semnalul la intrarea receptorului → ISI datorat propagarii pe cai multiple
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 156
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 157
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 158
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 159
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
−∗
=
+ − −
= − −≤ ≤ −
= −= ⋅ ⋅
≤ <= −
= ⋅ ⋅≤ <
≠=
=
= =
∑
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 160
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 161
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:
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 162
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 163
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 164
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 165
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:
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 166
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 167
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 168
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 169
Date (valori complexe) la intrarea IFFT
Semnal iesire IFFT – esantioane ale semnalului modulat multiplexat
Formarea semnalului OFDM la emisie
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 170
Anvelopa semnalului OFDM
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 171
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
)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 172
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 173
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 174
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 175
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 176
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 177
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 178
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 179
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 180
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 181
Timp
. . .User 1 User 2 User NUser N-1User N-2 . . .. . .
Varianta TDMA - OFDM
Pilot
Frecventa
CSI
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 182
.. . 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 183
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 184
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 185
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 186
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 187
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 188
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 189
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 190
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 191
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 192
Gata Profesore!Ne-ai umflat capul!
Sisteme de comunicatii mobile terestre
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 194
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 195
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 196
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 197
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 198
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 199
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 200
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 201
Relatia dintre viteza de transmisie si mobilitate la sistemele pentru comunicatii mobile
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 202
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 203
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 204
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 205
Sinteza performantelor sistemelor de comunicatii mobile.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 206
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:
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 207
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 208
Exemplu de aplicatie la trafic auto
ad ho
cUMTS, WLAN,DAB, DVB, GSM, cdma2000, TETRA, ...
Personal Travel Assistant,PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 209
Comunicatii Mobile celulare
Comunicatii Mobile celulare → sisteme diferite (AMPS, GSM, CDMA,etc ) → factor comun → SDMA
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 210
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 211
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 212
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 213
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 214
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 215
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 216
Tabel comparativ al sistemelor celulare din generatia a doua
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 217
Tabel comparativ al sistemelor cordless
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 218
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 219
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 220
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 221
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 222
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 223
Aspectele economice
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 224
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 226
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 227
Evolutia sistemelor de comunicatii mobile celulare
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 228
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 229
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 230
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 231
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 232
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 233
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 234
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 235
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 236
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 237
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 238
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 239
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 240
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 241
Procese de Baza
• AUTENTIFICAREA
• CIFRAREA
• INREGISTRAREA
• STABILIREA LEGATURII
• HANDOVER / HANDOFF
• ROAMING
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 242
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
Largimea de Banda 2x75 MHz
Largimea de Banda 2x60 MHz
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 243
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 244
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 245
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 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 246
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
TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Canale dedicate
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 247
canale dedicate
canale comune
superframe = 26x51=1326 frame
2048 superframe
Numerotare pentru supercadre, multicadre → se reia ciclic
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 248
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 249
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 250
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 251
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 252
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 253
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 254
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 255
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 256
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 257
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 258
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 259
Cadru 20 ms
Procesarea datelor pentru vorba
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 260
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 261
Evolutia sistemelor mobile celulare
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 262
Sistemul GSM → sistem de generaţia 2-a → evoluează prin GPRS , HSCSD şi EDGE → UMTS
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 263
Principalele obiective → marirea debitului de date, marirea capacitatii si integrarea cu celelate retele
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 264
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 265
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 266
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).
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 267
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)
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 268
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 269
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 270
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 271
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 272
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 273
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 275
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 276
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 277
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 278
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 279
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 280
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 281
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 282
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 283
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 284
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 285
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 286
IEEE 802.11infrastructura retelei
retea ad-hoc
APAP
AP
retea cablata
AP: Access Point
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 287
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 288
Modulatia adaptivaReteaua alege dinamic cea mai buna forma de modulatie functie de calitatea canalului
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 289
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 290
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 291
Elementele unei retele tip Wireless LAN
Wireless LAN
Conventional Wired LAN Access PointAccess Point
Access Access
NodeNode
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 292
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 293
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 294
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 295
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 296
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 297
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 298
Retele Wireless si Mobile
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 299
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 300
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 301
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 302
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 303
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 304
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 305
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 306
• 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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 307
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 308
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 309
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 310
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 311
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.
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 312
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
Oct 21, 2009 Curs Comunicatii Mobile 313
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
Top Related