TECHNIKA MOBILNÍCH KOMUNIKAČNÍCH SÍTÍ.

Prezentace na téma: "TECHNIKA MOBILNÍCH KOMUNIKAČNÍCH SÍTÍ."— Transkript prezentace:

1 TECHNIKA MOBILNÍCH KOMUNIKAČNÍCH SÍTÍ

2 3. prosinec 1992 by se dal považovat za velice významný den, neboť v tento den byla poslána první komerční SMS (Short Message Service) zpráva.

3 O B S A H: Nové pojmy Zpracování signálů ( opakování)
Základní koncepce a funkce radiokomunikačních systémů Rušivé jevy působící na signál Radiotelefonní systémy Družicová mobilní komunikace

4 LITERATURA

5 Multimediální výuková presentace na : http://tomas. richtr

6 Pojďme si připomenout etapy vývoje mobilních telefonů

7

8 Přehled generací mobilních komun. systémů

9 PŘEDSTAVA HOVORU V SÍTI GSM

10 process.                                                                            

11 ÚVODEM-opakování: ZÁKLADNÍ KONCEPCE A FUNKCE RADIOKOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ

12 Elektrické vlastnosti vf vedení
NE-symetrické, uzemněné ved.- koax. Symetrické, NEuzemněné souměr.vedení. BALUN

13 Zvláštnosti mikrovlných vedení
Fyzické rozměry vedení a délka vlny

14 Skládání (superpozice) vln
Dvě sin-vlny (v opačných směrech) vytvářejí stojaté vlnění Dvě vlny postupují opačným směrem Dvě vlny postupují stejným směrem –únik destrukce signálu Dvě sinus-vlny s různými frekvencemi: AM -zázněje

15 Představa vlivu útlumu a zkreslení

16 Představa analogového a digitálního přenosu

17 Představa analogového a digitálního přenosu

18 Př. Návrh Wi-fi spoje ( sam. práce) (zákl. bilance zisků a útlumů)
Návrh WiFi spoje

19 Bilance pasivní retranslace ( typ spoje, který umožňuje realizovat spoj "za roh„)

20 RUŠIVÉ JEVY PŮSOBÍCÍ NA SIGNÁL A MOŽNOSTI JEJICH OMEZENÍ

21 RUŠIVÉ JEVY PŮSOBÍCÍ NA SIGNÁL

22 Mnohacestné šíření signálu

23 Interference přímého a odraženého vlnění
Dráhový rozdíl přímého a odraženého vlnění Dl způsobí: Dl = 2k l/2…………zesílení(.. ve fázi) Dl = (2k + 1) l/2…..zeslabení( ..v protifázi)

24 Interference přímého a odraženého vlnění
Dvě vlny postupují opačným směrem Dvě vlny postupují stejným směrem –únik destrukce signálu Dvě sinus-vlny s různými frekvencemi: AM -zázněje

25 Dopplerův jev Dopplerův jev nastává, když jsou vysílač a přijímač jsou ve vzájemném pohybu : přijaté frekvence jsou vyšší než přenos. frekvence, pokud se oba objekty k sobě blíží a nižší, pokud se pohybují od sebe. Fázová rychlost vlnění se nemění, avšak vůči pozorovateli se mění vlnová délka a kmitočet vlnění…přídavná FM

26 Dopplerův jev v mobilních komunikacích

27 ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ

28 Představa modulace

29 Multiplexování

30 SOUHRN 3 základních metod MULTIPLEXOVÁNÍ A MODULACE
Obr. Multiplexování a modulace

31 Vysílání v úzkém pásmu a v rozprostřeném spektru (Narrowband, vs
Vysílání v úzkém pásmu a v rozprostřeném spektru (Narrowband, vs. Spread Spectrum)

32 Vliv modulace a pom.S/Š na kvalitu signálu
Poměr signál-šum na vstupu přijímače se nejčastěji označuje symbolem C /N (Carrier to Noise), zatímco symbol S/ N (Signal to Noise) značí poměr signál-šum za demodulátorem. Bohužel tato symbolika není ještě zcela vžitá.

33 Přenosová kapacita kanálu C je určena Shannonovým – Hartleyovým vztahem ( digitální „šířka pásma kanálu“) Požadovanou kapacituC systému lze dosáhnout :různými kombinacemi hodnot parametrů B , S a N . Stejné kapacity C systému lze dosáhnout buď s malou šířkou pásma B a velkým poměrem signál-šum na vstupu přijímače (tj. použitím velkých vysílacích výkonů a vysílacích antén s velkým ziskem) nebo s velkou šířkou pásma B a malým poměrem signál-šum na vstupu přijímače (systémy s malými vysílacími výkony).(Jde o systémy s rozprostřeným spektrem nebo systémy s kódovým multiplexem CDMA)

34 V polo-duplexním rádiovém kanálu, používají oba vysílače stejnou frekvenci. Ale pouze jedna strana může hovořit Poloduplexní přenos - V tomto případě opět stačí jeden přidělený kanál, ale komunikace může probíhat obousměrně, ne však současně v obou směrech. Jednotlivé směry přenosu je třeba během komunikace přepínat. Simplexní přenos - Jedná se o případ, kdy komunikace mezi dvěma body může probíhat pouze jednosměrně a stačí využití jednoho přiděleného kanálu.

35 Ve full-duplex rádiu, dva vysílače používají různé frekvence, takže obě strany mohou mluvit současně. Duplexní přenos - Komunikace probíhá současně oběma směry  - je tedy nutné použít dva komunikační kanály, pro každý směr jeden. Mobilní telefony jsou full-duplex

36 TDMA (hlasová data, byla převedena do digitální informace , jsou komprimována, takže zaberou mnohem méně kapacity při přenosu) TDMA - vícenásobný přístup s časovým dělením (Time Division Multiple Access) pouze v digitálních systémech !!!

37 TDMA

38 FDMA- se používá zejména pro analogový přenos.
FDMA =vícenásobný přístup s kmitočtovým dělením, (Frequency Division Multiple Access) Dané pásmo rozdělíme na subpásma, kterým jsou dále přiřazeny jednotlivé kanály. Jednotliví účastníci tak komunikují na různých kmitočtech.

39 FDMA =vícenásobný přístup s kmitočtovým dělením

40 CDMA (Code Division Multiple Access)
Vícenásobný princip s kódovým dělením, CDMA (Code division Multiple Access) Po digitalizaci dat, je CDMA rozprostírá po celé dostupné šířce pásma, podle vlastního unikátního kódu . V přijímači se stejný jedinečný kód opět používá k obnovení signálu

41 CDMA Kódový multiplex (CDMA - Code Division Multiple Access), založený na tom, že vysílající využije celé frekvenční pásmo které má k dispozici a vysílá na něm to, co vznikne zakódováním obsahu několika dílčích přenosů. Každý příjemce si pak z tohoto celku dekóduje jenom to, co je určeno jemu (a naopak nedokáže dekódovat to, co mu nepatří).

42 Jak funguje CDMA ?

43

44

45 Kódový multiplex CDM V sekundárním modulátoru, obvykle typu PSK, dochází k další modulaci signálu, a to pomocným binárním signálem, generovaným v generátoru pseudonáhodné posloupnosti PNP. Bitová rychlost pseudonáhodného signálu PNP, označovaná jako čipová rychlost (chip rate) je úmyslně volena o několik řádů vyšší než bitová rychlost signálu modulačního. Proto i šířka pásma výsledného signálu je mnohem větší (až o několik řádů) než šířka pásma původního signálu.

46

47 CDMA-Code Division Multiplexing
Pokud příjemce používá stejný referenční kód, jeho systém sestaví „masku“ /jak je vidět na obrázku/ U každého rozhovoru to umožňuje, že jen informace, které projdou maskou, mohou být předány nebo přijaty.

48 Princip dekodování CDMA v MS

49 Princip celulárních sítí

50 VZNIK BUŇKOVÝCH SÍTÍ, řešení nedostatku frekvencí
17. ČERVNA 1947 At&t a Southwestern Bell spouští první mobilní radiotelefonní službu v pásmu 150 Mhz. Na tzv. Zónovém principu. 1947 Rodí se myšlenka buňových sítí. D.H.Ring z bellových laboratoří at&t v usa. Opakované využití stejných frekvencí v nesousedních buňkách. LEDEN 1969 Bell systém spuští první buňkový systém v pásmu 450 Mhz na trase dlouhé 225 mil. Downlink vysílal centrální vysílač pro všechny pohyblivé stanice s velkým výkonem. Uplink vysílala mobilní stanice s malým výkonem k jedné z několika retranslačních stanic. Ta předávala hovor do centrálního vysílače

51 Princip buňkového systému
První pozemní komunikační systémy měly takzvanou ostrůvkovitou koncepci. Jediná základnová stanice zajišťovala spojení s mobilními stanicemi v celém, obvykle velice rozlehlém území. Taková koncepce však měla řadu nevýhod: Mobilní účastník takovéto sítě si při přesunu do oblasti sousední základnové stanice musel sám přeladit mobilní stanici na jiná frekvenční pásma.  Koncepce vyžadovala velké vysílací výkony u vysílačů základnových stanic i mobilních stanic, které jsou potom rozměrné a energeticky náročné. Zásadním nedostatkem je špatné využití přiděleného frekvenčního pásma. Kanály se mohou opakovat až vně interferenční zóny, tedy po překročení bezpečnostní vzdálenosti (reuse distance) 5R

52 Řešení nedostatku frekvencí
Jediným řešením, které při nedostatku frekvencí připadá v úvahu, je vícenásobné použití stejných frekvencí, neboli to aby různé hovory používaly stejné frekvence. Samozřejmě je přitom nutné zajistit, aby se různé hovory využívající stejné frekvence vzájemně neovlivňovaly 5R funkce mobilní sítě GSM, která umožňuje používání mobilního telefonu i v GSM sítích zahraničních operátorů. Služby jsou účtovány na základě roamingových smluv operátorů.

53 Návrh buňkové sítě ( fa BellSyst.)

54 GSM 2G Hierarchie buněk Hierarchie buněk UMTS GSM, UMTS,prost. je rozdělen do buněk různých velikostí, v závislosti na hustotě osídlení a rychlosti pohybu. 54

55 Interference (reuse distance) 5R
Svazek nyní rozdělíme na 21 menších buněk.  Velké buňky mají poloměr zpravidla větší než 3 km a antény bývají umístěny nad nejvyšším bodem okolní zástavby. Malé buňky mají poloměr menší než 3 km a antény základnových stanic jsou umístěny pod nejvyšším bodem okolní zástavby, avšak výše než je střední výška zástavby. Mikrobuňky o poloměru menším než 300 m mají antény základnových stanic pod úrovní střech a okolních budov;

56 ARCHITEKTURA GSM SÍTĚ Síť GSM je budována na buňkovém principu. Plocha,kterou pokrývají je rozdělena na buňky. V jednotlivých buňkách jsou umístěny tzv. Základnové stanice BTS (base transceiver station) . vždy několik BTS je napojeno na jeden společný řadič BSC( base station controller). PÁTEŘNÍ ČÁST MOBILNÍ SÍTĚ CORE ŘÍDÍ MOBILNÍ TELEFONÍ ÚSTŘEDNA MSC (MOBILE SWITCHING CENTRE). MSC OVLÁDÁ ŘADIČE BSC.

57 PŘEDSTAVA HOVORU V SÍTI GSM

58 PŘEDSTAVA HOVORU V SÍTI GSM

59 Handover – mezibuňkové předání
V sousedních buňkách se vždy používají kanály s odlišnými frekvencemi a při přechodu mobilního účastníka přes hranice buněk je tedy nutné přeladit jeho stanici. Tento proces se v moderních systémech uskutečňuje zcela automaticky, bez zásahu obsluhy stanice, a nazývá se handover. Provoz systému vyžaduje, aby byla neustále registrována okamžitá poloha mobilní stanice alespoň na úrovni buněk. Určování polohy stanice může být realizováno například tak, že mobilní stanice neustále udržuje spojení s nejbližšími základnovými stanicemi, které jsou v dosahu. Ty vyhodnocují kvalitu spojení a informují o tom ústřednu. Z těchto informací poté ústředna určí tu základnovou stanici, jejíž spojení s mobilní stanicí je nejkvalitnější a která je tedy pravděpodobně nejblíže.. Celý tento proces trvá velice krátce a během hovoru je nepostřehnutelný

60 Mezibuňkový handover mobilní stanice neustále udržuje spojení s nejbli-žšími základnovými sta-nicemi, které jsou v dosa-hu. Ty vyhodnocují kvalitu spojení a info-rmují o tom ústřednu. Z těchto informací poté ústředna určí tu zákla-dnovou stanici, jejíž spo-jení s mobilní stanicí je nejkvalitnější a která je tedy pravděpodobně nejblíže

61 Handower

62 Princip smyčky regulace RF výkonu
která poskytuje přibližně stejnou úroveň signálu

63 Power Control Regulace výkonu mob.lze provádět dvěma způsoby:
otevřená smyčka regulace výkonu a uzavřená smyčka regulace výkonu

64 Adaptivní ekvalizace u digitálních systémů
U digitálních systémů se provádí ekvalizace opět za účelem kompenzace lineárního zkreslení rádiového kanálu, avšak kritériem pro její účinnost je minimalizace intersymbolových interferencí ISI a tím i minimalizace BER. Do vysílaného signálu se vkládá v určitých časových intervalech tzv. tréninková sekvence dat, jejíž posloupnost je v přijímači známa. Pomocí této sekvence se provádí periodický odhad přenosové funkce rádiového kanálu. Po jejím vyhodnocení se periodicky, nastavuje přenosová charakteristika adaptivního digitálního filtru

65 Ekvalizace Při bližším zkoumání vlastností reálného rádiového kanálu, lze téměř všechny rušivé vlivy považovat za různé formy kmitočtového neboli lineárního zkreslení. Z tohoto pohledu je proto možné považovat rádiový kanál za lineární. Lineární zkreslení rádiových kanálů je možné kompenzovat v přijímači pomocí tzv. ekvalizačních obvodů, zařazených v mezifrekvenční části nebo většinou až za demodulátorem. funkce ekvalizéru je úměrná reciproké hodnotě přenosové funkce kanálu

66 Metody přidělování rádiových kanálů měl by tedy být dodržen princip bezpečné vzdálenosti 5R.
Frekvence přiděluje státní orgán pověřený správou frekvenčního spektra a každý operátor jich dostává v rámci své licence jen velmi omezený počet. Fixní přidělování rádiových kanálů (Fixed Channel Allocatin - FCA): U této metody je celé rádiové pásmo rozděleno do skupin, jejichž počet je stejný jako počet buněk ve svazku. Vypracován je frekvenční plán, vycházející z konkrétních podmínek. Na základě tohoto plánu jsou pak jednotlivým buňkám natrvalo přiděleny jednotlivé rádiové komunikační kanály. Dynamické přidělování rádiových kanálů (Dynamic Channel Allocation - DCA): Tato metoda umožňuje použít nevyužité rádiové kanály z jedné buňky pro jinou, v tom okamžiku přetíženou buňku ve svazku. Přitom však nesmí být překročeny přípustné úrovně interferencí a měl by tedy být dodržen princip bezpečné vzdálenosti 5R. V praxi jsou uplatňovány základní dvě varianty systémů s dynamickým přidělováním rádiových kanálů.

67 Úloha přepínače (duplexeru)v „trans-rieweru“

68 Obr. první mobilní hovor z mobilního telefonu
PRVNÍ MOBILNÍ TELEFON 1973 RODÍ SE MOBILNÍ TELEFON – ZKONSTRUOVAL HO DR. MARTIN COOPER, DODNES POVAŽOVANÝ ZA VYNÁLEZCE OSOBNÍHO MOBILNÍHO TELEFONU MOBILNÍ TELEFON, CIHLA – VÁŽÍCÍ 0,85 kg. 1973 Obr. 3. DUBNA 1973 podává patent s názvem „radio telephone systém“. MOTOROLA UVÁDÍ NA TRH MOBILNÍ TELEFON DynaTAC – 0,45 kg – 3500 USD. 1983 1990 1 MILION MOBILNÍCH TELEFONŮ / USA

69 Příklady užití simplexu a duplexu v bezdrátových sítích
jde o způsob, jakým je v bezdrátových sítích řešena komunikace v obou směrech.

70 Zpracování signálu v systému GSM
Mobilní telefon je v podstatě transciever (vysílač/přijímač) komunikující se základnovou stanicí BTS doplněný řídícími obvody (mikroprocesor) a vstupně/výstupními zařízeními (klávesnice, display, sluchátko, mikrofon, porty). Mobilní stanice je jednoznačně identifikována pomocí čísla IMEI (International Mobile Equipment Identity), uloženého v její paměti. Sám účastník je identifikován pomocí SIM karty (Subscriber Identification Module).

71 process.                                                                            

72

73

74 Hierarchie buněk UMTS Hierarchie buněk UMTS GSM, UMTS,prost. je rozdělen do buněk různých velikostí, v závislosti na hustotě osídlení a rychlosti pohybu. Satelitní přístup je jejím prodloužením. Piko-buňka umožňuje přenosovou rychlostí okolo 2 Mbit / s ; při asi 10 km / h (chůze, pohybující se v uzavřených prostorách, atd..). Micro-flow buněk umožňuje řádově 384 kbit / s při rychl. kolem 120 km / h (vozidlo, tranzit, etc.). Makro-buňka umožňuje přenosové rychlosti kolem 144 kbit / s při rychl. kolem 500 km / h (Train Grande Vitesse, atd..).

75 GSM 1.G