Brezžične tehnologije in promet

F. Dimc(izseki predavanja A. Šterna, UL

LTFE) 5. junij 2013

Frekvenčni spekter

Poglejte si simulacijo na INIS, 2013Wikipedia commons

Zgodovina brezžičnih prenosov

Prvi enostavni prenosi so bili brezžični• ogenj in dim na velike razdalje• bobni, kriki na manjše razdalje• ogledala, zastave v vidni razdalji• kurirska pošta v dosegu ljudi, živaliDoba elektrotehnike in telekomunikacij• 1800: izum prve Zn-Cu baterije (Alessandro Volta)• 1837: uporaba telegrafa (Samuel Morse)• 1873: razvoj tehničnih osnov radia (Maxwell, Hertz,

Tesla, Marconi, Armstrong .. naštej izumitelje radia in povem ti odkod si..)

• 1894: prva radijska komunikacija na > 100m• 1906: prva oddaja AM radia (Fessenden)• 1991: prvi sistemi GSM v Evropi (Finska)

po A. Štern, 2012

Zmogljivost prenosnega kanala

po A. Štern, 2012

)2log(

)/1log( NSBc

Kdaj prenesemo več podatkov? Kdaj imamo večjo rumeno kocko?• če prenašamo dlje časa na širšem pasu in z večjo močjo

Kako več uporabnikov navidezno hkrati prenaša podatke?• FDMA - frekvenčni sodostop (Frequency Division Multiple Access)• TDMA - časovni sodostop (Time Division Multiple Access)• CDMA - kodni sodostop (Code Division Multiple Access)

Sistemi brezžičnih zvez

po A. Štern, 2012

Brezžične tehnologije

Stacionarni domet: do 100 km, tip. 30 kmHitrost: do 72.6 Mbit/s, tip. 18 Mbit/sKognitivni radio pri izrabi TV kanalov

Operatersko okolje

Mobilni domet: do 35 km, tip. 5 km

Hitrost: do 21.6 Mbit/s HSPA+Celično globalno pokrivanje

Operatersko okoljeStacionarni in mobilni

domet: do 50 km, tip. 5 kmHitrost: 5 - 75 Mbit/sOperatersko okolje

Nomadsko: do 500 mHitrost: do 150 (600) Mbit/s

Lokalno pokrivanjeBrezplačna uporabaNomadsko: do 50m

Hitrost: do 1 Mbit/s, (do 1 Gbit/s)

Osebno pokrivanje, brezplačnoBližina telesa: do 10 cmBližina telesa: do 10 cm

aktivni RFID: do 50 maktivni RFID: do 50 mHitrost: do 424 kbit/sHitrost: do 424 kbit/s

Stacionarni in mobilni domet: nekaj 1000 kmRazlične hitrosti: kbit/s do nekaj 10 Mbit/s

Pokrivanje s sateliti LEO, MEO in GEO

WPAN

WMAN

WWAN

WLAN

IEEE 802.15Bluetooth

IEEE 802.11Wireless LAN

IEEE 802.16Wireless MANMMDS, LMDS

IEEE 802.20Mobile Broadband

Wireless Access (MBWA)

ETSIHIPERLAN

ETSI HIPERMAN& HIPERACCESS

3GPP, 3GPP2GSM, UMTS, HSxPA,

HSPA+, LTE, LTE-Advanced

WRAN

IEEE 802.22 Wireless Regional Area Networks

ZigBeeUWB

WBANRFID NFC

WGAN

BGAN Broadband Global Area Networks

A. Štern, 2012

RFID

• Pasivni (em val čitalnika, kateremu približamo priponko, inducira napetost v dolgi anteni priponke, kar vzbudi dejavnost čipa)

– manjše razdalje: LF, HF na cca. 1m, UHF do 10m

– čitalniki na ključnih mestih: vrata, izhod od blagajne v trgovini,

ključavnica avtomobila, avtomat za pijače

• Aktivni (baterija)– do nekaj 10 m– večje hitrosti prenosa podatkov, – (mikrovalovna izvedba) cestninjenja, stanje zalog, inventarja, gibljivost

zaposlenih v nadzorovanih območjih

• RFID in NFC (komunikacije v bližnjem polju – čitalnik in priponka sta nekaj valovnih dolžin ( = c/f) narazen)

– skupaj omogočata večje hitrosti prenosa (do 424 kbit/s), nove storitve (vstopnice, plačila, vizitke)

Data exchange

Dim

c, P

eča

r, .

., V

alič

, 2013

, A

N E

VA

LUA

TIO

N O

F B

US P

RIO

RIT

Y P

ILO

T A

PPLI

CA

TIO

N F

OR

EFF

ICIE

NT B

US S

ER

VIC

E IN

LJU

BLJ

AN

A

Rešit

ev z

zig

-bee v

pro

metu

Izzivi brezžičnosti

• Brezžičnost– Za komunikacijo ni treba žic, optičnih vlaken, uporablja

pa se radijski oz. optični spekter ali ultrazvok s fiksno ter nomadsko oz. mobilno uporabo

• Pozorni moramo biti na:– domet komunikacije– zasedenost povezav– motnje pri prenosu– hitrost prenosa podatkov– varnost komunikacije– opremo za komunikacije – razpoložljivo energijo– ceno za zasedanje spektra

Izvor-ponor informacij

IZVORINFORMACIJE

IZVORNIKODIRNIK

KANALSKIKODIRNIK

KANALSKIDEKODER

PONORNIDEKODER

PONORINFORMACIJE

PRENOSNIKANAL

MODULATOR

DE-MODULATOR

Govor,glasba,slike,video,

podatki

WAV,MP3,

JPEG,DivX,ZIP

robustnost,redundanca,priprava na

lastnostiprenosnega

kanal

AM/FM,QPSK,

QAM64,kHz, MHz,

GHz

izgube,lom,uklon,presih,presluh,šum,interferenca

Električni tok Radijski signal

po A. Štern, 2012

Digitalne modulacije• nQAM kvadraturne amplitudne modulacije

– spreminjanje dveh parametrov: amplitude in faze– konstelacijski diagram - prikaz simbolov

• vsak simbol pri nQAM nosi k bitov• pri 16QAM nosi vsak simbol log2n=k=4 bite• 2 bita določata amplitudo, 2 pa fazo

– vpliv šuma• šum premika lokacije simbolov v naključni

smeri• pri dani moči se posamezni simboli naključno

približujejo– mejne hitrosti

• moč pada s kvadratom razdalje– razdalje med simboli se hitro bližajo– pri istem šumu enkrat simboli trčijo

• omejitev višjih redov modulacije z razpoložljivo močjo

– hitrejši prenos -> bližje anteni

Konstelacijski diagram 16QAM

šum

c(t) = C cos (ωct + φc)

moč

po A. Štern, 2012

Klic v tujino Kaj se zgodi, če iz Slovenije kličemo

slovenskega naročnika, ki gostuje v tujini:

– klicatelj v Sloveniji zavrti telefonsko številko mobilnika

– pri domačem operaterju mobilnika se preveri stanje uporabnika (HLR)

• uporabnik je doma, v domačem omrežju

• uporabnik se nahaja v tujini, prijavljen je v omrežju tujega operaterja

• uporabnik ima izklopljen telefon

– klic se preusmeri v tujino– tuj operater

• preveri, na katerem območju celic se uporabnik nahaja

• sproži klic na skupino celic– naročnik v tujini

• se odzove na klic• plača gostovanje

Gateway Mobile Switching Centre

Home Location Register

Base Station Controller

po A. Štern, 2012

Celičnost mobilne telefonije

• Operater GSM ima na voljo omejeno število prenosnih kanalov (frekvenc)

• V sosednjih celicah se ne pojavijo iste frekvence

• Šestkotniki (en osrednji in 6 okoli) tvorijo celico, vsaki celici pripada 1/7 vseh frekvenc

• na eni frekvenci ( f1) poteka

– 8 časovnih rezin uporabnikov in signalizacija

– TDMA sodostop

V zvočnikh ob prehodu med celicami zaslišimo motnjo s frekvenco 1 / 4,615 ms = 216,6 Hz

po A. Štern, 2012

Prenos govora in podatkov

• Stopnje pred oddajo– govor (pretvorimo v digitalni zapis, kodiramo), podatke (z

modemi prilagodimo na ustrezne napetostne nivoje)– kanalsko kodiranje (razporeditev po možnih kanalih)– šifriranje (tudi za varnost, zanesljivost prenosa)– moduliranje (vključitev visoke frekvence nosilnega signala)

• Brezžično prenašamo modulirane signale

po A. Štern, 2012

Komuniciranje in navigiranje s pomočjo

satelitov• Pokrivanje območij s satelitskimi

signali– dopolnjevanje obstoječe prizemne

komunikacijske infrastrukture• pomemben člen pri optimizaciji povezljivosti

“kjerkoli, kadarkoli” v omrežjih 4G• pomembna vloga na območjih brez prizemne

infrastrukture– morja in oceani, puščave, gore

– postavitev visokih “baznih postaj” oz. “letečih ur”• bolj vertikalno pokrivanje ozemlja s signalom• dosegljivost tudi v dolinah in soteskah

Inmarsat• International Maritime

Satellite Organization– začetek zagotavljanja

komunikacijskih storitev pomorščakom leta 1982

– zagotavlja komercialne storitve in javno brezplačno pomoč v sili

• GMDSS - Global Maritime Distress Safety System - prioritetna komunikacija v sili

• EPIRB - Emergency Position Indicating Radio Beacon

• Vrste storitev– govorne storitve– sporočilne storitve SMS/faks– videotelefonija– podatkovne storitve različnih

tipov• 600-9600 bit/s - telemetrija• 64 kbit/s - vodovni prenos

(CS)• 492 kbit/s - paketni prenos

(PS)

po A. Štern 2012

Pokrivanje Inmarsat• Sateliti v geosinhroni tirnici na 35,786

km– 3 generacije satelitov I-2, I-3 in I-4 (skupaj

10 SAT)• generacija 2 (2 SAT) se izteka po 20 letih• generacija 3 (5 SAT) zagotavlja osnovne

storitve• generacija 4 (3 SAT) zagotavlja storitve IP

BGAN

po A. Štern 2012

Iridium• Prvi poskus zagotavljanja globalne satelitske telefonije 1998

– začetni neuspeh - odmevna zgodba o nezrelosti uporabniškega trga• razlogi: cena storitev in opreme, velikost terminalov, primerjava z GSM

– leta 2001 ponovno oživetje projekta s kapitalom 6 mrd. $• današnje tržišče obsega 523.000 uporabnikov po celem svetu (dec.

11)• Vrste storitev

– govorne in podatkovne storitve• govorni kodeki od 2.2 do 3.8 kbit/s• omogočen prenos IP do 10 kbit/s• dosežena latenca 1800 ms

– sporočilne in enosmerne paging storitve• pošiljanje SBD (Short Burst Data)• sporočila <2 kB s časom prenosa

od 6 do 22 sekund

po A. Štern 2012

Thuraya• Pokriva zgolj določene regije z 2 GEO satelitoma

– osrednja in južna Evropa, srednji Vzhod, S Afrika, del Azije in Avstralije– uporaba 200 ločenih nastavljivih antenskih snopov (angl. spot beam)

Vrste storitev•govorne storitve•prenos kratkih sporočil SMS•prenos podatkov

•9,6 kbit/s za podatke in faks•60/15 kbit/s DL/UL za GmPRS podatke•444 kbit/s z uporabo prenosnih terminalov

•podpora GPS na vseh terminalih•podpora več storitvam: govorni predal, WAP, “Prayer service”•klici v sili z natančnim sporočanjem lokacije

• Prednosti– pokrivanje zelo velikih geografskih območij– premoščanje nepokritih področij– cenovna politika neodvisna od razdalje oz. lokacije klica– možnost sprejema broadcast sporočil– kopica možnih storitev s področja zaščite in reševanja

• Slabosti– veliki stroški vzpostavitve sistema– motnje v komunikaciji in zakasnitve– zasedenost frekvenc in tirnic– v večini potrebna vidnost prostega neba– slaba razpoložljivost terminalne opreme– in dostopa do tehnologije

Prednosti in slabosti sat. komunikacij

po A. Štern 2012

Satelitsko zaznavanje na daljavo

• Spremljanje prometa s sateliti (Air- and space borne remote sensing systems for traffic data collection -European contributions)

• Spremljanje ladijskega prometa (satelitski AIS), satelitski nadzor nad izlitji

• Projekt Aquarius slanost svetovnih morij