Gonzalo Rivera ©

Gonzalo Rivera ©

Gonzalo Rivera ©

I ett trådbundet nätverk förs data signaler genom kablar i form av elektriska/ljus signaler från avsändare till mottagare.

Trådlös kommunikation refereras till vilken typ av datautbyte som helst mellan trådlösa kommunicerande partner.

Denna definition är extremt bred och abstrakt eftersom den kan motsvara många typer av trådlös teknik, såsom:

Wi-Fi nätverkskommunikation (fokus i denna kurs, WLAN)

Bluetooth kommunikation

Satellitkommunikation

Mobil kommunikation

För att förstå hur trådlös kommunikation fungerar ur ett tekniskt perspektiv behöver vi börja från en grundläggande fysik relaterad till trådlösa signaler.

Fysik och matematik går oftast hand till hand.

Vi börjar med definitionen av strålning.

Trådlös kommunikationsteknik

3

Gonzalo Rivera ©

Allt runt omkring oss är uppbyggt av olika ämnen, som i sin tur består av mycket små partiklar som kallas atomer.

Atomkärnan består av protoner och neutroner.

I ett "moln" runt atomens kärna kretsar elektroner.

Protoner är positivt laddade (+) och elektronerna är negativt laddade (-).

Neutroner har ingen elektrisk laddning.

Atomer består av lika många protoner som elektroner (neutrala).

Ibland kan dock atomen av olika anledningar ha för få eller för många elektroner. Sådana atomer kallas joner.

En jon är alltså en positivt eller negativt laddad atom.

Vad är strålning?

4

Gonzalo Rivera ©

I grund och botten handlar strålning om överföring av energi utan fysisk kontakt eller via något medium.

Strålning kan till exempel färdas genom luft, men behöver inte luften för att ta sig fram. Strålning färdas lika bra i tomma rymden.

Det finns flera olika sätt att gruppera många typer av strålning exempelvis:

partikelstrålning

elektromagnetisk strålning

eller

Joniserande strålning

Icke joniserande strålning

Vad är strålning?

5

Gonzalo Rivera ©

Strålning med hög energi som har förmågan att slita loss elektroner från atomer och därmed bilda joner.

Joniserande strålning kan delas in i

elektromagnetisk strålning, (gammastrålning och röntgenstrålning)

partikelstrålning, (alfa-, beta- och neutronstrålning).

Röntgenstrålning skapas på konstgjord väg med hjälp av röntgenrör.

Gammastrålning kommer från atomkärnorna i radioaktiva ämnen.

Ultraviolett strålning från solen gör att du kan skapa D-vitaminer, den bidrar till att du blir solbränd men kan också leda till cancer.

Joniserande strålning

6

Alfastrålning

Gonzalo Rivera ©

Elektromagnetisk strålning som inte orkar slå sönder atomer.

Icke-joniserande strålning delas in i:

Optisk strålning, (synligt ljus, ultraviolett strålning och infraröd strålning)

Radiofrekvent strålning, (mikrovågor, radiovågor och lågfrekventa elektromagnetiska fält)

UV-strålning – kommer till största delen från solen men den kan också skapas på konstgjord väg (i solarier och elsvetsar till exempel).

Infraröd strålning – sänds ut från alla varma föremål som till exempel glödlampor och spisplattor.

Ultraljud – räknas också till icke-joniserande strålning.

Icke-joniserande strålning

7

Gonzalo Rivera ©

Gonzalo Rivera ©

Föreställ dig en radiostation som genererar trådlösa signaler.

Radiovågor, mikrovågor, infraröd strålning, synligt ljus, ultraviolett strålning är icke joniserande elektromagnetiska strålningar.

Det som skiljer är våglängden, där radiovågor har längst våglängd och ultraviolett kortast.

Några våglängder:

våglängd 2,5 m, FM radio

våglängd 50 m, TV

våglängd 500 m, AM radio

Våglängd 12,5 cm WiFi

Elektromagnetiska vågor

9

103

Gonzalo Rivera ©

En laddning i vila producerar ett elektriskt fält omkring sig men inget magnetfält.

Q = laddning, en mängd av lagrad energi som mäts i Coulomb (C).

e = 1,6 * 10-19 C (SI prefix?)

Kraften F mäts i N (Newton)

Laddningar kommer från atomernas byggstenar (elementär partiklar)

partikel = en liten del av något, atom, molekyl.

Materiens minsta beståndsdel som bär någon form av kraft.

Elektromagnetiska vågor

10

F1 F2

r2

Q1 Q2

Gonzalo Rivera ©

Det finns två typer av elektrisk laddning:

Positiv laddning (protoner)

Negativ laddning (elektroner)

Ett föremål som är negativt laddat har överskott på elektroner.

Ett föremål som är positivt laddat har underskott på elektroner.

Vad händer om två laddningar möts?

Repulsion, stöter bort varandra

Attraktion, dras till varandra

Elektrisk laddning är en grundläggande egenskap hos materien.

Laddning kan varken nyskapas eller förstöras, bara omfördelas.

Elektromagnetiska vågor

11

+++

- +-

+++

- +-

++- +

-+

Q1 Q2F1 F2

Gonzalo Rivera ©

Elektriska laddningar påverkar varandra med elektriska krafter.

Beräkna den elektriska kraften som uppstår mellan två laddningar på 2,0 * 10-4 C respektive 4,0 * 10-5 C.

Avståndet mellan laddningarna är 2,0 m

Q1 = 2 * 10-4 C

Q2 = 4 * 10-5 C

r = 2 m

F = ?

Elektromagnetiska vågor

12

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2𝑟2

𝐹 = 8,99 ∗ 109 ⋅2,0 ⋅ 10−4 ⋅ 4,0 ⋅ 10−5

2,02=

𝐹 =8,99 ∗ 109 ∗ 2,0 ∗ 10−4 ∗ 4,0 ⋅ 10−5

2,02=

𝐹 =8,99 ∗ 2,0 ∗ 4,0 ∗ 109 ∗ 10−4 ∗ 10−5

2,02=8,99 ∗ 2,0 ∗ 4,0

4,0

𝐹 = 8,99 ∗ 2,0 = 17,98 𝑁

Q1 Q2F1 F2

Gonzalo Rivera ©

Q1 = 6 µC placeras i origo och Q2 = -4,0 µC placeras 1 m till höger av Q1

Vad är kraften av Q1 och Q2 ? Vad är krafternas riktningar?

Q1 = 6 * 10-6 C

Q2 = -4,0 * 10-6 C

r = 1,0 m

F = ?

Elektromagnetiska vågor

13

Y

X

F1 F2

1,0 m

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2

𝑟2=

9∗109𝑁𝑚2

𝐶26,0∗10−6𝐶 4,0∗10−6𝐶

1,0𝑚 2

𝐹 =

𝑁𝑚2

𝐶2𝐶1

𝐶1

𝑚2=𝑁𝑚2

𝑚2

𝐹 =9 ∗ 109 6, 0 ∗ 10−6 4,0 ∗ 10−6

1,0

𝐹 = 9 ∗ 6,0 ∗ 4,0 ∗ 109 ∗ 10−6 ∗ 10−6 = 9 ∗ 6,0 ∗ 4,0 ∗ 10−3 = 0,216 𝑁

Gonzalo Rivera ©

Q1 = 6 µC placeras i origo och Q2 = -4,0 µC placeras 2 m till höger av Q1

Vad är kraften av Q1 och Q2 ? Vad är krafternas riktningar?

Q1 = 6 * 10-6 C

Q2 = -4,0 * 10-6 C

r = 2 m = 1 * 10-2

Elektromagnetiska vågor

14

Y

X

F1 F2

2 m

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2

𝑟2=

9∗109𝑁𝑚2

𝐶26,0∗10−6𝐶 4,0∗10−6𝐶

2,0𝑚 2

𝐹=9∗109

𝑁𝑚2

𝐶26,0∗10−6𝑐 4,0∗10−6𝑐

2,0𝑚 2=

𝑁𝑚2

𝐶2𝐶

1

𝐶

1

𝑚 2=

𝑁𝑚2

𝑚2

𝐹=9∗109 6,0∗10−6 4,0∗10−6

4,0= 0,054 𝑁

Gonzalo Rivera ©

Q1 = 1,8 * 10-17 C placeras 150 nm ifrån Q2

Hur stor laddning har Q2 om den attraherande kraften är 1,3 * 10-10 N?

Q1 = 1,8 * 10-17 C

F = 1,3 * 10-10 N

r = 150 * 10-9 m

Q2 = ?

Elektromagnetiska vågor

15

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2𝑟2

𝑟2 ⋅ F = 𝑘𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑟2

⋅ 𝑟2

𝑟2 ⋅ F = 𝑘 𝑄1 ⋅ 𝑄2

𝑟2 ∗ 𝐹

𝑘 ∗ 𝑄1=𝑘 ∗ 𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑘 ∗ 𝑄1

𝑟2 ∗ 𝐹

𝑘 ∗ 𝑄1= 𝑄2

𝑄2 =𝐹 ∗ 𝑟2

𝑘 ∗ 𝑄1

𝑄2 =𝐹 ∗ 𝑟2

𝑘 ∗ 𝑄1=

1,3 ∗ 10−10 (150 ∗ 10−9)2

(8,99 ∗ 109) (1,8 ∗ 10−17)

𝑄2 =1,3 ∗ 1502 ∗ 10−10 ∗ 10−9 ∗ 10−9

8,99 ∗ 1,8 ∗ 109 ∗ 10−17=

𝑄2 =1,3 ∗ 22,500 ∗ 10−17

16,182= 1,8 ∗ 10−17𝐶

𝑄2 =𝑁𝑚2

𝑁𝑚2

𝐶2∗𝐶=

𝑁𝑚2

𝑁𝑚2

𝐶∗𝐶∗𝐶=

𝑁𝑚2

1𝑁𝑚2

𝐶

=𝑁𝑚2

1∗

𝐶

𝑁𝑚2= 𝐶

Q1 Q2

150 nm

𝑄2 =1,3 ∗ 22500 ∗ 10−28 ∗ 108

8,99 ∗ 1,8

1,3 * 10-10 N

Gonzalo Rivera ©

Q1 = -6 µC attraheras av en annan laddning. Avståndet mellan laddningarna är 5 cm.

Hur stor laddning har Q2 om den attraherande kraften är 65 N?

Q1 = -6 * 10-6 C

F = 65 N

r = 5 cm = 0,05 m

Q2 = ?

Elektromagnetiska vågor

16

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2𝑟2

𝑟2 ⋅ F = 𝑘𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑟2

⋅ 𝑟2

𝑟2 ⋅ F = 𝑘 𝑄1 ⋅ 𝑄2

𝑟2 ∗ 𝐹

𝑘 ∗ 𝑄1=𝑘 ∗ 𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑘 ∗ 𝑄1

𝑟2 ∗ 𝐹

𝑘 ∗ 𝑄1= 𝑄2

𝑄2 =𝐹 ∗ 𝑟2

𝑘 ∗ 𝑄1

𝑄2 =𝐹 ∗ 𝑟2

𝑘 ∗ 𝑄1=

65 ∗ (0,05)2

(8,99 ∗ 109) (6 ∗ 10−6)

𝑄2 =65 ∗ 2,5 ∗ 10−3

8,99 ∗ 6 ∗ 103=

𝑄2 = 3,01 µC

𝑄2 =𝑁𝑚2

𝑁𝑚2

𝐶2∗𝐶=

𝑁𝑚2

𝑁𝑚2

𝐶∗𝐶∗𝐶=

𝑁𝑚2

1𝑁𝑚2

𝐶

=𝑁𝑚2

1∗

𝐶

𝑁𝑚2= 𝐶

Q1 Q2

5 cm

𝑄2 =65 ∗ 2,5 ∗ 10−6

8,99 ∗ 1,8=

65 N

65 ∗ 2,5 ∗ 10−310−3

8,99 ∗ 6

3,01 ∗ 10−6𝐶

Gonzalo Rivera ©

En laddning i vila producerar ett elektriskt fält omkring sig men inget magnetiskfält.

E =F/Q i enhet N/C

F= E * Q

En laddning i rörelse ger upphov till både ett elektriskt och magnetiskt fält.

För att producera elektromagnetiska vågor, måste en laddning vara i accelererad rörelse.

Elektromagnetiska vågor

17

q

q

E

t

E

Gonzalo Rivera ©

När laddningar genererar elektronrörelse uppstår ström

När ström rör sig uppstår magnetiskfält:

I → B

I har en viss riktning och B också

Högerhandregel

Men när laddningar möts blir strömmen och det magnetiska fältet lika med noll.

Nu strömmen rör sig upp och ner så att magnetfältet kan representeras som en våg

Elektromagnetiska vågor

18

I = 0

B = 0

I

B B

I I

E

B

Gonzalo Rivera ©

Bestäm den elektriska fältstyrkan i en punkt 3,0 cm från en punktformig laddning (Q) på 25 fC.

Laddningarna påverkar varandra med precis lika stora krafter.

Q1 = 25 fC = 25 * 10-15 C

r = 3 cm = 0,03 m

E = ?

Elektromagnetiska vågor

19

𝐹 = 𝑘𝑄1𝑄2𝑟2

E ∗ 𝑄2 = 𝑘𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑟2

E ∗ 𝑄2𝑄2

= 𝑘𝑄1 ⋅ 𝑄2𝑄2𝑟

2

E = 𝑘𝑄1𝑟2

E = k𝑄1

𝑟2=8,99 ∗ 109 ∗

25 ∗10−15

0,032

E =8,99 ∗ 109 ∗0,000000000000025

0,0009

𝐸 =𝐹

𝑄

𝐹 = E ∗ 𝑄2

E =8,99 ∗ 109 ∗ 2,777777778 ∗ 10−11

E ≈ 0,25 𝑁/𝐶

E =8,99 ∗ 0,02777777778

Gonzalo Rivera ©

James Clerk Maxwell satt ihop dessa två fält (1861-1862)

Hur elektriska fält orsakas av elektriska laddningar.

Det finns inga "magnetiska laddningar"

Hur elektriska fält uppstår från variationer i magnetiska fält.

Hur magnetiska fält uppstår från variationer i elektriska fält.

Ändring i E genererar B

Ändring i B genererar E

Vågorna har fått eget liv!

E och B är perpendikulära gentemot vågutbredning

Elektromagnetiska vågor

20

Gonzalo Rivera ©

Hur snabbt rör sig EM-vågor?

C = 3 x 108 m/s

C = 2,9979 x 108 m/s

C = 300 000 km/s

C = f x λ

Maxwell satt ihop E och B

Ledde till att ljuset själv var en EM-våg

B = magnetfält

E = elektriskfält

C = vågutbredning

Hur kan vi detektera EM-vågor?

Elektromagnetiska vågor

21

Gonzalo Rivera ©

Synligt ljus kan beskrivas som kombination av en elektrisk och en magnetisk vågrörelse som utbreder sig i rummet.

Dessa fält kan filtreras bort

E vertikalt: Vertikal polarisation

E horisontellt: Horisontal polarisation

Brewstervinkel:

Reflekterat ljusstråle polariseras horisontellt i enlighet med ett infallande vinkel:

Radiovågor kan polariseras på samma sätt som synligt ljus.

Elektromagnetiska vågor

22

Gonzalo Rivera ©

Gonzalo Rivera ©

Under 17, 18 och 19 århundrade utforskades trådlös kommunikation febrilt:

Michael Faraday

James Clerk Maxwell

Heinrich Rudolf Hertz

Guglielmo Marconi

Nikola Tesla

David Edward Hughes

Oliver Joseph Lodge

Aleksandr Popov

Utforskare

24

1791 1831

18571856

1831

1851

1874

1859

Matematiska grunder

Radiovågor existens Radiovågor användning

Gonzalo Rivera ©

Hollywoodstjärnan Hedy Lamarr var skarp, uppfinningsrik och hade ett bestämt brett spektrum av intressen.

Lamarr var bekant med både radioteknik och vapenindustrin.

Hon visste att torpederna var effektiva vapen, men mycket utsatta för detektering och sabotage av radiosignaler.

Hon hade tanken på att använda flera frekvenser och hoppa mellan de.

Frekvens hoppning

Spread spectrum technology.

1942 patent

2000 dog

Utforskare

25

1914

https://www.youtube.com/watch?v=_rlXHNeQD-s

Gonzalo Rivera ©

”surfa på Internet”

1970-1971 utvecklade Hawaii universitet det första trådlösa nätverket som döptes till ALOHAnet.

Kommunikationen mellan olika Hawaiiska öar möjliggjordes av OSI datalänks skikt inom frekvensområdet 400 MHz.

Redan då refererades CSMA/CD och CSMA/CA som åtkomstkontroller till transmissionsmedier.

WLAN historik - ALOHAnet

26

Norman Abramson

1970

https://www.i-programmer.info/babbages-bag/398-ethernet.html

Gonzalo Rivera ©

En global hierarki hanterar trådlöst kommunikation.

Förenta nationerna har tilldelat uppdraget att säkerställa interferensfri kommunikation på land, hav och i skyn till ITU-R.

ITU-R upprätthåller en global databas av frekvensstyrning via fem administrativa regioner:

Region A: The Americas – Inter-American Telecommunication Commission (CITEL)

Region B: Western Europa – European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT)

Region C: Eastern Europe and Northern Asia – Regional Commonwealth in the field of Communications (RCC)

Region D: Africa – African Telecommunications Union (ATU)

Region E: Asia and Australasia – Asia-Pacific Telecommunity (APT)

Standardiseringsorganisationer

27

https://www.citel.oas.org/en/Pages/default.aspxhttps://www.cept.org/cept/membership-and-observershttp://www.en.rcc.org.ru/http://atu-uat.org/https://www.apt.int/

Gonzalo Rivera ©

Utöver de fem administrativa regionerna definierar ITU-R tre styrande regioner till.

Region 1: Europe, Middle East, and Africa

Region 2: Americas

Region 3: Asia and Oceania

Standardiseringsorganisationer

28

Gonzalo Rivera ©

De hanterar och reglerar frekvenser, effektnivåer och överföringsmetoder inom trådlöst kommunikation.

International Union Radio Communication (ITU-R) – globalt administration av radiofrekvenser och satellit kommunikation

Institute for Electric och Electronics Engineers (IEEE) – utvecklar standarder för trådbundet och trådlös nätverk.

Internet Engineering Task Force (IETF) - styr tillväxten och expansionen av trådlöst kommunikation.

Federal Communications Commission (FCC) - Amerikanska motsvarigheten till PTS

WiFi Alliance - Denna organisation har tagit på sig uppgiften att certifiera 802.11 enheter så att de följer standarden på samma sätt.

Standardiseringsorganisationer

29

Gonzalo Rivera ©

Uppdrag: “främja teknisk innovation och excellens för mänsklighetens fördel.”

IEEE publicerade standarden 802.11 år 1997

IEEE 802 projekt är indelade i arbetsgrupper.

Numret efter siffran 802 anger arbetsgruppen:

IEEE 802.3 talar om att grupp 3 ansvarar standard för Ethernet.

IEEE 802.11 syftar att grupp 11 ansvarar WLAN-standarden.

När befintliga standarder inom 802.11 behöver revideras bildas ytterligare arbetsgrupper.

Till exempel IEEE 802.11a

Inte alla bokstäver får användas:

O och I, 0 och 1, noll? Ett?

X okänd?

802.1X finns och kan blandas med 802.11X

Standardiseringsorganisationer - IEEE

30

Gonzalo Rivera ©

Internet Engineering Task Force är en internationell förening av yrkeskunniga i nätverksbranschen.

Uppdrag: producera högkvalitativa, relevanta, tekniska dokument.

Request for Comments är ett uttalande eller en definition.

De flesta RFC dokument har följande egenskaper:

beskriver nätverksprotokoll, tjänster eller regler

de kan utvecklas till Internetstandarder

RFC dokument numreras i följd, och när ett nummer är tilldelat återanvänds det aldrig.

RFC kan uppdateras eller kompletteras med högre numrerade RFC.

Överst i RFC-dokumentet anges information om vilken RFC uppdateras.

Inte alla RFC är standarder.

Standardiseringsorganisationer - IETF

31

Gonzalo Rivera ©

IEEE 802.11-arbetsgruppen definierar WLAN-standarderna

IEEE använder den olicensierade frekvensen 2.4 GHz år 1997 därmed verifierades standarden 802.11 på 2 Mbps.

Wi-Fi alliance grundades augusti 1999 och fick namnet WECA eller WirelessEthernet Compatibility.

Namnet WECA ändrades till Wi-Fi Alliance i oktober 2002

Wi-Fi Alliance är en global, icke-professionell branschorganisation som ägnar sig åt att främja tillväxten av WLAN.

Främsta uppgifter:

marknadsföra Wi-Fi-varumärket

öka konsumentens medvetenhet om nya 802.11-standarder

Säkerställa driftskompatibiliteten hos WLAN-produkter, certifieringstestning.

IEEE och WiFi är två olika organisationer

Standardiseringsorganisationer - WiFi

32

Gonzalo Rivera ©

802.11 (1977) första version

802.11a (1999) fungerar i 5 GHz, 54 Mbps, OFDM

802.11b (1999) 2,4 GHz band, 11 Mbps

802.11g (2003) 2,4 GHz, 54 Mbps, bakåtkompatibel med 802.11b, OFDM

802.11n (2009) 2,4 GHz och 5 GHz, 450 Mbps, MIMO

802.11ac (2014) 5 GHz, 1,3 GbpsWave 1 och 3,4 Gbps Wave 2, fler RF kanaler på 160 MHz bredd.

Standardiseringsorganisationer - WiFi

33

11 54 450 1,3 Gbps 3,4

A

B

G

N

AC

AC

Gonzalo Rivera ©