Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 7

Kap 7 och 11: Telesystem. Tidsmultiplex. Växlar. Trådlösa system. Vågutbredning. Digital-TV. COFDM.

Mobilsystem.

Trådlös transmission

Nästa generations mobilsystem? Samverkan mellan olika system

Spektrum

Radiovågor Mikrovågor IR UV Röntgen

kHz MHz GHz THz PHz EHz ZHz

Mobiltelefoni Synligt ljus

Gråmarkerade frekvenser är i huvudsak upptagna Högre frekvenser ger dyr utrustning/kort räckvidd

Våglängd och frekvens

8

300[ ]

Antal MHz

där ljusets hastighet 3 10 / ,

är våglängden i meter, och

är radiovågornas frekvens i Hz.

c cf m

f

c m s

f

Ju högre frekvens desto kortare våglängd.

Vågutbredning av radio- och mikrovågor

Exempel: Radio-LAN använder ofta frekvensen 2.4GHz,dvs våglängden 300/2400 =0.125m.

Radioskugga kan uppstå bakom föremål med storlek några våglängder (några dm i vårt exempel).

Radiovågor dämpas kraftigt av metallnät, t.ex. armeringsjärn, med mindre hål än en halv våglängd (ca 6 cm i vårt fall). Metallnätet utgör då Faradays bur.

Avståndsberoende dämpning. I vakuum avtar signalen kvadratiskt med avståndet, dvs 6 dB dämpning per dubblering av avståndet. I stadsbebyggelse är dämpningen ca 9 – 12 dB per dubblering av avståndet.

Förenklad modell av dämpningen

där är sändareffekt;

är avstånd mellan sändare och mottagare;

exponenten är 2 i vakuum och ca 3-4 i stadsbebyggelse;

samt (gain) är en koefficient som bl.a. beror av

kanalfrekvens, a

TxRx

Tx

GPP

DP

D

G

ntenntyp, antennhöjd och fädning.

Mobiltelefoni

Cell = täckningsområde för en basstationsantenn. En basstationssite har ofta tre antennriktningar, dvs tre

celler. Handover = byte av cell eller kanal under samtalet Roaming = byte av trafikområde i väntan på samtal. Paging = sökning av mobil över hela trafikområdet vid

inkommande samtal.

Radio resource management

Traditional static handoverExample: Channel reuse factor 4

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel 4

Dynamic resource management with channel reuse factor 1

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel 4

2 2

3 3

1

Återanvändningav kanaler

Dämpningen möjliggör återanvändning av kanaler Fler celler som täcker samma yta ger högre ytkapacitet [Mobiler / km2]

Celler med samma siffra använder samma kanaler.

I figuren är antalet kanalgrupper tre.

1

2

2 2

3 3 3

11

1

Fixed Channel Allocation with static handover

Channel 1 Channel 2

Channel 3 Handover map

Cellerna definieras av handovergränserna, och är (i teorin) hexagonala.

Mobiltelesystemens generationer

1G: Analog modulation – FDMA. T.ex. NMT. 80-talet. 2G: Digital modulation, TDMA + FDMA. T.ex. GSM. 90-

talet. 2.5G: GPRS, dvs paketförmedling. 3G: Edge (8PSK) eller WCDMA (spread spectrum). 2000-

talet. 3.5G: All-IP-infrastructure, inkl IP-telefoni istället för

kretskopplad telefoni? Asymmetrisk. HSDPA. 4G: Hybrid av många system? Heterogen täckning?

COFDM-modulation? Dynamisk kanalallokering? 2010-talet?

Störningar vid trådlös kommunikation

Brus och elektriska störningar: ”Gaussiskt vitt brus”, innebär att en gaussiskt fördelad (dvs normalfördelad)

slumpmässig spänning som innehåller läggs till signalen. Dess spektrum har lika stark energi vid alla frekvenser.

Samkanalsstörningar (co-channel interference) Långsam skuggfädning:

Log-normal fördelning av dämpningen. Flervägsutbredning ger upphov till:

Ekon och tidsspridning av signalen, vilket ger inter-symbol-interferens (ISI) Snabb fädning. Denna kan vara flat eller frekvensselektiv dämpning. Vid

frekvensselektiv dämpning blir symbolen distorderad. • Rayleigh-fördelad om direktvåg saknas• Rician-fördelad dämpning vid line-of-sight.

Fasvridning. Skurfel

Dopplerskift M.m

Diversitet

Tidsdiversitet genom bit-interleaving (omkastning av bitarna i tid, så att inte skurfel drabbar samma paket)

Rumsdiversitet (flera antenner)

Frekvensdiversitet (frekvenshopp, spread spectrum eller COFDM dvs många smalbandiga bärvågor)

TV-distribution

Analoga TV-system

Europa: 25 bilder per sekund (50 halvbilder), 625 linjer. Färginformation enligt PAL-systemet (de flesta europeiska länder).

USA: 30 bilder per sekund (60 halvbilder), 625 linjer. Färginformation entligt NTSC-systemet.

Figure 11:2: Analog TV-signal

Luminance = svartvit information och synksignaler.Chrominance = färginformation.Audio = ljudsignal.

TV band frequency division multiplex

Figure 11.20: The terestrial digital video broadcasting system (DVB-T)

Example 11.1: FEC in the digital TV system

COFDM modulation (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

Flera tusenlångsamma modulatorerpå var sinunderbärvågistället för ensnabb.

COFDM spectrum

Ortogonal modulation innebär oberoende bärvågor. Spektrumav en bärvåg påverkar inte mottagnning av en annan bärvåg omfrekvensavståndet är 1 didividerat med symboltiden.Därmed behövs inte filter.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

20 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-1

0

1

Sub

carr

ier

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-5

0

5

Sum

sig

nal

Time [ms]

The OFDM modulation scheme

Example:4 sub-carriers

8 PSK

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

000

001

010

011

100

101

110

111

The 8PSK constellation

cos

-sin

{ { { { { {30 k=1 k=31 k=4 k=2k=0

OFDM symbol 1 OFDM symbol 2

0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0kk k == =

< >E5F1442443144444444444444424444444444444443 14444444444444244444444444443

Syfte med COFDM

Långa symboler gör att vi har råd med ”guard-interval” emellan så att ISI (Inter-symbol interference) kan undvikas.

Den frekvensselektiva fädningen blir flat inom varje underbärvåg, och kan därmed motverkas genom felrättande kod, utan avancerad equalizer.

COFDM är viktig inom ett stort antal trådlösa system, och förväntas användas inom 4G.

Example 11.2: Number of COFDM subcarriers in the DVB-T system

Technical data for DAB and DVB-T DAB DVB-T

Adopted 1995 1997

Coverage in parts of: Canada, Europe, Australia Europe and Australia

Net bit rate R per frequency channel:

576 - 1152 kbit/s 4.98 - 31.67 Mbit/s

Channel separation B: 1.712 MHz 8 MHz

Link level spectrum efficiency R/B:

0.34 - 0.67 bit/s/Hz 0.62 - 4.0 bit/s/Hz

Freq. range of today’s receivers:

174 – 240 MHz , 1452 – 1492 MHz.

470 - 862 MHz

Maximum speed: About 200 - 600 km/h 36 - 163 km/h

Number of OFDM sub-carriers:

1536, 384, 192 or 768. The 2K mode: 1705 The 8K mode: 6817

Sub-carrier modulation: DQPSK QAM, 16QAM or 64QAM

Inner Forward Error Correction Coding (FEC):

Convolutional coding with code rates 1/4, 3/8 or 1/2.

Convolutional coding with code rates 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 or 7/8.

Outer FEC: None RS(204,188,t=8)

Time (outer) interleaving: Convolutional interleaving of depth 384 ms.

Convolutional interleaving of depth 0.6 - 3.5 ms.