Sieci Bezprzewodowe Charakterystyka fal radiowych i optycznych

Transkrypt

Tematyka wykładu
dr inż. Krzysztof Hodyr
42 – 6315989 WSHE
42 – 6313166 PŁ
khodyr @ wshe.lodz.pl
Charakterystyka fal radiowych i optycznych
Modulacje cyfrowe, systemy modulacji z rozpraszaniem widma
Prawo Nyquista, Shannona, ograniczenia w wykorzystaniu WLAN
Metody wielodostępu, protokoły dostępu do łącza WLAN
Sieci IEEE 802.11
Podstawy techniki komórkowej, sieć GSM
Materiały z wykładów są umieszczane na:
http:// sieci.wshe.lodz.pl
hasło: ws123he
Polecana literatura
Pojęcie sieci trankingowej, system TETRA
Satelitarne systemy telekomunikacyjne
Perspektywy rozwoju sieci bezprzewodowych
dr inż. Krzysztof Hodyr
Sieci Bezprzewodowe
Część 1
Charakterystyka fal radiowych i optycznych
Cyfrowe metody modulacji w sieciach WLAN
Charakterystyka fal radiowych
i
optycznych
1
Charakterystyka fal UHF i SHF
UHF ( 300 MHz – 3 GHz )
SHF ( 3 GHz – 30 GHz )
nie występują tu fale jonosferyczne, gdyż gęstość jonosfery
jest zbyt mała do wstecznego odbicia fal UHF w kierunku ziemi
mają charakterystykę podobną do fal zakresu UHF
fale tego zakresu przechodzą przez jonosferę w kosmos
pomiędzy falą bezpośrednią, a odbitą od gruntu występuje już
dość znaczna interferencja
dyfrakcja fal jest nieznaczna
dyfrakcja oraz szumy atmosferyczne i przemysłowe w tym
paśmie praktycznie nie występują
duże rozproszenie fal w chmurach, na kroplach deszczu oraz
cząsteczkach mgły, zwiększając tym samym interferencje fal i
ich zaniki
zasięg radiowy jest większy o ok. 15% od horyzontu
optycznego
szum atmosferyczny i zakłócenia przemysłowe w tym zakresie
są pomijalnie małe
Fale radiowe zakresów UHF i SHF rozchodzą się głównie jako
fala bezpośrednia, ograniczając tym samym zasięg transmisji
do obszarów niewiele przekraczających bezpośredni zakres
widoczności anten (LOS – Line of Sight)
Zgodnie z modelem COST 231 w opracowaniu Walfish'aIkegami straty rozproszeniowe L dla fal z zakresu 0,8 – 2 GHz
wzdłuż swobodnej drogi w atmosferze można wyrazić wzorem :
L = 20 · log ( x ) + 20 · log ( f ) + 32,4
Zasięg ten, zwany zasięgiem radiowym można obliczyć z
przybliżonej zależności :
D – zasięg
H, h – wysokość umieszczenia anteny nadawczej i odbiorczej
x – długość drogi w km
f – częstotliwość w MHz
L – tłumienie w dB
Wartość strat rozproszeniowych (tłumienia w atmosferze) dla
fali radiowej o częstotliwości 2400 MHz na drodze 1 km wynosi:
L = 20 · log (1) + 20 · log (2400) + 32,4 = 67,6 + 32,4 = 100 dB
Charakterystyka tłumienia fal UHF i SHF
Na transmisję fal radiowych duży wpływ mają :
załamanie (refrakcja) i rozproszenie w troposferze (do wys. 17
km),
odbicie, ugięcie (dyfrakcja) i rozproszenie na przeszkodach
terenowych,
zjawisko Dopplera
strefa Fresnela
2
Zjawisko Dopplera
Występuje gdy stacje znajdują się w ruchu względem
siebie, np. komputer zamontowany w samochodzie
względem stacji bazowej.
Częstotliwość sygnału docierającego do odbiornika ulega
wówczas przesunięciu w stosunku do częstotliwości
nominalnej odbiornika.
Wartość przesunięcia częstotliwości ∆f dana jest
zależnością:
Pierwsza strefa Fresnela
Do miejsca odbioru dochodzą zwykle dwie fale:
bezpośrednia i odbita, które w zależności od różnicy faz
mogą się dodawać lub odejmować. Dodawanie będzie
zachodzić, gdy różnica długości dróg fal wynosi λ/2 (przy
odbiciu fala zmienia swoją fazę na przeciwną).
Pierwsza strefa Fresnela w płaszczyźnie prostopadłej do
kierunku rozchodzenia się fali jest miejscem
geometrycznym punktów, dla których różnica dróg fali
bezpośredniej i odbitej wynosi λ/2.
Ogranicza ją pierścień o promieniu r równym:
v – względna prędkość nadajnika i odbiornika
fo – częstotliwość nominalna kanału komunikacji
Pierwsza strefa Fresnela
Charakterystyka fal optycznych
Fale optyczne wykorzystywane w sieciach komputerowych
należą zwykle do zakresu bliskiej podczerwieni (zakresy 7001100 nm, 1200-1350 nm i 1550 nm)
Propagacja ograniczona jest do zasięgu bezpośredniej
widoczności (LOS), gdyż fale optyczne nie ulegają praktycznie
ugięciom, a odbicie od większości powierzchni odbywa się z
dużymi stratami.
Łącze może być zrealizowane w sposób bezpośredni lub
poprzez wykorzystanie promieniowania odbitego (NLOS) np. od
ścian.
W łączach szerokopasmowych, nadajnikiem jest najczęściej
laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) przy mocy
wiązki do 5 mW. Cechą charakterystyczną laserowej wiązki
telekomunikacyjnej jest mała rozbieżność kątowa, nie większa
niż 0,350 (6 mrd).
Fale podczerwone są silnie tłumione w atmosferze poprzez
rozproszenie na cząsteczkach areozoli (drobiny kurzu,
cząsteczki pary wodnej).
Tłumienie wiązki laserowej w atmosferze jest prawie niezależne
od długości fali. Jego wartość można obliczyć na podstawie
prawa Lamberta-Beera :
τ(x) – współczynnik transmisji fali w odległości x od źródła
P(x) – moc wiązki w odległości x od źródła
P(0) – moc wiązki wychodzącej ze źródła
σ – współczynnik tłumienia na jednostkę długości
3
Przybliżoną wartość współczynnika tłumienia σ na podstawie
przejrzystości powietrza można obliczyć ze wzoru [Weichel] :
σ - współczynnik tłumienia w atmosferze
V - przejrzystość powietrza
λ - długość fali optycznej
q - współczynnik zależny od rozmiaru i rozkładu cząsteczek
rozpraszających, wynoszący odpowiednio: q=1,6 (wysoka
przejrzystość V>50 km), q=1,3 (umiarkowana przejrzystość
6 km<V<50 km), q=0,585×
×V1/3 (słaba przejrzystość V<6 km)
Cyfrowe metody modulacji
w sieciach WLAN
Straty rozproszeniowe podczerwonej wiązki laserowej w atmosferze
w funkcji przejrzystości powietrza
Dwuetapowy proces modulacji :
Metody modulacji :
1. modulacja cyfrowa, podczas której modyfikowany parametr
lub parametry fizyczne sygnału przybierają tylko określone
wartości; na wyjściu modemu otrzymujemy tu zmodulowaną
falę podnośną; sposób nadania zmian parametrom fali
podnośnej nazywamy metodą modulacji.
1. binarne (dwuwartościowe) – odwzorowują na przebiegu
podnośnej stan pojedynczego bitu danych; wymagają
dwóch stanów podnośnej do przedstawienia wartości bitu
„0” bądź „1”
2. modulacja analogowa fali radiowej lub optycznej za pomocą
fali podnośnej
2. M – narne (wielowartościowe) – odwzorowują na fali
podnośnej stan od 2 do 8 bitów danych przebiegu
cyfrowego jednocześnie; wymagają M = 2n ( n = 2 ... 8 )
stanów podnośnej do przedstawienia grupy bitów
Falę podnośną s(t) można przedstawić ogólnym wzorem :
4
Binarne metody modulacji
FSK – Frequency Shift Keying
(kluczowanie z przesuwem częstotliwości)
W czasie trwania bitów odpowiadających logicznemu „0”
generowana jest podnośna o częstotliwości f0, a podczas bitów
„1” – częstotliwość f1. Odstęp pomiędzy częstotliwościami f0 i
f1, (czyli dewiację ∆f) wybiera się zwykle równy odwrotności
podwojonego czasu trwania bitu tb
FSK – Frequency Shift Keying
(kluczowanie z przesuwem częstotliwości)
PSK – Phase Shift Keying
(kluczowanie z przesuwem fazy)
Dla bitów odpowiadających logicznej „1” następuje zmiana fazy
na przeciwną, czyli o π, podczas, gdy przy transmitowaniu
bitów „0”, faza podnośnej nie ulega zmianie.
Modulacja PSK ma lepsze właściwości niż FSK. W celu
ograniczenia zajmowanego pasma można zastosować filtrację
podnośnej.
PSK – Phase Shift Keying
(kluczowanie z przesuwem fazy)
GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying
(szybkie kluczowanie częstotliwości z gaussowskim
kształtowaniem impulsów)
Zmodyfikowana wersja klasycznej modulacji binarnej FSK.
Wprowadzając ciągłość zmian fazy w modulacji FSK otrzymuje
się modulację CPFSK (Continuous Phase FSK) – kluczowanie
częstotliwości z ciągłą fazą.
Wprowadzając następnie w modulacji CPFSK mniejszą niż w
FSK dewiację równą ∆f = f1 - f0 = 1/(4·tb) otrzymuje się
modulację MSK. Jest to tzw. szybkie kluczowanie z przesuwem
częstotliwości. Nazwa bierze się stąd, że odstęp pomiędzy
częstotliwościami został dwukrotnie zmniejszony w stosunku
do FSK.
5
Wielowartościowe metody modulacji
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying
(4-wartościowe kluczowanie z przesuwem fazy)
(4-wartościowe kluczowanie z przesuwem fazy)
Na podnośnej odwzorowywany jest stan dwóch bitów danych
jednocześnie. Wymaga to zastosowania czterech różnych
wartości zmiany fazy przebiegu, np. π/4 odpowiadającej
kombinacji bitów "11", 3/4π
π dla "01", -3/4π
π dla "00" i -π
π/4 dla
"10".
(odmiany)
(odmiany)
a) konwencjonalna odmiana QPSK z tzw. "przejściami przez zero"
amplitudy podnośnej (przy zmianie fazy o 1800), co wymaga
stosowania liniowych wzmacniaczy,
b) QPSK z offsetem (OQPSK) ma tak zorganizowany koder
stanów cyfrowych, że stany kanałów Q oraz I zmieniają się
naprzemiennie, co ogranicza możliwość zmian fazy do 900 i
zapobiega przejściom podnośnej przez zero,
c) modulacja π/4 QPSK stanowi dwie konstelacje punktów
przesuniętych w stosunku do siebie o 450, co eliminuje
przejścia podnośnej przez zero, a jednocześnie zapewnia
uzyskanie obwiedni podnośnej o minimalnej szybkości zmian
w porównaniu z poprzednimi odmianami QPSK (węższe pasmo
wymagane do przesłania tej samej informacji).
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
(4-wartościowa modulacja amlitudy)
64-QAM – Quadrature Amplitude Modulation
(64-wartościowa modulacja amlitudy)
Modulacja QAM używa 4 różnych kombinacji amplitudy i fazy
fali nośnej do odwzorowania na podnośnej stanu dwóch bitów
danych cyfrowych.
Znacznie częściej w sieciach WLAN wykorzystuje się bardziej
zaawansowane metody modulacji: 16-QAM i 64-QAM.
Liczby 16 czy 64 w nazwach 16-QAM i 64-QAM oznaczją ilość
kombinacji amplitudy i fazy jaką może przyjąć fala podnośna.
W pierwszym przypadku odwzorowywany jest na podnośnej
stan 4 bitów danych (M=24), a w drugim - 6 bitów danych (M=26)
jednocześnie. Dzięki temu możliwie jest przeniesienie dużej
ilości informacji cyfrowej w kanale transmisyjnym o
stosunkowo małej szerokości wykorzystanego pasma.
6
Bitowa stopa błędów w sieciach WLAN
Adaptacyjne dostosowanie metody modulacji
do stanu łącza WLAN
Zależność bitowej stopy błędów od stosunku sygnału do szumu dla
wielowartościowych modulacji M-PSK
7

Sieci Bezprzewodowe Charakterystyka fal radiowych i optycznych

Transkrypt

Podobne dokumenty

Nadajniki optyczne 1310nm - Media

Fotometr Pooltest 6

www.fal.org.pl - Powiat Poznański