Wykład 05 z SB

dr inż. Krzysztof Hodyr
Sieci Bezprzewodowe
Część 5
Bilans mocy łącza radiowego
Model COST 231 w opracowaniu nr 7/7 Walfish'a-Ikegami:
straty rozproszeniowe L dla fal z zakresu 0,8-2GHz wzdłuż
swobodnej drogi w atmosferze
Bilans mocy łącza radiowego
Podstawowe pojęcia systemu komórkowego
System telefonii komórkowej GSM
Bilans mocy łącza radiowego
x - długość drogi w km
f - częstotliwość w MHz
L - tłumienie w dB
Bilans mocy łącza radiowego
Straty dodatkowe, uwzględniające 6 dB margines
Uwzględniając poprzednie wzory bilans energetyczny łącza
d1, d2 - długości kabla do anteny 1 i 2 w metrach
tw1, tw2 - tłumienie właściwe kabla 1 i 2 w dB/m
tk1, tk2 - tłumienie złącz konektorowych (może ich być
więcej niż dwa) w dB
Ld
- straty dodatkowe w dB
Po
L
Ld
G1, G2 Prx
-
moc nadajnika w dB
straty rozproszeniowe
straty dodatkowe
zyski energetyczne anten łącza w dB
czułość odbiornika w dB (np. –89 dB)
Wyznaczanie zasięgu łącza
straty rozproszeniowe w atmosferze :
straty dodatkowe, uwzględniające 6 dB margines błędu :
Wyznaczanie zasięgu łącza
bilans energetyczny łącza :
skąd mamy :
1
Wyznaczanie zasięgu łącza
otrzymaliśmy :
Bilans mocy łącza radiowego
Należy uwzględnić jeszcze promień pierwszej strefy Fresnela
skąd :
ostatecznie :
Uwaga :
x otrzymamy w km, jeżeli f podajemy w MHz, a pozostałe wartości w dB
Bilans mocy łącza radiowego
sieci.wshe.lodz.pl
zasiegi.xls (Sieci Bezprzewodowe)
hasło: ws123he
Pojęcia podstawowe
Maksymalne zasięgi łączy WLAN
Szwedzi
ponad 300 km, anteny paraboliczne (26-28dB),
moce nadajników po 6W (~38dBm)
Polacy
ponad 100 km, anteny paraboliczne (26-27dB),
moce nadajników po 0,5W (~27dBm)
Pojęcia podstawowe
Pierwszy ruchomy radiotelefon z 1924 r.
Istotą systemu komórkowego jest podział całego
obszaru jego działania na mniejsze fragmenty
tzw. komórki
Wielokrotne wykorzystanie tej samej częstotliwości
(ang. frequency reuse)
Tę samą częstotliwość można wykorzystać w wielu,
niezbyt od siebie oddalonych komórkach systemu
2
Sposób przydziału kanałów radiowych dla obszaru
podzielonego na struktury 7-komórkowe
Pojęcia podstawowe - strefy
Obszar wokół nadajnika radiowego można
podzielić na trzy strefy:
- strefa 1 - obszar dobrej słyszalności sygnału
- strefa 2 - obszar, w którym sygnał jest zbyt słaby
aby umożliwić skuteczną komunikację, ale jeszcze
wystarczająco silny, żeby zakłócać pracę innych
systemów pracujących na tej samej częstotliwości
- strefa 3 - sygnał jest praktycznie niesłyszalny
Pojęcia podstawowe - strefy
Pojęcia podstawowe
Jeżeli nadajniki sąsiednich stacji bazowych BS1 i BS2
wykorzystują tę samą częstotliwość f, to strefa 1 komórki
z nadajnikiem BS1 musi leżeć poza strefą 2 nadajnika BS2
Pojęcia podstawowe - przeniki
Pojęcia podstawowe - przeniki
Jeśli strefa 1 komórki z nadajnikiem BS1 będzie zachodzić
na obszar strefy 2 nadajnika BS2, to odbiorniki w komórce
pierwszej będą zakłócane sygnałem nadajnika BS2.
Zjawisko takie to przeniki wspólnokanałowe
Przeniki międzykanałowe – powstają, gdy nadajniki
sąsiednich komórek pracują na różnych
częstotliwościach.
Nieliniowe charakterystyki nadajników i odbiorników
generują w systemie dodatkowe częstotliwości sygnału,
powodujące zakłócenia.
3
Pojęcia podstawowe
Metody eliminacji przeników międzykanałowych:
- linearyzacja wzmacniaczy
- dokładne filtrowanie sygnałów
- odpowiedni przydział częstotliwości stacjom bazowym
Pojęcia podstawowe
Pojęcia podstawowe - pojemność
Pojemność sieci komórkowej – zdolność obsługiwania
ruchu telefonicznego podana w przeliczeniu na jednostkę
powierzchni.
Mierzy się ją przez podanie średniej liczby kanałów
rozmównych przypadających na jednostkę powierzchni
obszaru obsługiwanego przez system.
Pojęcia podstawowe
Pojemność sieci komórkowej zależy od:
- łącznej szerokości pasma użytkowanego przez
operatora
- liczby kanałów rozmównych przypadających na 1 MHz
pasma
- stopnia wielokrotnego wykorzystania tej samej
częstotliwości
- rozmiarów komórek
System telefonii komórkowej GSM
Architektura GSM
GSM (ang. Global System for Mobile Communication)
powstawał od 1982 roku
centrum zarządzania siecią GSM
zatwierdzony przez ETSI grupą norm EN 301 419
- centrale MSC (Mobile Switching Center)
- centrale tranzytowe GMSC (Gateway Mobile Switching
Center)
- rejestr stacji własnych HLR (Home Location Register)
- rejestr stacji obcych VLR (Visitors Location Register)
- centrum identyfikacji AuC (Authentication Center)
TELECOM'91 w Genewie – pilotażowa wersja systemu
październik 1991
GSM w Polsce – wrzesień 1996 roku
część komutacyjno-sieciowa:
zespół stacji bazowych BSS (Base Station Subsystem):
ponad 26 mln abonentów GSM w Polsce w 2005 roku
- stacje bazowe BTS (Base Transceiver Station)
- sterowniki stacji bazowych BSC (Base Station Controller)
stacje ruchome MS (Mobile Station)
4
Architektura GSM
Architektura GSM
Centrum zarządzania – kilka rozproszonych, połączonych ze
sobą centrów eksploatacji i utrzymania OMC (Operation and
Maintenance Center) umożliwia administrowanie i zarządzanie
systemem. Korzysta z baz danych HLR, EIR i AuC.
HLR – rejestr stacji własnych HLR – m.in. informacje o
numerach i uprawnieniach abonenta, jego statusie (np.
zablokowany) czy aktualnym położeniu stacji. Lokalizacja
abonenta jest uaktualniana co kilka godzin i określa obszar
centrali, na terenie której abonent przebywa.
EIR – rejestr identyfikacji telefonów EIR – do identyfikacji stacji
ruchomej abonenta przez porównanie numeru IMEI telefonu z
danymi zawartymi na karcie SIM. Sprzęt, który nie uzyska
akceptacji w systemie, np. zgłoszony jako skradziony, może
zostać zablokowany.
Architektura GSM
Architektura GSM
AuC – centrum identyfikacji, połączone zwykle z HLR – funkcje
związane z niepowołanym dostępem do systemu, przez
uniemożliwienie realizacji połączeń na koszt innych abonentów
oraz uniemożliwienie podsłuchiwania rozmów w kanale
radiowym. W bazie AuC przechowywane są klucze i algorytmy
szyfrujące kanały radiowe abonentów.
Centrale MSC/GMSC – funkcje sterujące i komutacyjne
pomiędzy abonentami sieci GSM oraz między abonentami sieci
komórkowej i abonentami innych systemów (GMSC).
Z każdą centralą GSM skojarzona jest baza danych VLR.
VLR – rejestr stacji obcych – aktualizowane na bieżąco,
informacje o abonentach GSM przebywających chwilowo na
terenie danej centrali, ale zarejestrowanych na stałe w innej
centrali sieci (dotyczy to abonentów z własnej sieci GSM, ale z
innego jej rejonu, jak i abonentów z innych sieci GSM)
Architektura GSM
Interfejs A – standardowy strumień PCM 2 Mb/s (E1) łączący
centrale ze sterownikami stacji bazowych BSC.
BSC – sterownik stacji bazowych – sterowanie kilkoma lub
kilkudziesięcioma stacjami bazowymi BTS poprzez interfejs ABIS, zarządzanie procedurami szyfrowania transmisji w
kanałach radiowych, zdalna regulacja mocy podległych stacji
bazowych i ruchomych, przełączanie kanałów (handover)
BTS – stacje bazowe – służą terminalom ruchomym MS do
komunikacji z innymi abonentami sieci. Realizowane jest to
poprzez interfejs radiowy
Architektura GSM
Terminale ruchome MS
- wyposażenie ruchome ME (Mobile Equipment) – obsługa
interfejsu radiowego oraz styk z urządzeniami zewnętrznymi
- moduł identyfikacji abonenta SIM (Subscriber Identity
Module) – zawiera dane użytkownika, realizowany jako karta
lub układ scalony montowany wewnątrz terminala.
Funkcje modułu SIM
- przechowywanie informacji zapisanych przez operatora sieci,
służących zapewnieniu bezpiecznego korzystania z systemu,
- przechowywanie informacji bieżących definiowanych przez
użytkownika i przychodzących do niego SMS-ów.
5
Architektura GSM – łącze radiowe
Architektura GSM – łącze radiowe
Dwukierunkowość łącza realizowana techniką FDD (Frequency
Division Duplex).
Transmisja „w górę” tj. do stacji bazowej odbywa się na innej
częstotliwości niż transmisja „w dół” tj. od stacji bazowej do
stacji ruchomej.
Architektura GSM – wersje systemu
Architektura GSM – wersje systemu
Wersje systemu GSM
Wersje systemu GSM
GSM900 – 124 kanały o szerokości 200 kHz każdy,
zorganizowane w dwa pasma o szerokości po 25 MHz
890 - 915 MHz – w górę, 935 - 960 MHz – w dół
w górę:
fu = 890 + 0,2 × n
[MHz]
w dół:
fd = 935 + 0,2 × n
[MHz]
gdzie numer kanału n ∈ [1 ... 124]
E-GSM – 50 kanałów o szerokości 200 kHz każdy,
zorganizowanych w dwa pasma o szerokości po 10 MHz
880 - 890 MHz – w górę, 925 - 935 MHz – w dół.
w górę:
fu = 890 + 0,2 × (n - 1024) [MHz]
w dół:
fd = 935 + 0,2 × (n - 1024) [MHz]
gdzie numer kanału n ∈ [975 ... 1023]
GSM1800 – 374 kanały o szerokości 200 kHz każdy,
zorganizowane w dwa pasma o szerokości po 75 MHz
1710 - 1785 MHz – w górę, 1805 - 1880 MHz – w dół
w górę:
fu = 1710 + 0,2 × (n - 511) [MHz]
w dół:
fd = 1805 + 0,2 × (n - 511) [MHz]
gdzie numer kanału n ∈ [512 ... 885]
W niektórych krajach pasmo 1800 MHz jest zajęte przez inne
systemy. W USA na potrzeby sieci komórkowej drugiej
generacji przeznaczono zakres 1900 MHz (1850-1990 MHz),
który funkcjonuje tam pod nazwą GSM1900.
Architektura GSM – wersje systemu
Architektura GSM – wersje systemu
Wersje systemu GSM
Wersje systemu GSM
GSM-R – na potrzeby zintegrowanej europejskiej sieci
transportu kolejowego (ETSI norma EN 301 419-7)
wydzielono dwa pasma o szerokości po 4 MHz poniżej kanałów
E-GSM :
w górę:
876 - 880 [MHz]
w dół:
921 - 925 [MHz]
GSM-R – na potrzeby zintegrowanej europejskiej sieci
transportu kolejowego (ETSI norma EN 301 419-7)
wydzielono dwa pasma o szerokości po 4 MHz poniżej kanałów
E-GSM :
w górę:
876 - 880 [MHz]
w dół:
921 - 925 [MHz]
Trwają prace standaryzacyjne nad systemem GSM400
tworzonym w kanałach zwalnianych przez telefonię analogową
NMT. Na potrzeby systemu GSM400 przewidziano pasma:
w górę:
w dół:
450,4 - 457,6 oraz 478,8 - 486,0 [MHz]
460,4 - 467,6 oraz 488,8 - 496,0 [MHz]
6
Architektura GSM – wielodostęp
Wielodostęp metodami TDMA i FDMA jednocześnie.
Na każdej częstotliwości jednostką transmisji jest tzw. ramka
TDMA o długości 4,615 ms
Architektura GSM – wielodostęp
Ramka – osiem szczelin czasowych o czasie trwania 577 µs
każda, ponumerowanych od 0 do 7.
W pojedynczej szczelinie czasowej nadawany jest pakiet
złożony zwykle ze 148 bitów.
Kanały "w górę" i "w dół" są przesunięte względem siebie o
długość trzech szczelin czasowych tj. o 1,731 ms
Zapewnia to uniknięcie jednoczesnego nadawania i odbioru
(eliminacja sprzężeń i obniżenia czułości odbiornika w
obecności sygnału z własnego nadajnika).
Ze względu na efekt Dopplera maksymalna prędkość stacji
ruchomej wynosi 250 km/h w systemie GSM900 i tylko 130 km/h
w GSM1800.
Organizacja kanału fizycznego TDMA/FDMA w systemie GSM
GSM – pakiet podstawowy
GSM – pakiet podstawowy
sekwencja treningowa – 26 bitów – wyznaczanie charakterystyki
transmisyjnej kanału radiowego w celu kompensacji
zniekształceń sygnału powstających wskutek propagacji
wielodrogowej
grupy bitów dodatkowych – D – łącznie 8 bitów sygnalizują
zmianę zawartości bloków, ułatwiając działanie mechanizmów
korekcji kanału radiowego oraz dekodowania kodu splotowego
GSM – inne pakiety
GSM – hierarchia wieloramek
- korekcji częstotliwości – synchronizacja generatora stacji
ruchomej MS z częstotliwością stacji bazowej BTS
- synchronizacyjny – synchronizacja ramek
- dostępu – wyznaczanie opóźnienia propagacyjnego sygnału
- zastępczy – procedury systemowe np. do włączania stacji
ruchomej do systemu
7
GSM – ewolucja do systemu 3G
GPRS – ewolucja do systemu 3G
- modyfikacja kodera protekcyjnego – wzrost przepływności
z 9,6 do 14,4 kb/s w pojedynczej szczelinie ramki TDMA
- PCU (Packet Switching Unit) – urządzenie rozdzielające dane
pomiędzy sieć komutowaną a pakietową
- komutacja łączy HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) –
od 2 do 4 szczelin ramki na jedno łącze (28,8 do 57,6 kb/s)
- SGSN (Serving GPRS Support Node) – urządzenie
obsługujące zestawianie połączeń GPRS oraz zapewniające
współpracę z infrastrukturą GSM
- GPRS (General Packet Radio Services) – wprowadzenie do
architektury systemu GSM dodatkowych urządzeń służących
wyłącznie do transmisji pakietowych (PCU, SGSN, GGSN),
przepływność do 107 kb/s
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) – urządzenie
realizujące współpracę z publicznymi sieciami pakietowymi
opartymi na protokołach IP i X.25
- EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) – nowa
metoda modulacji (8-PSK obok GMSK), przepływność do
384 kb/s
GPRS – ewolucja do systemu 3G
EDGE – ewolucja do systemu 3G
8