Lezione sulle Comunicazioni Wireless

Транскрипт

1 Lezione sulle Comunicazioni Wireless Andrea Tonello 5 Giugno 2003 Aula B, ore UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA, GESTIONALE E MECCANICA

2 Introduzione Sistemi Wireless Sistemi cellulari e WLAN Strato Fisico, ricerca e sviluppo Modello Canale Radio Mobile Prestazioni in Canali con Fading Nuove tecnologie: Antenne Multiple - Modulazione Multiportante 2

3 Sistemi Wireless Sistemi Radio Terrestri Sistemi Radio Satellitari Sistemi Ottici free space optical. Comm. trasmissione senza fili copertura semplicita` ed economia di installazione mobilita` 3

4 Sistemi Wireless Terrestri mobilita` Radio mobili Wireless LAN/MAN/PAN Radio Broadcast Video Broadcast Fixed Wireless Access Ponti Radio data rate 4

5 Sistemi Cellulari : Copertura e Mobilita` x - Multi utente x x - Alta copertura x x * x - Alta mobilita` - Riuso frequenze x - Handoff tra due SRB - Roaming tra due operatori x : SRB, stazione radio base * : SRM, stazione radio mobile 5

6 Riuso Frequenze x x x x * x x x x x x * x x x x x x x x * x x x Consente di ri-utilizzare le frequenze e massimizzare lo sfruttamento dello spettro disponibile 6

7 Condivisione dello Spettro: Accesso Multiplo TDMA : Time Division Multiple Access User 1 User 2 User 3 time FDMA : Frequency Division Multiple Access User 1 User 2 User 3 CDMA : Code Division Multiple Access frequency Code 1 Code 2 7

8 Modulazione sorgente Modulazione Analogica o Numerica 8

9 Evoluzione Sistemi Cellulari 2G - mobilità avanzata (roaming) - maggiori servizi (voce, dati) 1G - mobilità di base - servizi di base (voce) - incompatibilità 4G? - servizi avanzati - integrazione dei vari sistemi 3G - seamless roaming - servizi avanzati ad alta rate - accesso globale

10 Evoluzione Sistemi Cellulari 1G : Analogici (FM, FDMA, MHz) - RTMS, TACS, ETACS (Europa) - AMPS (Nord America) - JTACS, NTACS (Giappone) 2G : Digitali (TDMA - FDMA - CDMA, MHz, MHz) - GSM (Europa) - IS 54/136, IS 95 (Nord America) - PDC (Giappone) 3G : Digitali (CDMA, MHz) - UMTS (Europa) - CDMA 2000 (Nord America) ITU - IMT WCDMA (Giappone) 10

11 Data Rate 2 Mbit/s 384 kbit/s IMT 2000 GSM EDGE 144 kbit/s Evolved 2G: GSM GPRS, IS 95 B 10 kbit/s 2G: GSM, IS 95, IS-136, PDC High mobility / coverage 11

12 WLAN e WPAN WLAN: Wireless Local Area Networks WLAN 1G : fino a 2 Mb/s, banda 2.4 GHz - ETSI Hiperlan - IEEE b WLAN 2G : fino a 54 Mb/s, banda 5 GHz - ETSI Hiperlan II - IEEE a WPAN: Wireless Personal Area Networks WPAN 1G: fino a 1 Mb/s - IEEE Bluetooth WPAN 2G: > 10 Mb/s - IEEE UWB 12

13 Modello OSI: Protocolli Control Plane User Plane RRC Control PDCP BMC Radio Link Control Logical channels Media Access Control Transport channels Physical Layer L3 L2 L1 Network Link Physical 13 RRC: radio resource control PDCP: packet data convergence protocol BMC: broadcast/multicast control

14 Rete GSM Um A BSS BTS NSS BTS BSC MSC/VLR GMSC '1&63'1,6'1; HLR/AuC/EIR BTS Um: radio interface BSS: base station system BTS: base transceiver station BSC: base station controller NSS: MSC: VLR: GMSC: HLR: Auc: EIR: network subsystem mobile switching center visitor location register gateway MSC home location register autentication register equipment identification register 14

15 Rete UMTS R99 Um A BSS CN Circuit Switched Domain BTS BSC MSC/VLR GMSC '1&63'1,6'1; Uu Gb HLR/AuC/EIR V A S C a m e l W a p U s a t UTRAN CN Packet Switched Domain BS RNC SGSN GGSN 'DWD1WZN,QWHUQHW VAS: value added service platform Camel: customized application for MN enhanced logic Wap: wireless application protocol Usat: UMTS SIM application kit RNC: radio network controller GPRS: general packet radio service SGSN: serving GPRS support node GGSN: gateway GPRS support node 15

16 Trasmissione 16

17 Schema di Principio Trasmissione Codificatore Sorgente Codificatore Canale Modulatore Numerico BB Modulatore RF Amplificatore Lineare BP 17

18 Principi di Trasmissione nel GSM Stream Bit (es. Codificatore vocale) Suddividi in Pacchetti Genera Pacchetto Codificato con Codice Convoluzionale Suddividi in Burst R 3 Dati 57 C 1 Sincronizzazione 26 C 1 Dati 57 R 3 G ms kbit/s Modula con G-MSK (~ BPSK con filtro Gaussiano) 18

19 Schema di Principio Ricezione Amplificatore LNA Demodulatore RF BP Demodulatore Numerico Decodificatore Canale Decodificatore Sorgente BB 19

20 Blocchi Fondamentali Cellulare Parte Radio Parte BB DSP/Asic Parte Controllo Microproc. 20

21 Aspetti Critici Parte Banda Passante Progetto Amplificatori: - Potenza - Linearita` - Bassa figura di Rumore - Consumo - Dimensioni e Costo Progetto Modulatore RF: - Filtri Analogici - Oscillatori di Precisione - DAC e ADC Progetto Antenne: - Impatto ambientale - Dimensione (critica se si adottano schiere di antenne) 21

22 Aspetti Critici Parte Banda Base Progetto Codifica di Canale e Modulazione: - Efficienza Spettrale in Canali Wireless: robustezza al rumore maggiore copertura robustezza all inteferenza maggiore capacita` - Complessita` computazionale Progetto Codifica di Sorgente: - Compressione (basso rate ed alta qualita`) - Complessita` computazionale 22

23 Algoritmi Trasmissione Stima di Canale Equalizzazione Tecniche di cancellazione dell interferenza Progetto di Codici Sistemi ad antenne multiple 23

24 Canale Radiomobile 24

25 Canale Radio Il canale dipende dall applicazione e frequenza di lavoro: LOS, line of sight (ponti radio). Satellitare Radiomobile terrestre I segnali radio (30 Mhz - 30 GHz; λ = 10 m - 1 cm) si propagano per: onda diretta, scattering troposferico, non riflesse dalla ionosfera riflessione (λ < Dim. ostacolo) diffrazione scattering (λ ~ Dim. ostacolo) 25

26 Canale Radio Sistemi Cellulari Fenomeni associati alla propagazione: attenuazione (path-loss) fading lento (shadow fading) variazioni lente della potenza media ricevuta, dovute a spostamenti dell antenna ricevente dell ordine di m. causato da ostruzioni quali alberi, fogliame. fading rapido (fast fading) variazioni rapide della potenza ricevuta, dovute a spostamenti dell antenna ricevente dell ordine di λ. causato dai cammini multipli. 26

27 Path Loss e Shadow Fading Propagazione spazio libero P( d) r λc = αpt 4 π d 2 λ = c/ f c c Propagazione ambiente radiomobile dipende da: ambiente circostante, altezza antenne BS, MS. Pr ( d) 10log 10 ( d0) 10 log 10( d/ d0) [ dbm] 1 mw = µ β + ε media path loss exponent (2-8) v.a. Gaussiana, m=0 27

28 Multi-path Fading Scattering Cluster Principale R d BS sopraelevata e MS circondata da scatterers: il segnale ricevuto alla BS e` la sovrapposizione di innumerevoli onde piane con fase diverse che variano allo spostarsi del mobile per Doppler shift poiche` λ=30 cm (900 MHz) piccoli spostamenti determinano ampi cambiamenti di fase l inviluppo del segnale ricevuto varia rapidamente con forti attenuazioni. 28

29 Multi-path Fading Scattering Cluster Secondario Scattering Cluster Principale D d R ritardi significativi (rispetto al periodo di simbolo) dovuti a clusters secondari determinano echi (risolvibili) quindi interferenza di intersimbolo. 29

30 Tipico Andamento Segnale Soggetto a Fading Potenza (db) secondi 30

31 Canale Radio Sistemi Cellulari Flat Fading Frequency Selective Fading Risposta in frequenza piatta Non introduce ISI H(f) ht (; τ) = α() tδ( τ) Ht (; f) = α() t Risposta in frequenza non costante Introduce ISI N P (; τ) = αp() tδ( τ τ p) ht p= 1 Ht (; f) = α p () te H(f) N P p= 1 j2π fτ p f f 31

32 Equivalente in Banda Base xt () = ag n T( t nt) n Equiv. BB Canale zt () Filtro Ricezione yt () η() t zt () = xt ( τ) ht (; τ) dτ + η() t Flat Fading Frequency Selective Fading zt () = α() txt () + η() t N P zt () = αp() txt ( τ p) + η() t p= 1 τ p τ p 1 ~ T 32

33 Flat Fading Lento Rispetto a T n n T R R R R ykt ( ) = a α() tg( t nt) g ( kt tdt ) + η() tg ( kt tdt ) g () t = g () t T R -T/2 0 T/2 α() t -T/2 0 T/2 T /2 = nα n T R + T /2 ykt ( ) a ( nt ) g ( tg ) ( kt nt tdt ) wkt ( ) 33

34 Flat Slow Fading g( τ) = gt( t) gr( τ t) dt g( τ ) -T 0 T ykt ( ) = anα ( nt) gkt ( nt) + wkt ( ) n y( kt ) = a α( kt ) g(0) + w( kt ) k ykt ( ) = avα( kt) + wkt ( ) k 0 34

35 Modulatore in Quadratura x () a t x () b t cos(2 π ft) c sin(2 π ft) c Canale BP yt () xt () = x() t + jx() t yt () a b Real{.} Canale BP j2 fct e π inviluppo complesso segnale analitico segnale BP 35

36 De-Modulatore in Quadratura yt () cos(2 π ft) c Filtro PB xˆ a () t sin(2 π ft) c Filtro PB xˆ b() t yt () Filtro PB xt ˆ() = xˆ () t + jxˆ () t a b e j π f t 2 c 36

37 Flat Fading xt () yt () Supponiamo che il canale comprenda N cammini con ampiezza C n ritardo τ n j2 fct e π Doppler f D,n Real{.} Canale BP yt = N j2 π( f + f )( t τ ) Ce n xt τ n= 1 ~ τ c D, n n () Re ( ) τn N yt = xt τ Ce π τ n n= 1 c D, n n () Re ( ) n j2 ( f + f )( t ) 37

38 Supponiamo x(t)=1, portante non modulata α BP t C e π τ = N n j2 ( f + f )( t ) n= 1 c D, n n () Re v: velocita` del mobile f onda n v v, = cosϑn λ Dn ( ( ( ϑ n c 38

39 Equivalente in Banda Base (Complesso) α() t = = N n= 1 N n= 1 N C e n Ce n { c D, n τn D, n } j2 π ( f + f ) f t jφ () t n = C cos φ ( t) j C sin φ ( t) n n n n n= 1 n= 1 N Le fasi si possono assumere indipendenti ed uniformemente distribuite in [0, 2π) Per il teorema limite centrale le componenti in quadratura di α(t) sono processo aleatori Gaussiano. α(t) e` un processo aleatorio Gaussiano complesso 39

40 Fading di Rayleigh Prendiamo un campione α(kt)= α a (kt)+j α b (kt) ha parte reale ed immaginaria Gaussiane ed indipendenti a media nulla la sua fase e` uniformemente distribuita α ( kt ) + α ( kt ) 2 2 a b il modulo ha distribuzione di Rayleigh 2a Pr p α ( a) = e a 0 P r a 2 a Pr F ( a) = 1 e a 0 α 2 Il modulo quadro ha distribuzione esponenziale 1 Pr p 2 ( a) = e a 0 α P r a F a e a Pr 2 ( ) = 1 0 α a 40

41 Flat Fading: Spettro Doppler α(t) si puo assumere stazionario in senso lato. la sua correlazione (e densita` spettrale di potenza) e` funzione della distribuzione angolare degli scatteres relativamente alla velocita` del mobile. Modello isotropico di Clarke (valido nelle macrocelle): la distribuzione angolare delle onde incidenti e` uniforme si puo` dimostrare che le componenti in quadratura sono processi indipendenti, ciascuno con autocorrelazione, e densita` spettrale ( ) r ( τ) = r ( τ) = PJ 2π f τ αi αq r 0 D W ( f) = W ( f) = α I α Q Pr 1 2π 1 ( f / f ) D 2 41

42 Funzione di Bessel 1 r(τ) normalizzata f D = f c v c T coerenza 1 f D f τ D 10 1 fc = 1 GHz fd 93 Hz v= 100 km/ h Tcoer. = 10.8 ms W (f) normalizzata (db ) Tpacchetto GSM = ms f \ fd 42

43 Sintesi Fast Fading Flat Frequency Selective Lento Rispetto a T Spettro Doppler: Modello Isotropico di Clarke Inviluppo: Rayleigh 43

44 Prestazioni Modulazione Numerica 44

45 Prestazioni Modulazione BPSK Consideriamo: sistema di trasmissione numerica BPSK canale con flat fading e rumore termico Valutiamo la probabilita` di errore 45

46 Equivalente in BB Sistema BPSK con Fading Modulatore BPSK Filtro TX Canale Filtro RX Decisione a Soglia jφ ykt ( ) = N βe Ed S k + η( kt) dk =± 1 α ( kt ) Supponiamo di potere stimare la fase e di correggerla: jφ zkt ( ) = ykte ( ) = β Ed + wkt ( ) S k 46

47 Regioni di Decisione zkt ( ) Re { z(kt) } U = Re{ z( kt)} = β E d + Re{ w( kt)} S k Gaussiana, m=0, varianza σ 2 =N 0 / 2 47

48 Probabilita` di Errore Condizionata La probabilita` di errore condizionata da β e` data da: 1 1 Pe = PU [ > 0 β, dk = 1] + PU [ < 0 β, dk = 1] 2 2 = PU [ > 0 β, d = 1] k = P[Re{ w( kt)} > β E β, d = 1] β E Q S = = Q SNR σ s ( ) 2 β k SNR 2E 2E = E β = N N 2 s s [ ]

49 Probabilita` di Errore Media Ora, la probabilita` media si ottiene: 0 ( ) 2 β Pe = E β Q SNR = + ( ) 2 β Q asnr p ( a) da Poiche` β 2 e` esponenziale a con m=1 ( ) + a Pe = e Q asnr da 0 1 SNR 1 1 = SNR 2 SNR 49

50 Confronto Probabilita` errore canale AWGN Probabilita` errore canale con Fading e ( ) P = Q SNR P e 1 2SNR Fading 10-2 Pe AWGN SNR (db) 50

51 Come Migliorare le Prestazioni? A) Codifica di Canale per Correzione Errori B) Utilizzare Antenne Multiple in Ricezione per Ottenere Diversita` 51

52 Diversita` d Antenna 2 GHz 2-Rami Diversita spaziale 2 GHz 4-Rami Diversita di Polarizzazione 52

53 Come Migliorare le Prestazioni? Modulatore Numerico Combinatore Segnali Demodulatore Numerico jφr z ( kt) = β e E d + w ( kt) r = 1,..., N r r s k r A β r v.a. di Rayleigh a varianza unitaria Indipendenti se le antenne sono spaziate di almeno λ \ 2 w r v.a. con componenti reale ed immaginarie Gaussiane a media nulla, varianza σ 2 =N 0 /2 ed indipendenti 53

54 Tecniche di Diversita Selection Combining: scegli l antenna con il migliore SNR! Maximal Ratio Combining: combina i segnali in maniera ottima! 54

55 MRC β j 1 1e φ Decisione a Soglia β j 2 2e φ NA NA 2 jφr zkt ˆ( ) = dk E s βr + βre wr( kt) r= 1 r= 1 55

56 56 Probabilita` di Errore Condizionata [Re{ ( )} 0, 1] [ ( 1) 0] e k k P P z kt d PU d β = < = = = < ( 1) Re ( ) A A r N N j k r r r r r U d V e w kt φ β β = = = = + Gaussiana, media 2 1 N A s r r E β =,varianza /2 A N r r N β = /2 A A A N N s r s r e r N r r r E E P Q Q N N β β β = = = = =

57 Probabilita` di Errore Media P ( ) e = E γ Q γ SNR 2E SNR = s N0 N A E 2 SNR γ = TOT = N A βr N 0 r= 1 2 s Somma di N A v.a. esponenziali, indipendenti, equidistribuite, m=1 Erlang indice N A : N A 1 a a pγ ( a) = e a 0 ( N 1)! A 57

58 Probabilita` di Errore Media P e NA N A 1 1 SNR NA 1+ k 1 SNR = SNR k = 0 k 2 2+ SNR SNR >> 0 1/ 2 SNR 2N A 1 N A 1 k P e N 1 A 2N A 1 2SNR N A 58

59 Pe Media BPSK in Fading di Rayleigh Fading Na= Fading Na= Na=2 Pe 10-3 Na=2 Pe AWGN 10-4 Na= Na=4 Na= SNR (db) Na=8 AWGN N A *SNR (db) 2E SNR s TOT = N A N 0 59

60 Guadagno d Antenna e di Diversita` Guadagno di antenna, cioe di SNR: 2E SNR s TOT = N A N 0 Guadagno di diversita`, cioe pendenza curve Pe in scala logaritmica log P ~ N log 2SNR e A 60

61 Antenne Multiple in Trasmissione e Ricezione 61

62 Capacita` ed Efficienza Spettrale Capacita = Efficienza Spettrale Numero di Bit/s/Hz che possiamo trasmettere con Probabilita` di Errore Arbitrariamente Piccola 62

63 Capacita` Sistemi ad Antenne Multiple Codice Spazio Temporale Decodificatore Spazio Temporale Si e recentemente dimostrato a Bell Labs che la capacita cresce linearmente con il numero di antenne trasmittenti se il numero di riceventi e almeno pari alle trasmittenti. 63

64 Capacita` Teorica (di Shannon) 300 Capacity in Bits/sec/Hz dB 18dB 12dB 6dB 0dB Number of Tx/Rx antenna Curve per una Probabilita` di 0.99 che la Capacita` sia Tale 64

65 Integrazione di Antenne in un Laptop 16 Elementi source: Bell Labs 65

66 Sistemi Multiportante 66

67 Modulazione Multiportante a 0 ( lt ) 0 gt () t a k ( lt ) 0 gt () t j 2 f0t e π Re{.} M a 1 ( lt ) 0 gt () t j2 fkt e π j2 fm 1t e π Non-minimale 0 M-1 Minimale 0 M-1 67

68 Motivazioni Viene impiegata quando il canale e` selettivo in frequenza: suddivido la banda in tante sottobande ove il canale e` flat ciascun sottocanale vede flat fading, dunque privo di ISI H(f) f 68

69 OFDM OFDM: orthogonal frequency division multiplexing E una particolare tecnica di modulazione multiportante che adotta filtri rettangolari e spaziatura di portante 1/MT. E implementabile digitalmente: a 0 ( lt ) 0 a k ( lt ) 0 IFFT P/S DAC M a 1 ( lt ) 0 T0 = MT f f 1 = 1/ MT k k 69

70 OFDM con Prefisso Ciclico a 0 DAC a H + w a k M 1 a IFFT Prefisso Ciclico P/S Canale ADC S/P Scarta Prefissoo FFT k k a H + w M 1 M 1 M 1 a H + w k Supponiamo canale selettivo in frequenza e modellato come N P hkt ( ) = αδ p ( kt pt) p= 0 N P ykt ( ) = α pxkt ( pt) + wkt ( ) p= 0 n = N P 2π j pn n M α p + n p= 0 z a e w Se il prefisso e piu lungo della durata del canale eliminiamo l ISI 70

71 Conclusioni Nelle Trasmissioni Radio Mobili sono importantissimi sia lo strato fisico che lo strato di rete. Il canale radio e soggetto a fading. Cio rende difficile ma avvincente l ottimizzazione delle prestazioni. Il sistema deve essere progettato per ottimizzare l efficienza spettrale con i vincoli di complessita. Le nuove enabling technologies sono Modulazione multiportante Sistemi ad antenne multiple Ultra Wide Band Modulation. 71