APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE

Transcript

1 APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE Marco Luise University of Pisa, Italy Dipartimento Ingegneria dell Informazione

2 Che cos e una WLAN? Rete radio (wireless) locale compatibile con Applicazioni Indoor Mobilità limitata (Relativamente) alta capacità LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 2

3 Vantaggi delle WLAN Mobilità Installazione semplice Riduzione dei costi per ambienti dinamici Cambiamento fattore scala (scalabilità) Compatibilità con rete fissa LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 3

4 Svantaggi delle WLAN Capacità ridotta Sicurezza dei dati (security) Costo elevato (ambiente statico) Interferenza Gestione risorse energetiche LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 4

5 Prospettive Commerciali delle WLAN LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 5

6 Hardware Access Point (HAP) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 6

7 Software Access Point (SAP) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 7

8 Radio Interfaces (Adapters) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 8

9 Outdoor Equipment LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 9

10 Rete con Infrastruttura 1/2 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 10

11 Rete con Infrastruttura 2/2 ESS Extended Service Set BSS Basic Service Set LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 11

12 Esempi di rete con infrastruttura LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 12

13 Esempi di rete con infrastruttura LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 13

14 Rete Infrastructureless (Ad-hoc) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 14

15 Gli Hot-Spot AAA DB Utenti Radius Server Application Server WISP Walled Garden Access Point Hub Internet Router Access Gateway Access Point Hot Spot Totem Rj45 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 15

16 Famiglia degli Standard IEEE : , 1-21 Mbit/s 1999: 5GHz (US), 54 Mbit/s 1999: GHz (US, EU), 11 Mbit/s 2003: 2.4 GHz, 54 Mbit/s >2003: n?, Mbit/s 1999: WECA & WiFi Others: i security, e QoS LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 16

17 Parametri Fondamentali dell T R A D E O F F S b g a Dual Band Frequency Band 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 2.4 & 5 GHz Spectrum Allocation 83.5 MHz 83.5 MHz MHz MHz Rated Speed 2 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Actual Throughput Mbps 7-16 Mbps 54 / / 27 Range (typical maximum) 1500' 200' 1500' 1500' Reliability (RF Interference) usually OK usually OK much better best # of Available RF Channels (Non-overlapping Channels) 11 (3) 11 (3) 12 (8) 4 11 (3) + 12 (8) 4 Security (encryption) 48-, 64-, 128-bit WEP 48-, 64-, 128-bit WEP 48-, 64-, 128-, 152-bit WEP 48-, 64-, 128-, 152-bit WEP LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 17

18 The Next Generation Protocol Rel. Date Frequenc y Throughput (Typ) Data Rate (Max) Modulation Technique Range (Indoor) Depends, # and type of walls Range (Outdoor) Loss includes one wall Legacy GHz 0.9 Mbit/s 2 Mbit/s ~20 Meters ~100 Meters a GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~35 Meters ~120 Meters b GHz 4.3 Mbit/s 11 Mbit/s DSSS ~38 Meters ~140 Meters g GHz 19 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~38 Meters ~140 Meters n June 2009 [2] (est.) 2.4 GHz 5 GHz 74 Mbit/s 248 Mbit/s MIMO-OFDM ~70 Meters ~250 Meters y June 2008 [2] (est.) 3.7 GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s ~50 Meters ~5000 Meters LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 18

19 MIMO n Draft 2 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 19

20 Canali ISM (Industrial, Scientific,, and Medical) Potenza irradiata < 100 mw LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 20

21 Layers MAC Data Link Layer FH DS IR PHY Layer FH= Frequency Hopping DS= Direct-Sequence (spread-spectrum) spectrum) IR=Infra Red (diffuse) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 21

22 FH Spread-Spectrum Spectrum TX HOP Pattern Lo spettro totale è suddiviso in 2 M bin a k 1/T p(t) s(t) x (t) FH-SS NCO MT c 2MT c Time M-bit 1/MT c S/P c m 1/T c PN Code Gen. Viene spesso usata la modulazione FSK LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 22

23 FH Spread-Spectrum Spectrum TX r(t) (k+1)t 1 T ( ) dt kt a^ k Code Synch PN Code Gen. c m 1/T c NCO M-bit S/P Il ricevitore demodula il segnale con un oscillatore a salto (hopping oscillator) con la sequenza di salti usata in ricezione Tipica delle comunicazioni militari LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 23

24 PHY Signal Format b Banda: da 2.4 a GHz Velocità di bit 5.5 e 11.0 Mbit/s Modulazione CCK con 8 bit mappati su funzioni (codici) a valori complessi tipo QPSK di lunghezza 8 chip Mcodici/sec Stessa banda dello (no spreading) 3 canali non sovrapposti nella banda disponibile LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 24

25 CCK Bit-to-phase to-phase mapping LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 25

26 Generazione della parola di codice CCK LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 26

27 Modulazione BPSK/QPSK a k x BPSK (t) = a k cos(2πf 0 t) x(t) x BPSK (t) = a k T=T T=T b b x QPSK (t) = a 2k cos(2πf 0 t) a 2k +1 sin(2πf 0 t) a 2k cos( 2šf 2πf 0 t ) 0 x QPSK (t) = a 2k + ja 2k +1 a k S/P cos( 2šf 2πf 0 t ) 0 -sin( 2šf 2πf 0 tt) 0 x(t) T=2T T=2T b b k-th signaling interval kt t<(k+1)t a 2k+1 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 27

28 PHY Signal Format g Banda: 13 canali da 22 MHz l uno tra 2.40 e GHz Velocità di bit 6,9,12,18,24,26,48, e 54 Mbit/s Modulazione OFDM con 64 sottoportanti spaziate di khz Banda 20 MHz SImbolo OFDM con 48 portanti dati, 4 pilota, 12 virtuali - FFT size=64 T s =3.2 μs, Prefisso ciclico (intervallo di guardia) 0.8 μs, Tempo di simbolo OFDM 4 μs, 250 ksimboli/s, LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 28

29 How to cope with severely selective channels? 1/2 5 Too many notches! The adaptive equalizer fails to converge in a reasonable amount of time H(f) (db) The rake receiver has too many fingers -20 Modulated Signal Spectrum DVB-T 20-ray Channel Model Normalized Frequency, ft LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 29

30 How to cope with severely selective channels? 2/2 Split your (single- carrier) high-rate stream into many parallel low-rate streams on different subcarriers that see each a FLAT channel response!! H(f) (db) Normalized Frequency, ft 0.6 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 30

31 Multi-Carrier Modulation (DVB-T, ADSL,WLAN) symbol time: NT=T s c ( m) 0 1 c ( m) 1 exp{ j2π 0 f t} sc c mn+k symbol time: T m=block index k=intra-block subcarrier index, S/P ( m) cn 1 exp{ j2π 1 f t}... sc Σ b(t) N=# of subcarriers f sc =subcarrier spacing 0 k N-1 exp{ j2 π ( N 1) f t} sc LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 31

32 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing c mn+k c ( m ) 1 exp{ j 2 π 0 f t } +k S/P Σ b(t) ( m ) c N 1 sc exp{ j 2 π 1 f t }... sc exp{ j 2 π ( N 1) f t } sc rt () ( m+ 1) exp{ j2 π kf t} sc mt s T s () dt ( ) cˆ m k Receiver for subcarrier # k Interference of carrier # i on carrier # k T j2 π ( i k) f T (0) (0) j2πifsct j2πkfsct (0) e ik, = i = i π 0 1 j2 ( i k) f s sc s I c e e dt c sc NO INTERFERENCE if carriers are orthogonal: f sc =1/T s OFDM LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 32

33 OFDM Signal c mn+k c ( m ) 1 exp{ j 2 π 0 f t } +k S/P Σ b(t) ( m ) c N 1 sc exp{ j 2 π 1 f t }... sc exp{ j 2 π ( N 1) f t } sc N 1 + ( m) () = k ( s) j2 kt/ Ts k= 0 m= xt c pt mt e π k-th data stream k-th subcarrier m is the running index of an OFDM symbol N 1 () = k () j2 kt/ Ts k = 0 xt x t e π N 1 S ( f ) = S ( f k/ T ) x xk s k = 0 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 33

34 Power Spectrum of OFDM 10 S x (f) (db) N=2048 N=64 N=64 IEEE a Wireless LAN N=2048 DVB-T T Terrestrial Digital Video Broadcasting N 1 S s( f ) = S x ( f k / T ) k s k = 0 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE Normalized Frequency, ft

35 PHY Signal Format g Banda: 13 canali da 22 MHz l uno tra 2.40 e GHz Velocità di bit 6,9,12,18,24,26,48, e 54 Mbit/s Modulazione OFDM con 64 sottoportanti spaziate di khz Banda 20 MHz Simbolo OFDM con 48 portanti dati, 4 pilota, 12 virtuali - FFT size=64 T s =3.2 μs, Prefisso ciclico (intervallo di guardia) 0.8 μs, Tempo di simbolo OFDM 4 μs, 250 ksimboli/s, LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 35

36 OFDM: FFT implementation k bt ( ) = c pt ( )exp{ j2 kf t} = c exp{ j2 π t} NT N 1 N 1 (0) (0) k π sc k k= 0 k= 0 (first block, 0 t<(n-1)t or m=0) p(t) NT t Sample at rate f s =1/T N 1 (0) (0) kn sn = s( nt) = ck exp j2 π,0 n N 1 k= 0 N c ( m) 0 s c mn+k S/P IFFT P/S DAC b(t) ( m) 0 ( m) ( m) cn 1 sn 1 LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 36

37 OFDM Modem Architecture Data In Signal Mapper S/P Add Virtual Carriers c m IFFT P/S s k Add Pre/ Postfix pt () st () N-N v N N Radio Channel Data Out P/S Equalizer/ Detector N-N v Remove Virtual Carriers u k N FFT N S/P Remove Pre/ Postfix t n = ( n+ε)t s Optimum Implementation via FFT (demod( just like mod) No inter-carrier interference due to Orthogonality Virtual Carriers (in a while) Matched Filter Cyclic Prefix & Frequency Domain-Equalization (in a while) rt () LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 37

38 Virtual Carriers Signal BW Carrier # 0 Carrier # N-1 Signal BW Carrier # N v /2 Carrier # N- N v /2-1 Symbols # 0,.., N v /2-1 1 and N- N v /2,..,N-1 1 are set to 0 to control signal bandwidth LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 38

39 Channel Distortion and ( m) N 1 ( ) k k= 0 m j2 kt / T ( m) = () bt () = b ( t mt) s b () t c p t e π m-th block TX Signal Into the Channel (block # 0) rt Ae b t ht wt jθ ( m) () = () () + () m Overall OFDM Signal s Sampling with time offset r = r ( nt + ε T ) n r 0 FFT? rn 1 Linear Convolution between time-domain signal and overall channel response LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 39

40 The cyclical prefix (guard interval) How can I turn a LINEAR convolution into a CYCLICAL one? s N-Nc s N-2 s N-1 s 0 s 1 s N-2 s N-1 Sampling offset ε N+N c symbols N c =channel impulse response length r 0 rn 1 FFT u 0 un 1 θ k = + = + w k NT j j2 k u e π ε k Ae H ck wk Hkc k Amplitude /phase Channel Delay LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 40

41 Equalization in the Frequency Domain rn uk = H kck + w k u k FFT P/S 1/ H ˆ k H k 1 c k + w k c k + w k Hˆ Hˆ k k Channel Estimator H ˆ k ( ) -1 Channel distortion is canceled! FFT Processing swaps time and frequency domains Channel Estimation with known PILOT SYMBOLS (1 every a few) LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 41

42 Time/Frequency Scattered Pilots time frequency DVB-T Frame Format (+ 45/177 continual pilots) Allows to perform joint time/frequency channel compensation LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 42

43 Back to the Beginning LS Ing. INF Apparati di Telecomunicazione M. LUISE 43