Ασύρµατες Επικοινωνίες: Παρελθόν, Παρόν, Μέλλον

Transcript

1 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία ιάλεξη 15 3 Νοεµβρίου, 2006 Γεώργιος Έλληνας Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Ασύρµατες Επικοινωνίες: Παρελθόν, Παρόν, Μέλλον 1

2 Παρελθόν (~ ) Heinrich Rudolf Hertz Ανακάλυψε τη διπολική κεραία, το 1886 Επιβεβαίωσε την ύπαρξη ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων (που είχαν προβλεφθεί από τους Maxwell και Faraday), το 1888 I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application [ ] you can t even see them 2

3 Nikola Tesla Κατασκεύασε τις πρώτες πρακτικές µηχανές εναλλασσόµενου ρεύµατος Κατασκεύασε το πρώτο ασύρµατο σύστηµα επικοινωνίας, το 1893 Σήµατα Morse, ακτίνα 80 km το 1895 Έλαβε το πρώτο αµερικάνικο δίπλωµα ευρεσιτεχνίας, το 1898 Κατασκεύασε µια τηλεκατευθυνόµενη βάρκα, το 1898 Έχασε το δίπλωµα ευρεσιτεχνίας από τον Marconi, το 1904 ικαιώθηκε ~1940 ς Alexander Stepanovich Popov Κατασκεύασε δέκτη Η/Μ κυµάτων το 1894 (coherer) Πέτυχε µετάδοση ραδιοκυµάτων µεταξύ κοντινών κτιρίων, το µιλίων το µιλίων το 1899 εν διεκδίκησε δίπλωµα ευρεσιτεχνίας 3

4 Guglielmo Marconi Έλαβε το πρώτο βρετανικό δίπλωµα ευρεσιτεχνίας το 1897 Έστειλε το πρώτο υπερατλαντικό σήµα το 1901 Ίδρυσε εταιρεία υπερατλαντικού ασύρµατου τηλέγραφου, το 1903 Νόµπελ Φυσικής το 1909 Μέλος του Ιταλικού Φασιστικού Κόµµατος και Συµβουλίου Reginald Fessenden Πρώτη µετάδοση ήχου (της δικής του φωνής), το 1901 ιαµόρφωση Πλάτους (ΑΜ) Πρώτη αµφίδροµη υπερατλαντική ασύρµατη επικοινωνία (1906) Πρώτη ραδιοφωνική εκποµπή (µουσικό περιεχόµενο), το

5 Ευρεία χρήση ασύρµατου τηλέγραφου κατά τον πρώτο παγκόσµιο πόλεµο Ραδιοφωνικές Εκποµπές Πλοήγηση Αεροσκαφών µε χρήση ραδιοβοηθηµάτων (µετα το 1920) ιαµόρφωση FM (Frequency Modulation) το 1935 Ευρεία χρήση ασύρµατων από αστυνοµίες αµερικάνικών πόλεων (µετά το 1930) Ασύρµατη Τηλεφωνία 0ης Γενιάς Πρώτη λειτουργία συστήµατος το 1946, στις Η.Π.Α Frequency Modulation, κανάλι 120 KHz Αρχικά Push-to-Talk, αργότερα Full-Duplex Τοπολογία ικτύου: Μια πολύ µεγάλη κεραία για κάθε µεγάλη αµερικανική πόλη Πρόβληµα: περιορισµένος αριθµός καναλιών Πολύ γρήγορα τα συστήµατα κορέστηκαν 5

6 Παρόν (~ ) Κυψελωτή Τοπολογία 6

7 Κυψελωτά ίκτυα Α Β ίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας Οι χρήστες επικοινωνούν αποκλειστικά µε τους σταθµούς βάσης Τα κινητά τηλέφωνα έχουν περιορισµένες αρµοδιότητες και δυνατότητες Ασύρµατη Τηλεφωνία 1ης Γενιάς Κυψελωτή Τοπολογία Αναλογική διαµόρφωση FM Μερικά συστήµατα: NTT Cellular, Japan, 1979 Advanced Mobile Phone System (AMPS), USA, 1983 European Total Access Cellular System (ETACS), Ευρώπη,

8 Ασύρµατη Τηλεφωνία 2 ης Γενιάς (2G) Ψηφιακή Μετάδοση GSM: Global System for Mobile Commun. Πανευρωπαϊκό standard, Time Division Multiple Access (TDMA) IS-95 Αµερικανικό standard, βασισµένο σε τεχνολογία Code Division Multiple Access (CDMA) Qualcomm Pacific Digital Cellular (PDC) Ιαπωνικό standard, TDMA IS-136 Αµερικανικό standard, TDMA Ασύρµατη Τηλεφωνία Γενιάς 2.5G High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) για το GSM. Κάθε χρήστης λαµβάνει πολλαπλές οπές (slots) General Packet Radio Service (GPRS) για τα GSM, IS-136 Μεταγωγή Πακέτου όπως στο Internet! Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) για τα GSM, IS-136 Πολλαπλές οπές και προσαρµογή στο κανάλι IS-95B για το IS-95 Κάθε χρήστης λαµβάνει πολλαπλούς κώδικες 8

9 Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 3G 3G W-CDMA (UMTS) Μετεξέλιξη του GSM, αλλά βασισµένο σε Wideband CDMA και µεταγωγή πακέτου. Ευρωπαϊκό standard 3G cdma2000 Μετεξέλιξη του ISM-95, αµερικανικό standard 3G TD-SCDMA Κινεζικό standard, βασισµένο στο GSM Συστήµατα Τηλεειδοποίησης (paging) 9

10 Συστήµατα Τηλεειδοποίησης (paging) Οι συσκευές των χρηστών αρκεί να λαµβάνουν µόνο Σε ορισµένες περιπτώσεις µόνο ένα bit Μεγάλη διάρκεια µπαταρίας Μικρός όγκος συσκευής Μικρό κόστος Τηλέφωνα χωρίς καλώδιο (Cordless phones) Ηπρώτη γενιά απλώς αντικαθιστούσε το καλώδιο µε ένα ασύρµατο κανάλι. Οι δέκτες και ποµποί που απαιτούνται είναι πολύ απλοί Spread Spectrum, για αντιµετώπιση παρεµβολών 10

11 ορυφορικές Επικοινωνίες µε Γεωστατικούς ορυφόρους ορυφορικές Επικοινωνίες µε ορυφόρους Χαµηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit LEO) 11

12 ορυφορικές Επικοινωνίες µε ορυφόρους Χαµηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit LEO) Μερικές εταιρίες: Iridium: έτος λειτουργίας 1998, 66 δορυφόροι που επικοινωνούν µεταξύ τους Globalstar: έτος λειτουργίας 1998, 40 δορυφόροι που επικοινωνούν µε σταθµούς βάσης Και οι δύο εταιρείες δεν έχουν κέρδη Ασύρµατα Τοπικά ίκτυα (Wireless Local Area Networks) ύο standard: IEEE {a,b,g,h,i,e} HiperLAN {1,2} 12

13 Ασύρµατος Τοπικός Βρόχος (Wireless Local Loop) Το πιο κοινό standard: Local Multipoint Distribution Service (LMDS) Μέλλον (~ ) 13

14 Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 4G (και βάλε) Στην κινητή τηλεφωνία τέταρτης γενιάς οι χρήστες θα µπορούν να µιλούν απευθείας µεταξύ τους Στην κινητή τηλεφωνία τέταρτης γενιάς ο Β θα προωθεί τα δεδοµένα του Α Β Με την παρούσα τεχνολογία, ο χρήστης Α είναι εκτός δικτύου Με την παρούσα τεχνολογία, οι χρήστες επικοινωνούν αποκλειστικά µε το σταθµό βάσης Α Ασύρµατα Αδόµητα ίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) Β Α ίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας Οι χρήστες δηµιουργούν ένα εξ ολοκλήρου ασύρµατο δίκτυο. Οι χρήστες έχουν πλέον αυξηµένες δυνατότητες και αρµοδιότητες. 14

15 Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) Internet, Satellite, UAV SINK SINK Task Manager Τεχνολογία Αισθητήρων 15

16 Εφαρµογές Στρατιωτικές Εφαρµογές Παρακολούθηση πεδίου µάχης Έλεγχος για τυχόν πυρηνική, βιολογική ή χηµική επίθεση Περιβαλλοντικές εφαρµογές Ανίχνευση υπερχείλισης σε ποτάµια Ανίχνευση επικίνδυνων χηµικών ουσιών Ανίχνευση φωτιάς Εφαρµογές σε κτίρια Ασφάλεια Έλεγχος κλιµατισµού ίκτυο επιταχυνσιόµετρων µπορεί να καταγράψει τον τρόπο κατάρρευσης κτιρίων Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) 16

17 Εφαρµογές Αυτόµατη ανταλλαγή πληροφοριών σχετικών µε ασφάλεια Απότοµο φρενάρισµα, ολισθηρό οδόστρωµα Μετάδοση πληροφοριών χρήσιµων στον οδηγό Μποτιλιάρισµα µπροστά Έργα στο οδόστρωµα µπροστά ελτία καιρού software upgrades, κοκ. Πρόσβαση στο Internet ( Infotainment ) Μετάδοση ιαφηµίσεων «McDonalds στα δεξιά» Τυπική Εφαρµογή A B C D Το αυτοκίνητο Α εντοπίζει ενδεχόµενη πηγή κινδύνου και τη µεταδίδει στο αυτοκίνητο Β (χωρίς παρέµβαση του οδηγού) Το αυτοκίνητο Β δεν µπορεί να µεταδώσει απευθείας στα αυτοκίνητα C και D, και χρησιµοποιεί τα αυτοκίνητα Που κινούνται στην αντίθετη λωρίδα κυκλοφορίας 17

18 Ασύρµατα πλεγµατικά (?) δίκτυα (Wireless Mesh Networks) INTERNET Τι θα µάθετε όταν πάρετε το µάθηµα «Ασύρµατες Επικοινωνίες» 18

19 Κυψελοειδής Τοπολογία Κατανοµή καναλιών ανα κυψέλη Παρεµβολές γειτονικών καναλιών Μεταπήδηση από κανάλι σε κανάλι (handoff) Υπολογισµοί επίδοσης (π.χ., υπολογισµός πιθανότητας διακοπής κλήσης) Ασύρµατο Κανάλι Εξαιρετικά ευµετάβλητο Το σήµα εξασθενεί µε την απόσταση Το σήµα εξασθενεί όταν παρεµβάλλονται κτίρια Το σήµα εξασθενεί το καλοκαίρι γιατί τα δέντρα έχουν φύλλα Το σήµα αλλάζει όταν ακόµα και όταν δεν κινούµαστε! Πιθανοθεωρητική µοντελοποίηση 19

20 Ψηφιακές Επικοινωνίες ιαµόρφωση πλάτους/συχνότητας/φάσης (Amplitude/Frequency/Phase Modulation) Ψηφιακές επικοινωνίες Επικοινωνίες Spread Spectrum Eπιπλοκές λόγω της φύσης του ασύρµατου καναλιού Πολυπλεξία χρόνου/συχνότητας/κώδικα (Time/Frequncy/Code Division Multiple Access) Μελλοντικές Εφαρµογές και Τοπολογίες Wireless Ad Hoc Networks Wireless Sensor Networks Mesh Networks Vehicular Ad hoc Networks Ερευνητικά Θέµατα στα άνω: ροµολόγηση, Έλεγχος Προσπέλασης Μέσου, Έλεγχος ισχύος, Έλεγχος Τοπολογίας, Θέµατα χωρητικότητας 20