Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Transcript

1 Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 4η Βασικά στοιχεία του Τηλεπικοινωνιακού καναλιού Μάθηµα 5ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τοµέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήµατος 1 Τµήµα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Περιεχόµενα Γενικά χαρακτηριστικά του καναλιού Φυσικά µέσα µετάδοσης Ενσύρµατα µέσα Μετάδοσης ισύρµατες γραµµές Τηλεφωνικές γραµµές Οπτικές ίνες Ασύρµατα Μέσα Μετάδοσης 2

2 Το τηλεπικοινωνιακό κανάλι Χαρακτηριστικά Αναλογικό - συµµετρικό δυαδικό κανάλι Το AWGN κανάλι Χωρητικότητα Κωδικοποίηση καναλιού (Coding Theorem) 3 Χαρακτηριστικά καναλιού Γραµµικό -µή γραµµικό Χρονικά αµετάβλητο ή µη Αθόρυβο ενθόρυβο Με µνήµη χωρίς µνήµη Βασικής ζώνης (baseband)- διέλευσης ζώνης Wideband - Narrowband ή Το φάσµα συµπεριλαµβάνει την f=0 f /BW<<1, όπου f η κεντρική συχνότητα και BW το διαθέσιµο εύρος ζώνης του καναλιού 4

3 Αναλογικό - Ψηφιακό κανάλι probability of a transmission error is P 0 p + P 1 p = p. 5 Προσθετικός Gaussian θόρυβος S(t) to σήµα πληροφορίας n(t) λευκός Gaussian Θόρυβος Η φασµατική πυκνότητα Ν(f) είναι σταθερή 6

4 Πιθανότητα σφάλµατος S(t)=0 µε Ρ 0 S(t)=Α µε Ρ 1 y(t) = s(t) + n(t) Πιθανότητα σφάλµατος Pr=P{ 0 is transmitted and y >µ} ή P (1 is transmitted and y < µ} Pr = P 0 p e0 + P 1 p e1 Decision threshold = µ 7 Χωρητικότητα καναλιού Νόµος του Shannon Provided that the input source rate (in bits per symbol) is less than the channel capacity,it is possible to specify the source output without error. That is - it is possible to transmit information through a noisy channel - without any errors! without any errors! we don t really know how to code the information to achieve Capacity! 8

5 Shannon s Theorem Noisy channel Thermal noise due to thermal agitation of electrons Signal-to-Noise Ratio (SNR) Ratio of the signal power S to the noise power S/N Measured in db or decibels 10 log 10 (S/N) db, dB For noisy channel with frequency H and SNR S/N Max data rate = H log 2 (1+S/N) Max. data rate = min(h log 2 (1+S/N), 2H log 2 M) 9 Κωδικοποίηση καναλιού Structured redundancy is added to the message information - to reduce the amount of information per symbol (below capacity) in the form of parity check digits chosen so that bits of the transmitted message are algebraically related Η αλγεβρική σχέση ελέγχεται στο δέκτη: ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ Χρήση έξυπνου κώδικα: ΙΟΡΘΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ 10

6 Φυσικά µέσα µετάδοσης Τα φυσικά µέσα µε τα οποία υλοποιείται το τηλεπικοινωνιακό κανάλι είναι: Ενσύρµατα (unguided media): signals propagate freely e.g., radio Ασύρµατα µέσα (guided media): signals propagate in solid media: copper, fiber 11 Κρίσιµα χαρακτηριστικά If transmission media is perfect Receiver receives signal as sent by the sender Transmission Impairments Delay distortion Attenuation Noise Μέγιστο Μήκος Ευαισθησία στο θόρυβο Ευκολία χρήσης Ασφάλεια Εύρος Ζώνης: Transmission media has a cutoff frequency Phone line has a cutoff frequency near 3000 Hz 12

7 Ενσύρµατα µέσα µετάδοσης Ι ισύρµατες γραµµές: δυο µονωµένοι αγωγοί Μικρά µήκη ζεύξεων Ευαισθησία στο θόρυβο Παραδιαφωνία Συνεστραµµένα ζεύγη (TP) Μικρότερη ευαισθησία στο θόρυβο ΒW: µερικές εκατοντάδες ΚΗz Mεγάλη απόσβεση ( f 2 ) Οµάδες-θωρακισµένα καλώδια Eύκολη εγκατάσταση-αποµάστευση Category 3 ΤΡ: traditional phone wires, 10 Mbps ethernet Category 5 TP: 100Mbps ethernet 13 Ενσύρµατα µέσα µετάδοσης ΙΙ Οµοαξονικό καλώδιο (RGxy) Ο κεντρικός περιβάλλεται από τον αγωγό γείωσης Μηδενική ευαισθησία στον εξωτερικό θόρυβο υσκολία στη χρήση connectors BW: 400MHz Μετάδοση αναλογικών και ψηφιακών σηµάτων ΤV Υπεραστικά τηλεφωνικά δίκτυα 14

8 Ενσύρµατα µέσα µετάδοσης ΙΙΙ Baseband Coaxial Cable A 1-km 50-ohm cable can transmit data at a rate of 1 to 2 Gbps. Communication Rule: the longer the cable is the low the transmission rate 15 Ενσύρµατα µέσα µετάδοσης ΙV Broadband Coaxial Cable Regular CATV cable and used for analog transmission Can be used up to 300 MHz and run for 100 km. Transmitting digital data over broadband coax, we need to do D/A conversion before transmitting. It also requires a A/D conversion on the receiving end. 16

9 Τηλεφωνικές γραµµές Ι Γραµµές υποστήριξης του τηλεφωνικού δικτύου Μετάδοση φωνής data Τύποι γραµµών Επιλεγόµενες γραµµές (dial-up) Υπό τάση (-48, -60V, ρεύµα βρόγχου 25mA) Παλµική Πολυσυχνική επιλογή Αφιερωµένες γραµµές (dedicated leased lines) Μόνιµη σύνδεση εν υπάρχει ανάγκη σηµατοδότησης και επιλογής 17 Τηλεφωνικές γραµµές ΙΙ Τύποι leased lines Γραµµή Βασικής ζώνης Καλώδια ΤΡ µε γαλβανική συνέχεια απο άκρο σε άκρο Οχι ενισχυτές διατάξεις πολυπλεξίας Bw: µερικές εκαντοτάδες khz, µηκη <10 km ιάµετρος καλωδίων: 0.4mm, 0.6mm,0.8mm Φορτισµένες γραµµες (Loaded lines) Γραµµή ακουστικής ζώνης Είναι γραµµές που δροµολογούνται µέσα από συστήµατα µετάδοσης που περιλαµβάνουν ενισχυτές διατάξεις πολυπλεξίας, φερέσυχνα µικροκυµατικές δορυφορικές ζεύξεις BW:3400Hz 18

10 Τηλεφωνικές γραµµές ΙΙΙ Παράµετροι τηλεφωνικών γραµµών Εξασθένιση Παραµόρφωση πλάτους (ισοσταθµιστές πλάτους) ιασπορά (ισοσταθµιστές φάσης) Θόρυβος: ΕΜΙ, RFI, Ενδογενής Παραδιαφωνία ηχώ Αστάθεια φάσης (Jitter)(<10 o ) Ολίσθηση συχνότητας (<5Hz) 19 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Χρησιµοποιεί «φως» (κοντά στο υπέρυθρο 1.3 µm 1.55 µm) για τη µεταφορά της πληροφορίας Μέσο µετάδοσης: οπτική ίνα 14 ΤΗz 15 ΤΗz 20

11 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Μανδύας (n g) 2b 2a Πυρήνας (n c) 2π V = a NA λ Μονότροπη ίνα 2.0 < V < Επένδυση Προσπίπτουσα ακτίνα (1) Κώνος αποδοχής (2) (3) θα θc φc (4) Μανδύας ng φ (2) (1) (3) Αξονική ακτίνα Πυρήνας nc Η διάδοση οφείλεται στο φαινόµενο της ολικής ανάκλασης (νόµος του Snell): n 1 ηµ φ π = n 2 ηµ φ δ Μανδύας ng (4) Αέρας n0 Ανακλώµενη Ακτίνα 21 Παράγοντες απωλειών και περιορισµού του εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες (Ι) Εξασθένιση Απορρόφηση (ΟΗ - ) Σκέδαση (Rayleigh λ -4 ) 22

12 Παράγοντες απωλειών και περιορισµού του εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες (ΙΙ) ιασπορά ιασπορά τρόπων Χρωµατική διασπορά τ = λ L D chr Υλικού Κυµατοδηγού Τυπικές τιµές για µια συνήθη µονότροπη ίνα (SMF) είναι D chr = 0 ps για λ=1.3 µm nm km και D chr =17 ps nm km για λ = 1.55µm ιασπορά τρόπου πόλωσης PMD < τ > = D PMD L 23 Είδη οπτικών ινών και οπτικά καλώδια (Ι) Οι οπτικές ίνες ταξινοµούνται σύµφωνα µε τα ακόλουθα κριτήρια: Προφίλ του δείκτη διάθλασης του πυρήνα Υλικό πυρήνα και περιβλήµατος Τρόπος διάδοσης του φωτός Χαρακτηριστικά της διάδοσης Κατανοµή του δείκτη διάθλασης σε ίνες διαφόρων τύπων Τύποι οπτικών ινών Μονότροπες Πολύτροπες Βηµατικού (Step Index) δείκτη διάθλασης βαθµιαίου (graded index) δείκτη διάθλασης Step Index MM Graded Index MM 24 Step Index SM

13 Είδη οπτικών ινών και οπτικά καλώδια (ΙΙ) Τύποι µονότροπων οπτικών ινών Η ίνα µη µετατοπισµένης διασποράς (Non Dispersion Sifted Fiber NDSF), G.652 Η ίνα µετατοπισµένης διασποράς (Dispersion-Shifted Fiber DSF), G.653 Η ίνα µη µηδενικής µετατοπισµένης διασποράς (Non Zero Dispersion Sifted Fiber NZ-DSF), G.655 Περιοχή µήκων κύµατος [µm] Υλικό Πλαστική Silica, PCS Silica Οπτική ίνα Τύπος πολύτροπη Πολύτροπη, βηµατικού ή διαβαθµισµένο υδείκτη Πολύτροπη, βηµατικού ή διαβαθµισµένο υδείκτη ιαστάσεις ΝΑ / ΝΑ: /125, 85/125, 100/140 ΝΑ: /125, 85/125 ΝΑ: Χρήση Μεταφορά δεδοµένων τοπικές ζεύξεις Γενική ζεύξεις µεγάλων αποστάσεων 1.55 Silica Μονότροπη, βηµατικού δείκτη 8.5/125 ΝΑ: 0.1 ζεύξεις µεγάλων αποστάσεων 25 Ασύρµατα µέσα µετάδοσης ιάδοση στον «ελεύθερο χώρο» µε τη βοήθεια ΗΛΜ κυµάτων και τη χρήση του «ραδιοφάσµατος» Το ραδιοφάσµα είναι εθνικός πόρος και υπόκειται σε περιορισµούς που τίθενται από εθνικούς και διεθνείς οργανισµούς (IFRB,CCIR) 26

14 Το ραδιοφάσµα 27 Traditional Radio Communications Physical/Technological Issues Propagation Coverage Distortion- Multipath, Dispersion Noise/Interference Access Topology/Architectural Issues Point-to-Point/Broadcast Communications Fixed/Mobile Terminals One-Way/Duplex(Half-Full) Regulatory/Standards Issues Spectrum is a public resource The radio channel is a shared channel 28

15 Τύποι Ραδιοζεύξεων (1) Ιονοσφαιρικές (f<50mhz) Μικροκυµατικές (LOS) ορυφορικές 29 Τύποι Ραδιοζεύξεων (2) Frequency range (line of sight): 26 GHz to 40 GHz: for microwave with highly directional beam as possible 30 MHz to 2.5 GHz: for omnidirectional applications infrared spectrum; used for point to point and multiple point application (line of sight) Physical applications: Terrestrial microwave long haul telecommunication service (alternative to coaxial or optical fiber) Few amplifier and repeaters Propagation via towers located without blockage from trees, etc (towers less than 60 miles apart) 30

16 ορυφορικές ζεύξεις MICROWAVE TRANSMISSION UPLINK DOWNLINK 31 Ατµοσφαιρική διάδοση I Η διάδοση στον ελεύθερο χώρο γίνεται µε σφαιρικά κύµατα Η πυκνότητα ισχύος µειώνεται ανάλογα µε το R 2, όπου R η απόσταση από την πηγή: Free space Loss Reflection Refraction Diffraction (f) Scattering (f) Η ατµόσφαιρα περιλαµβάνει δυο στρώµατα: Την τροπόσφαιρα (<50 km) και την ιονόσφαιρα 32

17 Ατµοσφαιρική διάδοση IΙ H Ιονόσφαιρα λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας είναι σε κατάσταση πλάσµατος(αέριο ηλεκτρικά ουδέτερο θετικών και αρνητικών φορτίων) = ανακλαστήρας για f < 50MHz HF διάδοση: ιονοσφαιρικό + κύµα εδάφους εν επηρεάζεται από την τροπόσφαιρα Επικοινωνίες µεγάλων αποστάσεων (µη αξιόπιστες) VHF και UHF διάδοση (ραδιο-τηλεόραση) εν επηρεάζεται από την τροπόσφαιρα σκέδαση (fading) Μικροκυµατική και χιλιοστοµετρική διάδοση LOS (Line of sight) ζεύξεις οπτικής επαφής επηρεάζεται από την τροπόσφαιρα (υγρασία, βροχή f>10 GHz) f> 120 GHz επίδραση της ακτινοβολίας της γης (µέλαν σώµα) 33 ιάδοση στον ελεύθερο χώρο Ι 34

18 ιάδοση στον ελεύθερο χώρο ΙΙ G t D Gr C r P r C t P t Transmitter ΕΙRP = P t G t SNR i Receiver NF SNR o > SNR crit 35 ιάδοση στον ελεύθερο χώρο ΙΙΙ P r = P t G t G r λ 2 / 4πD 2 D = the distance between receiver and transmitter λ = free space wavelength = c/f c = speed of light (3 x 10 8 m/s) f = frequency (Hz) P r = received power P t = transmitted power G t = transmitter antenna gain G r = receiver antenna gain 36

19 Available Power Pa = Pr Cr Ct - FM where Pa = Available Power Ct = Cable Loss at Transmitter Cr = Cable Loss at Receiver FM = Fade Margin 37 Receiver Sensitivity The input power to the receiver front end, P in must be sufficient to provide a Signal-to-Noise Ratio (SNR) at its output that exceeds the threshold operating value for the modulation system being used; call it SNR crit. The SNR at the receiver output is 1/N F times the SNR at the input, where N F is the Noise Figure of the receiver. SNR in (db) > N F + SNR crit 38

20 Επίδραση του περιβάλλοντος στην ελεύθερη διάδοση Reflection Το ΗΛΜ κύµα προσπίπτει σε λεία επιφάνεια µε διαστάσεις πολύ µεγαλύτερες από το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος λ Diffraction (Shadowing) Η διαδροµή του ΗΛΜ κύµατος µπλοκάρεται από εµπόδια µε διαστάσεις µεγαλύτερες του µήκους κύµατος µε µε οξείες ακµές (ασυνέχειες): ιάδοση δευτερογενών κυµάτων Σκέδαση (Scattering) Το ΗΛΜ κύµα προσπίπτει σε εµπόδιο µε διαστάσεις της τάξεως του µήκους κύµατος ή µικρότερες και σκορπίζει σε διάφορες διευθύνσεις(street lights, signs, & leaves cause scattering) 39 Multipath 40

21 Προβλήµατα των RF συστηµάτων A wireless signal undergoes many effects over the air, placing limitations on the performance of the system Reflection, Scattering, Diffraction Normal Fading Multipath Delay Spread Interference To overcome the challenges of propagating through the air, a number of techniques and tools can be employed Diversity (time, space, code, etc.) Spread Spectrum (particularly good at combating small-scale fading) Frequency Hopping (also combats small-scale fading) Power Control (reduces interference for others) Discontinuous Transmission (also reduces interference for others) Smart Antennas (focuses on the desired signal and avoids interference) Channel Allocation Strategies 41 Ανασκόπηση 42

22 Ρυθµοί και κόστος των µέσων µετάδοσης Μέσο TWISTED WIRE MICROWAVE SATELLITE COAXIAL CABLE Ρυθµός µετάδοσηςmax max Κόστος 300 bps - 10 Mbps LOW 256 Kbps Mbps 256 Kbps Mbps 56 Kbps- 200 Mbps FIBER OPTICS 500 Kbps Tbps HIGH 43 Σύγκριση των µέσων µετάδοσης 44