Μάθημα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Βασικά στοιχεία του Τηλεπικοινωνιακού καναλιού Μάθημα 7o - 8o ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος 1 Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών
Περιεχόμενα Γενικά χαρακτηριστικά του καναλιού Φυσικά μέσα μετάδοσης Ενσύρματα μέσα Μετάδοσης Οπτικές ίνες Ασύρματη Μετάδοση χαρακτηριστικά 2
Κανάλι Μετάδοσης ως Φυσικο μεσο Μέσο μετάδοσης (transmission medium) είναι ο φορέας που μεταδίδει το σήμα Ή αποθηκεύει το σήμα π.χ. CD, οπτικός δίσκος, κλπ Παραδείγματα Ενσύρματα μέσα: τηλεφωνικά καλώδια (telephone cables) για μετάδοση της φωνής ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) οπτικές ίνες (optical fiber) για μετάδοση δεδομένων κάθε μορφής -> είδος σήματος: παλμοί φωτός (η παρουσία παλμού υποδηλώνει το δυαδικό 1 και η απουσία παλμού το δυαδικό 1 ) κυματοδηγοί (waveguides) Ασύρματα μέσα (wireless): αέρας (μετάδοση ηχητικών κυμάτων) ατμόσφαιρα της γης και το διάστημα (μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων) 3
Το τηλεπικοινωνιακό κανάλι Χαρακτηριστικά Αναλογικό - δυαδικό (συμμετρικό) - ψηφιακό κανάλι Το AWGN κανάλι (Additive Gaussian Noise Channel) Εύρος ζώνης Χωρητικότητα C Για να χρησιμοποιηθεί το κανάλι πρέπει: Κωδικοποίηση καναλιού (Coding Theorem) ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ 4
Τύποι τηλεπικοινωνιακού καναλιού 5 Γραμμικό - μή γραμμικό Χρονικά αμετάβλητο ή μη Αθόρυβο ενθόρυβο Με μνήμη χωρίς μνήμη Βασικής ζώνης (baseband)- διέλευσης ζώνης Wideband Narrowband Αναλογικό -Ψηφιακό Το φάσμα συμπεριλαμβάνει την f=0 f /BW<<1, όπου f η κεντρική συχνότητα και BW το διαθέσιμο εύρος ζώνης του καναλιού
Αναλογικό - Ψηφιακό κανάλι probability of a transmission error is P 0 p + P 1 p = p. 6
Θόρυβος Καναλιού 7 Εξωτερικές πηγές -> εξωτερικός θόρυβος (external noise) Από άλλο σύστημα επικοινωνίας (κεραίες, radar) Από φυσικές πηγές και ατμοσφαιρικά φαινόμενα Φως, ακτινοβολία, κεραυνοί Από το ίδιο το μέσο μετάδοσης -> εσωτερικός θόρυβος (internal noise) ο θερμικός θόρυβος: προκαλείται από τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων του μέσου μετάδοσης ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης: οφείλεται στη συνύπαρξη σημάτων διαφορετικών συχνοτήτων που μοιράζονται το ίδιο μέσο μετάδοσης η συνακρόαση (cross-talk): προκαλείται όταν δύο ξένα μεταξύ τους σήματα, συζευχθούν για κάποιο λόγο Αλλοιώνει την ποιότητα του σήματος και προκαλεί παραμόρφωση Πρόβλημα στην σωστή αναγνώριση του μηνύματος από τον δέκτη (Π.χ. θόρυβος στο ΑΜ ράδιο) Στο ψηφιακό σύστημα το πρόβληματα του θορύβου είναι λιγότερα!! Ο δέκτης αποφασίζει μόνο μεταξύ του 1 και 0 S(t) to σήμα πληροφορίας n(t) λευκός Gaussian Θόρυβος Η φασματική πυκνότητα Ν(f) είναι σταθερή
Παραμόρφωση σήματος λόγω διασποράς 8
Επίδραση καναλιού στο φάσμα του σήματος x(t) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 9 Τα τηλεπικοινωνιακά κανάλια χαρακτηρίζονται και αυτά από μία φασματική απόκριση H(f) η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τις επιδόσεις του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Στην έξοδο του καναλιού το φάσμα του σήματος είναι Y(f)=X(f)H(f) όπου Χ(f) το φάσμα στην είσοδο του καναλιού. Είδαμε πως όσο αυξάνει ο ρυθμός σηματοδοσίας, αυξάνει και το εύρος ζώνης του σήματος. Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι με στενό H(f) δεν μπορεί να υποστηρίξει υψηλούς ρυθμούς σηματοδοσίας. H(f) Y(f)=H(f)X(f) y(t) x(t) -3-2 -1 0 1 2 3 t (msec) X(f) x 10-4 10 8 6 4 2 X(f) 0-5 0 5 f (KHz) H(f) H(f) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-5 0 5 f (KHz) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-5 0 5 f (KHz) x 10-4 10 Y(f) 8 6 4 2 0-5 0 5 f (KHz) Y(f) x 10-4 10 8 6 4 2 0-5 0 5 f (KHz) y(t) y(t) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-3 -2-1 0 1 2 3 t (msec) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-3 -2-1 0 1 2 3 t (msec) Ένα κανάλι με στενό εύρος ζώνης δεν μπορεί να παρακολουθήσει τις γρήγορες μεταβολές του σήματος
Εύρος ζώνης και Χωρητικότητα Το εύρος ζώνης (bandwidth) του καναλιού ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στη μέγιστη και στην ελάχιστη συχνότητα, στην οποία η γραμμή μπορεί να μεταδώσει πληροφορίες (σε μονάδες Hz) Κάθε σύστημα έχει ένα πεπερασμένο εύρος ζώνης (finite bandwidth) Η χωρητικότητα (capacity) ενός μέσου μετάδοσης αποτελεί ένα μέτρο της δυνατότητας μεταφοράς δεδομένων από μια γραμμή επικοινωνίας, και ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων που υποστηρίζεται από το κανάλι, χωρίς η μετάδοση να χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση σφαλμάτων (σε μονάδες bit ανά δευτερόλεπτο ή bps bits per sec). Η χωρητικότητα ενός μέσου μετάδοσης συσχετίζεται με το εύρος ζώνης ένα μέσο μετάδοσης με μεγάλο εύρος ζώνης έχει αντίστοιχα και μεγάλη χωρητικότητα. 10
Εύρος ζώνης και ανάπτυξη τεχνικών μετάδοσης Οι τεχνικές μετάδοσης αναπτύσσονται έτσι ώστε πληροφορίες να μεταδίδονται αποτελεσματικά σε περιορισμένο εύρος ζώνης Σημαντικες τεχνικες η πολυπλεξια Μεταδοση πολλων σηματων πληροφοριας στο ιδιο μεσο η Διαμόρφωση Σήματος (Modulation) Επιτρέπει τη μεταφορά ενός σήματος σε συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων π.χ. χρησιμοποιείται στο ΑΜ και FM ραδιόφωνο Κωδικοποιηση καναλιου 11
Παραδείγματα Παράδειγμα 1 Σε μια ζεύξη απαιτείται μετάδοση R b = 2.5Gbps. Ποιο είναι ελάχιστο εύρος ζώνης (για NRZ σηματοδοσία) και ποιό το ελάχιστο SΝR σε db ; NRZ σηματοδoσία, άρα M = 2 Required Channel capacity C = 2B log 2 M = 2.5 x 10 9 = 2B x log 2 2, B = 1.25GHz Noisy Channel Capacity C = B log 2 (1+S/N) S/N = 2^(C/B) -1 = 2^2.5/1.25 1 = 3 or 4.77dB Παράδειγμα 2 Σε μια ζεύξη απαιτείται μετάδοση R b = 2.5Gbps με χρήση QPSK. Ποιο είναι ελάχιστο εύρος ζώνης (για NRZ σηματοδοσία) και ποιο το ελάχιστο SΝR σε db ;. QPSK σηματοδοσία, αρα M = 4 Required Channel capacity C = 2B log 2 M, so 2.5 x 10 9 = 2B x log 2 4, B = 625MHz Noisy Channel Capacity C = B log 2 (1+S/N) 12 S/N = 2^(C/B) -1 = 2^2.5/0.625 1 = 15 or 31.6dB
QPSK WAVEFORM A D A B A A D C C A 13
Σήματα και φυσικά μέσα μετάδοσης 14 Και στις 3 περιπτώσεις αυτό που μεταφέρεται είναι το ίδιο: ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο! Μετάδοση σήματος με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον αέρα (a) Ραδιόφωνο, TV, κινητή τηλεφωνία ηλεκτρικό ρεύμα σε ομοαξονικό καλώδιο (b) ή σε άλλα καλώδια Δίκτυα Η/Υ όπως Ethernet, cable TV, τηλεφωνική γραμμή σπιτιού Παλμούς φωτός σε οπτικές ίνες (c) γραμμές τηλεφώνου
Διαφορές Μέσων Μετάδοσης Ενσύρματα μέσα Ψηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Κόστος αυξάνει ανάλογα με την απόσταση Αναγκαία η χρήση αναμεταδοτών (repeaters) λόγω εξασθένησης του σήματος Ασύρματα μέσα Χαμηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Διαχωρισμός σήματος σε πολλαπλές διαδρομές που οφείλεται σε ανάκλαση, διάθλαση κλπ Πιθανή επιρροή έντονων καιρικών φαινομένων (π.χ. καταιγίδων) Επηρεάζονται από βιομηχανικούς θορύβους 15
Ενσύρματη επικοινωνία Αποτελεί τον πιο κοινό τρόπο σύνδεσης Το κανάλι επικοινωνίας είναι ένα φυσικό υλικό μέσο το οποίο είναι καλός αγωγός του μεταδιδόμενου σήματος Καλώδια για μετάδοση ηλεκτρικού ρεύματος Ή όχι... Οπτικές ίνες για μετάδοση παλμών φωτός 16
Ενσύρματα μέσα μετάδοσης Δισύρματες γραμμές: δυο μονωμένοι αγωγοί Μικρά μήκη ζεύξεων ΒW: μερικές δεκάδες ΚΗz Ευαισθησία στο θόρυβο Παραδιαφωνία Συνεστραμμένα ζεύγη (TP) Μικρότερη ευαισθησία στο θόρυβο ΒW: μερικές εκατοντάδες ΚΗz (1ΜΗz) Mεγάλη απόσβεση ( f 2 ) Ομάδες-θωρακισμένα καλώδια Eύκολη εγκατάσταση-απομάστευση Category 3 ΤΡ: traditional phone wires, 10 Mbps ethernet Category 5 TP: 100Mbps ethernet 17
Συνεστραμμένα ζεύγη (TP) Εφαρμογές 18
Εξασθένιση και συχνότητα 19
Ενσύρματα μέσα μετάδοσης ΙΙ Ομοαξονικό καλώδιο (RGxy) Ο κεντρικός περιβάλλεται από τον αγωγό γείωσης Μηδενική ευαισθησία στον εξωτερικό θόρυβο Δυσκολία στη χρήση connectors BW: 800MHz 1 GHz Μετάδοση αναλογικών και ψηφιακών σημάτων ΤV Υπεραστικά τηλεφωνικά δίκτυα 20
Οπτικές ίνες 21 Χαρακτηρίζονται από πολύ μεγάλο εύρος ζώνης γεγονός που οδηγεί σε ταχύτητες μετάδοσης της τάξεως του 1-2 Gbps. Δεν επηρεάζονται από απότομες μεταβολές στην τάση ενός δικτύου, από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, από οξειδωτικές χημικές ουσίες, ή από άλλα ατμοσφαιρικά και βιομηχανικά παράσιτα Το βασικό τους μειονέκτημα είναι η πολύπλοκη τεχνολογία εγκατάστασής τους, και η υψηλή τιμή και ευαισθησία του εξοπλισμού διασύνδεσης που τη συνοδεύει
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ IΝΩΝ Χρησιμοποιεί «φως» (κοντά στο υπέρυθρο 1.3 μm 1.55 μm) για τη μεταφορά της πληροφορίας Μέσο μετάδοσης: οπτική ίνα 14 ΤΗz 15 ΤΗz 22
ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Μανδύας n g Πυρήνας n c 2b 2a Επένδυση 23
ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΗΣΗ Φαινόμενο Διάθλασης και Ολικής Ανάκλασης n1 n 2 Διαθλώμενη n 2 φ δ Διαθλώμενη ακτίνα n 1 φ π φ c φ>φ c Ππροσπίπτουσα ακτινα Ανακλώμενη 24 Νόμος Snell c c 2 n1 sin n2 sin => Ολική Ανάκλαση Μέσο Δείκτης διάθλασης n κενό 1.0 αέρας 1.00029 Νερό 1.33 Χαλαζίας (Quartz) 1.46 Διαμάντι 1.45 1.60 Πυρίτιο (Si)3.40 Αρσενικούχo Γάλλιο (GaAs) 3.6
ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΗΣΗ Προσπίπτουσα ακτίνα (1) Κώνος αποδοχής (2) θ α φ (4) Μανδύας n g (2) (3) θ c φ c (1) (3) Πυρήνας n c Αξονική ακτίνα Μανδύας n g Ανακλώμενη Ακτίνα (4) Αέρας n 0 2 c c NA sin a n 1 NA sin a n 2 c n 2 g P f P (NA) s 2 25 c e n 2 c n 2 g
ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΗΣΗ Τρόποι Διάδοσης Οι ακτίνες του οπτικού σήματος, ανάλογα με τη γωνία εισόδου τους στην οπτική ίνα, οδεύουν ανακλώμενες υπό διαφορετικές γωνίες. Κάθε ακτίνα αντιστοιχεί σε ένα τρόπο διάδοσης. 26
ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Μανδύας (n g ) 2π V = a NA Μονότροπη ίνα 2.0 < V < 2.405 Πυρήνας (n c ) 2b 2a Επένδυση 27
ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Ίνα βηματικού δ.δ. Ίνα βαθμιαίου δ.δ. Μονότροπη Ίνα (SMF) 28
Ίνες και Τρόποι διάδοσης 29
ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ- Χρήσεις Περιοχή μήκων κύματος [μm] Υλικό Οπτική ίνα Τύπος Διαστάσεις ΝΑ Χρήση 0.63 Πλαστική πολύτροπη 100-1000/200-1200 ΝΑ: 0.50-0.66 Μεταφορά δεδομένων τοπικές ζεύξεις 0.85 Silica, PCS Πολύτροπη, βηματικού ή διαβαθμισμένου δείκτη 50/125, 85/125, 100/140 ΝΑ: 0.3-0.5 Γενική 1.30 Silica Πολύτροπη, βηματικού ή διαβαθμισμένου δείκτη 50/125, 85/125 ΝΑ: 0.2-0.35 ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων 1.55 Silica Μονότροπη, βηματικού δείκτη 8.5/125 ΝΑ: 0.1 ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων 30
Παράγοντες απωλειών και περιορισμού του εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες (Ι) Εξασθένιση Απορρόφηση (ΟΗ - ) Σκέδαση (Rayleigh λ -4 ) 14 ΤΗz 15 ΤΗz 31
Εξασθένιση και συχνότητα - Σύνοψη 32
Παράγοντες απωλειών και περιορισμού του εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες ΙΙΙ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΠΑΛΜΩΝ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΤΡΟΠΩΝ ΔΙΑΔΟΣΗΣ (MODAL DISPERSION) ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΥΛΙΚΟΥ ΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ (MATERIAL DISPERSION) ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥ (WAVEGUIDE DISPERSION) 33
Διασπορά Διασπορά τρόπων Παράγοντες απωλειών και περιορισμού του εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες (ΙΙ) Χρωματική διασπορά n c =n c (λ) D chr L ps nm km ps nm km Υλικού & Κυματοδηγού Τυπικές τιμές για μια συνήθη μονότροπη ίνα (SMF) είναι: D chr = 0 και για λ=1.3 μm D chr =17 για λ = 1.55μm Μονότροπη ίνα Φασματικό εύρος πηγής ps D chr [ ] nm km Συντελεστής χρωματικής διασποράς Διασπορά τρόπου πόλωσης PMD 34 D PMD L
Διασπορά κυματοδηγού Συμβαίνει επειδή περίπου 80% της οπτικής ισχύος περιορίζεται στον πυρήνα σε μονότροπες οπτικές ίνες. Το φώς που διαδίδεται στον μανδύα ταξιδεύει πιο γρήγορα. Δεν είναι σημαντικό σε πολύτροπες οπτικές ίνες. Για μονότροπες ίνες, διασπορά υλικού είναι η πιο σημαντική μορφή διασποράς Ακόμη και αν δεν έχουμε διασπορά υλικού, διασπορά κυματοδηγού θα υπάρχει λόγω της κατασκευής της διαχωριστικής επιφάνειας μεταξύ πυρήνα-μανδύα 35
ΟΛΙΚΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ όταν όταν η πηγή είναι μονοχρωματική, η Διεύρυνση παλμού οφείλεται στη διαμόρφωση της οπτικής δέσμης και αποδεικνύεται ότι: Μήκος κύματος λειτουργίας Η ολική διασπορά σε μια οπτική ίνα δίνεται από τη σχέση: c 2 mod 2D b RL 2 2 2 TOT m mod Μήκος ζεύξης Ταχ, φωτός Εκτίμηση του μέγιστου ρυθμού σηματοδοσίας. Θεωρώντας ότι για αξιόπιστη μετάδοση, η διαπλάτυνση των παλμών δεν πρέπει να ξεπεράσει ένα ποσοστό ε της περιόδου bit Τb (ή της διάρκεια του bit) της αποστελλόμενης πληροφορίας, θα ισχύει: 2 36 Τ b 1 R b
ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΧΡΗΣΗ ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΙΔΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Προσθήκη ινών αντιστάθμισης 37
Παράδειγμα Δίνεται πολύτροπη ίνα με συντελεστή διασποράς D ch =-15 ps/nmkm. Να βρεθεί το μέγιστο μήκος ζεύξης με την οποία μπορώ να μεταδωθεί ρυθμός R=100Mb/s. [φασματικό εύρος εκπομπής Δλ=10nm] Χρωματική Διασπορά Χρονική διεύρυνση: Δτ = D ch Δλ L Θα πρέπει όμως η χρονική διεύρυνση να είναι μικρότερη από την διάρκεια των bit (TB=1/R, ε=1) Δτ < ε 1/R R Δτ < 1 R D ch Δλ L<1 L max =1/ [D ch Δλ R ] L max =1/(15 ps/(nm*km)*10nm*100mb/s)= 66,6 km Για ε=0,306 (και penalty 1dB): L max = 19,8 km 38
Άσκηση-16 39 Έστω ζεύξη L=20Km μονότροπης ίνας με συντελεστή διασποράς δ(λ)=-20 ps/nmkm με πηγή μονοχρωματικό laser που εκπέμπει στα 1550nm. Μέχρι ποιό ρυθμό μπορώ να μεταδώσω, αν υποτεθεί διαμόρφωση ΟΟΚ με εύρος ζώνης BW=2R b. Υποθέστε ότι η ευαισθησία του δέκτη επαρκεί για αρκετά μεγάλη αύξηση ρυθμού λόγω της μικρού σχετικά μήκους ζεύξης. (Στην πραγματικότητα P R =P R (R b ) ) Ισχύει: Δτ=Dch Δλ L και επειδή Δτ < 1/R D ch Δλ L =1/R b max (1) Θεωρούμε ότι όλο το Δλ οφείλεται στη διαμόρφωση αφού το laser εκπομπής είναι μονοχρωματικό. Επιπλέον ισχύει: λ = c/f Δλ= (c/f 2 )Δf Δλ= (λ 2 /c)δf Δλ= (λ 2 /c) BW (2) όπου BW είναι το εύρος ζώνης που οφείλεται όπως είπαμε στη διαμόρφωση και θεωρείται 2R b. Άρα η (1) λαμβάνοντας υπ'όψιν την (2) γίνεται: Dch (λ 2 /c) 2R b L=1/Rb (R b ) 2 =c/(2l D ch λ 2 ) R b =[c/(2l D ch λ 2 )] 1/2 και με αντικατάσταση προκύπτει: (προσοχή λ 2 ->nm 2 ) R b = 12.5 Gb/s
Τύποι Καλωδίων οπτικών ινών 40 Τα καλώδια οπτικών ινών περιέχουν από 1 έως 144 οπτικές ίνες. Tight buffer υπάρχουν συνθετικές ίνες και εξωτερικό μονωτικό περίβλημα σε κάθε οπτική ίνα και εξωτερικά από την επίστρωση μέσα στο καλώδιο υπάρχουν πολλές τέτοιες ίνες, όπου η κάθε ίνα αποτελεί και ένα ξεχωριστό καλώδιο. Loose buffer Οι οπτικές ίνες με την επίστρωση τους είναι τοποθετημένες ελεύθερα μέσα στο καλώδιο και περικλείονται από εξωτερικό περίβλημα μέσα στο καλώδιο τοποθετείται επίστρωση από συνθετικές ίνες για την ανθεκτικότητα του καλωδίου Tight buffer Loose buffer
Πλεονεκτήματα οπτικών ινών οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν πολυ μικρές απώλειες. Η εξασθένιση στις οπτικές ίνες οφείλεται στην καθαρότητα του υλικού Λόγω τις εξαιρετικά καλής μόνωσης οι οπτικές ίνες είναι απρόσβλητες από περιβαλλοντικές παρεμβολές που προκαλούν εξασθένιση του σήματος Επειδή δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσα στις ίνες όπως στα καλώδια με αγωγούς, δεν υπάρχει παρεμβολή στο σήμα λόγω περιβαλλοντικών μαγνητικών πεδίων Επειδή η οπτική ίνα δεν μεταφέρει ηλεκτρικό σήμα, προτιμάται σε περιοχές υψηλού κίνδυνου εκρήξεων από σπινθήρες π.χ. σε χώρους καυσίμων, εύφλεκτων αερίων κλπ. Δεν είναι ευαίσθητες σε υγρό περιβάλλον, όπου τα χάλκινα καλώδια μπορεί να δημιουργήσουν βραχυκυκλώματα. Προσφέρουν μόνωση στα συστήματα που συνδέουν Πολλές οπτικές ίνες μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα καλώδιο (ενός σύρματος) επειδή οι ίνες έχουν μικρό μέγεθος και βάρος π.χ. χάλκινο καλώδιο με 1000 ζεύγη και μήκος 500 μέτρων ζυγίζει περίπου 4000 κιλά, ενώ οπτική ίνα του ίδιου μήκους, που περιέχει τον ίδιο αριθμό καναλιών, ζυγίζει μόνο 45 κιλά 41
Μειονεκτήματα οπτικών ινών Η δυσκολία υλοποίησης συνδέσεων, επειδή απαιτείται υψηλή προσαρμογή και ευθυγράμμιση της φωτεινής πηγής, για να μην υπάρχει διασπορά και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες. ανάγκη ύπαρξης επιδέξιων εγκαταστατών Ακριβές για μικρές αποστάσεις Σε μακρινές αποστάσεις είναι πιο φθηνές από τα άλλα καλώδια Συμπερασματικά τα καλώδια οπτικών ινών παρουσιάζουν ίδιες μηχανικές ιδιότητες με τα ομοαξονικά, αλλά είναι ελαφρότερα σε βάρος, μικρότερα σε διάμετρο και οι αποστάσεις μεταξύ των επαναληπτών (για την αναπαραγωγή του σήματος) είναι μεγαλύτερες 42
Ασύρματα μέσα μετάδοσης Διάδοση 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) Η κατανομη του φασματος παγκοσμιως ρυθμιζεται από την InternationalTelecommunicationsUnion-R 43
Εφαρμογές Wireless Ι Very Low Frequency (VLF) 3 to 300 khz Submarine Medium Frequency (MF) 0.3 to 3 MHz AM Radio Broadcast High Frequency (HF) 3 to 30 MHz Ionospheric long distance communications Very High Frequency (VHF) 30 to 300 MHz Land mobile Television Broadcast Ultra High Frequency (UHF) 300 MHz to 3 GHz UHF television channels 14-82 PCS mobile 44 Μικροκύματα - Microwaves > 3GHz Δορυφορικές επικοινωνίες Radar
Ραδιοσυχνότητες και εφαρμογές 45
Τύποι Ραδιοζεύξεων Frequency range: 30 MHz to 2,5 GHz: Μη κατευθυντικές εφαρμογές 2,5 GHz to 40 GHz: Ραδιοζεύξεις λίαν κατευθυντικές (line of sight- LOS): infrared spectrum; used for point to point and multiple point application(fso) (line of sight) Εφαρμογές: Επίγειες μικροκυματικές ζεύξεις long haul για τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (εναλλακτικές στα coaxial or optical fiber) Few amplifier and repeaters Propagation via towers located without blockage from trees, etc (towers less than 80 km apart) 46
Παραδοσιακές Ραδιοεπικοινωνίες 47 Φυσικά /Τεχνολογικά χαρακτηριστικά Διάδοση - Propagation Κάλυψη - Coverage Παραμόρφωση, πολλαπλές διαδρομές, διασπορά (Distortion, Multipath, Dispersion) Θόρυβος/παρεμβολές (Noise/Interference) Τοπολογία/Αρχιτεκτονική Point-to-Point/Broadcast Communications Fixed/Mobile Terminals One-Way/Duplex(Half-Full) Περιορισμοί Το φάσμα συχνοτήτων είναι εθνικός πόρος The radio channel is a shared channel
Frequency Re-Use 4 3 1 2 4 5 1 2 7 5 1 6 Cellular Switch - MTX 48 PSTN
Κεραίες - Antennas Κεραίες: Διατάξεις για την εκπομπή και λήψη σήματος στον/από ελεύθερο χώρο με τη μορφή ΗΛΜ κυμάτων Μετατροπείς (Transducers) ενέργειας (V,I) Ενέργεια ΗΛΜ πεδίου Απλές και σύνθετες κεραίες Παθητικές διατάξεις Gain Εύρος ζώνης Διάγραμμα ακτινοβολίας Mέγεθος (~λ μήκος κύματος λειτουργίας) 49
Τύποι κεραιών Κεραίες διπολου (Hertz) Ανοιχτό Αναδιπλωμένο Συστοιχίες κεραιών (VHF-UHF) Παραβολικές κεραίες(microwave) 50
Απολαβή και ενεργός επιφάνεια 51
Τύποι διάδοσης στον ελεύθερο χώρο Το σήμα (ΗΛΜ κύμα) εκπέμπεται από τη κεραία και φτάνει στην κεραία λήψης, ακολουθώντας διάφορες διαδρομές: Επιφάνεια του εδάφους (ground wave) Ανακλώμενο στα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας (Sky wave) Απευθείας διαδρομή οπτικής επαφής (LOS- space wave) Τρυπώντας την ατμόσφαιρα (satellite wave) Ο τύπος διάδοσης εξαρτάται: Τύπο κεραίας Συνθήκες ατμόσφαιρας Μήκος κύματος Ωρα, εποχή, ηλιακή δραστηριότητα 52
Κύμα χώρου -LOS Τα κύματα χώρου διαδίδονται σε ευθεία γραμμή Το μήκος της ζεύξης L εξαρτάται από τo ύψος των κεραιών εκπομπής και λήψης Τα φαινόμενα περίθλασης αυξάνουν το L (+30%) FM, TV, mobile, microwave 53
Απευθείας Διάδοση Line-of- Sight Πως κρίνουμε την απευθείας διάδοση? (Fresnel Zone) 54
κεραία A d1 55 Diameter of Fresnel Zone εμπόδιο d2 κεραία B
Fresnel zones I Τα εκ περίθλασεως ΗΜ κύματα συμβάλουν με διαφορετικές φάσεις και τα αποτελεσματα τους είναι εντονότερα όταν υπάρχουν εμπόδια στις λεγόμενες ζώνες Fresnel. r n = The nth Fresnel Zone radius in meter r n d 1 = The distance of P from one end in meter d 2 = The distance of P from the other end in meter λ = The wavelength of the transmitted signal in meter 56
Fresnel zones II The rule of thumb is that 60% of the 1st Fresnel zone must be clear of obstacles. If you have a building, say, that is a distance d1 from the TX antenna and d2 from the RX antenna then it must not be closer than 60% of r1 measured from the centre line of sight (c1 in diagram) 57 d 1 =d 2 =D/2 και n=1 D = total distance [km] r = radius [m] f = frequency transmitted [GHz]
Διάδοση χωρίς οπτική επαφή Out-of-Sight Απώλειες λόγω περίθλασης Αρχή Huygens
59
Ατμοσφαιρική διάδοση I Η διάδοση στον ελεύθερο χώρο γίνεται με σφαιρικά κύματα Η πυκνότητα ισχύος του σήματος(για όλες τις συχνότητες) μειώνεται ανάλογα με το D 2, όπου D η απόσταση από την πηγή: Free space Loss Για f < 10 GHz η ατμόσφαιρα έχει ελάχιστη επίδραση Σε μεγαλύτερες συχνότητες η ατμόσφαιρα ωστόσο συμβάλει στην εξασθένιση του σήματος 60
Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Ι 61
Διάδοση στον ελεύθερο χώρο ΙΙ G t D Gr G r P r G t P t Transmitter ΕΙRP = P t G t SNR i Ισχύς που αποδίδεται στον πομπό (t) / δέκτη (r) Receiver NF SNR o 62
Απώλειες ελεύθερου χώρου P r = P t G t G r 2 / 16 D 2 Friis Equation 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 Path losses = L = 20 log 4 D/ 32.4 20logf [MHz] + 20logD [km] 63
Απώλειες ελεύθερου χώρου 64 Ωστόσο... Η διάδοση πάνω από το έδαφος είναι τελείως διαφορετική...
Διαθέσιμη ισχύς στο δέκτη Pa = Pt L - FM where Pa = Available Power Pt= transmitted power L= Loss at Transmitter, Receiver, transmition FM = Fade Margin Pa = S signal power 65
Ευαισθησία δέκτη - Receiver Sensitivity Ευαισθησία δέκτη: ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΎΣΤΗΜΑ Η ελάχιστη ισχύς στο δέκτη ώστε να επιτυγχάνεται Signal-to- Noise Ratio (SNR) > ( τιμή κατωφλίου που εξαρτάται από τη χρησιμοποιούμενο σχήμα μετάδοσης) ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΎΣΤΗΜΑ Η ελάχιστη ισχύς στο δέκτη ώστε να επιτυγχάνεται το απαιτούμενο BER ( η τιμή του Q θα εξαρτάται από τη χρησιμοποιούμενο σχήμα μετάδοσης) 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 out 66
παράδειγμα ένα σύστημα WLAN με συχνότητα fc=900 MHz, ακτίνα εκπομπής 10m και μη κατευθυντικές κεραίες. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο το μοντέλο freespace path loss, υπολογίστε την ισχύ εκπομπής στο access point, ώστε όλα τα τερματικά να λαμβάνουν στάθμη ισχύος τουλάχιστον 10μW P r = P t G t G r 2 / 16 D 2 D = 10m λ = P r = 10-6 W P t =? G t = 1 ή 0 db (transmitter antenna gain) G r = 1 ή 0 db (receiver antenna gain) 67
Επίδραση του περιβάλλοντος στη διάδοση Ανάκλαση -Reflection Το ΗΛΜ κύμα προσπίπτει σε λεία επιφάνεια με διαστάσεις πολύ μεγαλύτερες από το χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος λ Περίθλαση - Diffraction (Shadowing) Η διαδρομή του ΗΛΜ κύματος μπλοκάρεται από εμπόδια με διαστάσεις μεγαλύτερες του μήκους κύματος με οξείες ακμές (ασυνέχειες): Διάδοση δευτερογενών κυμάτων Σκέδαση - Scattering Το ΗΛΜ κύμα προσπίπτει σε εμπόδιο με διαστάσεις της τάξεως του μήκους κύματος ή μικρότερες και σκορπίζει σε διάφορες διευθύνσεις 68
Διάδοση κύματος με multipath -πολυόδευση t Σήμα εκπομπής Σήμα λήψης t 3 2 1 69
Διαδοση Η/Μ κυματων Τρια είναι τα σημαντικα φαινομενα που παρατηρουνται Απωλειες διαδρομης (path losses) = αποσβεση λογω αποστασης Σκιαση (shadowing) = αποσβεση λογω μεγαλων εμποδιων Διαλειψεις (fading) = μεταβολες μικρης χρονικης κλιμακας που οφειλονται στο περιβαλλον 70
Δηλαδή... Λαμβανόμενη Ισχύς B C A 71 Απόσταση A αποτελέσματα μεγαλης κλιμακας - Απωλειες διαδρομής B αποτελέσματα μεσαίας κλίμακας- σκίαση (ανακλάσεις) C αποτελέσματα μικρής κλίμακας ταχείες διακυμάνσεις του πλάτους του σήματος
Προβλήματα των RF συστημάτων ένα wireless signal διαδιδόμενο στον αέρα υφίσταται: Reflection, Scattering, Diffraction Normal Fading (Διαλείψεις) Multipath Delay (καθυστέρηση πολλαπλής διαδρομής) Interference παρεμβολές, θόρυβος (θερμικός, κοσμικός, ατμοσφαιρικός) Απώλειες διαδρομής Τα ανωτέρω προβλήματα αντιμετωπίζονται με διαφορες τεχνικές: Diversity (time, space, code, etc.) - Διαφορική λήψη 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 AMC (Adaptive Modulation & Coding) 72
Διαλείψεις Εάν στο ασύρματο τηλεπικοινωνιακό κανάλι εμφανίζονται παραμορφώσεις στο σήμα σαν αποτέλεσμα των διαλείψεων, ο ρυθμός των σφαλμάτων που εμφανίζεται στο σύστημα αυξάνεται με τέτοιο τρόπο που ακόμα και πιθανή αύξηση της ισχύος του σήματος δεν βελτιώνει την επίδοση του. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η γενική ϑεώρηση είναι να χρησιμοποιηθεί κάποια ειδική μέθοδος εξασθένησης των ϕαινομένων αυτών για την αφαίρεση ή τουλάχιστον μείωση των παραμορφώσεων γνωστές μέθοδοι για την εξασθένηση των παραμορφώσεων εξαιτίας των διαλείψεων προσαρμοστική εξίσωση (εξισωτής Viterbi), τεχνικές διεύρυνσης του ϕάσματος, κώδικες διόρθωσης λαθών, ορθογωνική πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), η χρήση του διαφορισμού (diversity) στο δέκτη 73
Συστήματα πολλαπλών εισόδων/εξόδων (MIMO) 74
Συστήματα πολλαπλών εισόδων/εξόδων (MIMO) 75
Ανασκόπηση 76