Μάθημα Επισκόπηση των Τηλεπικοινωνιών Τεχνικές Μετάδοσης ΙI: Πολυπλεξία, Πρόσβαση, Spread Spectrum, OFDM Μάθημα 7 ο (Β Μέρος) ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών
Περιεχόμενα Τεχνικές πολυπλεξίας Μέθοδοι πρόσβασης στο μέσο (ΜΑC) Τεχνικές Spread Spectrum Τεχνική OFDM 2
audio video (analog) Source data (digital) Transmit Receive data (digital) anti-alias filter Ψηφιακό Τηλεπικοινωνιακό Σύστημα A/D Nyquist sampling 6dB / bit Baseband Channel Code FEC ARQ parity block convolution pulse shaping filter ISI T s = symbol pulse width B min = 1 / 2T s B = B min (1 + ) M = bits / symbol C = 2 B log 2 M C = B log 2 (1+ S/N) Modulation ASK FSK PSK binary M ary bits/symbol Passband channel filter Communications Channel loss interference noise distortion 3 audio video (analog) low pass filter D/A quantisation noise Decode FEC ARQ parity Regeneration matched filter decision threshold timing recovery Demodulation envelope coherent carrier recovery channel filter
Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών Πηγή Πληροφορίας Αποδέκτης Πληροφορίας Κωδικοποιητής Πηγής Αποκωδικοποιητής Πηγής Κωδικοποιητής Καναλιού Αποκωδικοποιητής Καναλιού Άλλες Πηγές Πολυπλέκτης Αποπλέκτης Άλλοι Αποδέκτες Διαμορφωτής Αποδιαμορφωτής Διασπορά Φάσματος Πολλαπλή Πρόσβαση Θόρυβος + Κανάλι Αποδιασπορά Φάσματος Πολλαπλή Πρόσβαση 4
Τεχνικές Πολυπλεξίας Αυξανόμενες απαιτήσεις εύρους ζώνης (BW=$). Ανάγκη αναβάθμισης υπαρχόντων ζεύξεων. Λύση: Πολυπλεξία Ταυτόχρονη μετάδοση πολλών σημάτων πλήρης αξιοποίηση καναλιού Είδη πολυπλεξίας (4 διαστάσεις): Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing FDM) Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing TDM) Πολυπλεξία Διαίρεσης Κώδικα (Code Division Multiplexing CDM) Πολυπλεξία Διαίρεσης Χώρου (Space Division Multiplexing SDM) 5
Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (FDM) Κάθε σήμα καταλαμβάνει το δικό του ξεχωριστό εύρος συχνοτήτων για όλη τη διάρκεια της μετάδοσης. Το εύρος συχνοτήτων εκχωρείται μόνιμα ή ανάλογα με τη ζήτηση. Εφαρμογές: ραδιοφωνική και τηλεοπτική μετάδοση, καλωδιακή τηλεόραση, κινητές ραδιοεπικοινωνίες, οπτικές ίνες (πολυπλεξία λάμδα), ασύρματες επικοινωνίες, αναλογική τηλεφωνία: o o o βασικό group: 12 κανάλια (4kHz) βασικό supergroup: 60 κανάλια επίπεδο L5E: 13.200 κανάλια 6
Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (ΤDM) Κάθε σήμα καταλαμβάνει τη δικιά του ξεχωριστή χρονοθυρίδα. Κάθε σήμα καταλαμβάνει το συνολικό διαθέσιμο εύρος συχνοτήτων. Οι χρονοθυρίδες εκχωρούνται μόνιμα ή ανάλογα με τη ζήτηση. Εφαρμογές: ψηφιακή τηλεφωνία, επικοινωνίες δεδομένων, κυψελωτά συστήματα. 7
Πολυπλεξία Διαίρεσης Κώδικα (CDM) Κάθε σήμα διακρίνεται από τα αλλά με ειδικό κώδικα. Τα δεδομένα μεταδίδονται με την χρήση ορθογώνιων κωδίκων. Διασπορά φάσματος (spread spectrum) του κάθε σήματος. Όλα τα σήματα καταλαμβάνουν το συνολικό διαθέσιμο εύρος συχνοτήτων χωρίς χρονοθυρίδες. Εφαρμογές: o o o κυψελωτά συστήματα (3G) δορυφορικές επικοινωνίες στρατιωτικές επικοινωνίες 8
Πολυπλεξία Διαίρεσης Χώρου (SDM) Διαφορετικά κανάλια αντιστοιχούν σε διαφορετικές περιοχές (χωρικά) Διαίρεση του χώρο για περισσότερα κανάλια. Απλή μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους. Παραδείγματα: ασύρματα συστήματα: κατευθυντικές κεραίες, MIMO συστήματα, ενσύρματα συστήματα: διαφορετικά καλώδια. 9
Φυσικό Στρώμα (PHY layer) Tο χαμηλότερο στρώμα (επίπεδο) στο μοντέλο αναφοράς OSI (Open Systems Interconnection). Σκοπός του η μετάδοση των ξεχωριστών bits μεταξύ των κόμβων (φυσική επικοινωνία). Περιλαμβάνει το απαραίτητο hardware για μετάδοση μέσω φυσικών καναλιών (αέρας, ίνα, ομοαξονικό καλώδιο, κτλ.). Πολύπλοκο στρώμα λόγω διαφορετικών φυσικών καναλιών. ΌΤΙ ΕΧΟΥΜΕ ΠΕΙ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ ΑΦΟΡΑ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Αναλαμβάνει τη διαχείριση όλων των απαιτήσεων του εκάστοτε μέσου μετάδοσης (συχνότητα εκπομπής, σχήμα διαμόρφωσης, μέγιστος ρυθμός μετάδοσης, συνδέσεις κόμβου με φυσικό μέσο (connectors) κλπ.). 10
Πρόσβαση στο Μέσο (MAC protocols) To MAC (Medium Access Control) ελέγχει την πρόσβαση στο κοινό μέσο. Ανήκει στο στρώμα ζεύξης δεδομένων (data link layer). Μέθοδοι πρόσβασης: 1. Σταθερή πρόσβαση Προκαθορισμένος διαχωρισμός ανεξάρτητα αν ο χρήστης έχει να μεταδώσει πακέτα ή όχι. π.χ. FDMA, FDD, TDMA, TDD, CDMA, SDMA. 2. Τυχαία πρόσβαση Μετάδοση όταν ο χρήστης έχει πακέτα, αλλά με περιορισμούς που αφορούν τη διαθεσιμότητα του μέσου π.χ. Aloha, CSMA. 3. Πρόσβαση κατ Απαίτηση έσμευση καναλιού μέχρι να πραγματοποιηθεί η μετάδοση. π.χ. DAMA. 11
Ασφάλεια Μετάδοσης Ασύρματων Συστημάτων Τα σήματα στενής ζώνης (narrowband) μπορούν εύκολα να δεχτούν παρεμβολές (jammed) από άλλα σήματα στην ίδια ζώνη συχνοτήτων. Επίσης μπορούν να υποκλαπούν, αφού η μπάντα συχνοτήτων είναι συγκεκριμένη και στενή (δηλ. είναι εύκολο να ανιχνευτούν). Λόγω των παραπάνω προτάθηκαν (αρχικά για στρατιωτικές εφαρμογές) οι τεχνικές διασποράς φάσματος (Spread Spectrum) έτσι ώστε να παρέχουν ασφάλεια επικοινωνιών, απλώνοντας το σήμα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων. 12
Τεχνικές Διασποράς Φάσματος (Spread Spectrum) 13 Διασπορά Φάσματος (Spread Spectrum - SS): Τεχνική διαμόρφωσης μιας ευρυζωνικής ψευδοτυχαίας ακολουθίας σημάτων (noise-like) από το σήμα πληροφορίας παράγοντας σήμα με πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης, αλλά με την ίδια ισχύ. Σήμα spread spectrum: Η διασπορά φάσματος επιτυγχάνεται με χρήση κατάλληλου κώδικα διασποράς (spreading code) ανεξάρτητου του σήματος πληροφορίας. Το παραγόμενο σήμα έχει πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης (B c ) από το αρχικό σήμα πληροφορίας (B). Η ανάκτηση στον δέκτη γίνεται με συσχέτιση του λαμβανόμενου σήματος με ένα συγχρονισμένο αντίγραφο κώδικα διασποράς. Κώδικα διασποράς = ψευδοτυχαίος (pseudorandom) κώδικας = ψευδοθόρυβος (pseudo-noise). Παράγοντας Εξάπλωσης (Spreading Factor - SF) = Κέρδος Επεξεργασίας (Processing gain - PG) = B c / B. Επίσης, PG = κέρδος σε SNR.
Τεχνικές Διασποράς Φάσματος (Spread Spectrum) Το φάσμα του παραγόμενου σήματος μοιάζει με θόρυβο. Όποιος δεν γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να ανακτήσει το σήμα (το αντιλαμβάνεται σαν θόρυβο). Η διασπορά φάσματος αυξάνει την ασφάλεια παρέχοντας ανοχή σε θόρυβο, παρεμβολές, διαλείψεις και φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών. Η CDMA είναι μια μέθοδος πολλαπλής πρόσβασης που βασίζεται στην τεχνολογία διασποράς φάσματος (συνύπαρξη πολλών χρηστών όπου ο καθένας χρησιμοποιεί έναν ξεχωριστό κώδικα καταλαμβάνοντας την ίδια μπάντα συχνοτήτων στην ίδια χρονική στιγμή. Τεχνικές διασποράς φάσματος: Απευθείας Ακολουθίας (Direct Sequence DS) Μεταπήδησης Συχνότητας (Frequency Hopping FH) 14
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Το σήμα πολλαπλασιάζεται με μια παλμοσειρά PN (Pseudo random Noise code) k ψηφίων (chips) ανά bit. PG = T / T c = k XOR 15
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) υνατότητα χρήσης σε συνδυασμός με άλλη μέθοδο διαμόρφωσης (π.χ. FSK, PSK). DSSS με BPSK 16
Πομπός και δέκτης DSSS 17
Κώδικες Διασποράς CDMA Οι κώδικες διασποράς πρέπει να είναι ορθογώνιοι: (κώδικας A) x ( κώδικας B) = 0, για κάθε ζευγάρι χρηστών A,B 18
Κώδικες Διασποράς CDMA Παράδειγμα Κώδικας χρήστη A = (1, 1, 1, 1, 1, 1) ή ισοδύναμα (1,0,0,1,0,1) Για να στείλει το bit 1 : (1, 1, 1, 1, 1, 1) Για να στείλει το bit 0 : ( 1, 1, 1, 1, 1, 1) Κώδικας χρήστη B = (1, 1, 1, 1, 1, 1) Έστω ο A στείλει το bit 1, δηλαδή στέλνει (1,-1,-1,1,-1,1) Ο παραλήπτης δεν ξέρει ποιος στέλνει και τι στέλνει, γι αυτό πολλαπλασιάζει το λαμβανόμενο σήμα (received pattern r.p.) με τους κώδικες κάθε χρήστη: o (Κώδικας A) x (r.p.) = 1 x 1 + (-1) x (-1) + (-1) x (-1) + 1 x 1 + (-1) x (-1) + 1 x 1 = 6 o (Κώδικας Β) x (r.p.) = 1 x 1 + (1) x (-1) + (-1) x (-1) + (-1) x 1 + 1 x (-1) + 1 x 1 = 0 Άρα, ο παραλήπτης καταλαβαίνει ότι μετέδωσε ο A το bit 1 (αν το αποτέλεσμα ήταν -6, θα είχε μεταδώσει ο A το bit 0 ). 19
Φάσμα DSSS Το σήμα πληροφορίας πολλαπλασιάζεται με κώδικα διασποράς συνέλιξη στο πεδίο συχνότητας άπλωμα φάσματος 20
Αντιμετώπιση Jamming με DSSS 21
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Η συχνότητα του φέροντος μεταβάλλεται (hops) «τυχαία» παίρνονται τιμές σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων σύμφωνα με γνωστή ακολουθία. Η ακολουθία των διαδοχικών τιμών συχνότητας καλείται ακολουθία μεταπήδησης (hopping sequence) και είναι γνωστή μόνο στον δέκτη. Οι ωτακουστές που παρεμβάλουν σε συγκριμένες συχνότητες επηρεάζουν μόνο μικρό αριθμό bits. k αριθμός bits ακολουθίας για κάθε συχνότητα 2 k διαφορετικές συχνότητες (πλήθος hops). PG = B c / B = 2 k 22
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Ρυθμός μεταπήδησης συχνότητα R c = 1 / T c. Συνήθως χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ΜFSK. Για ρυθμό συμβόλου σήματος R s =1/T s : o R c R s αργή μεταπήδηση (slow hopping) o R c > R s γρήγορη μεταπήδηση (fast hopping) Ρυθμός FHSS = max{r s,r c }. 23
Πομπός και δέκτης FHSS 24
Χρησιμότητα & Εφαρμογές SS υνατότητα υπέρθεσης σε υπάρχουσες υπηρεσίες. υνατότητα αυτόματης ταυτοποίησης χρηστών. υνατότητα διαφορετικού ρυθμού μετάδοσης ανά χρήστη. Εφαρμογές: Στρατιωτική χρήση CDMA 3G IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 GPS 25
Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα SS Πλεονεκτήματα: Ασφάλεια επικοινωνιών (απόκρυψη σήματος). Όχι παρεμβολές από/με άλλα σήματα ίδιας μπάντας συχνοτήτων. Ταυτόχρονη χρήση ίδιου εύρους συχνοτήτων από πολλούς (CDMA). Προστασία από jamming. Μειονεκτήματα: Αύξηση εύρους ζώνης (ανάγκη για διαφορετικά κυκλώματα και μοντέλα καναλιών σε ευρυζωνικά συστήματα). Αύξηση πολυπλοκότητας. 26
Διαμόρφωση OFDM Ορθογωνική πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). ιαμόρφωση με πολλαπλά φέροντα. Μέθοδος για μετάδοση δεδομένων υψηλών ρυθμών μέσω εξαιρετικά δυσμενών καναλιών με σχετικά μικρή πολυπλοκότητα. Κεντρική ιδέα: παράλληλη μετάδοση τμημάτων συνολικής πληροφορίας από διαφορετικά υποκανάλια ορθογωνικών φερόντων [υποφέροντα (subcarriers)]. Υποκανάλια με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης που μεταδίδουν ταυτόχρονα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως τεχνική spread spectrum για ίδια δεδομένα σε κάθε υποφέρον. 27
Φαινόμενο πολλαπλών διαδρομών (multipath) Κρουστική απόκριση καναλιού (Channel Impulse Response) Το μεταδιδόμενο σήμα ανακλάται σε φυσικά εμπόδια και οι αντανακλάσεις του φτάνουν στο δέκτη με διαφορετική χρονική καθυστέρηση αύξηση διασυμβολικής παρεμβολής (Inter Symbol Interference - ΙSI) στον δέκτη. ISI τ max /T = τ max R τ max : μέγιστη καθυστέρηση (χρονική διασπορά καναλιού), T : περίοδος συμβόλου (διαμόρφωση ενός φέροντος), R : ρυθμός συμβόλων. 28
Προσέγγιση μονού φέροντος Ρυθμός μετάδοσης R sc = 1/T sc Μέγιστη καθυστέρηση καναλιού τ max ISI sc = τ max /T sc Εξισωτές (equalizers): αφαίρεση ISI υψηλή πολυπλοκότητα. 29
Προσέγγιση πολλαπλών φερόντων Serial to Parallel Parallel to Serial Διάσπαση αρχικής ροή δεδομένων ρυθμού R σε Ν παράλληλες ροές δεδομένων ρυθμού R mc =1/T mc =R sc /N Κάθε σύμβολο καταλαμβάνει στενό εύρος ζώνης με μεγαλύτερη διάρκεια T mc =N T sc H ISI του κάθε υποσυστήματος μειώνεται: ISI mc = τ max /T mc = τ max /N T sc =ISI sc /N Προστασία από ISI με χρήση διαστημάτων φύλαξης (guard intervals) με τη μορφή κυκλικού προθέματος (cyclic prefix) 30
Διαμόρφωση OFDM Για διαθέσιμο εύρος ζώνης Β δημιουργία k=b / f υποκαναλιών εύρους f=1/τ u. Φέρον k-στού καναλιού x k (t)=sin(2πf k t)(κεντρική συχνότητα f k ). Τα φέροντα μπορούν επιπλέον να διαμορφωθούν από τις βασικές τεχνικές διαμόρφωσης (π.χ. PSK, QAM). Τα φάσματα των υποφερόντων επικαλύπτονται μερικώς χωρίς να προκαλείται παρεμβολή (απαίτηση ορθογωνιότητας μεταξύ υποφερόντων). OFDM = Orthogonal FDM. f 31
Διαμόρφωση OFDM Ορθογωνιότητα μεταξύ υποφερόντων: T 0 sin(2 f k t )sin(2 f k t ) dt (για f =1/Τ =R b ) Ορθογωνιότητα στη συχνότητα ενός υποφέροντος μηδενίζεται το φάσμα των υπολοίπων. j j 0 Φάσμα υποφέροντος Φάσμα υποφερόντων OFDM O διαμορφωτής και ο αποδιαμορφωτής ενός OFDM συστήματος υλοποιούνται με χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων που πραγματοποιούν FFT (Fast Fourier Transform). 32
Εφαρμογές OFDM Η διαμόρφωση OFDM χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων στα ακόλουθα συστήματα: IEEE 802.11a&g (WLAN), IEEE 802.16 (WiMAX), ADSL (ως DMT = Discrete Multi-Tone), DAB (Digital Audio Broadcasting), DVB-T (Digital Video Broadcasting), 4G LTE (Long-Term Evolution).. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως τεχνική πολλαπλής πρόσβασης στο μέσο (OFDMA) με κατανομή ενός ή περισσοτέρων υποφερόντων ανά χρήστη. 33
Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα OFDM Πλεονεκτήματα: Αύξηση φασματικής απόδοσης, Αντοχή στο θόρυβο και λοιπές παρεμβολές, Αντοχή στο φαινόμενο πολλαπλών διαδρομών και μείωση ISI. Μειονεκτήματα: Ευαισθησία σε σφάλματα συγχρονισμού πομπού και δέκτη απώλεια ορθογωνιότητας, Ενεργειακά μη αποδοτική, Αυξημένη πολυπλοκότητα. 34
Σύνοψη Μεθόδων Μετάδοσης 35
Ασκήσεις - Παραδείγματα 1) Έστω ένα σύστημα DSSS-CDMA με τρεις χρήστες που έχουν τους παρακάτω κώδικες: o Κώδικας χρήστη A = ( 1, 1, 1, +1, +1, 1, +1, +1) o Κώδικας χρήστη B = ( 1, 1, +1, 1, +1, +1, +1, 1) o Κώδικας χρήστη C = ( 1, +1, 1, 1, 1, 1, +1, 1) Αν ο δέκτης λάβει ( 1, +1, 3, +3, +1, 1, 1, +1), ποίος έχει μεταδώσει και τι; Πόσο είναι το processing gain; (Απ: A bit 1, B bit 0, C τίποτα, PG=8) 2) Έστω κανάλι εύρους ζώνης 64KHz. Για ένα σύστημα OFDM οκτώ υποφερόντων διαμορφωμένων κατά 4-QAM, πόσο μειώνεται η ISI σε κάθε υποφέρον σε σχέση με τη μετάδοση μονού φέροντος; Πόσο είναι το εύρος ζώνης του κάθε υποφέροντος και πόσος είναι ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί; (Απ: Δf=8KHz R s =Δf=R b /2 (4-QAM) R b =16Kbps R b,tot =8R b =128Kbps) 36