ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ Τηλεπικοινωνίες Δρ. Κωνσταντίνος Πίτρης ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
Εισαγωγή Η εποχή μας θα μπορούσε να χαρακτηριστεί εποχή της πληροφορίας. Ασύλληπτα μεγάλος αριθμός πληροφοριών μεταφέρονται από τον πομπό στο δέκτη της πληροφορίας Τηλε + Επικοινωνίες Μετάδοση πληροφορίας (Φωνή, δεδομένα, κλπ) Μετάδοση σήματος με Ηλεκτρικό ρεύμα σε ομοαξονικό καλώδιο ή σε άλλα καλώδια Τηλεφωνική γραμμή σπιτιού, Δίκτυα Η/Υ όπως Ethernet, cable TV Ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον αέρα Ραδιόφωνο, TV, κινητή τηλεφωνία Παλμούς φωτός σε οπτικές ίνες Μακρινές γραμμές τηλεφώνου Για να μεταδώσουμε την πληροφορία, το ηλεκτρικό σήμα διαβιβάζεται στον πομπό, αφού διαμορφωθεί
Μετάδοση Πληροφοριών Διαμόρφωση Το σήμα προστίθεται σε ένα αρμονικό υψίσυχνο κύμα, που παράγεται στον πομπό και έχει ορισμένη συχνότητα (φέρουσα συχνότητα.) Διαμόρφωση κατά πλάτος ή ΑΜ (amplitude modulation ) Στο φέρον κύμα δημιουργούνται κορυφές ρ φ ς και κοιλάδες ς που αντιστοιχούν στο κύμα της πληροφορίας. Διαμόρφωση κατά συχνότητα ή FM (frequency modulation) Στο φέρον κύμα δημιουργούνται πυκνώματα και αραιώματα. Το πλεονέκτημα αυτής της διαμόρφωσης είναι ότι το διαμορφωμένο κύμα δεν επηρεάζεται σημαντικά από παράσιτα. Τα παράσιτα, κατά τη συμβολή τους με το διαμορφωμένο κύμα, επηρεάζουν κυρίως το πλάτος και λιγότερο τη συχνότητα. Πληροφορία (ήχος, φωνή κλπ) + Διαμόρφωση AM Φέρον Κύμα Διαμόρφωση FM
Καλωδιακή 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 Οπτικές ίνες για μετάδοση παλμών φωτός
Τα Πρώτα Βήματα των Καλωδιακών Επικοινωνιών Τηλέγραφος Samuel Morse, 1837 Κώδικας Μορς Πρώτο μήνυμα: "A patient waiter is no loser." Πρώτο υπερατλαντικό καλώδιο, 1858 Τηλέφωνο Η πατρότητα του τηλεφώνου ακόμα αμφισβητείται (Antonio Meucci, Johann Philipp Reis, Alexander Graham Bell, Thomas Edison και Elisha Gray) Διπλώματα ευρεσιτεχνίας πήραν οι Bell και Edison Samuel Morse (1791-1892) Τηλεγραφική συσκευή Ο Alexander Graham Bell μιλά στο τηλέφωνο (1892)
Μετάδοση φωνής μεταξύ δύο χρηστών Το πιο απλό και ένα από τα πιο παλιά μέσα επικοινωνίας Ο άνθρωπος είναι αναλογικό σύστημα Η συσκευή τηλεφώνου θα έχει πάντα αναλογικά στοιχεία το μικρόφωνο στο οποίο μιλούμε ο δέκτης του τηλεφώνου από όπου ακούμε την φωνή του ατόμου με το οποίο μιλούμεμ Το αρχικό σύστημα ήτανε εξολοκλήρου αναλογικό Η τεχνολογία τώρα άλλαξε σε ψηφιακή Σύστημα Τηλεφώνου
Σύστημα Μετάδοσης Τηλεφώνου Βασικά μέρη: Πομπός (μικρόφωνο) μετατρέπει την φωνή σε ηλεκτρική ενέργεια και την στέλλει για μετάδοση Μέσο μετάδοσης μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια από ένα μέρος σε άλλο (π.χ. σύρμα) Παροχέας Συνδέσεων Μεγάλων Αποστάσεων Κεντρικό Γραφείο Δέκτης λαμβάνει την ηλεκτρική ενέργεια και την μετατρέπει σε ήχο Σύστημα μεταγωγής (switching system) ενώνει ένα συγκεκριμένο πομπό σε ένα συγκεκριμένο δέκτη (και αντιστρόφως) ) Σύστημα σηματοδότησης (signaling system) ελέγχει και ρυθμίζει τα στοιχεία μεταγωγής για κάθε τηλεφωνική σύνδεση Υπόγειο Σύρμα Οπτικές Ίνες
Δέκτης Τηλεφώνου Απλό αναλογικό σύστημα Όταν ηλεκτρικό ρεύμα περνά από το πηνίο τότε δημιουργείτε ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με το μαγνήτη και προκαλεί την μεμβράνη μμβρ να κουνηθεί με την ίδια συχνότητα όπως το ρεύμα Η κίνηση της μεμβράνης κουνά αέρα προκαλώντας την δημιουργία ηχητικών κυμάτων που μπορούμε να ακούσουμε μεμβράνη πηνίο μαγνήτης
Αναλογικό σύστημα Αλλάζει τα ηχητικά κύματα από την φωνή σε ηλεκτρικά σήματα Δουλεύει όπως το μεγάφωνο αλλά αντίστροφα. Όταν ηχητικά κύματα κουνούν την μεμβράνη τότε δημιουργείτε μικρό ηλεκτρικό ρεύμα λόγω της κίνησης του πηνίου μέσα στο μαγνήτη (ηλεκτρομαγνήτης) Στο παρελθόν, το μικρόφωνο περιείχε απλώς κόκκους άνθρακα συμπιεσμένους μεταξύ δύο λεπτών μεταλλικών πλακών Η κίνηση της μεμβράνης λόγω των ηχητικών κυμάτων συμπιέζει και αποσυμπιέζει τους κόκκους αλλάζοντας έτσι την ηλεκτρική αντίσταση των κόκκων και κατά συνέπεια το ηλεκτρικό ρεύμα που περνά από το μικρόφωνο Μικρόφωνο
Το Τηλέφωνο Πολύ απλή τεχνολογία Ένα switch που συνδέει και αποσυνδέει το τηλέφωνο από το δίκτυο Ή σύνδεση γίνεται όταν «σηκώνουμε το ακουστικό» του τηλεφώνου Επιλογή και μετάδοση αριθμού με παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος ( dial pulse ) Το μεγάφωνο (speaker) που είναι ο δέκτης του τηλεφώνου Το μικρόφωνο (microphone) που είναι ο πομπός Πηνίο γα ταυτόχρονη διπλή κατεύθυνση (Duplex coil) Για να μην ακούμε την δική μας φωνή όταν μιλάμε στο μικρόφωνο Πληκτρολόγιο για την δημιουργία τόνων Κάθε αριθμός έχει ένα μοναδικό τόνο Επιλογή και μετάδοση αριθμού με ηχητικά σήματα τόνους διαφορετικών συχνοτήτων ( touch tone ) Κουδούνι που κτυπά όταν το τηλέφωνο καλείται
Σύστημα Μετάδοσης Η βασική αρχή είναι πολύ απλή Χρησιμοποιεί δύο καλώδια Το κοινό καλώδιο που απλά ενώνει ένα πομπό με ένα δέκτη Το καλώδιο που κλείνει το κύκλωμα και τροφοδοτεί το τηλέφωνο με ηλεκτρικό ρεύμα Το μικρόφωνο αλλάζει την ποσότητα αυτού του ηλεκτρικού Το μικρόφωνο αλλάζει την ποσότητα αυτού του ηλεκτρικού ρεύματος ανάλογα με τα ηχητικά κύματα
Σύστημα Μεταγωγής Χειροκίνητα Κέντρα: Όταν κάποιος καλούσε ένα αριθμό άναβε μία λάμπα στο switch board Η τηλεφωνήτρια σύνδεε τον καλόντα αό αμε τον καλούμενο αούμεο τοποθετώντας το κατάλληλο βύσματα καλωδίου στην κατάλληλη υποδοχή Αυτόματα Κέντρα μεταγωγής: αντικατάσταση χειροκίνητων κέντρων με ηλεκτρονικούς υπολογιστές Επιλογή και μετάδοση αριθμού με παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος ( dial pulse ) Επιλογή και μετάδοση αριθμού με ηχητικά σήματα τόνους διαφορετικών συχνοτήτων ( touch tone ) 1895 Σήμερα
Ψηφιακό Σύστημα Τηλεφώνου A/D Ψηφιακό Σύστημα D/A Υπάρχει συνδυασμός αναλογικών και ψηφιακών σημάτων καθώς και συνδυασμός αναλογικής και ψηφιακής τεχνολογίας Το σήμα είναι αναλογικό από την συσκευή τηλεφώνου μέχρι το πρώτο γραφείο μεταγωγής τηλεφώνου Μετατροπή αναλογικού ηλεκτρικού σήματος σε ψηφιακό σήμα Δειγματοληψία με συχνότητα 8 KHz 8.000 δείγματα / sec Κβαντισμός με 256 επίπεδα 8 bits / δείγμα Ρυθμός δυαδικού ψηφίου (bit rate) = 8.000 δείγματα x8bits/δείγμα = 64.000 bits / sec Μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Η λ ί ξλί ά λέ Η τεχνολογία εξελίσσεται ψηφιακά τηλέφωνα οι μετατροπές A/D και D/A γίνονται μέσα στην τηλεφωνική συσκευή
Ασύρματο Τηλέφωνο Λειτουργεί όπως το κανονικό τηλέφωνο αλλά δίνει την δυνατότητα χρήσης καθώς ο χρήστης κινείσαι μέσα στο σπίτι του Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό και δέκτη ασύρματης επικοινωνίας Η βάση του τηλεφώνου είναι ενωμένη στην κανονική γραμμή τηλεφώνου και λειτουργεί σαν ένα κανονικό. Η βάση λαμβάνει το εισερχόμενο ηλεκτρικό σήμα (μιας κλήσης) από την γραμμή τηλεφώνου και το μετατρέπει σε σήμα ασύρματης επικοινωνίας FM το οποίο εκπέμπει. Το ακουστικό (με τον επιλογέα) ) λαμβάνει το FM σήμα από την βάση και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο στέλλει στο δέκτη (μεγάφωνο) όπου μετατρέπετε σε ήχο. Όταν μιλάς στο ακουστικό γίνεται η αντίστροφη μετατροπή Ήχος ηλεκτρικό σήμα FM σήμα Η βάση λαμβάνει το FM σήμα από το ακουστικό και το μετατρέπει για να το στείλει στον καλόντα FM σήμα ηλεκτρικό σήμα
Ασύρματο Τηλέφωνο Αμφίδρομη (duplex) επικοινωνία Μπορείς να μιλάς και να ακούς ταυτόχρονα Η βάση και το ακουστικό του ασύρματου τηλεφώνου χρησιμοποιούν δύο συχνότητες για τα δύο ξεχωριστά FM σήματα Τα FM σήματα εκπέμπονται στον αέρα Οποιοσδήποτε μπορεί να Οποιοσδήποτε μπορεί να ακούσει την συνομιλία με ένα ανιχνευτή ραδιοσυχνοτήτων
Ασύρματο Τηλέφωνο Πρώτο ασύρματο τηλέφωνο το 1980 και λειτουργούσε σε συχνότητα 27 MHz Περιορισμένο σε περιοχή λήψης Η ποιότητα του ήχου δεν ήτανε καλή Η συνομιλία δεν ήτανε πολύ ασφαλισμένη Το 1986 το Federal Communications Commission (FCC) έδωσε νέες συχνότητες 47-49 MHz Το 1994 τα πρώτα ψηφιακά ασύρματα τηλέφωνα με συχνότητα 900 MHz Το 1995 χρησιμοποιείτε η τεχνολογία digital spread spectrum (DDS) για κρυπτογράφηση του ψηφιακού σήματος έτσι ώστε να εμποδίζεται το κρυφάκουσμα συνομιλιών
Καλωδιακά Μέσα Μετάδοσης Παράλληλα Καλώδια Αποτελείται από χάλκινους αγωγούς σε ζεύγη Λιγότερο κατάλληλα για μεταφορά πληροφορίας Καλώδια συνεστραμένων ζευγών (twisted wires) Είναι τα γνωστά χάλκινα σύρματα των τηλεφωνικών γραμμών - DSL Αποτελείται από τέσσερις ή περισσότερους χάλκινους αγωγούς συστρεμμένους σε ζεύγη (ένα για τη γείωση κι ένα για τη μεταφορά του σήματος) Συνήθως, με το ένα ζύ ζεύγος γίνεται η αποστολή και με το άλλο η λήψη Ταχύτητες μετάδοσης 300 bits / sec 10 Mbits / sec
Καλωδιακά Μέσα Μετάδοσης Ομοαξονικά καλώδια (coaxial cables) Οι (δύο) αγωγοί είναι τοποθετημένοι ό ένας μέσα στον άλλο και χωρίζονται μεταξύ τους από ένα μονωτικό υλικό Μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης (56 kbits /sec - 200 Mbits / sec) Μετάδοση τηλεοπτικού σήματος Καλώδια οπτικών ινών (fiber-optic cables) Εύκαμπτες ίνες (νήματα-καλώδια) ή από πλαστική ύλη ή γυαλί, μέσω των οποίων διέρχονται ακτίνες φωτός ή laser Αποτελεί το ταχύτερο (500 Kbits /sec 10 Gbits / sec), ασφαλέστερο αλλά και πιο δαπανηρό μέσο μετάδοσης
Σημαντικές Στιγμές στην Ιστορία των Oπτικών Τηλεπικοινωνιών (*) 1870 Ανακάλυψη κυματοδήγησης του φωτός 1955 Ανακάλυψη οπτικής ίνας 1962 Ανακάλυψη laser ημιαγωγού 1966 Πρώτη χρήση οπτικής ίνας στις οπτικές τηλεπικοινωνίες 1970 Ανακάλυψη οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (< 20 db/km) 1970 Πρώτα lasers ημιαγωγού σε θερμοκρασία δωματίου 1977 Πρώτο σύστημα οπτικών τηλεπικοινωνιών (Σικάγο, Η.Π.Α.) ) 1988 Πρώτο οπτικό υπερατλαντικό καλώδιο (ΤΑΤ-8) 1996 Μετάδοση 1 Tb/s σε οπτική ίνα (*) από το βιβλίο του J. Hecht, City of Light: The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, 1999.
Πλεονεκτήματα Οπτικών Ινών Μεγάλο εύρος ζώνης (~25 THz/παράθυρο στο υπέρυθρο 0813και 0.8,1.3 1.55 155μm) Χαμηλή εξασθένιση (~0.25 db/km στο 1.55 μm) Αν η θάλασσα ήταν τόσο καθαρή θα μπορούσαμε να βλέπουμε το βυθό κάτω από 20 km νερού!!! Χαμηλό κόστος παραγωγής (~σεντ/km) Μικρoσκοπικό πάχος (~μm) Αναισθησία σε ΗΜΜ παρεμβολές ρμβ Προστασία από πιθανές υποκλοπές (;) Απλουστευμένη εξήγηση λειτουργίας οπτικών ινών http://www.corning.com/opticalfiber/ com/opticalfiber/ discovery_center/tutorials/fiber_101/
Εξέλιξη της Εξασθένισης της Οπτικής Ίνας D. B. Keck, R. D. Maurer, P. C. Schultz Corning, Inc. Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας ΗΠΑ 2000 Εφευρέτες της πρώτης οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (1970)
Διάμετρος: Ανατομία μιας Οπτικής Ίνας Μονότροπη οπτική ίνα 8 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας Πολύτροπη οπτική ίνα 50, 62.5, 100 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας Μονότροπη Πολύτροπη Ανθρώπινη τρίχα
Διάθλαση του Φωτός Ο δείκτης διάθλασης (n) ενός οπτικού υλικού είναι η οπτική πυκνότητα του υλικού. Μεγαλύτερος δείκτης σημαίνει μικρότερη ταχύτητα (v) φωτός στο υλικό. Η γωνία διάθλασης είναι αντιστρόφως ανάλογη του δείκτη διάθλασης (n) του οπτικού υλικού. Η σχέση της γωνίας διάθλασης και γωνίας πρόσπτωσης δίνεται από τον νόμο του Snell: n a ημ(θ a ) = n b ημ(θ b ) n γυαλιού > n νερού > n αέρα v στο γυαλί < v στο νερό < v στον αέρα θb στο γυαλί < θb στο νερό < θb στον αέρα
Διάθλαση του Φωτός Στο φαινόμενο της διάθλασης οφείλονται πολλές οφθαλμαπάτες, όπως το φαινομενικό σπάσιμο μιας ράβδου που ένα τμήμα της είναι βυθισμένο στο νερό. Μια άλλη οφθαλμαπάτη α φαίνεται στο σχήμα. Το μάτι αντιλαμβάνεται το φως σαν να διαδίδεται ευθύγραμμα. Έτσι βλέπει το ψάρι στην προέκταση της ακτίνας (εστιγμένη γραμμή), πιο κοντά στην επιφάνεια από ότι είναι πραγματικά.
Ολική Ανάκλαση Ολική ανάκλαση Κρίσιμη γωνία (ή οριακή γωνία) θ crit n a ημ(θ crit ) = n b ημ(90 o ) θ crit = ημ -1 ( n b / n a ) n0 φ 2 2 n θ a φ θ 1 1 n 1 θ 0
Ίνα Βηματικού Δείκτη Διάθλασης Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης n 1 r < a nr () = n2 r a Τυπικές τιμές Δ = 1-1% n =1.44 44-146 1.46
Ίνα Βαθμιαίου Δείκτη Διάθλασης Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης nr () x 1 r n1 Δ r< a a = n2 r a
Υποθαλάσσιο Δίκτυο Οπτικών Ινών
Υπερατλαντικό Καλώδιο FLAG Atlantic-1 Ρυθμός σηματοδοσίας (Tb/s):2.4/κατεύθυνση Μήκος (km):6250/κατεύθυνση Κόστος κατασκευής (δις Δολάρια):1.11 Χώρες που συνδέονται:ηπα, Γαλλία, Αγγλία Βάση δεδομένων υποβρυχίων καλωδίων (International Cable Protection Committee) http://iscpc.org Πώς ποντίζεται ένα οπτικό καλώδιο; http://www.alcatel.com/submarine
Οπτικό Τηλεπικοινωνιακό Σύστημα Δεδομένα Ενισχυτής Ισχύος Ενισχυτής Γραμμής Ίνα Ίνα Προενισχυτής Φωτοδίοδος Laser/LED Εξωτερικός Διαμορφωτής Οπτικό φίλτρο Αποδιαμορ φωτής Οπτικός πομπός Οπτικός δέκτης
Κατά μήκος κύματος Κατά μήκος χρόνο Πολυπλεξία Πομποί Ενισχυτές γραμμής Δέκτες Πολυπλέκτης Ενισχυτές γραμμής Αποπολυπλέκτης Δέκτες Πομποί
Ασύρματη Επικοινωνία Αποτελεί τον πιο γοργά αναπτυσσόμενο τρόπο σύνδεσης Το κανάλι επικοινωνίας είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα μέσω των οποίων μεταδίδεται το σήμα Επίγειες επικοινωνίες (ασύρματος, τηλέφωνο, τηλεόραση, κλπ) Δορυφορικές επικοινωνίες Κλπ
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) 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
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) 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 Δικαιώθηκε ~1940 ς
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) Alexander Stepanovich Popov Κατασκεύασε δέκτη Η/Μ κυμάτων το 1894 (coherer) Πέτυχε μετάδοση ραδιοκυμάτων μεταξύ κοντινών κτιρίων, το 1896 6 μιλίων το 1898 30 μιλίων το 1899 Δεν διεκδίκησε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) 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
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) Reginald Fessenden Πρώτη μετάδοση ήχου (της δικής του φωνής) το 1901 Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ) Πρώτη αμφίδρομη υπερατλαντική ασύρματη επικοινωνία (1906) Πρώτη ραδιοφωνική εκπομπή (μουσικό περιεχόμενο) ) το 1906
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) 1900-1940 Ευρεία χρήση ασύρματου τηλέγραφου κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο Ραδιοφωνικές Εκπομπές 1920-1930 Πλοήγηση Αεροσκαφών με χρήση ραδιοβοηθημάτων (μετά το 1920) Διαμόρφωση FM (Frequency Modulation) το 1935 Ευρεία χρήση ασύρματων από αστυνομίες αμερικάνικών πόλεων (μετά το 1930)
Τα Πρώτα Βήματα στις Ασύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980) 1980) Ασύρματη Τηλεφωνία 0ης Γενιάς Πρώτη λειτουργία συστήματος σε ευρεία βάση το 1946, στο St. Louis, στις Η.Π.Α Frequency Modulation, κανάλι 120 KHz Αρχικά Push-to-Talk, αργότερα Full- Duplex Τοπολογία Δικτύου: Μια πολύ μεγάλη κεραία για κάθε μεγάλη αμερικανική πόλη Πρόβλημα: περιορισμένος αριθμός καναλιών Πολύ γρήγορα τα συστήματα Ολλανδικό Ραδιο-τηλέφωνο, ο, 1937 κορέστηκαν
Κινητή Τηλεφωνία Δυνατότητα τηλεφωνικής επικοινωνίας παντού και πάντα Με τον ίδιο πάντα αριθμό τηλεφώνου Κινητό τηλέφωνο (mobile phone or cellular phone) cellular = κυψελοειδής, κυτταροειδής Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό και δέκτη ασύρματης επικοινωνίας χρησιμοποιεί ραδιοσυχνότητες Χρησιμοποιεί πομπό χαμηλής ισχύος μικρή μπαταρία και μικρές συσκευές Οι ραδιοσυχνότητες είναι περιορισμένες ο αριθμός κινητών συνομιλιών σε μία συγκεκριμένη ώρα είναι περιορισμένος Σήμα πολύ ψηλής συχνότητας δεν μπορεί να περάσει από καταιγίδα βροχής Μέχρι τώρα η τεχνολογία που χρησιμοποιεί ψηλές συχνότητες είναι πιο ακριβή
Η καινοτομία της κινητής τηλεφωνίας είναι ο διαχωρισμός μίας πόλης σε μικρά κύτταρα ή κυψέλες επιτρέπει να χρησιμοποιούνται οι ίδιες ραδιοσυχνότητες από διάφορους χρήστες σε μία πόλη δυνατότητα να εξυπηρετούνται περισσότεροι χρήστες Επιτρέπει ευελιξία στην ανάπτυξη του δικτύου Μέσα σε κάθε κύτταρο οι ραδιοσυχνότητες είναι πάλι περιορισμένες αλλά είναι και ο χώρος περιορισμένος Μία μεγάλη πόλη μπορεί να Μία μεγάλη πόλη μπορεί να έχει εκατοντάδες κύτταρα Κινητή Τηλεφωνία
Κινητή Τηλεφωνία Σε κάθε κυψέλη υπάρχει ένας Σταθμός Βάσης (base station) που επικοινωνεί με τα κινητά τηλέφωνα στην κυψέλη του Δηλαδή, αντί να υπάρχει ένας μεγάλος σταθμός για μία πόλη, υπάρχουν πολλοί μικροί σταθμοί Ένας Σταθμός Βάσης αποτελείται λί από αρκετές κεραίες εκπομπής / λήψης, συνήθως στερεωμένες σε έναν ιστό μια μονάδα ελέγχου ένα κτίριο με τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας
Κινητή Τηλεφωνία Οι Σταθμοί Βάσης Συνδέονται με ένα κέντρο με συνηθισμένα τηλεφωνικά καλώδια Διαβιβάζουν στο κέντρο τις συνομιλίες που διενεργούνται από κάποιο κινητό τηλέφωνο στην κυψέλη τους Λαμβάνουν από το κέντρο τις συνομιλίες που πρέπει να διαβιβάσουν σε κάποιο κινητό τηλέφωνο στην κυψέλη τους Κέντρο μεταγωγής κινητού τηλεφώνου (Mobile Switching Center ή Mobile Telephone Switching Office - MTSO) Ελέγχει όλους τους Σταθμούς Βάσης Εώ Ενώνει όλες τις κλήσεις στο σταθερό σύστημα τηλεφώνου
Χρήση Ραδιοσυχνοτήτων Κάθε κινητό τηλέφωνο χρησιμοποιεί 2 συχνότητες για αμφίδρομη επικοινωνία Υπάρχουν 832 ραδιοσυχνότητες για μία πόλη: 790 για φωνή και 42 για δεδομένα υπάρχουν 395 κανάλια συνομιλίας Το ραδιοσήμα του Σταθμού Βάσης δεν είναι υπερβολικά ισχυρό για να μην δημιουργεί παρεμβολές στα σήματα της επόμενης κυψέλης οι ίδιες συχνότητες χρησιμοποιούνται σε κυψέλες που δεν είναι γειτονικές (π.χ. οι κυψέλες με κίτρινο χρώμα) Κάθε κυψέλη έχει 6 γείτονες Στα αναλογικά συστήματα κάθε κυψέλη έχει 395 / 7 = 56 κανάλια Στα ψηφιακά συστήματα κάθε κυψέλη έχει 168 κανάλια
Μέγεθος Κυψέλης Το μέγεθος της κυψέλης ορίζεται από τον αναμενόμενο αριθμό χρηστών κινητών τηλεφώνων και καθορίζεται κατά το σχεδιασμό του δικτύου Τυπικό μέγεθος στις ΗΠΑ 26 km 2 Μπορεί να είναι 1 έως 4 km2 ή και μικρότερο στο κέντρο κάποιας μεγαλούπολης λ Αν κάποιο κινητό τηλέφωνο απομακρυνθεί από την κυψέλη, τότε η σύνδεση μεταβιβάζεται αυτόματα στην επόμενη κυψέλη
Αριθμός Κυψελών Αν σε κάποια κυψέλη χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερα κινητά τηλέφωνα υπερφορτώνεται ο Σταθμός Βάσης Τότε μπορεί να γίνει υποδιαίρεση της κυψέλης Εγκαθίστανται δηλαδή αναγκαστικά πρόσθετοι σταθμοί Βάσης που με μικρότερη ισχύ εκπομπής εξυπηρετούν τις μικρότερες κυψέλες τους ευελιξία στην δομή και λειτουργία της κινητής ηής τηλεφωνίας
Λειτουργία Κινητού Το κινητό τηλέφωνο χρησιμοποιεί κωδικούς για να επικοινωνήσει και να λάβει κλήσεις Electronic Serial Number (ESN) προγραμματισμένος αριθμός (32 bits ) από την κατασκευάστρια βιομηχανία Mobile Identification Number (MIN) αριθμός (10 bits) που βασίζεται στον αριθμό τηλεφώνου του κινητού System Identification Number (SID) μοναδικός αριθμός (5 bits) που καθορίζεται σε κάθε φορέα κινητής τηλεφωνίας Όταν ένας χρήστης ανάψει το κινητό του, το τηλέφωνο πρώτα λαμβάνει ένα SID από τον Σταθμό Βάσης σε μία ειδική συχνότητα (control channel) Αν το κινητό δεν βρίσκει το control channel τότε είναι out of range και γράφει το μήνυμα no service Αν λάβει το SID τότε το συγκρίνει με το SID που έχει προγραμματισμένο και αν ταιριάζει ξέρει ότι επικοινωνεί με το δικό του σύστημα (home system). Διαφορετικά ξέρει ότι κάνει περιαγωγή (roaming) δηλαδή ότι χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό σύστημα από εκείνο στο οποίο ο χρήστης έχει συνδρομή
Λειτουργία Κινητού Μαζί με το SID το κινητό στέλλει και ένα registration request το οποίο φυλάγεται σε βάση δεδομένων στο MTSO για να εντοπισμό του κινητό όταν καλείται από άλλα τηλέφωνα Όταν το κινητό ενός χρήστη καλείται λί το MTSO λαμβάνει την κλήση και πρώτα εντοπίζει το κινητό Μετά το MTSO διαλέγει τις 2 συχνότητες για την κλήση και τις στέλλει στο κινητό μέσω του control channel Όταν το κινητό και ο Σταθμός Βάσης αλλάξουν σε αυτές τις συχνότητες, τότε η κλήση ενώνεται και μπορεί να γίνει η συνομιλία Όταν χρήστης κινείται προς την άκρη της κυψέλης του ο Σταθμός Βάσης αντιλαμβάνεται ότι η ισχύς του σήματος του κινητού ελαττώνεται. Ταυτόχρονα γειτονικοί Σταθμοί Βάσης αντιλαμβάνονται ότι ο χρήστης κινείται προς την κυψέλη τους από την αύξηση της ισχύς του σήματος. Σε κάποια στιγμή, σε συνεργασία με το MTSO ο ένας Σταθμός Βάσης δίνει (hands off) την κλήση στον άλλο σταθμό και το κινητό λαμβάνει νέες συχνότητες μέσω του control channel για να αλλάξει κυψέλη.
Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας Πρόσβαση με Πολυπλέξη Διαίρεσης Συχνότητας - Frequency Division Multiplexing Access (FDMA) Με FDMA κάθε τηλέφωνο λαμβάνει 2 διαφορετικές συχνότητες βάζει κάθε κλήση σε ξεχωριστή συχνότητα Όχι αποτελεσματική για ψηφιακή κινητή τηλεφωνία
Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας Πρόσβαση με Πολυπλέξη Διαίρεσης Χρόνου Time Division Multiplexing Access (TDMA) TDMA χωρίζει μία συχνότητα σε 3 χρονικά διαστήματα. Οι συχνότητες καναλιών χωρίζονται με 30 KHz Δίνει σε κάθε κλήση μέρος του χρόνου σε μία συγκεκριμένη συχνότητα
Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας Πρόσβαση με Πολυπλέξη Διαίρεσης Κώδικα - CDMA (Code Division Multiple Access) Δίνει ένα μοναδικό κωδικό σε κάθε κλήση και την σκορπά σε όλες τις ελεύθερες συχνότητες Ο κωδικός χρησιμοποιείται στην κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδομένων Ο δέκτης χρησιμοποιεί τον ίδιο κωδικό για να αποκωδικοποιήσει το σήμα
Ασύρματη Τηλεφωνία 1ης Γενιάς Κυψελωτή Τοπολογία Αναλογική διαμόρφωση FM Μερικά συστήματα: Advanced Mobile Phone System (AMPS) 1983 στις ΗΠΑ Συχνότητες 824 894 MHz Κάθε χρήστης λαμβάνει 2 συχνότητες για την διάρκεια της συνομιλίας Δηλ. χρησιμοποιεί FDMA (Frequency Division Multiple Access) Η επικοινωνία δεν ήτανε ήαεαπόρρητη, η, η συνομιλία μπορούσε να ανιχνευτή European Total Access Cellular System (ETACS), Ευρώπη, 1985 NTT Cellular, Japan, 1979
Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G) Τα πρώτα ψηφιακά συστήματα Πιο μεγάλη χωρητικότητα εξυπηρετούνται πιο πολλοί χρήστες Ψηλότερη ποιότητα με ψηφιακό ήχο Caller ID, paging, instant messaging
Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G) GSM (Global System for Mobile Communications) Πανευρωπαϊκό standard από τα μέσα του 1980 Αρχικά το διεθνές πρότυπο στην Ευρώπη, Αυστραλία, Ασία και Αφρική και τώρα υπάρχει και στις ΗΠΑ Συχνότητες: 900 MHz και 1800 MHz στην Ευρώπη και Ασία, 1900 MHz στις ΗΠΑ Μετατροπή φωνής σε ψηφιακό σήμα 64.000 bits / sec που επεξεργάζεται και κωδικοποιείται έτσι ώστε το bit rate να μειώνεται στα 13.000 bits / sec. Αυτή η επεξεργασία επιτρέπει 3-10 ψηφιακές κλήσεις στον ίδιο ραδιοχώρο που χρειάζεται μία αναλογική κλήση Χρησιμοποιεί κρυπτογραφία για ασφάλεια της συνομιλίας Χρησιμοποιεί TDMA (Time Division Multiple Access) Αντί να χωρίζονται οι συχνότητες χωρίζεται ο χρόνος Χρησιμοποιεί 30 khz μεταξύ των καναλιών και 3 χρονικά διαστήματα
Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G) IS-95 Αμερικανικό standard, βασισμένο σε τεχνολογία Code Division Multiple Access (CDMA) Qualcomm Λειτουργεί στις 2 συχνότητες 900 MHz / 1900 MHz Pacific Digital Cellular (PDC) Ιαπωνικό standard Προσφέρει υπηρεσίες Caller ID, paging και email Έχει μικρότερα κύτταρα και γι αυτό πιο πολλές αντένες Χρησιμοποιεί συχνότητες 1850 MHz και 1990 MHz Χρησιμοποιεί TDMA με 200 khz μεταξύ των καναλιών και 8 χρονικά διαστήματα 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 λ κώδικες
Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 3G Συστήματα τρίτης γενεάς (3G) Ψηλότερα data rates για video, internet access Λειτουργία παντού σε όλο τον κόσμο και μέσα στο αεροπλάνο Μοιάζουν σαν PDAs (Personal desk assistants) Προσφέρουν video-conferencing, advanced personal calendar multiplayer gaming 3G W-CDMA (UMTS) Μετεξέλιξη του GSM, αλλά βασισμένο σε Wideband CDMA και μεταγωγή πακέτου. Ευρωπαϊκό standard d 3G cdma2000 Μετεξέλιξη του ISM-95, αμερικανικό standard 3G TD-SCDMA Κινεζικό standard, βασισμένο στο GSM
Μέσα στο Κινητό μεγάφωνο SIM μικρόφωνο μπαταρία
Όχι Μόνο Τηλέφωνο Εκτός από την βασική λειτουργία για τηλεφωνικές κλήσεις πολλά κινητά προσφέρουν Μνήμη για καταχώρηση στοιχείων επικοινωνίας, ραντεβού και άλλες πληροφορίες Ημερολόγιο και ρολόι Αριθμομηχανή Δυνατότητα για EMAIL Δυνατότητα για πρόσβαση στο διαδύκτιο Απλά ηλεκτρονικά παιγνίδια Συνδυασμό άλλων τεχνολογιών όπως PDA, GPS receiver, MP3 player, ψηφιακή κάμερα Άλλά;
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
Δορυφορικές Επικοινωνίες με Γεωστατικούς Δορυφόρους
Δορυφορικές Επικοινωνίες με Δορυφόρους Χαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit LEO) Χρήσιμο σε περιοχές που δεν μπορούν να υπάρχουν άλλα συστήματα τηλεφώνου όπως σε πλοία στην θάλασσα και σε μακρινές απομονωμένες περιοχές Χρήσιμο σε κατάσταση μαζικής καταστροφής τηλεφωνικών γραμμών και κέντρων σε μία περιοχή
Δορυφορικές Επικοινωνίες με Δορυφόρους Χαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit LEO) Δορυφορικά συστήματα INMARSAT (International Marine Satellite) Προσφέρει τηλεπικοινωνία σε πλοία οπουδήποτε και σε μακρινές απομονωμένες περιοχές Iridium Motorola Corporation (1999) 66 δορυφόρους σε χαμηλή τροχεία της γής (low earth orbit) σε ύψος 780 km Ψηφιοποίηση σήματος όπως στο GSM, αλλά οι κυψέλες είναι από πάνω και κινούνται Συχνότητες 1.6 GHz μεταξύ κινητού τηλεφώνου και δορυφόρου 20 30 GHz μεταξύ δορυφόρων και μεταξύ δορυφόρων και σταθμών εδάφους Μετάδοση αναλογικής φωνής αρχικά Λόγω του ψηλού κόστους η εταιρεία σταμάτησε την λειτουργία του συστήματος το 2000 αλλά μετά ξανάρχισε το Μάρτη του 2001 http://www.iridium.com/ Globalstar: έτος λειτουργίας 1998, 40 δορυφόροι που επικοινωνούν με σταθμούς βάσης Ούτε και αυτή η εταιρία έχει κέρδος
Μέλλον (~2000-2020) 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 Προτερήματα Χαμηλότερη ενέργεια Καλύτερη σύνδεση Με την παρούσα τεχνολογία Ο χρήστης Α είναι εκτός δικτύου Οι χρήστες επικοινωνούν αποκλειστικά με το σταθμό βάσης Β Α
Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) Β Α Δίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας Οι χρήστες δημιουργούν ένα εξ ολοκλήρου ασύρματο δίκτυο. Οι χρήστες έχουν πλέον αυξημένες δυνατότητες και αρμοδιότητες.
Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) Internet, Satellite, UAV SINK SINK Task Manager
Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) 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 μ Δίκτυο επιταχυνσιόμετρων μπορεί να καταγράψει τον τρόπο κατάρρευσης κτιρίων
Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks) Τεχνολογία Αισθητήρων
Μέλλον (~2000-2020) Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) Εφαρμογές Αυτόματη ανταλλαγή πληροφοριών σχετικών με ασφάλεια Απότομο φρενάρισμα, ολισθηρό οδόστρωμα Μετάδοση πληροφοριών χρήσιμων στον οδηγό Μποτιλιάρισμα μπροστά Έργα στο οδόστρωμα μπροστά Δελτία καιρού software upgrades, κοκ. Πρόσβαση στο Internet ( Infotainment ) Μετάδοση Διαφημίσεων «McDonalds στα δεξιά»
Μέλλον (~2000-2020) Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) 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
Βιβλιογραφία Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, G. P. Agrawal, Συστήματα επικοινωνιών με οπτικές Ίνες, 2η έκδοση, Εκδ. Τζιόλα, 2000. How Cell Telephones Work http://electronics.howstuffworks.com/cell-phone.htm