Forelesning nr.14 INF 1411 Elektroniske systemer Trådløs kommunikasjon Systemer for mobil kommunikasjon 2G/3G og LTE (Long Term Evolution) 30.04.2012 INF 1411

Litt historie Trådløs kommunikasjon over store avstander er ca 100 år 12.desember 1901 sendte G. Marconi trådløs telegrafi med Morsealfabetet mellom Newfoundland i Canada og Wales Morsealfabetet minner om digital koding, med korte og lange lysglimt eller radiopulser Trådløs telegrafi gjorde at man hurtig fikk vite at Titanic sank Rundt 1920 begynte man med radiotelefoni, dvs å overføre tale istedenfor Morsetegn 30.04.2012 INF 1411

Litt historie (forts) Radiotelefoni hadde flere fordeler Man overførte tale direkte og ikke bare tegn (dvs analog audio) Radispekteret ble utnyttet bedre pga mindre interferens Lenge var amplitudemodulasjon (AM) dominerende, mens med tiden begynte man også med frekvensmodulasjon (FM) Fra ca 1920 til ca 1990 var det meste av trådløs kommunikasjon kodet analogt, mens fra 1990 tar digitale kodingsformer over 30.04.2012 INF 1411

Frekvensområder Radiofrekvenser (spektrum) er en begrenset ressurs Hovedregelen er man kan ikke bruke samme frekvensområde samtidig til flere ulike formål Bruken av frekvensområder er regulert gjennom internasjonale avtaler Siden trådløs kommunikasjon blir viktigere og viktigere, er effekt bruk av tilgjengelig spektrum svært viktig 30.04.2012 INF 1411

Frekvensområder (forts) For å forhindre at ulike frekvensområder forstyrrer for hverandre (interferens) må det være et buffer mellom de ulike områdene Disse bufrene kan ikke brukes til noe og er ”sløsing” med frekvensområder Digital koding mer immune mot støy enn analoge kodinger Digital koding krever også mindre bufre mellom ulike frekvens-områder, slik at man sløser mindre med spektra Etter hvert som analoge sendinger slukkes (eks TV i 2009) og analog radio (FM i 2015), frigjøres områder til bruk i både kringkasting og trådløs datakomm, f.eks LTE. 30.04.2012 INF 1411

Eksempler på bruk Eksempler på frekvensområder i bruk i Norge: FM (radio): 87.5 – 108 MHz DVB-T (landbasert TV): 470 - 790 MHz GSM: 900MHz, 1800MHz Wireless LAN (IEEE 802.11a/g/n) 2.4 GHz LTE (4G): 2.6 GHz Bruken av frekvensområder er ikke standardisert over hele verden, slik at LTE bruker andre frekvenser i USA enn i Europa 790-862 MHz skal auksjoneres bort til LTE Jo lavere frekvens desto lenge rekkevidde Jo høyere frekvens desto høyere kapasitet 30.04.2012 INF 1411

Amplitudemodulasjon AM består av en bærebølge og en modulasjonsbølge AM er relativt enkelt og kan bygges med få komponenter Følsomhet for støy som høykvalitet vanskelig for analog overføring AM brukes i digital overføring siden støy-følsomhet er et mindre problem her 30.04.2012 INF 1411

Frekvensmodulasjon FM består også av en bære-bølge og en modulasjons-bølge Det modulerte resultatet er et signal med varierende frekvens avhengig av amplituden på modulasjons-signalet FM gir bedre kvalitet på analoge overføringer men har mindre rekkevidde enn AM FM brukes også i digital kommunikasjon 30.04.2012 INF 1411

Digitalmodulasjon Hvis man skal overføre «0» og «1» trådløst, må de moduleres på samme måte som for audio (analog) overføring 30.04.2012 INF 1411

Digitalmodulasjon Hvis man skal overføre «0» og «1» trådløst, må de moduleres tilsvarende som for audio (analog) overføring 30.04.2012 INF 1411

OFDM I moderne mobilkommunikasjon brukes som regel OFDM (orthogonal frequency-divison multiplexing) for å kode et digitalt signal på analoge bærebølger ODM brukes i DAB, DVB-T, IEEE 802.11a/g/n (Wireless LAN), ADSL/VDSL OFDM bruker et sett av ortogonale underkanaler (subcarriers) som hver overfører deler av den totale datamengden Ortogonal vil si at de ulike kanalene (eller frekvensområdene) ikke overlapper hverandre Hver underkanal bruker enten QAM (quadrature amplitude modulation), PSK (phase shift keyeing) eller en blanding 30.04.2012 INF 1411

OFDM (forts) Felles for de ulike kodingsteknikkene (QAM, PSK, QPSK osv) er at de bruker et bestemt antall amplituder og/eller faseskift for å sende symboler Et symbol er et (lite) antall bit, f.eks 2 eller 4 30.04.2012 INF 1411

Hvorfor OFDM? I trådløs kommunikasjon er det mange problemer sammenlignet med tråd-basert kommunikasjon basert på fiberoptikk (lys) eller kobber (elektrisk spenning) Man opplever støy fra andre radiosendere, elektromagnetisk støy og støy fra verdensrommet Fysiske hindringer vil gjøre at radiobølgene dempes/forsterkes eller forsinkes I OFDM er hver subcarrier relativt langsom, dvs at det kan bare overføres lite data Siden det er mange parallelle subcarriers, blir allikevel den totale overøringshastigheten veldig god 30.04.2012 INF 1411

QPSK Quadrature PSK er den teknikken som benyttes oftest og kan ses på som en kombinasjon av QAM og PSK 30.04.2012 INF 1411

Hvorfor analog elektronikk og OFDM? OFDM ble oppfunnet på 1960-tallet, men datidens elektronikk var verken rask, kraftig eller billig nok til at man kunne bygge sender-mottager systemer basert på OFDM Det var først med digitale datamaskiner og ASIC (Application Specific Integrated Circuit) at OFDM kunne brukes til trådløs kommunikasjon For å addere og separere signaler fra bærebølger trengs Fourier og invers Fouriertransform Med digital koding og kraftige kretser kan man enkelt implementere en variant som kalles Fast Fourier Transform 30.04.2012 INF 1411

Kort om Fouriertransform Det grunnleggende teoremet bak Fouriertransform sier at ethvert signal kan representeres som en (uendelig) sum av sinusbølger av ulik frekvenser En av fordelene med Fouriertransform er at man kan representere vilkårlige bølgeformer med en sum av sinussignaler, dvs F(t)=a1sin(t)+a2sin(2t)+a3sin3(t)+…….+ansin(nt) Siden man kun trenger å lagre ai blir det svært kompakt, en egenskap som benyttes i bla kompresjon (f.eks mp3) Fourietransform er nyttig når man skal ”plukke” ut frekvenser i singnaler som sender ved digital koding 30.04.2012 INF 1411

Fouriertransform (eksempel) 30.04.2012 INF 1411

Mobilkommunikasjon Utviklingen i mikroelektronikk og overgang fra analoge til digitale systemer har gjort at mobilene har blitt Mindre og lettere Kraftigere Billigere 30.04.2012 INF 1411

Systemer i bruk i Norge i dag I Norge i dag er det flere generasjoner mobiltelefoni-systemer i kommersiell drift: 2G: GSM utviklet for tale; data med GPRS (teoretisk 171 kbps) eller EDGE (teoretisk 473 kbps) 3G: UMTS, utvidelse til GSM med både tale (TDMA-koding) og data (CDMA-koding), HSPDA (teoretisk 7.2 Mbps) 4G (3.9G): (Også kalt LTE): Foreløpig bare data, med båndbredder opp mot 100Mbps stasjonært For at noe skal kunne kalles ekte 4G, må man støtte 100Mbps mobilt og 1Gbps stasjonært (LTE Advanced eller WiMAX Advanced) 30.04.2012 INF 1411

GSM-arkitektur (2G) 30.04.2012 INF 1411

UMTS-arkitektur (3G) 30.04.2012 INF 1411

LTE-arkitektur (4G) MME: Mobility Management Entity SGW: Serving Gateway eNodeB: Evolved Node B PDN-GW: Packet Data Network Gateway HSS: Home Subscriber Server PCRF: Policy and Charing Rule Function 30.04.2012 INF 1411

LTE sammenlignet med 2G/3G LTE er primært utviklet for data og ikke for tale IP benyttes som protokoll fra basestasjonene til gateway Tale vil bli en tilleggstjeneste (eks Skype-lignende) Hastighetene er vesentlig større For å få høy hastighet må det finnes mange og små basestasjoner, f.eks i lyktestolper LTE vil være mer sårbart for angrep 30.04.2012 INF 1411