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Lezione sulle Comunicazioni WirelessLezione sulle ComunicazioniLezione sulle Comunicazioni Wireless Wireless
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIAELETTRICA, GESTIONALE E MECCANICA
Andrea TonelloAndrea Tonello
[email protected]/tlc/tonello
5 Giugno 2003Aula B, ore 13.00 - 17.00
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2
Introduzione
• Sistemi Wireless
• Sistemi cellulari e WLAN
• Strato Fisico, ricerca e sviluppo
• Modello Canale Radio Mobile
• Prestazioni in Canali con Fading
• Nuove tecnologie: Antenne Multiple - Modulazione Multiportante
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3
Sistemi Wireless
– trasmissione senza fili– copertura– semplicita` ed economia di installazione– mobilita`
Sistemi RadioTerrestri
Sistemi RadioSatellitari
Sistemi Otticifree space optical. Comm.
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4
Sistemi Wireless Terrestri
Radio mobili
Wireless LAN/MAN/PAN
Radio Broadcast
Fixed Wireless Access
Video Broadcast
data rate
mob
ilita
`
Ponti Radio
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5
Sistemi Cellulari : Copertura e Mobilita`
x
x
x
x
x
x
x*
x : SRB, stazione radio base* : SRM, stazione radio mobile
- Multi utente
- Alta copertura
- Alta mobilita`
- Riuso frequenze
- Handoff tra due SRB
- Roaming tra due operatori
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6
Riuso Frequenze
Consente di ri-utilizzare le frequenzee massimizzare lo sfruttamento dellospettro disponibile
xx
xx
xx
x *
xx
xx
xx
x *
xx
xx
xx
x *
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7
Condivisione dello Spettro: Accesso Multiplo
User 1 User 2 User 3
time
frequency
User 1 User 2 User 3
Code 1
Code 2
TDMA : Time Division Multiple Access
FDMA : Frequency Division Multiple Access
CDMA : Code Division Multiple Access
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8
Modulazione
sorgente ModulazioneAnalogica o Numerica
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9
Evoluzione Sistemi Cellulari
1G- mobilità di base
- servizi di base (voce)- incompatibilità
2G- mobilità avanzata (roaming)- maggiori servizi (voce, dati)
3G- seamless roaming
- servizi avanzati ad alta rate- accesso globale
4G ?- servizi avanzati
- integrazione dei vari sistemi
1980 1990 2000 2010
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10
Evoluzione Sistemi Cellulari
1G : Analogici (FM, FDMA, 450 - 800 MHz)
- RTMS, TACS, ETACS (Europa)- AMPS (Nord America)- JTACS, NTACS (Giappone)
2G : Digitali (TDMA - FDMA - CDMA, 800-900 MHz, 1800-1900 MHz)
- GSM (Europa)- IS 54/136, IS 95 (Nord America)- PDC (Giappone)
3G : Digitali (CDMA, 1900-2200 MHz)
- UMTS (Europa)- CDMA 2000 (Nord America) ⇔ ITU - IMT 2000- WCDMA (Giappone)
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11
Data Rate
2G: GSM, IS 95, IS-136, PDC
High mobility / coverage
2 Mbit/s
384 kbit/s
144 kbit/s
10 kbit/s
Evolved 2G: GSM GPRS, IS 95 B
IMT 2000
GSM EDGE
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12
WLAN e WPAN
WLAN: Wireless Local Area Networks
WLAN 1G : fino a 2 Mb/s, banda 2.4 GHz
- ETSI Hiperlan- IEEE 802.11b
WLAN 2G : fino a 54 Mb/s, banda 5 GHz
- ETSI Hiperlan II- IEEE 802.11a
WPAN: Wireless Personal Area Networks
WPAN 1G: fino a 1 Mb/s
- IEEE 802.15 Bluetooth
WPAN 2G: > 10 Mb/s
- IEEE 802.15 UWB
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13
Modello OSI: Protocolli
Physical Layer
Transport channels
Media Access Control
Radio Link Control
Logical channels
BMCPDCP
RRC
Control
Control Plane User Plane
L1
L2
L3
Physical
Link
Network
• RRC: radio resource control• PDCP: packet data convergence protocol• BMC: broadcast/multicast control
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14
Rete GSM
BTS BSC MSC/VLR GMSC
HLR/AuC/EIR
BSS
NSS
������������������
�������
Um A
• Um: radio interface• BSS: base station system• BTS: base transceiver station• BSC: base station controller
• NSS: network subsystem• MSC: mobile switching center• VLR: visitor location register• GMSC: gateway MSC• HLR: home location register• Auc: autentication register• EIR: equipment identification register
BTS
BTS
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15
Rete UMTS R99Um
BTS BSC MSC/VLR GMSC
HLR/AuC/EIR
BSS CN Circuit Switched Domain
������������������
�������
A
BS RNC SGSN GGSN
UTRAN CN Packet Switched Domain
���������
�������
Uu Gb
VAS
Camel
Wap
Usat
• VAS: value added service platform• Camel: customized application for MN enhanced logic• Wap: wireless application protocol• Usat: UMTS SIM application kit
• RNC: radio network controller• GPRS: general packet radio service• SGSN: serving GPRS support node• GGSN: gateway GPRS support node
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16
Trasmissione
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17
Schema di Principio Trasmissione
Codificatore Sorgente
Codificatore Canale
ModulatoreNumerico
AmplificatoreLineare
ModulatoreRF
BB
BP
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18
Principi di Trasmissione nel GSM
Stream Bit(es. Codificatore vocale)
Suddividi in Pacchetti
Genera Pacchetto Codificato con Codice Convoluzionale
Suddividi in Burst
R 3
Dati 57
Sincronizzazione 26
C 1
C 1
Dati 57
R 3
G 8
Modula con G-MSK (~ BPSK con filtro Gaussiano)
0.577 ms - 270.833 kbit/s
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Schema di Principio Ricezione
Demodulatore Numerico
Decodificatore Canale
DecodificatoreSorgente
DemodulatoreRF
AmplificatoreLNA
BB
BP
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20
Blocchi Fondamentali Cellulare
Parte Radio
Parte BB
DSP/Asic
Parte Controllo
Microproc.
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Aspetti Critici Parte Banda PassanteProgetto Amplificatori:
- Potenza- Linearita`- Bassa figura di Rumore- Consumo- Dimensioni e Costo
Progetto Modulatore RF:
- Filtri Analogici- Oscillatori di Precisione- DAC e ADC
Progetto Antenne:
- Impatto ambientale- Dimensione (critica se si adottano schiere di antenne)
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22
Aspetti Critici Parte Banda Base
Progetto Codifica di Canale e Modulazione:
- Efficienza Spettrale in Canali Wireless:
• robustezza al rumore ⇒ maggiore copertura
• robustezza all’inteferenza ⇒ maggiore capacita`
- Complessita` computazionale
Progetto Codifica di Sorgente:
- Compressione (basso rate ed alta qualita`)- Complessita` computazionale
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Algoritmi Trasmissione
• Stima di Canale
• Equalizzazione
• Tecniche di cancellazione dell’interferenza
• Progetto di Codici
• Sistemi ad antenne multiple
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24
Canale Radiomobile
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Canale Radio
• Il canale dipende dall’applicazione e frequenza di lavoro:
– LOS, line of sight (ponti radio).
– Satellitare– Radiomobile terrestre
• I segnali radio (30 Mhz - 30 GHz; λ = 10 m - 1 cm) si propagano per:
– onda diretta, scattering troposferico, non riflesse dalla ionosfera– riflessione (λ < Dim. ostacolo)– diffrazione– scattering (λ ~ Dim. ostacolo)
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26
Canale Radio Sistemi Cellulari
• Fenomeni associati alla propagazione:
– attenuazione (path-loss)
– fading lento (shadow fading)
• variazioni lente della potenza media ricevuta, dovute a
spostamenti dell’antenna ricevente dell’ordine di 10-100 m.
• causato da ostruzioni quali alberi, fogliame.
– fading rapido (fast fading)
• variazioni rapide della potenza ricevuta, dovute a spostamenti
dell’antenna ricevente dell’ordine di λ.
• causato dai cammini multipli.
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27
Path Loss e Shadow Fading
• Propagazione spazio libero
2
( )4
cr tP d P
d
λαπ
=
• Propagazione ambiente radiomobile dipende da:
– ambiente circostante, altezza antenne BS, MS.
10 0 10 0
( )10 log ( ) 10 log ( / ) [ ]
1 rP d
d d d dBmmW
µ β ε= − +
media path loss exponent (2-8) v.a. Gaussiana, m=0
/c cc fλ =
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28
Multi-path Fading
Scattering Cluster Principale
R
d
BS sopraelevata e MS circondata da scatterers:
– il segnale ricevuto alla BS e` la sovrapposizione di innumerevoli onde
piane con fase diverse che variano allo spostarsi del mobile per Doppler
shift
– poiche` λ=30 cm (900 MHz) piccoli spostamenti determinano ampi
cambiamenti di fase
l’inviluppo del segnale ricevuto varia rapidamente con forti attenuazioni.
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29
Multi-path Fading
Scattering Cluster Principale
R
dD
Scattering Cluster Secondario
– ritardi significativi (rispetto al periodo di simbolo) dovuti a clusters
secondari determinano echi (risolvibili) quindi interferenza di
intersimbolo.
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30
Tipico Andamento Segnale Soggetto a Fading
-20
-10
0
10
20
0 1.50.5 1 2 secondi
Potenza (dB)
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31
Canale Radio Sistemi Cellulari
Risposta in frequenza piattaNon introduce ISI
Flat Fading
( ; ) ( ) ( )h t tτ α δ τ=
( ; ) ( )H t f tα=
f
|H(f)|
Frequency SelectiveFading
Risposta in frequenza non costanteIntroduce ISI
1
( ; ) ( ) ( )PN
p pp
h t tτ α δ τ τ=
= −∑2
1
( ; ) ( )P
p
Nj f
pp
H t f t e π τα −
=
=∑
f
|H(f)|
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32
Equivalente in Banda Base
Equiv. BBCanale
( ) ( )n Tnx t a g t nT= −∑ ( )y t
( )tη
FiltroRicezione
( )z t
( ) ( ) ( ) ( )z t t x t tα η= +1
( ) ( ) ( ) ( )PN
p pp
z t t x t tα τ η=
= − +∑
Flat Fading Frequency SelectiveFading
1 ~p p Tτ τ −−
( ) ( ) ( ; ) ( )z t x t h t d tτ τ τ η= − +∫
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33
Flat Fading Lento Rispetto a T
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )n T R RnR R
y kT a t g t nT g kT t dt t g kT t dtα η= − − + −∑ ∫ ∫
( )tα-T/2 T/2
( ) ( )T Rg t g t=
-T/2 T/2
0
0
/ 2
/ 2( ) ( ) ( ) ( ) ( )
T
n T Rn Ty kT a nT g t g kT nT t dt w kTα
−= − − +∑ ∫
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34
Flat Slow Fading
-T T
( )g τ
0
( ) ( ) ( )T Rg g t g t dtτ τ= −∫
( ) ( ) ( ) ( )nny kT a nT g kT nT w kTα= − +∑
( ) ( ) (0) ( )ky kT a kT g w kTα= +
0( ) ( ) ( )ky kT a V kT w kTα= +
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35
Modulatore in Quadratura
( )ax t
( )y tcos(2 )cf tπ Canale BP
( )bx t
sin(2 )cf tπ−
( ) ( ) ( )a bx t x t jx t= + ( )y tReal{.}
2 cj f te π
Canale BP
inviluppo complesso segnale analitico segnale BP
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36
De-Modulatore in Quadratura
ˆ ( )ax t
( )y tcos(2 )cf tπ
Filtro PB
ˆ ( )bx t
sin(2 )cf tπ−Filtro PB
ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( )a bx t x t jx t= +( )y t
2 cj f te π−
Filtro PB
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37
Flat Fading
,2 ( )( )
1
( ) Re ( )c D n n
Nj f f t
n nn
y t C e x tπ τ τ+ −
=
= − ∑
• Supponiamo che il canale comprenda N cammini con
– ampiezza Cn
– ritardo τn
– Doppler fD,n
( )x t ( )y tReal{.}
2 cj f te π
Canale BP
,2 ( )( )
1
( ) Re ( ) c D n n
Nj f f t
nn
y t x t C e π ττ + −
=
= −
∑
~nτ τ
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38
Supponiamo x(t)=1, portante non modulata
,2 ( )( )
1
( ) Re c D n n
Nj f f t
BP nn
t C e π τα + −
=
= ∑
, cosD n nc
vf ϑ
λ=
nϑv
( ( (on
da n
• v: velocita` del mobile
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39
Equivalente in Banda Base (Complesso)
• Le fasi si possono assumere indipendenti ed uniformementedistribuite in [0, 2π)
• Per il teorema limite centrale le componenti in quadratura di α(t) sonoprocesso aleatori Gaussiano. α(t) e` un processo aleatorio Gaussianocomplesso
{ }, ,2 ( )
1
( )
1
1 1
( )
cos ( ) sin ( )
c D n n D n
n
Nj f f f t
nn
Nj t
nn
N N
n n n nn n
t C e
C e
C t j C t
π τ
φ
α
φ φ
− + −
=
−
=
= =
=
=
= −
∑
∑
∑ ∑
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40
Fading di Rayleigh
• Prendiamo un campione α(kT)= αa(kT)+j αb(kT)
– ha parte reale ed immaginaria Gaussiane ed indipendenti a media nulla
– la sua fase e` uniformemente distribuita
– il modulo ha distribuzione di Rayleigh
2
| |
2( ) 0r
a
P
r
ap a e a
Pα
−= ≥
– Il modulo quadro ha distribuzione esponenziale
2| |
1( ) 0r
a
P
r
p a e aPα
−= ≥
2
| | ( ) 1 0r
a
PF a e aα
−= − ≥
2| |( ) 1 0r
a
PF a e aα
−= − ≥
2 2( ) ( )a bkT kTα α+
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41
Flat Fading: Spettro Doppler
• α(t) si puo’ assumere stazionario in senso lato.
• la sua correlazione (e densita` spettrale di potenza) e` funzione della
distribuzione angolare degli scatteres relativamente alla velocita` del
mobile.
• Modello isotropico di Clarke (valido nelle macrocelle):
– la distribuzione angolare delle onde incidenti e` uniforme
– si puo` dimostrare che le componenti in quadratura sono processi
indipendenti, ciascuno con autocorrelazione, e densita` spettrale
( )0( ) ( ) 2I Q r Dr r P J fα ατ τ π τ= =
2
1( ) ( )
2 1 ( / )I Q
r
D
PW f W f
f fα α π
= =−
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42
Funzione di Bessel
-1 -0.5 0 0.5 110
0
101
f \ fd
W(f
) n
orm
aliz
zata
(d
B)
0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.5
0
0.5
1
fDτ
r(τ )
no
rma
lizza
ta
D c
vf f
c=
.
1 93
10.8 100 /c D
coer
f GHz f Hz
T msv km h
= → ==
�
1coerenza
D
Tf
�
0.577 pacchetto GSMT ms=
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43
Sintesi
Fast Fading
Flat Frequency Selective
Lento Rispetto a T
Inviluppo: Rayleigh
Spettro Doppler: Modello Isotropico di Clarke
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44
Prestazioni ModulazioneNumerica
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45
Prestazioni Modulazione BPSK
• Consideriamo:
– sistema di trasmissione numerica BPSK
– canale con flat fading e rumore termico
• Valutiamo la probabilita` di errore
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46
Equivalente in BB Sistema BPSK con Fading
ModulatoreBPSK
FiltroTX
Canale
FiltroRX ↓ Decisione
a Soglia
�
( )
( ) ( ) 1jS k k
kT
y kT e E d kT dφ
α
β η= + = ±
( ) ( ) ( )jS kz kT y kT e E d w kTφ β−= = +
• Supponiamo di potere stimare la fase e di correggerla:
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47
Regioni di Decisione
Re{ ( )} Re{ ( )}S kU z kT E d w kTβ= = +
( )z kT
Re { z(kT) }
+1-1
Gaussiana, m=0, varianza σ2=N0 / 2
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48
Probabilita` di Errore Condizionata
• La probabilita` di errore condizionata da β e` data da:
1 1[ 0 | , 1] [ 0 | , 1]
2 2[ 0 | , 1]
[Re{ ( )} | , 1]
e k k
k
s k
P P U d P U d
P U d
P w kT E d
β β
β
β β
= > = − + < =
= > = −
= > = −
2
0 0
2 2[ ] s sE E
SNR EN N
β= =
( )2SEQ Q SNR
ββ
σ
= =
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49
Probabilita` di Errore Media• Ora, la probabilita` media si ottiene:
( )( ) 2
2
0( )
eP E Q SNR
Q aSNR p a da
β
β
β
+∞
=
= ∫
( )0
1 1 11
2 22
aeP e Q aSNR da
SNR
SNR SNR
+∞ −=
= − ≈
+
∫
• Poiche` β2 e` esponenziale a con m=1
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50
Confronto
Probabilita` errore canale AWGN Probabilita` errore canale con Fading
( )eP Q SNR=1
2eP
SNR≈
0 5 10 15 2010
-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
SNR (dB)
Pe
Fading
AW GN
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51
Come Migliorare le Prestazioni ?
A) Codifica di Canale per Correzione Errori
B) Utilizzare Antenne Multiple in Ricezione per Ottenere Diversita`
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52
Diversita` d’Antenna
2 GHz 2-RamiDiversita’ spaziale
2 GHz 4-RamiDiversita’ di Polarizzazione
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53
Come Migliorare le Prestazioni ?
• βr v.a. di Rayleigh a varianza unitaria
• Indipendenti se le antenne sono spaziate di almeno λ \ 2
• wr v.a. con componenti reale ed immaginarie Gaussiane a media
nulla, varianza σ2=N0/2 ed indipendenti
DemodulatoreNumerico
CombinatoreSegnali
( ) ( ) 1,...,rjr r s k r Az kT e E d w kT r Nφβ= + =
ModulatoreNumerico
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54
Tecniche di Diversita’
• Selection Combining:
scegli l’antenna con il migliore SNR !
• Maximal Ratio Combining:
combina i segnali in maniera ottima !
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55
MRC
Decisione aSoglia
2
1 1
ˆ( ) ( )A A
r
N Nj
k s r r rr r
z kT d E e w kTφβ β −
= =
= +∑ ∑
11
je φβ −
22
je φβ −
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56
Probabilita` di Errore Condizionata
[Re{ ( )} 0 | , 1] [ ( 1) 0]e k kP P z kT d P U dβ= < = = = <
20
1 1
( 1) Re ( )A A
r
N Nj
k r r rr r
U d V e w kTφβ β −
= =
= = +
∑ ∑
Gaussiana, media 2
1
AN
s rr
E β=∑ ,varianza 2
01
/ 2AN
rr
N β=∑
2
21
1020
1
02
1
/ 2
A
A
A
N
Ns rsr
e rNr
rr
EE
P Q QN
N
ββ
β
=
=
=
− = − =
∑∑
∑
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57
Probabilita` di Errore Media
Somma di NA v.a. esponenziali, indipendenti, equidistribuite, m=1
Erlang indice NA :
( )eP E Q SNRγ γ = 0
2 sESNR
N=
1
( ) 0( 1)!
ANa
A
ap a e a
Nγ
−−= ≥
−
2
1
AN
rr
γ β=
=∑ 0
2 sTOT A
ESNR N
N=
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58
Probabilita` di Errore Media
1
0
11 11 1
2 22 2
2 1 1/ 2 1
A
A
N kN
Ae
k
A
A
N kSNR SNRP
kSNR SNR
NSNR
N
−
=
− + = − + + + ↓ ↓ ↓
−
∑
0SNR >>
2 11
2
ANA
eA
NP
NSNR
− ≈
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59
Pe Media BPSK in Fading di Rayleigh
0 2 4 6 8 101214 16182010
-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Fading Na=1
AW GN
Pe
SNR (dB )
0 2 4 6 8 101214 16182010
-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
NA*SNR (dB )
Pe
Fading Na=1
AW GN
Na=2
Na=8
Na=2
Na=4
Na=2
Na=2
Na=4
Na=8
0
2 sTOT A
ESNR N
N=
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60
Guadagno d’Antenna e di Diversita`
0
2 sTOT A
ESNR N
N=
• Guadagno di antenna, cioe’ di SNR:
• Guadagno di diversita`, cioe’ pendenza curve Pe in scala logaritmica
log ~ log 2e AP N SNR−
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61
Antenne Multiple inTrasmissione e Ricezione
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62
Capacita` ed Efficienza Spettrale
Capacita’ = Efficienza Spettrale
Numero di Bit/s/Hz che possiamo trasmettere con Probabilita` di Errore
Arbitrariamente Piccola
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63
Capacita` Sistemi ad Antenne Multiple
• Si e’ recentemente dimostrato a Bell Labs che la capacita’ cresce
linearmente con il numero di antenne trasmittenti se il numero di
riceventi e’ almeno pari alle trasmittenti.
DecodificatoreSpazio
Temporale
CodiceSpazio
Temporale
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64
Capacita` Teorica (di Shannon)
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60Number of Tx/Rx antenna
Cap
acity
in B
its/s
ec/H
z24dB
12dB
6dB
0dB
18dB
Curve per una Probabilita` di 0.99 che la Capacita` sia Tale
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65
Integrazione di Antenne in un Laptop
16 Elementi
source: Bell Labs
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66
Sistemi Multiportante
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67
Modulazione Multiportante0
0( )a lT
10( )Ma lT−
0( )ka lT
( )Tg t
( )Tg t
( )Tg t
02j f te π
2 kj f te π
12 Mj f te π −
Re{.}
0 M-1
M-10
Non-minimale
Minimale
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68
Motivazioni
• Viene impiegata quando il canale e` selettivo in frequenza:
– suddivido la banda in tante sottobande ove il canale e` flat
– ciascun sottocanale vede flat fading, dunque privo di ISI
f
|H(f)|
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69
OFDM
• OFDM: orthogonal frequency division multiplexing
• E’ una particolare tecnica di modulazione multiportante che adotta
filtri rettangolari e spaziatura di portante 1/MT.
• E’ implementabile digitalmente:
00( )a lT
10( )Ma lT−
0( )ka lTIFFT DACP/S
0T MT= 1 1/k kf f MT−− =
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70
OFDM con Prefisso Ciclico
0a
1Ma −
kaIFFT
DAC
Pre
fiss
o C
icli
co
P/S Canale
ADC
S/P
Scar
ta P
refi
ssoo
FFT
0 00H wa +
1 11 M MM H wa − −− +
k kk H wa +
• Supponiamo canale selettivo in frequenza e modellato come
0
( ) ( )PN
pp
h kT kT pTα δ=
= −∑0
( ) ( ) ( )PN
pp
y kT x kT pT w kTα=
= − +∑
2
0
PN j pnn n nMp
p
z a e wπ
α−
=
= +∑• Se il prefisso e’ piu’ lungo della durata del canale eliminiamo l’ISI
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71
Conclusioni
• Nelle Trasmissioni Radio Mobili sono importantissimi sia
– lo strato fisico
– che lo strato di rete.
• Il canale radio e’ soggetto a fading. Cio’ rende difficile ma avvincente
l’ottimizzazione delle prestazioni.
• Il sistema deve essere progettato per ottimizzare l’efficienza spettrale
con i vincoli di complessita’.
• Le nuove “enabling technologies” sono
– Modulazione multiportante
– Sistemi ad antenne multiple
– Ultra Wide Band Modulation.