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
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
3
Sistemi Wireless
– trasmissione senza fili– copertura– semplicita` ed economia di installazione– mobilita`
Sistemi RadioTerrestri
Sistemi RadioSatellitari
Sistemi Otticifree space optical. Comm.
4
Sistemi Wireless Terrestri
Radio mobili
Wireless LAN/MAN/PAN
Radio Broadcast
Fixed Wireless Access
Video Broadcast
data rate
mob
ilita
`
Ponti Radio
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
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 *
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
8
Modulazione
sorgente ModulazioneAnalogica o Numerica
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
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)
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
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
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
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
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
16
Trasmissione
17
Schema di Principio Trasmissione
Codificatore Sorgente
Codificatore Canale
ModulatoreNumerico
AmplificatoreLineare
ModulatoreRF
BB
BP
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
19
Schema di Principio Ricezione
Demodulatore Numerico
Decodificatore Canale
DecodificatoreSorgente
DemodulatoreRF
AmplificatoreLNA
BB
BP
20
Blocchi Fondamentali Cellulare
Parte Radio
Parte BB
DSP/Asic
Parte Controllo
Microproc.
21
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)
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
23
Algoritmi Trasmissione
• Stima di Canale
• Equalizzazione
• Tecniche di cancellazione dell’interferenza
• Progetto di Codici
• Sistemi ad antenne multiple
24
Canale Radiomobile
25
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)
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.
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 =
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.
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.
30
Tipico Andamento Segnale Soggetto a Fading
-20
-10
0
10
20
0 1.50.5 1 2 secondi
Potenza (dB)
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)|
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= − +∫
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
−= − − +∑ ∫
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= +
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
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
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
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
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
− + −
=
−
=
= =
=
=
= −
∑
∑
∑ ∑
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+
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
= =−
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=
43
Sintesi
Fast Fading
Flat Frequency Selective
Lento Rispetto a T
Inviluppo: Rayleigh
Spettro Doppler: Modello Isotropico di Clarke
44
Prestazioni ModulazioneNumerica
45
Prestazioni Modulazione BPSK
• Consideriamo:
– sistema di trasmissione numerica BPSK
– canale con flat fading e rumore termico
• Valutiamo la probabilita` di errore
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:
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
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
= =
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
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
51
Come Migliorare le Prestazioni ?
A) Codifica di Canale per Correzione Errori
B) Utilizzare Antenne Multiple in Ricezione per Ottenere Diversita`
52
Diversita` d’Antenna
2 GHz 2-RamiDiversita’ spaziale
2 GHz 4-RamiDiversita’ di Polarizzazione
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
54
Tecniche di Diversita’
• Selection Combining:
scegli l’antenna con il migliore SNR !
• Maximal Ratio Combining:
combina i segnali in maniera ottima !
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 −
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
=
=
=
− = − =
∑∑
∑
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=
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
− ≈
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=
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−
61
Antenne Multiple inTrasmissione e Ricezione
62
Capacita` ed Efficienza Spettrale
Capacita’ = Efficienza Spettrale
Numero di Bit/s/Hz che possiamo trasmettere con Probabilita` di Errore
Arbitrariamente Piccola
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
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
65
Integrazione di Antenne in un Laptop
16 Elementi
source: Bell Labs
66
Sistemi Multiportante
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
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)|
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−− =
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
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.