Úvod do mobilnı́ch komunikacı́ Mobilnı́ komunikace BPC-MKO Martin SLANINA slaninam@vut.cz Ústav radioelektroniky Vysoké učenı́ technické v Brně, FEKT Letnı́ semestr 2020 Obsah: 1 Mobilnı́ hlas a data - trend dnešnı́ doby 2 Kmitočtové spektrum 3 4 5 Kapacita systému, bilance spoje Rozdělenı́ a vývoj systémů Dalšı́ literatura Mobilnı́ hlas a data - trend dnešnı́ doby 2 / 25 Na prvnı́ pohled . . . Obrázek: Fotografie z premiéry filmu Špinavá hra (Black Mass) v Bostonu, 2015 3 / 25 Trend: Počet zařı́zenı́ Obrázek: Počet mobilnı́ch zařı́zenı́, připojených do bezdrátových sı́tı́ (celosvětově), viz [1]. Průměrný ročnı́ nárůst je 22 %. 4 / 25 Trend: Objem dat dle typu Obrázek: Objem dat, přenesený do/z různých typl mobilnı́ch zařı́zenı́ (celosvětově), viz [1]. Průměrný ročnı́ nárůst je 46%. 5 / 25 Trendy: Počet připojených zařı́zenı́ dle technologie Obrázek: Trend počtu mobilnı́ch zařı́zenı́ připojených prostřednictvı́m různých bezdrátových přı́stupových technologiı́ [1]. 6 / 25 Trendy: Cena za přenesená data Obrázek: Průměrná cena za 1 GB přenesených dat ve vybraných zemı́ch v roce 2019. Převzato z [2]. 7 / 25 Trendy: Shrnutı́ V celém světě poměrně rychlým tempem narůstá nejen počet připojených mobilnı́ch zařı́zenı́, ale i objem přenesených dat. Meziročnı́ růst objemu přenesených dat. (v %) přesahuje růst počtu mobilnı́ch zařı́zenı́. Růstový trend nenı́ stejný pro všechny technologie mobilnı́ch sı́tı́, podı́l staršı́ch technologiı́ klesá. Cena za přenesená data, kterou platı́ zákaznı́k operátorovi, postupně klesá (neuvedeno v grafech) a je světově poměrně výrazně heterogennı́ - cena v nejlevnějšı́ch a nejdražšı́ch zemı́ch se lišı́ o dva řády Požadavek na mobilnı́ sı́tě Modernı́ mobilnı́ systémy musejı́ být velmi efektivnı́, využı́vat dostatečné množstvı́ zdrojů, a optimalizovat energii i nákladnost výstavby, aby dokázaly dostát takto vysoké poptávce za konkurenceschopnou cenu. 8 / 25 Kmitočtové spektrum 9 / 25 Rádiové vlny Rádiové vlny jsou elektromagnetické vlněnı́ v kmitočtovém pásmu 30 Hz – 3 000 GHz. Kromě kmitočtu f se také často popisujı́ vlnovou délkou λ. Přepočet je možné realizovat s uváženı́m rychlosti šı́řenı́ vlny v daném prostředı́, obvykle uvažujeme rychlost rovnu šı́řenı́ světla ve vakuu, přibližně c = 3 · 108 m · s−1 λ= c f (1) λ= 300 [m, MHz] f f = 300 [MHz, m] λ 10 / 25 Kmitočtová pásma Různé části kmitočtového (frekvenčnı́ho) spektra se využı́vajı́ pro různý typ služeb, majı́ rozdı́lné charakteristiky šı́řenı́ signálu. Označenı́ HF VHF UHF L S C X Ku K Ka V W mm / G Kmitočty 0,003 – 0,03 GHz 0,03 – 0,3 GHz 0,3 – 1 GHz 1 – 2 GHz 2 – 4 GHz 4 – 8 GHz 8 – 12 GHz 12 – 18 GHz 12 – 27 GHz 27 – 40 GHz 40 – 75 GHz 75 – 110 GHz 110 GHz – 300 GHz Význam označenı́ High Frequency Very HighFrequency Ultra High Frequency Long wave Short wave Compromise between S and X Kurz - under Kurz (něm. krátké) Kurz - above Millimeter Tabulka: Pı́smenné označenı́ kmitočtových pásem dle IEEE 11 / 25 Kmitočtové tabulky Kmitočtové spektrum je dnes považováno za přı́rodnı́ bohatstvı́ – podle toho je třeba s nı́m hospodařit. Důležitá je předevšı́m koordinace všech uživatelů spektra. Plán přidělenı́ kmitočtových pásem (národnı́ kmitočtová tabulka) vydaný vyhláškou č. 423/2017 Sb., je národnı́ aplikacı́ Radiokomunikačnı́ho řádu Mezinárodnı́ telekomunikačnı́ unie (ITU): stanovı́ kmitočtová pásma pro jednotlivé radiokomunikačnı́ služby a rádiová zařı́zenı́, obecné podmı́nky pro využı́vánı́ kmitočtů, přejı́má pojmy a definice stanovené v Radiokomunikačnı́m řádu a změny přijaté na Světové radiokomunikačnı́ konferenci Mezinárodnı́ telekomunikačnı́ unie v roce 20151 , stanovı́ technické vlastnosti vysı́lacı́ch zařı́zenı́, postupy přidělovánı́ kmitočtů, vztahy mezi jednotlivými kategoriemi přidělenı́ kmitočtových pásem radiokomunikačnı́m službám a národnı́ kmitočtovou tabulku přidělenı́ pro Českou republiku. 1 Pozn.: dalšı́ Světová radiokomunikačnı́ konference (World Radio Conference, WRC) proběhla na konci roku 2019 v Egyptě 12 / 25 Kmitočtové tabulky Obrázek: Národnı́ kmitočtová tabulka. Dokument je dostupný na webu Českého telekomunikačnı́ho úřadu, celkem 126 stran. 13 / 25 Kmitočtové tabulky Obrázek: Interaktivnı́ zobrazenı́ spektra na stránkách http://spektrum.ctu.cz 14 / 25 Kapacita systému, bilance spoje 15 / 25 Přenosová kapacita systému Shannon-Hartleyův vztah pro přenosovou kapacitu komunikačnı́ho systému S C = B · log2 1 + , [bit/s] N (2) kde C je maximálnı́ dosažitelná rychlost bezchybného přenosu informace idealizovaným radiokomunikačnı́m systémem při použitı́ optimálnı́ho kódovánı́ a modulace, B je šı́řka pásma radiokomunikačnı́ho kanálu [Hz], S je střednı́ hodnota výkonu signálu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijı́mače [W], N je střednı́ hodnota výkonu šumu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijı́mače [W] Převedenı́m na dekadický logaritmus2 můžeme vztah přepsat: 1 S S C= B log10 ≈ 3, 32B log10 1 + log10 2 N N Pokud je S N 1, můžeme vztah zjednodušit: C ≈ 3, 32B log10 2 s využitı́m převodnı́ho vztahu loga x = S N logb x logb a 16 / 25 Přenosová kapacita systému Dle vztahu (2) můžeme pro danou šı́řku pásma B a daný poměr výkonu signálu a šumu S/N přenášet data o rychlosti R bitů za sekundu s libovolně nı́zkou chybovostı́, pokud platı́ R ≤ C. Reálná přenosová rychlost je tedy pro dané parametry kanálu daná nerovnostı́ S R ≤ B log2 1 + . N (3) 17 / 25 Přenosová kapacita systému 20 C/B [bit/s/Hz] 15 10 5 −20 −10 0 0 10 20 SNR [dB] = 10 log(S/N) 30 40 50 Obrázek: Dosažitelná spektrálnı́ účinnost v závislosti na odstupu úrovně signálu od šumu. 18 / 25 Přenosová kapacita systému Uvažujme, že chceme přenášet informaci s průměrnou energiı́ každého bitu Eb (v Joulech na jeden bit). Výkon signálu je potom S = Eb R. V komunikačnı́m kanálu je přı́tomen bı́lý šum, který můžeme popsat spektrálnı́ hustotou je N0 = N/B. Dostáváme: Eb R R ≤ log2 1 + . (4) B N0 B R/B označujeme jako spektrálnı́ účinnost – počet přenesených bitů za jednotku času na jeden Hz Eb /N0 je normalizovaná energie jednoho bitu, přičemž normalizacı́ zde rozumı́me vztaženı́ energie bitu k úrovni šumu, je to vlastně jen jiné vyjádřenı́ poměru výkonu signálu a šumu. Nerovnost (4) můžeme přepsat do podoby Eb N0 ≤ min 2R/B − 1 , R/B (5) čı́mž dostaneme minimálnı́ normalizovanou bitovou energii pro danou spektrálnı́ účinnost3 . 3 dalšı́ detaily např. v http://www.cs.man.ac.uk/ barry/mydocs/CS3282/Notes/DC067 .pdf 19 / 25 Radiokomunikačnı́ rovnice Nynı́ vı́me, že výkon užitečného signálu a výkon šumu v mı́stě přı́jmu majı́ zásadnı́ vliv na dosažitelné provoznı́ parametry rádiového spoje. Komplexnějšı́ pohled dává radiokomunikačnı́ rovnice: Pt Gt λ 4πd 2 Lφ Lp Gr Pr = kT0 N0 (6) 20 / 25 Rozdělenı́ a vývoj systémů 21 / 25 Rozdělenı́ komunikačnı́ch sı́tı́ dle dosahu WAN: Wide Area Network pokrytı́ velkých územı́, typicky celých států internet 3GPP MAN: Metropolitan Area Network regionálnı́ pokrytı́, např. město postupně nahrazováno sı́těmi WAN IEEE 802.16 WirelessMAN (WiMaX) LAN: Local Area Network pokrytı́ geograficky omezené oblasti IEEE 802.11 bezdrátové sı́tě LAN PAN: Personal Area Network dosah pouze několik metrů Bluetooth 22 / 25 Vývoj mobilnı́ch sı́tı́ dle jednotlivých generacı́ Generace Obdobı́ (cca) Mobilnı́ systémy Přenosová rychlost 1G 2G 2,5G 3G 4G 5G 1980 – 1990 1990 - 1995 1995 – 2000 2000 – 2010 2010 – 2020 2020 – 2030 Analogové buňkové (NMT, AMPS), Analogové bezšňůrové telefony Digitálnı́ buňkové (GSM, IS95), Digitálnı́ bezšňůrové telefony (DECT), Paging (ERMES), Satelitnı́ systémy (Iridium, Immarsat-M) ≈ 9,6 kbit/s Systémy s podporou datových a paketových přenosů (GSMGPRS, GSMHSCSD, GSM-EDGE) Buňkové systémy dle IMT-2000 (UMTS, LTE, WiMAX, WLAN, Bluetooth, ZigBee, aj.) Buňkové systémy dle IMTAdvanced. Širokopásmový přı́stup a WLAN (LTE-A, LTE-A Pro) Buňkové systémy dle IMT-2020. Širokopásmový přı́stup a WLAN, ultra spolehlivá komunikace, nı́zká latence, vysoká kapacita ≈ 64 kbit/s < 100 Mbit/s > 100 Mbit/s ≈ 100 Gbit/s (??) ≈ 500 bit/s Tabulka: Přehled generacı́ mobilnı́ch komunikačnı́ch systémů 23 / 25 Dalšı́ literatura 24 / 25 Further reading I [1] Cisco Systems, Inc. Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2017 – 2022 White Paper. Online; accessed January 31, 2020. https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/ visual-networking-index-vni/white-paper-c11-738429.html. [2] Forbes. The Cost Of Mobile Internet Around The World. Online; accessed January 31, 2020. https://www.forbes.com/sites/niallmccarthy/2019/03/05/ the-cost-of-mobile-internet-around-the-world-infographic/. 25 / 25