Uploaded by owncloud

BPC MKO P01 Uvod-4

advertisement
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
Download