Forelesning nr.14 INF 1411 Elektroniske systemer

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

2. 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 INF 1411

3. 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 INF 1411

4. 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 INF 1411

5. 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. INF 1411

6. 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 INF 1411

7. 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 INF 1411

8. 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 INF 1411

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

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

11. 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 INF 1411

12. 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 INF 1411

13. 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 INF 1411

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

15. 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 FourierTransform INF 1411

16. 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 INF 1411

17. Fouriertransform (eksempel) INF 1411

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

19. 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 WiMAXAdvanced) INF 1411

20. GSM-arkitektur (2G) INF 1411

21. UMTS-arkitektur (3G) INF 1411

22. 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 CharingRuleFunction INF 1411

23. 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 INF 1411