CT30A2600 Langaton tietoliikenne Luento 3 Signaalien eteneminen

Transkriptio

1 CT30A2600 Langaton tietoliikenne Luento 3 Signaalien eteneminen Professori Jari Porras 1

2 Luennon aiheet Radiotaajuudet ja niiden käyttö Radioaaltojen eteneminen Tärkeimmät etenemismekanismit Radioaaltojen ominaisuuksia Vaimeneminen Heijastuminen Sironta Taipuminen Häipyminen Doppler-ilmiö Monitie-eteneminen Interferenssi Seurauksia siirtotien ongelmista 2

3 Radiotaajuudet ja niiden käyttö 3

4 Radiotaajuudet ja niiden käyttö Radiotaajuudet (n. 30 MHz - 1 GHz) Pääasiassa ympärisäteileviin ratkaisuihin (broadcast) Hyvä etenemiskyky, mutta matalahko tiedonsiirtonopeus Esim. (450 MHz), GSM 900 Mikroaallot (n GHz) Käytetään lähinnä suunnattuihin point-to-point -yhteyksiin Kohtuullinen etenemiskyky, kohtuullinen tiedonsiirtonopeus Esim. satelliittiyhteydet, WLAN, Bluetooth, GSM 1800 Infrapunataajuudet (n. 300GHz - 200THz) Paikalliset point-to-point yhteydet Huono etenemiskyky, korkea tiedonsiirtonopeus Lyhyen kantaman järjestelmät, esim. kaukosäätimet, IrDA 4

5 Radioaaltojen ominaisuuksia Käyttäytyvät eri tavalla kuin signaalit johtimissa Signaalit muodostuvat yleensä useista taajuuskomponenteista Esim. ihmisen puhe Radioaallot heijastuvat, taipuvat ja taittuvat esteistä ja saapuvat vastaanottajalle eri reittejä ja eri voimakkuuksilla Antennissa aallot summautuvat (interferenssi) ja vastaanottaja näkee yhden signaalin Summautumiseen vaikuttavat signaalien väliset vaihe-erot Voivat joko vaimentua tai vahvistua 5

6 Radioaaltojen eteneminen Radioaallon etenemiseen vaikuttavat troposfäärin, ionosfäärin ja maaston ominaisuudet Troposfääri Ilmakehän alin kerros, missä sääilmiöt tapahtuvat Ulottuu navoilla noin 9 km:n ja päiväntasaajalla noin 17 km:n korkeuteen Radioaaltojen etenemiseen paikasta toiseen vaikuttavat lämpötila, paine, kosteus, sade jne. Ionosfääri Ilmakehän seuraava kerros, ulottuu noin 60 km:stä 100 km:iin Ionosfäärissä on Auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneita ja ioneja Radioaalto ei läpäise ionosfääriä tietyn rajataajuuden (n. 30 MHz ) alapuolella ja näin ollen se vain heijastuu siitä 6

7 Radioaaltojen eteneminen Signaalin kulkemaa polkua lähettimeltä vastaanottimelle ei ole määritetty (vrt. kaapeli) Lähetys ja vastaanotto tapahtuu antennin avulla Maaston vaikutus radioaaltojen etenemiseen Ympäristö, kasvillisuus, rakennukset, Matalilla taajuuksilla pintaa pitkin etenevien aaltojen vaimennus riippuu paljolti maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista 7

8 Tärkeimmät etenemismekanismit 8

9 Tärkeimmät etenemismekanismit 1. Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin (line-of-sight propagation) Aallon kaartumisen takia radiohorisontti on geometristä horisonttia kauempana Tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF- alueilla (n. 30 MHz GHz) Yli 30 MHz taajuudet eivät heijastu ionosfääristä Kommunikointi satelliittien kanssa Kurssilla käsiteltävien tekniikoiden käyttämä etenemistapa 9

10 Tärkeimmät etenemismekanismit 2. Eteneminen ilmakehän heterogeenisuuksista tapahtuvan sironnan (scattering) avulla Taajuusalue on noin 0,3-10 GHz 10

11 Tärkeimmät etenemismekanismit 3. Eteneminen ionosfäärin kautta (sky wave propagation) Radioaalto voi heijastua ionosfäärin kautta alle 30 MHz:n taajuuksilla Heijastuminen johtuu aaltojen taittumisesta (refraction) Uudelleen heijastumalla maanpinnasta on ympäri maapallon eteneminen mahdollista 11

12 Tärkeimmät etenemismekanismit 4. Eteneminen maanpinta-aaltona (ground wave propagation) Radioaalto seuraa maan pintaa Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa, tämän vuoksi eteneminen rajoittuu muutaman MHz:n taajuuksille 12

13 Optinen- ja radio-näköyhteys Maan kaarevuus asettaa ehdottoman maksimin näköyhteydelle maan pinnalla kommunikoitaessa (horisontti) Optiselle näköyhteydelle, jossa antenni on korkeudella h, on maksimi näköyhteys d kilometreinä: d = 3, 57 h 13

14 Optinen- ja radio-näköyhteys Radioaaltojen taipumisen johdosta näköyhteys radiolle on hieman pidempi Ilmakehässä maata lähentyessä taitekerroin pienenee eli lähempänä maata radioaallot kulkevat hieman hitaammin radioaallot taipuvat maata kohti Ottamalla taipuminen huomioon voidaan radioaalto lähettää korkeammalla kulmalla Maksimietäisyyttä laskettaessa hyödynnetään muutoskerrointa K, jonka arvona voidaan käyttää 4/3: d = 3, 57 Kh h metreinä, d kilometreinä 14

15 Optinen- ja radio-näköyhteys Mikäli vastaanotin ja lähetin ovat molemmat irti maanpinnasta, lasketaan niiden korkeudet yhteen d = 3,57( Kh 1 + Kh2 ) Esimerkki

16 Signaalin voimakkuus (Kertausta) Signaalin voimakkuus vaimenee eksponentiaalisesti siirtotiellä edetessään Vaimeneminen (Loss, L) tai vahvistuminen (Gain, G) esitetään desibeleinä ja lasketaan kaavalla L ja G kuvaavat suhteellista muutosta signaalin voimakkuudessa Desibelejä voidaan käyttää myös kertomaan muutoksesta jännitteessä 16

17 Signaalin heikkeneminen Yleinen vaimeneminen ja vaimenemisen aiheuttama vääristyminen (Attenuation and attenuation distortion) Vapaan tilan vaimeneminen (Free space loss) Ilmakehään imeytyminen (Atmospheric absorption) Esteiden vaikutukset Signaalin kulkeminen montaa eri tietä ja sen aiheuttamat häiriöt Erilaiset häiriöt kuten kohina (Noise) 17

18 Radioaaltojen ominaisuuksia Radioaaltojen etenemiseen vaikuttaa useita tekijöitä, esim.: Vaimeneminen Monitie-eteneminen Sironta Heijastuminen, taipuminen ja taittuminen Häipyminen Doppler-ilmiö 18

19 Vaimeneminen (attenuation/path loss) Signaalin tehon väheneminen Signaalin amplitudi (aallon korkeus) pienenee Johtimellisella siirtotiellä (kaapeli) lasku logaritmista ja voidaan ilmoittaa desibeleinä etäisyyden suhteen Johtimettomalla siirtotiellä on useampia tekijöitä Vaimeneminen vaihtelee riippuen taajuudesta ja käytetystä siirtotiestä Signaalin eri taajuuskomponentit vaimenevat eri tavalla, joten signaalin muoto vääristyy (korkeammilla taajuuksilla vaimeneminen on suurempaa kuin matalilla taajuuksilla) 19

20 Vaimeneminen Vastaanotettavan signaalin täytyy olla tarpeeksi voimakas jotta vastaanotin tunnistaa sen Signaalin pitää olla selkeästi voimakkaampi kuin kohinan Vaimenemisen johdosta signaalia tulee vahvistaa (vahvistimilla tai toistimilla) tietyin välimatkoin Korkeampia taajuuksia voidaan vahvistaa enemmän jotta vaimeneminen olisi kaikilla taajuuksilla yhtä voimakasta Liian voimakas signaali voi aiheuttaa vääristymiä vastaanottimessa Useat vastaanottimet eri etäisyyksillä voivat olla ongelmallisia 20

21 Vapaan tilan vaimeneminen Signaalin vaimeneminen ilmassa kun mitään esteitä ei ole. Edetessään signaali hajaantuu laajemmalle ja laajemmalle alueelle Energia pistettä kohden on pienempi. Suurin vaimenemisen aiheuttaja satelliittikommunikoinnissa Ilmoitetaan joko lähetetyn ja vastaanotetun tehon suhteena tai desibeleinä 21

22 Vapaan tilan vaimeneminen Mikro- ja radioaaltojen vapaan tilan vaimennus lasketaan esim. kaavalla 2 4π d = 10 log 10 λ Kaavassa d = etäisyys ja λ = aallonpituus (samassa mittayksikössä) Vapaan tilan vaimennus tarkoittaa suoraa näköyhteyttä (Line of Sight, LOS) N 22

23 Vapaan tilan vaimeneminen 23

24 Vapaan tilan vaimeneminen Kaapelissa etenevään signaaliin verrattuna Vaimennus tapahtuu etäisyyden neliössä (vrt. logaritmisesti) Teho leviää laajemmalle alueelle Vaimennus on suoraan verrannollinen radioaallon taajuuteen Pienemmät taajuudet vaimenevat vähemmän kuin suuret signaali vääristyy etäisyyden kasvaessa 24

25 Vapaan tilan vaimeneminen valon nopeus / taajuus = aallonpituus 300 / taajuus (MHz) = aallonpituus(m) Esim. GSM-tekniikoiden vaimennus yhden kilometrin matkalla GSM 900 (900 MHz aallonpituus n. 33 cm) 5 4π 10 N = 10 log 10 = 91dB 33 GSM 1800 (1800 MHz aallonpituus n. 15 cm) 5 4π 10 N = 10log 10 = 98dB

26 Vapaan tilan vaimeneminen Antennivahvistukset huomioitava Esimerkki

27 Vaimeneminen Atmospheric Absorption Vesihöyry Vaikutus vahvimmillaan 22 GHz:n alueella Alle 15 GHz:n vaikutus selvästi pienempää Happi Huippu 60 GHz:n alueella Alle 30 GHz:n vaikutus selvästi pienempää Vaihtuvat tekijät (vesi/lumisade, sumu) Aiheuttavat signaalien hajaantumista Matalammilla taajuuksilla vaikutus pienempi 27

28 Atmospheric Absorption 28

29 Esteiden vaikutus Heijastus (Reflection, R) Signaali osuu pintaan joka on suuri suhteessa signaalin aallonpituuteen Tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. aallonpituus ja etenemisnopeus säilyvät Taipuminen (Diffraktio, D) Tapahtuu kun signaali osuu aallonpituuttaan suuremman kohteen reunaan Sironta (Scattering, S) Tapahtuu kun signaali osuu kohteeseen jonka kokoluokka on signaalin aallonpituus tai sitä pienempi. Esim epätasainen pinta. 29

30 30

31 Heijastuminen (Reflection) Radioaallot heijastuvat osuessaan esteeseen, joka on tasainen (suhteessa signaalin aallonpituuteen) Tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret Heijastuneilla aalloilla on myös sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloilla Fresnel Zone 31

32 Taipuminen (diffraction) Radioaallot taipuvat ja leviävät esteeseen osuessaan Taipumista tapahtuu erityisesti aaltoja huonosti läpäisevän ja tasaisen (suhteessa aallonpituuteen) esteen kohdalla Esim. kuva: aalto kohtaa esteen, jossa on kaksi reikää taipuminen + interferenssi: 32

33 Sironta (Scattering) Tapahtuu, kun radioaallot osuvat epätasaiseen esteeseen (epätasaisuus pienempi tai yhtä suuri kuin aallonpituus) Tarkoittaa sitä, että osa radioaallon energiasta synnyttää uusia radioaaltoja eri suuntiin Heikentää signaalia Sironnasta aiheutuvaa sirontakenttää voidaan myös käyttää hyväksi Esim. troposfäärisironta n. 500 km:n pituiset mikroaaltoyhteydet 33

34 Monitie-eteneminen 34

35 Monitie-eteneminen Monitie-etenemisen aiheuttamia ongelmia: Heijastuva signaali tulee perille väärään aikaan Signaalit menettävät osan energiastaan heijastuksen yhteydessä Heijastumat summautuvat toisiinsa ja vaikeuttavat signaalien tulkitsemista vastaanottopäässä 35

36 Interferenssi 36

37 Interferenssi Konstruktiivinen interferenssi: Destruktiivinen interferenssi: 37

38 Monitie-eteneminen Signaali saapuu kohteeseen useaa reittiä pitkin Koska signaali lähetetään useaan suuntaan voi sama signaali heijastumisen johdosta saapua vastaanottimelle useaa eri reittiä ja eri aikaan Erilaiset esteet aiheuttavat signaalin hajautumista Joskus ei ole edes suoraa reittiä vaan vahvin signaalikin tulee heijastuman kautta. Monitie-eteneminen aiheuttaa myös häiriötä signaalissa. 38

39 Monitie-eteneminen (Multipath Propagation) Aiheuttaa ongelmia ja virheitä tiedonsiirrossa Virheet johtuvat symbolien (pulssien) välisestä keskinäisvaikutuksesta (Intersymbol interference, ISI) Aiheuttaa vastaanotetun signaalin vääristymistä Signaali leviää ja summautuu muihin signaaleihin sekä saman signaalin heijastuksiin Vaikeuttaa vastaanottajan tehtävää tulkita signaalista oikein sen eri elementit virheitä Eri tekniikat ovat eri tavalla herkkiä monitie-etenemisen aiheuttamille ongelmille, esim. GSM-tekniikassa monitie-eteneminen joudutaan hoitamaan viiveitä käyttämällä WLAN (802.11g) käyttää OFDM-modulaatiota, joka ei juurikaan häiriinny monitie-etenemisestä WLANin tuleva (802.11n) versio tulee käyttämään monitieetenemistä hyödykseen 39

40 Monitie-eteneminen Muistuttaa optisissa kuiduissa tapahtuvaa pulssin leviämistä eli dispersiota Signaali etenee heijastuen kuidun rakenteissa ja valonsäteiden erilaiset heijastuskulmat muuttavat kokonaismatkaa Radioliikenteessä tilanne on monimutkaisempi Optiseen kuituun verrattuna radiosignaaleilla on huomattavasti enemmän mahdollisia kulkureittejä 40

41 Monitie-eteneminen Lähetetään lyhyitä ja teräviä pulsseja Siirtotiellä pulssi etenee eri teitä Vastaanottaja näkee suoraan saapuneen pulssin lisäksi heijastuneita pulsseja 41

42 Häipyminen (Fading) Johtuu vastaanottajan (tai lähettäjän) liikkumisesta ja aiheuttaa signaalitason heikentymistä Häipymisen tyypit Hidas/nopea häipyminen (slow/fast fading) Flat/selective fading Rayleigh/Rician fading 42

43 Häipyminen (fading) Hidas häipyminen (slow fading) Vastaanotetun signaalin keskiarvon muuttuminen, kun vastaanottaja liikkuu Johtuu etenemistien muutoksista Nopea häipyminen (fast fading / Raleigh fading) Aiheutuu satunnaisesti välille 0-2π jakautuneiden osasignaalien summautumisesta vastaanottajalla Signaalin voimakkuus vaihtelee voimakkaasti puolen aallonpituuden säteellä vastaanottimesta 900 MHz alueella aallonpituus = 0,33 m Signaalin amplitudi voi vaihdella jopa db Johtuu sekä lähettimen liikkeestä että monitieetenemisestä 43

44 Häipyminen 44

45 Flat/selective fading Flat fading Signaalin kaikki taajuudet vaimenevat samassa suhteessa Selective fading Signaalin eri komponentit vaimenevat eri suhteessa Käytetään mikäli vaimeneminen koskee vain osaa signaalin taajuuskaistasta 45

46 Rayleigh fading Rayleigh-häipymä saadaan mikäli signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (näköyhteys, non-los) Soveltuu hyvin ulkotiloihin Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta Nopea häipymä voi kuitenkin olla Rayleighiakin suurempi 46

47 Rician fading Rician häipymä saadaan mikäli signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä signaalilla on myös yksi dominoiva polku (näköyhteys, LOS) Soveltuu hyvin sisätiloihin 47

48 Doppler-ilmiö Signaalien lähteen ja kohteen liikkuessa toisiinsa nähden, kohteeseen tulevien radioaaltojen lukumäärä aikayksikköä kohden poikkeaa lähteen tuottamien radioaaltojen määrästä Suoraan riippuvainen lähteen ja kohteen etäisyyden muutoksen suuruudesta Kaksi tapausta: Lähde liikkuu Kohde liikkuu 48

49 Seurauksia siirtotien ongelmista Siirrettävä tieto vääristyy Vastaanottajalla on vaikeuksia tulkita signaali oikein. Bittivirhesuhde (Bit Error Rate, BER) Virheellisten bittien lukumäärä suhteessa siirrettyjen bittien kokonaismäärään Kuvaa todennäköisyyttä, että yksi siirretty bitti muuttuu toiseksi Kasvaa, kun nostetaan tiedonsiirron nopeutta tai pienennetään kaistanleveyttä Pienenee, kun lasketaan tiedonsiirron nopeutta tai kasvatetaan kaistanleveyttä Haettava olosuhteisiin sopiva kompromissi nopeuden suhteen 49

50 Signaalien eteneminen Signaalit käyttäytyvät erilaisissa ympäristöissä eri tavalla Sisätiloissa signaalin etenemiseen vaikuttavat esimerkiksi rakennuksessa käytetyt materiaalit, hissikuilut, porraskäytävät, huoneiden korkeus, ikkunoiden lukumäärä ja huoneiston kalusteet jne. Ulkotiloissa epävarmuustekijöitä enemmän: kuiva/kostea ilma, vuodenaika, kasvillisuus (sademetsä/havumetsä/tundra), lumipeite, kaupunki/maaseutuympäristö, jne. Etenemistä voidaan ennakoida etenemismalleilla 50

51 Yhteenveto opitusta Johtimettomalla siirtotiellä signaali muuttuu Vaimeneminen Heijastuminen Taittuminen Sironta =>Monitie-eteneminen => Signaalin häipymä => Ongelmia signaalin vastaanotossa 51

52 Lähdemateriaalia Stallings W.: Data and Computer Communications, 8th Edition, Chapter 3,4 Lee W.C.Y: Mobile Communications Design Fundamentals, Chapter 1. 52