LUKU 1 JOHDANTO TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMIIN

Transkriptio

1 LUKU 1 JOHDANTO TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMIIN 1 (34)

2 Luku 1 Johdanto tietoliikennejärjestelmiin Johdanto & alan historiaa Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Tiedonsiirtokanavan ominaisuudet Kohinalähteet Siirtokanavien tyypit Yhteenveto järjestelmäanalyysimenetelmistä Aika- ja taajuusalueen analyysit Modulaatio- ja tietoliikenneteoria Järjestelmäoptimoinnin todennäköisyysteoreettiset menetelmät Tilastollinen ilmaisu- ja estimointiteoria Informaatio- ja koodausteoria Digitaalisen siirtojärjestelmän lohkokaavio Hajaspektri- ja CDMA-järjestelmä Monikäyttömenetelmät FDMA, TDMA ja CDMA Radion historiaa (Marconi) 2 (34)

3 Johdanto Modernin yhteiskunnan toiminta perustuu pitkälle informaation tuottamiseen, välittämiseen ja jakeluun ( information age ). Kurssissa tarkastellaan informaation välittämiseen tarvittavien järjestelmien teoriaa. Erityisesti keskitytään analogiseen siirtotekniikkaan. Tietoliikennetekniikka II -kurssissa keskitytään digitaaliseen siirtotekniikkaan. Tiedonsiirron ominaispiirre on epävarmuuden läsnäolo siirrossa (kohina, kanavan vääristymät, informaatio itsessään on satunnaista). Järjestelmäanalyysissä tarvitaan siksi todennäköisyysteoreettista lähestymistapaa, joka ottaa huomioon kanavan stokastiikan luvulla ryhdyttiin käyttämään todennäköisyysteoreettisia menetelmiä järjestelmien analysoimiseksi ja optimoimiseksi. Tiedonsiirron teorian ensimmäisiä kovia patuja : Claude Shannon (1948), Norbert Wiener, Rice. Seuraavaksi tarkastellaan sähkö- ja tietoliikennetekniikan kehitystä historiallisessa valossa. 3 (34)

4 Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa Tärkeimmät sähkötekniset keksinnöt tietoliikennetekniikan näkökulmasta katsottuna: Seuraavassa taulukossa tarkastellaan historiallista kehitystä tarkemmin. 4 (34)

5 Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa Tärkeä vuosi 5 (34)

6 Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa 6 (34)

7 Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa 7 (34)

8 Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Sanomasignaali voi olla joko analoginen tai digitaalinen. Tulosovitin (input transducer) muuttaa siirrettävän signaalin järjestelmään sopivaksi (esim. ääniaallot mikrofonin jännitteksi). Lohkokaaviota voidaan soveltaa myös tutka- ja sonar-järjestelmille. Lähetin kytkee sanoman kanavaan (moduloi esim. kantoaaltoa). Modulointi on kosinikantoaallon amplitudin, vaiheen tai taajuuden muuttamista sanomasignaalin ohjaamana. Sovelletaan SM-teoriaa. 8 (34)

9 Modulaation hyödyt: Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Säteilytyksen helppous (SM-kenttä lähtee etenemään antennista). Kohinan ja interferenssin (häirintä, naapurikanavat) sietokyky paranee. Mahdollistaa kanavoinnin taajuusalueen täyttämiseksi koordinoidusti. Mahdollistaa useiden toisistaan riippumattomien sanomien koordinoidun yhdistelyn ns. multipleksoinnin (FDM, TDM, CDM, QM). Lisäksi tarvitaan suodatusta ja vahvistamista siirtoketjun eri vaiheissa. Kanava voi olla esim. radiotie, parikaapeli, koaksiaalikaapeli, aaltoputki tai valokuitu. Kanava on kriittisin osa. Siellä syntyy kohinaa, monitie-etenemistä, häipymistä, vääristymiä, suodattumista jne.. Kanavan ominaisuudet (stokastinen pros.) ohjaavat käytännössä pitkälle lähetettävän signaaliaaltomuodon ja vastaanottimen rakenteen suunnittelua. Vastaanotin vahvistaa, suodattaa ja demoduloi. Lähtösovitin palautta signaalin alkuperäiseksi (kovaääninen tms.). 9 (34)

10 Tiedonsiirtokanavan kohinaominaisuudet Kohinalähteet: sisäinen kohina (passiiviset komponentit, puolijohteet, sekoittajat) ulkoinen kohina (ilmakehän salamointi, avaruus, 3K säteily, ihmisen aikaansaama tekninen kohina). Komponenttien kohinat: terminen, rae (shot noise) ja 1/f-kohina. Auringon ja kosmisen kohinan spektri pääosin alueella MHz GHz. Ilmakehän kohina impulsiivista. 100 MHz:n alapuolella kohinan SM- kentän voimakkuus pienenee taajuuden kasvaessa kääntäen verrannollisesti taajuuteen (ts. 1/f-tyyppinen käyttäytyminen). Siksi alemmat RF-taajuudet ovat kohinan vuoksi huonompia (vrt. AM-radio: 540 khz 1,6 MHz vs. FM-radio: MHz). Ihmisen aikaansaamia: sähkönsiirron koronat, sytytyskohina, sähkömoottorit. Impulssikohina on puheensiirrossa lähinnä ärsytystekijä mutta digitaalisessa siirrossa se aiheuttaa bittivirheryöppyjä. Myös muut tiedonsiirtojärjestelmät aiheuttavat häiriöitä (radio-frequency interference, RFI tiheässä matkapuhelinympäristössä). Monitieheijastumat aiheuttavat myös kanavan stokastisuutta. Ne ovat joko diffuusia sirontaa, peilimäisiä (specular) heijastusta tai diffraktiota (aiheuttaa varjostumista). Suora näköyhteys = line-of-sight (LOS) Kohinat summautuvia prosesseja, häipymiset kertovia prosesseja. 10 (34)

11 LOS, heijastus, sironta, diffraktio, varjostuminen 11 (34)

12 Large (red) & small (green) scale fading, path loss d Lpath db = L freespace 0 db 10 0 = dist d 0 ( d ) + n log, d ref.. Path-loss exponent n values for different environments: Free space 2 Urban area cellular radio 2.7 to 3.5 Shadowed urban cellular radio 3 to 5 In building, line of sight 1.6 to 1.8 Obstructed in building 4 to 6 Obstructed in factories 2 to 3 Lpathloss ( d) ( d ) 0 db + 10 n log d0 L pathloss db = L d d 0 n freespace, d 0 = freespacecloseinreferencedist. d 12 (34)

13 Path loss, large scale shadowing, small scale fast fading 13 (34)

14 Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava SM-aallon vapaaseen etenemiseen perustuvat kanavat: Maxwellin yhtälöt 1864, Herz todisti kipinälähettimellä Tarvitaan antenni, joka on usein suuntava. Vapaan tilan (free space) eteneminen teoriassa mahdollinen avaruudessa jolloin kohina ainoa häiriölähde. Radioastronomialle ja SETI:lle kohina on hyötysignaali! Vapaan tilan etenemisvaimennus 1/r 2, kaupunkiympäristössä 1/r 2 6. Fysikaalisista ilmiöistä taajuusriippuvaiset etenemismallit: suora näköyhteys, hyppyaalto, pinta-aalto (seuraa maan kaareutumista) 14 (34)

15 Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava Hyppyaallot lähinnä HF-alueella (alle 100 MHz). Kanava/yhteys riippuu vuorokauden ajasta, erityisesti auringosta ja sen aktiivisuudesta. Yhteydessä ilmenee katvealueita hypyistä johtuen. Pinta-aalto 100 MHz 300 MHz. LOS-eteneminen 300 MHz jälkeen. Spektri äärellinen luonnonvara ja joskus kallista (esim. 3G/UMTS). ITU koordinoi. WARC jakaa maille. Maitten viranomaiset jakavat tarvitsijoille (Suomessa liikenneministeriö, USA:ssa FCC, jne.). USA:n aiemmat huutokaupat pitkittivät järjestelmien käyttöikää esim. GSM:ään verrattuna järjestelmägeneraatioiden käyttöönotto eri tahdissa, koska operaattorit haluavat hyödyntää täysimääräisesti vanhat toimiluvat. 15 (34)

16 Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava GHz-alueella ilmakehän kaasut ja vesihöyry vaimentavat yhteyttä (vrt. mikroaaltouuni, jossa molekyylit resonoivat ja imevät energiaa). GHz-aallot läpäisevät ionosfäärin. Spektrin uudelleenkäyttö tehostuu, kun solukoko pienenee. Tosin se kasvattaa verkon kustannuksia suuremman tukiasematiheyden vuoksi (vrt. 2G/GSM vs. 2.1 GHz 3G/UMTS). Matkapuhelinjärjestelmät: 1G/NMT 450 ja 900 MHz alueilla 2G/GSM 900 MHz alueella 3G/UMTS 2.1 GHz ja 900 MHz 16 (34)

17 SM-signaalin vaimeneminen vs. etäisyys Mitä suurempi taajuus (lyhempi aallonpituus), niin sitä nopeammin radioaalto käytännössä vaimenee etäisyyden funktiona vapaan tilan etenemisessä. Solukoko 900 MHz GSM-järjestelmässä on siten paljon suurempi kuin 2.1 GHz UMTS-järjestelmässä. Taajuus vaikuttaa antennin kautta vaimennukseen (L free-space ). Taustalla Friisin siirtoyhtälö, joka huomioi antennit siirtoketjussa. G r, G t = antennivahvistukset, d = antennien välinen etäisyys, L = häviökerroin 1 (suod., antennit, jne.), A e antennin efektiivinen pintaala. 2 P G L r ( d) = = 4πA 2 λ free space PG G ( 4π ) e t db t 2 r d λ 2 L = 10log PG t tg P L = r r = L= 1 20log 4πd λ 17 (34)

18 Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet Antennin koko verrannollinen aallonpituuteen (tyyp. pituus λ/2, λ/4,...) 1 GHz 30 cm Antennin fyysistä kokoa voidaan teknisesti pienentää. Siksi matkapuhelimen antenni voidaan kätkeä puhelimen sisään. 18 (34)

19 Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet Sukellusveneet käyttävät 19 (34)

20 Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet UHFalueella eniten tungosta EHF-alueella eniten kaistaa käytettävissä. Toimii lähinnä avaruudessa, koska siellä Ilmakehä ei rajoita. 20 (34)

21 Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet ISMkaistalla voi toimia ilman lisenssiä Esim. WLAN IEEE standardit 21 (34)

22 Johteisiin perustuvat SM-aallon kanavat Puheensiirto laadultaan huono, jos ei käytetä modulaatiota pitkän matkan yhteydellä luvulla ryhdyttiin käyttämään DSB- ja SSB-modulaatioita puheen siirtoon. Atlantin alittava puhelinkaapeli toteutettiin Puheensiirrossa perinteisesti käytetty monipari- ja koaksiaalikaapeleita. Koaksiaalikaapeleiden kaistanleveydet muutamia megahertsejä. Koaksiaalikaapeliin mahtuu noin puhelinkanavaa. Suurempia kaistanleveyksiä tarvittaessa siirryttävä valokaapeleihin. Pienihäviöiset valokaapelit ovat yleistyneet 1990-luvulta lähtien. Tarvitaan LED tai puolijohdelaser, välivahvistimia ja ilmaisuun valodiodi. Runkoyhteydet toteutetaan valokaapeleilla. Valokaapelin kapasiteetti hyvin suuri. Voidaan esimerkiksi siirtää suuria määriä TV-kanavia. Ongelmana ollut kuidusta jakelu käyttäjille (kallista). Siksi käyttökelpoinen tähän saakka vain runkosiirrossa (ns. bittiputki keskusten välillä). Kuituverkko internet -yhteyksien toteuttamiseksi kuitenkin yleistyy. Mannerten välisillä puhelinyhteyksillä toteutuksen hinta käytännössä ratkaisee käytetäänkö satelliittia vai merenpohjaan laskettua valokaapelia. 22 (34)

23 Valokaapelit 23 (34)

24 Valokaapelit 24 (34)

25 Johdanto järjestelmäanalyysimenetelmiin Aika- ja taajuusalueen analyysit Tietoliikenneinsinööri kiinnostunut enemmän kaistanleveyksistä, spektrikomponenteista, jne. kuin ns. transienttianalyysista. Lineaarisille järjestelmille (esim. suodatus) voidaan suorittaa helposti aika- ja taajuusanalyysiä. Fourier-sarjat ja -muunnos työkaluina. Lineaarisuuden idea esitetty alla. Epälineaarisuudet hankalia analysoida. Usein lineaarisuusoletus. X Lineaarinen 1 operaatio X 1 O(. ) X 2 Σ Lineaarinen operaatio O(. ) X 2 Lineaarinen operaatio O(. ) Σ X 3 X 3 Lineaarinen operaatio O(. ) O ( ax1 + bx 2 + cx 3) = ao( X1) + bo( X 2) + co( X 3) 25 (34)

26 Johdanto järjestelmäanalyysimenetelmiin Modulaatioteoria käyttää signaalien duaalista aika- ja taajuustason esitystä järjestelmien suunnittelun ja analyysin työkaluna. Olkoon m(t) sanomasignaali. Esim. DSB-modulaation aika- ja taajuustason modulaatioteoreettiset esitykset ovat: Ac ωc x c ( t) = Ac m( t)cosωct, X c ( f ) = [ M ( f + fc ) + M ( f fc )], fc = 2 2π Kun modulaatioteoreettiseen tarkasteluun lisätään häiriöiden (kohina, häiriötaajuudet, monitiekanava, jne.) vaikutus, siis kanavan stokastiikka, päädytään tietoliikenneteoriaan. Jos halutaan erityisesti korostaa todennäköisyyksien ja stokastisten prosessien merkitystä, käytetään nimitystä tilastollinen tietoliikenneteoria. Stokastisten mallien tuntemisella ja matemaattisella hallinnalla voidaan järjestelmän suorituskykyä optimoida ja parantaa. Tämä lähestymistapa otettiin käyttöön 1940-luvulla. Tietoliikenneinsinööri siis tarvitsee signaaliteorian ja lineaaristen järjestelmien osaamisen lisäksi tietoja todennäköisyyslaskennasta ja stokastisista prosesseista. 26 (34)

27 Järjestelmäoptimoinnin todennäköisyysteoreettiset menetelmät Wiener tarkasteli signaalin optimaalista suodatusta kohinasta (optimi tarkoitti halutun signaalin ja suodattimen lähdön erotuksen keskineliövirheen minimointia). Tuloksena Wiener-suodatin. North kehitti 1940-luvun alussa sovitetun suodattimen tutkasignaalin ilmaisuun. MF on tärkeässä asemassa digitaalisessa tiedonsiirrossa. Ajasta riippuvan kanavan huomioon ottaminen yhdessä em. suodattimien perusideoiden kanssa johti adaptiivisiin suodattimiin. Digitaalisessa siirrossa käytettävät kanavakorjaimet (ekvalisaattorit, equalizers) soveltavat tuota perusajatusta. Shannon pohti (1948) ongelmaa: Jos on annettu sanomalähde, miten sen lähtö pitäisi esittää/kuvata, jotta siirrettävän informaation määrä annetussa kanavassa (kapasiteetti) maksimoituisi. Shannonin lähteenkoodauksen, salauksen ja virheenkorjaavan koodauksen pohdinnoista saivat informaatio- ja koodausteoria alkunsa (Richard Hammingin ohella). Myös Hamming kova tyyppi. Tilastollisen tietoliikenneteorian tärkeitä osateorioita ovat: ilmaisuteoria, estimointiteoria, informaatioteoria ja koodausteoria 27 (34)

28 Digitaalisen siirtojärjestelmän lohkokaavio 28 (34)

29 Hajaspektri- ja CDMA-järjestelmät informaatio R B bit/s A Modulaattori kantoaalto f c Hz Hajotusdemodulaattori (spektrin kavennus) Hajotusmodulaattori valesatunnainen koodi R C chip/s B Demodulaattori tahallinen häirintä, häiriökantoaallot, muut CDMA-käyttäjät info R B bit/s valesatunnainen koodi R C chip/s kantoaalto fc Hz ilmaisuvahvistus = R C /R B tyypillisesti A häiriön spektri informaation spektri B informaation spektri tämä osa häiriöstä pääsee läpi BPF:stä häiriön spektri (suurin osa häiriötehosta KP-suodattuu pois) 29 (34)

30 Hajaspektritekniikka Hajaspektritekniikan toteutustavat: Suorahajotustekniikka DS SS (direct-sequence spread-spectrum) Taajuushyppytekniikka FH SS (freqyency-hopping spread-spectrum) Hidas ja nopea taajuushyppytekniikka Aikahyppytekniikka TH SS (time-hopping spread-spectrum) DS, FH ja TH-tekniikoiden hybriditekniikat (yhdistelmät) 30 (34)

31 Hajaspektritekniikka 31 (34)

32 Monikäyttömenetelmät FDMA Frequency Division Multiple Access Kukin lähetin käyttää omaa kapeaa kanavaa koko ajan. Esim. 1. generaation järjestelmät (NMT 450, NMT 900, AMPS) TDMA Time Division Multiple Access Kukin lähetin lähettää sille allokoidussa aikavälissä leveällä kaistalla. Esim. 2. generaation järjestelmät (GSM, DAMPS) CDMA Code Division Multiple Access Jokainen lähetin käyttää samaa keskitaajuutta ja samaa leveää kaistaa koko ajan. Käyttäjien erotus suoritetaan ortogonaalisten (ts. pienen ristikorrelaation omaavien) valesatunnaisten hajotuskoodien avulla. Esim. 2. generaation IS-95 järjestelmä USA:ssa, 3. generaation WCDMA/UMTS-järjestelmät Euroopassa ja Japanissa. Tietoliikennetekn. os. on tehty hajaspektri- ja CDMA-tekniikkaan liittyvää tutkimusta jo 1980-luvun puolesta välistä lähtien. WLAN (IEEE standardin eri versiot) soveltaa hajaspektri- ja OFDM -tekniikkaa ja BLUETOOTH FH -tekniikkaa. 32 (34)

33 Monikäyttömenetelmät f FDMA f TDMA t t f CDMA t 33 (34)

34 Radion historiaa (Marconi) MARCONI SENDS FIRST ATLANTIC WIRELESS TRANSMISSION Italian physicist and radio pioneer Guglielmo Marconi succeeds in sending the first radio transmission across the Atlantic Ocean, disproving detractors who told him that the curvature of the earth would limit transmission to 200 miles or less. The message simply the Morse-code signal for the letter "s"--traveled more than 2,000 miles from Poldhu in Cornwall, England, to Newfoundland, Canada. Born in Bologna, Italy, in 1874 to an Italian father and an Irish mother, Marconi studied physics and became interested in the transmission of radio waves after learning of the experiments of the German physicist Heinrich Hertz. He began his own experiments in Bologna beginning in 1894 and soon succeeded in sending a radio signal over a distance of 1.5 miles. Receiving little encouragement for his experiments in Italy, he went to England in He formed a wireless telegraph company and soon was sending transmissions from distances farther than 10 miles. In 1899, he succeeded in sending a transmission across the English Channel. That year, he also equipped two U.S. ships to report to New York newspapers on the progress of the America's Cup yacht race. That successful endeavor aroused widespread interest in Marconi and his wireless company. Marconi's greatest achievement came on December 12, 1901, when he received a message sent from England at St. John's, Newfoundland. The transatlantic transmission won him world widefame. Ironically, detractors of the project were correct when they declared that radio waves would not follow the curvature of the earth, as Marconi believed. In fact, Marconi's transatlantic radio signal had been headed into space when it was reflected off the ionosphere and bounced back down toward Canada. Much remained to be learned about the laws of the radio wave and the role of the atmosphere in radio transmissions, and Marconi would continue to play a leading role in radio discoveries and innovations during the next three decades. In 1909, he was jointly awarded the Nobel Prize in physics with the German radio innovator Ferdinand Braun. After successfully sending radio transmissions from points as far away as England and Australia, Marconi turned his energy to experimenting with shorter, more powerful radio waves. He died in 1937, and on the day of his funeral all British Broadcasting Corporation (BBC) stations were silent for two minutes in tribute to his contributions to the development of radio. Source: 34 (34)