CT30A2003 Tietoliikennetekniikan perusteet Siirtotiet - johtimeton (Siirtomedia) 1
The Electromagnetic Spectrum The electromagnetic spectrum and its uses for communication. 2
Johtimettomat siirtotiet Signaali etenee ilmassa (tai muussa väliaineessa) antennien välityksellä Jako Suunnattu (directional) Suuntaamaton (omnidirectional) ympärisäteilevä Suunnatussa antennien oltava tarkasti toisiaan kohden Suuntaamattomassa kommunikoinnissa aallot etenevät kaikkiin suuntiin 3
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 - 300 GHz) Yli 30 MHz taajuudet eivät heijastu ionosfääristä Kommunikointi satelliittien kanssa Kurssilla käsiteltävien tekniikoiden käyttämä etenemistapa 4
Tärkeimmät etenemismekanismit 2. Eteneminen ilmakehän heterogeenisuuksista tapahtuvan sironnan (scattering) avulla Taajuusalue on noin 0,3-10 GHz 5
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 6
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 7
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 8
Johtimettomat siirtotiet Kolme perustaajuusaluetta: 30 MHz - 1 GHz - käytetään ympärisäteilevissä sovelluksissa (radioaallot) 1-40 GHz mikroaallot - käytetään erittäin tarkasti suunnatuissa antenneissa 300 GHz - 200 THz infrapuna-alue - käytetään esim. toimistoympäristöissä yhden huoneen sisällä point-to-point kommunikointiin 9
Antennas transmission antenna radiated into surrounding environment converted to electromagnetic energy by antenna radio frequency energy from transmitter reception antenna fed to receiver converted to radio frequency electrical energy electromagnetic energy impinging on antenna electrical conductors used to radiate or collect electromagnetic energy same antenna is often used for both purposes
Radiation Pattern power radiated in all directions does not perform equally well in all directions as seen in a radiation pattern diagram an isotropic antenna is a point in space that radiates power in all directions equally with a spherical radiation pattern
Antennit Erilaisia antennityyppejä Ympärisäteilevä Eri tavoin suuntaavat antennit Sektoriantennit Satelliittiantenni On myös hyvä muistaa, että antennien suuntakuviot ovat kolmiulotteisia 12
Antennit Ympärisäteilevä 13
Antennien suuntakuviot a) Yksinkertainen dipoliantenni b) Torviantenni 14
Antennit Suunta-antennit 15
Antennien suuntakuviot Suunta-antenni (Yagi) Ylhäältä Sivulta 16
Antennit Sektoriantennit 17
Antennien suuntakuviot Sektoriantenni 18
Antennit Lautasantennit 19
Antenna Gain measure of the directionality of an antenna power output in particular direction verses that produced by an isotropic antenna measured in decibels (db) results in loss in power in another direction effective area relates to physical size and shape
Antennivahvistus (antenna gain) Tehon ulostulo tiettyyn suuntaan verrattuna isotrooppisen antennin ulostuloon 3 db gain = 3 db:n vahvistus isotrooppiseen antenniin verrattuna kyseisessä suunnassa Antennin vahvistus ei siis tarkoita sitä, että se lähettäisi enemmän tehoa ulos kuin siihen saapuu (verkkokortilta tms. lähettimeltä) Antennin lähettämä teho kohdistetaan pienemmälle alueelle (ja on pois muista suunnista!) Jos antennin keila kavennetaan 5%:iin ympärisäteilevään verrattuna, on sen vahvistus 20-kertainen Lain mukaan antennista saa silloin lähteä kokonaistehoa vain 5 % maksimitehorajasta (esim. 2.4 GHz:n ISMkaistalla max. 100 mw / 20 eli 5 mw) 21
Johtimettomat siirtotiet Johtimettomien siirtoteiden jako Mikroaaltolinkit Suunnattu kommunikointi Satelliittilinkit Satelliittikommunikointi Radiotie Suuntaamaton kommunikointi Infrapuna Lyhyen matkan point-to-point 22
Mikroaaltolinkit Mikroaaltolinkeissä käytetään tarkasti suunnattuja lautasantenneja Antennit sijaitsevat riittävän korkealla, jotta näköyhteysvaatimus saavutettaisiin Maksimietäisyys d antennien välillä on: d = etäisyys [km] h = antennin korkeus [m] K = korjauskerroin d = 3,57 Kh 23
Mikroaaltolinkit Korjauskerrointa K tarvitaan, koska aallot taipuvat ilmassa ja etenevät näköyhteyttä pidemmälle K = 4/3 (yleisesti käytetty K:n arvo) Esim. Antennien korkeus 100 m => d = 82 km 24
Mikroaaltolinkit Mikroaaltolinkkejä käytetään: runkoverkot point-to-point linkit rakennusten välillä sekä äänelle että datalle Mikroaaltolinkkejä voidaan käyttää laajalla taajuusalueella (1-40 GHz) Mitä korkeampi taajuus sitä laajempi taajuuskaista ja suurempi siirtonopeus (lyhyempi etäisyys) 25
Mikroaaltolinkit Suurin häiriötekijä on signaalin vaimennus Vaimennus on etäisyyden ja aallonpituuden funktio: Vaimennus on etäisyyden neliön funktio, kun parikaapelilla ja koaksiaalilla vaimennus on exponentiaalinen etäisyyden suhteen => vahvistimet ja toistimet voidaan sijoittaa kauemmas (10-100 km päähän) Sade ja taajuusalueiden päällekkäisyys muita häiriötekijöitä, heijastukset Taajuusalueiden käyttö onkin hyvin säänneltyä 4-6 GHz, 11 GHz, 22 GHz Mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antenni 26
Microwave Bandwidth and Data Rates
Satelliittilinkit Satelliittilinkit ovat eräänlaisia mikroaaltolinkkejä maassa sijaitsevat lähettimet ja vastaanottimet linkitetty satelliittien kautta Satelliitilla kaksi taajuusaluetta: vastaanottaa signaalin uplink-kaistalla, vahvistaa ja ja lähettää eteenpäin downlinkillä Toiminta voi olla point-to-point broadcast 28
Satelliittien toimintatyypit 29
Satelliittien kiertoratatyypit Vanhimmat satelliitit paikallaan pysyviä eli ns. geostationaarisia (korkeudella 35784 km) GEO (Geostationary Earth Orbit) Uudemmat satelliitit voivat olla matalarata-satelliitteja (LEO, MEO (Low/Medium Earth Orbit)) Myös HEO (Highly Elliptical Orbit) satelliitteja on olemassa Samalla kaistalla toimivat satelliitit eivät saa olla liian lähellä toisiaan häiriöiden vuoksi 4 astetta 4/6 GHz kaistalla 3 astetta 12/14 GHz kaistalla => rajoittaa satelliittien maksimimäärää 30
Satelliittilinkit Paras taajuusalue 1-10 GHz alle 1 GHz luonnollisia häiriölähteitä yli 10 GHz vaimeneminen kasvaa rajusti Yleisesti käytössä 4/6 GHz kaista (täynnä) 11(12)/14 GHz kaista uutena, etuna pienemmät vastaanottolaitteet 19(20)/29(30) GHz seuraavana vuorossa (yhä suuremmat kaistanleveydet) Huomattava etäisyyden takia noin 0.25 sekunnin etenemisviive 31
Communication Satellites 32
Satelliittien kiertoratatyypit 33
Communication Satellites (2) The principal satellite bands. 34
Satelliittilinkit Satelliitteja käytetään: Televisiokanavien jakeluun broadcast-jakelu asemille broadcast-jakelu asiakkaille Puhelinliikenteeseen satelliittipuhelut alueilla joilla ei mahdollisuutta järkevästi maanpäälliseen verkkoon Yksityisiin tietoverkkoihin Erittäin vähäistä 35
Globalstar http://www.globalstar.com/ (a) Relaying in space. (b) Relaying on the ground. 36
Radiotie Radiotie eroaa mikroaalto- ja satelliittilinkeistä lähinnä aaltojen suuntaamattomuudessa Antennien ei tarvitse olla lautasantenneja Taajuusalueet 3 khz - 300 GHz radioaaltoja Tehokkaimmillaan radiotie on 30 MHz - 1 GHz alueella Aallot eivät vaimene niin herkästi 37
Radiotie Radiotietä käyttävät laitteet näköyhteydellä eli noin 3.57 Kh Vaimennus mikroaaltoja vastaavalla tavalla Suurempi aallonpituus tosin näkyy selkeästi pienempänä vaimenemisena Suurin häiriötekijä on monitie-eteneminen (heijastukset esteistä ja pinnoista aiheuttavat signaaleille useita etenemisreittejä) Muut häiriöt vastaavia kuin mikroaalloilla 38
Line of Sight Transmission Free space loss loss of signal with distance Atmospheric Absorption from water vapor and oxygen absorption Multipath multiple interfering signals from reflections Refraction bending signal away from receiver
Radioaaltojen ominaisuuksia Radioaaltojen etenemiseen vaikuttaa useita tekijöitä, esim.: Vaimeneminen Monitie-eteneminen Sironta Heijastuminen, taipuminen ja taittuminen Häipyminen Doppler-ilmiö 40
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) 41
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 42
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 43
Vapaan tilan vaimeneminen Mikro- ja radioaaltojen vapaan tilan vaimennus lasketaan esim. kaavalla 2 4π d N = 10 log10 λ Kaavassa d = etäisyys ja λ = aallonpituus (samassa mittayksikössä) Vapaan tilan vaimennus tarkoittaa suoraa näköyhteyttä (Line of Sight, LOS) 44
Vapaan tilan vaimeneminen 45
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 à signaali vääristyy etäisyyden kasvaessa 46
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 47
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. 48
49
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 50
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 à taipuminen + interferenssi: 51
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 à n. 500 km:n pituiset mikroaaltoyhteydet 52
Monitie-eteneminen 53
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 54
Interferenssi 55
Interferenssi Konstruktiivinen interferenssi: Destruktiivinen interferenssi: 56
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. 57
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 à 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 58
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 59
Monitie-eteneminen Lähetetään lyhyitä ja teräviä pulsseja Siirtotiellä pulssi etenee eri teitä Vastaanottaja näkee suoraan saapuneen pulssin lisäksi heijastuneita pulsseja 60
Multipath Interference
Radiotie Eniten käytetty johtimeton siirtotie nykypäivän tietoliikenteessä (käytetään mm. seuraavissa): Matkapuhelinjärjestelmät Bluetooth (ja muut lyhyen kantaman radiotekniikat) Radio- / TV-lähetykset Langattomat lähiverkot 62
Politics of the Electromagnetic Spectrum The ISM bands in the United States. 63
Characteristics of selected wireless link standards 200 802.11n Data rate (Mbps) 54 5-11 4 1.384 802.15 802.11a,g 802.11b 802.11a,g point-to-point 802.16 (WiMAX) UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G data 3G cellular enhanced.056 IS-95, CDMA, GSM 2G 64 Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor Long-range outdoor 200m 4 Km 5Km 20 Km
Infrapuna Käytetään infrapuna-alueella olevaa valoa signaalin siirtoon Lähettimen ja vastaanottimen oltava näköyhteydellä Infrapuna-aallot eivät läpäise esteitä (johtuen pienestä aallonpituudesta) Ei siis tietoturvaongelmia Käyttö: esim. kaukosäätimet ja pienimuotoinen datan siirto (esim. PC <-> matkapuhelin) 65
66