Lezione sulle Comunicazioni WirelessLezione sulle ComunicazioniLezione sulle Comunicazioni Wireless Wireless

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIAELETTRICA, GESTIONALE E MECCANICA

Andrea TonelloAndrea Tonello

tonello@uniud.itwww.diegm.uniud.it/tlc/tonello

5 Giugno 2003Aula B, ore 13.00 - 17.00

2

Introduzione

• Sistemi Wireless

• Sistemi cellulari e WLAN

• Strato Fisico, ricerca e sviluppo

• Modello Canale Radio Mobile

• Prestazioni in Canali con Fading

• Nuove tecnologie: Antenne Multiple - Modulazione Multiportante

3

Sistemi Wireless

– trasmissione senza fili– copertura– semplicita` ed economia di installazione– mobilita`

Sistemi RadioTerrestri

Sistemi RadioSatellitari

Sistemi Otticifree space optical. Comm.

4

Sistemi Wireless Terrestri

Radio mobili

Wireless LAN/MAN/PAN

Radio Broadcast

Fixed Wireless Access

Video Broadcast

data rate

mob

ilita

`

Ponti Radio

5

Sistemi Cellulari : Copertura e Mobilita`

x

x

x

x

x

x

x*

x : SRB, stazione radio base* : SRM, stazione radio mobile

- Multi utente

- Alta copertura

- Alta mobilita`

- Riuso frequenze

- Handoff tra due SRB

- Roaming tra due operatori

6

Riuso Frequenze

Consente di ri-utilizzare le frequenzee massimizzare lo sfruttamento dellospettro disponibile

xx

xx

xx

x *

xx

xx

xx

x *

xx

xx

xx

x *

7

Condivisione dello Spettro: Accesso Multiplo

User 1 User 2 User 3

time

frequency

User 1 User 2 User 3

Code 1

Code 2

TDMA : Time Division Multiple Access

FDMA : Frequency Division Multiple Access

CDMA : Code Division Multiple Access

8

Modulazione

sorgente ModulazioneAnalogica o Numerica

9

Evoluzione Sistemi Cellulari

1G- mobilità di base

- servizi di base (voce)- incompatibilità

2G- mobilità avanzata (roaming)- maggiori servizi (voce, dati)

3G- seamless roaming

- servizi avanzati ad alta rate- accesso globale

4G ?- servizi avanzati

- integrazione dei vari sistemi

1980 1990 2000 2010

10

Evoluzione Sistemi Cellulari

1G : Analogici (FM, FDMA, 450 - 800 MHz)

- RTMS, TACS, ETACS (Europa)- AMPS (Nord America)- JTACS, NTACS (Giappone)

2G : Digitali (TDMA - FDMA - CDMA, 800-900 MHz, 1800-1900 MHz)

- GSM (Europa)- IS 54/136, IS 95 (Nord America)- PDC (Giappone)

3G : Digitali (CDMA, 1900-2200 MHz)

- UMTS (Europa)- CDMA 2000 (Nord America) ⇔ ITU - IMT 2000- WCDMA (Giappone)

11

Data Rate

2G: GSM, IS 95, IS-136, PDC

High mobility / coverage

2 Mbit/s

384 kbit/s

144 kbit/s

10 kbit/s

Evolved 2G: GSM GPRS, IS 95 B

IMT 2000

GSM EDGE

12

WLAN e WPAN

WLAN: Wireless Local Area Networks

WLAN 1G : fino a 2 Mb/s, banda 2.4 GHz

- ETSI Hiperlan- IEEE 802.11b

WLAN 2G : fino a 54 Mb/s, banda 5 GHz

- ETSI Hiperlan II- IEEE 802.11a

WPAN: Wireless Personal Area Networks

WPAN 1G: fino a 1 Mb/s

- IEEE 802.15 Bluetooth

WPAN 2G: > 10 Mb/s

- IEEE 802.15 UWB

13

Modello OSI: Protocolli

Physical Layer

Transport channels

Media Access Control

Radio Link Control

Logical channels

BMCPDCP

RRC

Control

Control Plane User Plane

L1

L2

L3

Physical

Link

Network

• RRC: radio resource control• PDCP: packet data convergence protocol• BMC: broadcast/multicast control

14

Rete GSM

BTS BSC MSC/VLR GMSC

HLR/AuC/EIR

BSS

NSS

������������������

�������

Um A

• Um: radio interface• BSS: base station system• BTS: base transceiver station• BSC: base station controller

• NSS: network subsystem• MSC: mobile switching center• VLR: visitor location register• GMSC: gateway MSC• HLR: home location register• Auc: autentication register• EIR: equipment identification register

BTS

BTS

15

Rete UMTS R99Um

BTS BSC MSC/VLR GMSC

HLR/AuC/EIR

BSS CN Circuit Switched Domain

������������������

�������

A

BS RNC SGSN GGSN

UTRAN CN Packet Switched Domain

���������

�������

Uu Gb

VAS

Camel

Wap

Usat

• VAS: value added service platform• Camel: customized application for MN enhanced logic• Wap: wireless application protocol• Usat: UMTS SIM application kit

• RNC: radio network controller• GPRS: general packet radio service• SGSN: serving GPRS support node• GGSN: gateway GPRS support node

16

Trasmissione

17

Schema di Principio Trasmissione

Codificatore Sorgente

Codificatore Canale

ModulatoreNumerico

AmplificatoreLineare

ModulatoreRF

BB

BP

18

Principi di Trasmissione nel GSM

Stream Bit(es. Codificatore vocale)

Suddividi in Pacchetti

Genera Pacchetto Codificato con Codice Convoluzionale

Suddividi in Burst

R 3

Dati 57

Sincronizzazione 26

C 1

C 1

Dati 57

R 3

G 8

Modula con G-MSK (~ BPSK con filtro Gaussiano)

0.577 ms - 270.833 kbit/s

19

Schema di Principio Ricezione

Demodulatore Numerico

Decodificatore Canale

DecodificatoreSorgente

DemodulatoreRF

AmplificatoreLNA

BB

BP

20

Blocchi Fondamentali Cellulare

Parte Radio

Parte BB

DSP/Asic

Parte Controllo

Microproc.

21

Aspetti Critici Parte Banda PassanteProgetto Amplificatori:

- Potenza- Linearita`- Bassa figura di Rumore- Consumo- Dimensioni e Costo

Progetto Modulatore RF:

- Filtri Analogici- Oscillatori di Precisione- DAC e ADC

Progetto Antenne:

- Impatto ambientale- Dimensione (critica se si adottano schiere di antenne)

22

Aspetti Critici Parte Banda Base

Progetto Codifica di Canale e Modulazione:

- Efficienza Spettrale in Canali Wireless:

• robustezza al rumore ⇒ maggiore copertura

• robustezza all’inteferenza ⇒ maggiore capacita`

- Complessita` computazionale

Progetto Codifica di Sorgente:

- Compressione (basso rate ed alta qualita`)- Complessita` computazionale

23

Algoritmi Trasmissione

• Stima di Canale

• Equalizzazione

• Tecniche di cancellazione dell’interferenza

• Progetto di Codici

• Sistemi ad antenne multiple

24

Canale Radiomobile

25

Canale Radio

• Il canale dipende dall’applicazione e frequenza di lavoro:

– LOS, line of sight (ponti radio).

– Satellitare– Radiomobile terrestre

• I segnali radio (30 Mhz - 30 GHz; λ = 10 m - 1 cm) si propagano per:

– onda diretta, scattering troposferico, non riflesse dalla ionosfera– riflessione (λ < Dim. ostacolo)– diffrazione– scattering (λ ~ Dim. ostacolo)

26

Canale Radio Sistemi Cellulari

• Fenomeni associati alla propagazione:

– attenuazione (path-loss)

– fading lento (shadow fading)

• variazioni lente della potenza media ricevuta, dovute a

spostamenti dell’antenna ricevente dell’ordine di 10-100 m.

• causato da ostruzioni quali alberi, fogliame.

– fading rapido (fast fading)

• variazioni rapide della potenza ricevuta, dovute a spostamenti

dell’antenna ricevente dell’ordine di λ.

• causato dai cammini multipli.

27

Path Loss e Shadow Fading

• Propagazione spazio libero

2

( )4

cr tP d P

d

λαπ

=

• Propagazione ambiente radiomobile dipende da:

– ambiente circostante, altezza antenne BS, MS.

10 0 10 0

( )10 log ( ) 10 log ( / ) [ ]

1 rP d

d d d dBmmW

µ β ε= − +

media path loss exponent (2-8) v.a. Gaussiana, m=0

/c cc fλ =

28

Multi-path Fading

Scattering Cluster Principale

R

d

BS sopraelevata e MS circondata da scatterers:

– il segnale ricevuto alla BS e` la sovrapposizione di innumerevoli onde

piane con fase diverse che variano allo spostarsi del mobile per Doppler

shift

– poiche` λ=30 cm (900 MHz) piccoli spostamenti determinano ampi

cambiamenti di fase

l’inviluppo del segnale ricevuto varia rapidamente con forti attenuazioni.

29

Multi-path Fading

Scattering Cluster Principale

R

dD

Scattering Cluster Secondario

– ritardi significativi (rispetto al periodo di simbolo) dovuti a clusters

secondari determinano echi (risolvibili) quindi interferenza di

intersimbolo.

30

Tipico Andamento Segnale Soggetto a Fading

-20

-10

0

10

20

0 1.50.5 1 2 secondi

Potenza (dB)

31

Canale Radio Sistemi Cellulari

Risposta in frequenza piattaNon introduce ISI

Flat Fading

( ; ) ( ) ( )h t tτ α δ τ=

( ; ) ( )H t f tα=

f

|H(f)|

Frequency SelectiveFading

Risposta in frequenza non costanteIntroduce ISI

1

( ; ) ( ) ( )PN

p pp

h t tτ α δ τ τ=

= −∑2

1

( ; ) ( )P

p

Nj f

pp

H t f t e π τα −

=

=∑

f

|H(f)|

32

Equivalente in Banda Base

Equiv. BBCanale

( ) ( )n Tnx t a g t nT= −∑ ( )y t

( )tη

FiltroRicezione

( )z t

( ) ( ) ( ) ( )z t t x t tα η= +1

( ) ( ) ( ) ( )PN

p pp

z t t x t tα τ η=

= − +∑

Flat Fading Frequency SelectiveFading

1 ~p p Tτ τ −−

( ) ( ) ( ; ) ( )z t x t h t d tτ τ τ η= − +∫

33

Flat Fading Lento Rispetto a T

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )n T R RnR R

y kT a t g t nT g kT t dt t g kT t dtα η= − − + −∑ ∫ ∫

( )tα-T/2 T/2

( ) ( )T Rg t g t=

-T/2 T/2

0

0

/ 2

/ 2( ) ( ) ( ) ( ) ( )

T

n T Rn Ty kT a nT g t g kT nT t dt w kTα

−= − − +∑ ∫

34

Flat Slow Fading

-T T

( )g τ

0

( ) ( ) ( )T Rg g t g t dtτ τ= −∫

( ) ( ) ( ) ( )nny kT a nT g kT nT w kTα= − +∑

( ) ( ) (0) ( )ky kT a kT g w kTα= +

0( ) ( ) ( )ky kT a V kT w kTα= +

35

Modulatore in Quadratura

( )ax t

( )y tcos(2 )cf tπ Canale BP

( )bx t

sin(2 )cf tπ−

( ) ( ) ( )a bx t x t jx t= + ( )y tReal{.}

2 cj f te π

Canale BP

inviluppo complesso segnale analitico segnale BP

36

De-Modulatore in Quadratura

ˆ ( )ax t

( )y tcos(2 )cf tπ

Filtro PB

ˆ ( )bx t

sin(2 )cf tπ−Filtro PB

ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( )a bx t x t jx t= +( )y t

2 cj f te π−

Filtro PB

37

Flat Fading

,2 ( )( )

1

( ) Re ( )c D n n

Nj f f t

n nn

y t C e x tπ τ τ+ −

=

= − ∑

• Supponiamo che il canale comprenda N cammini con

– ampiezza Cn

– ritardo τn

– Doppler fD,n

( )x t ( )y tReal{.}

2 cj f te π

Canale BP

,2 ( )( )

1

( ) Re ( ) c D n n

Nj f f t

nn

y t x t C e π ττ + −

=

= −

∑

~nτ τ

38

Supponiamo x(t)=1, portante non modulata

,2 ( )( )

1

( ) Re c D n n

Nj f f t

BP nn

t C e π τα + −

=

= ∑

, cosD n nc

vf ϑ

λ=

nϑv

( ( (on

da n

• v: velocita` del mobile

39

Equivalente in Banda Base (Complesso)

• Le fasi si possono assumere indipendenti ed uniformementedistribuite in [0, 2π)

• Per il teorema limite centrale le componenti in quadratura di α(t) sonoprocesso aleatori Gaussiano. α(t) e` un processo aleatorio Gaussianocomplesso

{ }, ,2 ( )

1

( )

1

1 1

( )

cos ( ) sin ( )

c D n n D n

n

Nj f f f t

nn

Nj t

nn

N N

n n n nn n

t C e

C e

C t j C t

π τ

φ

α

φ φ

− + −

=

−

=

= =

=

=

= −

∑

∑

∑ ∑

40

Fading di Rayleigh

• Prendiamo un campione α(kT)= αa(kT)+j αb(kT)

– ha parte reale ed immaginaria Gaussiane ed indipendenti a media nulla

– la sua fase e` uniformemente distribuita

– il modulo ha distribuzione di Rayleigh

2

| |

2( ) 0r

a

P

r

ap a e a

Pα

−= ≥

– Il modulo quadro ha distribuzione esponenziale

2| |

1( ) 0r

a

P

r

p a e aPα

−= ≥

2

| | ( ) 1 0r

a

PF a e aα

−= − ≥

2| |( ) 1 0r

a

PF a e aα

−= − ≥

2 2( ) ( )a bkT kTα α+

41

Flat Fading: Spettro Doppler

• α(t) si puo’ assumere stazionario in senso lato.

• la sua correlazione (e densita` spettrale di potenza) e` funzione della

distribuzione angolare degli scatteres relativamente alla velocita` del

mobile.

• Modello isotropico di Clarke (valido nelle macrocelle):

– la distribuzione angolare delle onde incidenti e` uniforme

– si puo` dimostrare che le componenti in quadratura sono processi

indipendenti, ciascuno con autocorrelazione, e densita` spettrale

( )0( ) ( ) 2I Q r Dr r P J fα ατ τ π τ= =

2

1( ) ( )

2 1 ( / )I Q

r

D

PW f W f

f fα α π

= =−

42

Funzione di Bessel

-1 -0.5 0 0.5 110

0

101

f \ fd

W(f

) n

orm

aliz

zata

(d

B)

0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.5

0

0.5

1

fDτ

r(τ )

no

rma

lizza

ta

D c

vf f

c=

.

1 93

10.8 100 /c D

coer

f GHz f Hz

T msv km h

= → ==

�

1coerenza

D

Tf

�

0.577 pacchetto GSMT ms=

43

Sintesi

Fast Fading

Flat Frequency Selective

Lento Rispetto a T

Inviluppo: Rayleigh

Spettro Doppler: Modello Isotropico di Clarke

44

Prestazioni ModulazioneNumerica

45

Prestazioni Modulazione BPSK

• Consideriamo:

– sistema di trasmissione numerica BPSK

– canale con flat fading e rumore termico

• Valutiamo la probabilita` di errore

46

Equivalente in BB Sistema BPSK con Fading

ModulatoreBPSK

FiltroTX

Canale

FiltroRX ↓ Decisione

a Soglia

�

( )

( ) ( ) 1jS k k

kT

y kT e E d kT dφ

α

β η= + = ±

( ) ( ) ( )jS kz kT y kT e E d w kTφ β−= = +

• Supponiamo di potere stimare la fase e di correggerla:

47

Regioni di Decisione

Re{ ( )} Re{ ( )}S kU z kT E d w kTβ= = +

( )z kT

Re { z(kT) }

+1-1

Gaussiana, m=0, varianza σ2=N0 / 2

48

Probabilita` di Errore Condizionata

• La probabilita` di errore condizionata da β e` data da:

1 1[ 0 | , 1] [ 0 | , 1]

2 2[ 0 | , 1]

[Re{ ( )} | , 1]

e k k

k

s k

P P U d P U d

P U d

P w kT E d

β β

β

β β

= > = − + < =

= > = −

= > = −

2

0 0

2 2[ ] s sE E

SNR EN N

β= =

( )2SEQ Q SNR

ββ

σ

= =

49

Probabilita` di Errore Media• Ora, la probabilita` media si ottiene:

( )( ) 2

2

0( )

eP E Q SNR

Q aSNR p a da

β

β

β

+∞

=

= ∫

( )0

1 1 11

2 22

aeP e Q aSNR da

SNR

SNR SNR

+∞ −=

= − ≈

+

∫

• Poiche` β2 e` esponenziale a con m=1

50

Confronto

Probabilita` errore canale AWGN Probabilita` errore canale con Fading

( )eP Q SNR=1

2eP

SNR≈

0 5 10 15 2010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

Pe

Fading

AW GN

51

Come Migliorare le Prestazioni ?

A) Codifica di Canale per Correzione Errori

B) Utilizzare Antenne Multiple in Ricezione per Ottenere Diversita`

52

Diversita` d’Antenna

2 GHz 2-RamiDiversita’ spaziale

2 GHz 4-RamiDiversita’ di Polarizzazione

53

Come Migliorare le Prestazioni ?

• βr v.a. di Rayleigh a varianza unitaria

• Indipendenti se le antenne sono spaziate di almeno λ \ 2

• wr v.a. con componenti reale ed immaginarie Gaussiane a media

nulla, varianza σ2=N0/2 ed indipendenti

DemodulatoreNumerico

CombinatoreSegnali

( ) ( ) 1,...,rjr r s k r Az kT e E d w kT r Nφβ= + =

ModulatoreNumerico

54

Tecniche di Diversita’

• Selection Combining:

scegli l’antenna con il migliore SNR !

• Maximal Ratio Combining:

combina i segnali in maniera ottima !

55

MRC

Decisione aSoglia

2

1 1

ˆ( ) ( )A A

r

N Nj

k s r r rr r

z kT d E e w kTφβ β −

= =

= +∑ ∑

11

je φβ −

22

je φβ −

56

Probabilita` di Errore Condizionata

[Re{ ( )} 0 | , 1] [ ( 1) 0]e k kP P z kT d P U dβ= < = = = <

20

1 1

( 1) Re ( )A A

r

N Nj

k r r rr r

U d V e w kTφβ β −

= =

= = +

∑ ∑

Gaussiana, media 2

1

AN

s rr

E β=∑ ,varianza 2

01

/ 2AN

rr

N β=∑

2

21

1020

1

02

1

/ 2

A

A

A

N

Ns rsr

e rNr

rr

EE

P Q QN

N

ββ

β

=

=

=

− = − =

∑∑

∑

57

Probabilita` di Errore Media

Somma di NA v.a. esponenziali, indipendenti, equidistribuite, m=1

Erlang indice NA :

( )eP E Q SNRγ γ = 0

2 sESNR

N=

1

( ) 0( 1)!

ANa

A

ap a e a

Nγ

−−= ≥

−

2

1

AN

rr

γ β=

=∑ 0

2 sTOT A

ESNR N

N=

58

Probabilita` di Errore Media

1

0

11 11 1

2 22 2

2 1 1/ 2 1

A

A

N kN

Ae

k

A

A

N kSNR SNRP

kSNR SNR

NSNR

N

−

=

− + = − + + + ↓ ↓ ↓

−

∑

0SNR >>

2 11

2

ANA

eA

NP

NSNR

− ≈

59

Pe Media BPSK in Fading di Rayleigh

0 2 4 6 8 101214 16182010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Fading Na=1

AW GN

Pe

SNR (dB )

0 2 4 6 8 101214 16182010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

NA*SNR (dB )

Pe

Fading Na=1

AW GN

Na=2

Na=8

Na=2

Na=4

Na=2

Na=2

Na=4

Na=8

0

2 sTOT A

ESNR N

N=

60

Guadagno d’Antenna e di Diversita`

0

2 sTOT A

ESNR N

N=

• Guadagno di antenna, cioe’ di SNR:

• Guadagno di diversita`, cioe’ pendenza curve Pe in scala logaritmica

log ~ log 2e AP N SNR−

61

Antenne Multiple inTrasmissione e Ricezione

62

Capacita` ed Efficienza Spettrale

Capacita’ = Efficienza Spettrale

Numero di Bit/s/Hz che possiamo trasmettere con Probabilita` di Errore

Arbitrariamente Piccola

63

Capacita` Sistemi ad Antenne Multiple

• Si e’ recentemente dimostrato a Bell Labs che la capacita’ cresce

linearmente con il numero di antenne trasmittenti se il numero di

riceventi e’ almeno pari alle trasmittenti.

DecodificatoreSpazio

Temporale

CodiceSpazio

Temporale

64

Capacita` Teorica (di Shannon)

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60Number of Tx/Rx antenna

Cap

acity

in B

its/s

ec/H

z24dB

12dB

6dB

0dB

18dB

Curve per una Probabilita` di 0.99 che la Capacita` sia Tale

65

Integrazione di Antenne in un Laptop

16 Elementi

source: Bell Labs

66

Sistemi Multiportante

67

Modulazione Multiportante0

0( )a lT

10( )Ma lT−

0( )ka lT

( )Tg t

( )Tg t

( )Tg t

02j f te π

2 kj f te π

12 Mj f te π −

Re{.}

0 M-1

M-10

Non-minimale

Minimale

68

Motivazioni

• Viene impiegata quando il canale e` selettivo in frequenza:

– suddivido la banda in tante sottobande ove il canale e` flat

– ciascun sottocanale vede flat fading, dunque privo di ISI

f

|H(f)|

69

OFDM

• OFDM: orthogonal frequency division multiplexing

• E’ una particolare tecnica di modulazione multiportante che adotta

filtri rettangolari e spaziatura di portante 1/MT.

• E’ implementabile digitalmente:

00( )a lT

10( )Ma lT−

0( )ka lTIFFT DACP/S

0T MT= 1 1/k kf f MT−− =

70

OFDM con Prefisso Ciclico

0a

1Ma −

kaIFFT

DAC

Pre

fiss

o C

icli

co

P/S Canale

ADC

S/P

Scar

ta P

refi

ssoo

FFT

0 00H wa +

1 11 M MM H wa − −− +

k kk H wa +

• Supponiamo canale selettivo in frequenza e modellato come

0

( ) ( )PN

pp

h kT kT pTα δ=

= −∑0

( ) ( ) ( )PN

pp

y kT x kT pT w kTα=

= − +∑

2

0

PN j pnn n nMp

p

z a e wπ

α−

=

= +∑• Se il prefisso e’ piu’ lungo della durata del canale eliminiamo l’ISI

71

Conclusioni

• Nelle Trasmissioni Radio Mobili sono importantissimi sia

– lo strato fisico

– che lo strato di rete.

• Il canale radio e’ soggetto a fading. Cio’ rende difficile ma avvincente

l’ottimizzazione delle prestazioni.

• Il sistema deve essere progettato per ottimizzare l’efficienza spettrale

con i vincoli di complessita’.

• Le nuove “enabling technologies” sono

– Modulazione multiportante

– Sistemi ad antenne multiple

– Ultra Wide Band Modulation.