Anno Accademico Antonio Saitto Romeo Giuliano

Presentazione sul tema: "Anno Accademico Antonio Saitto Romeo Giuliano"— Transcript della presentazione:

1 Anno Accademico 2007-2008 Antonio Saitto Romeo Giuliano
Universita’ di TorVergata-Facolta’ di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili (Ia parte) Anno Accademico Antonio Saitto Romeo Giuliano Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

2 Trasmissioni radiomobili
Alcune Informazioni Docenti: Antonio Saitto Romeo Giuliano Modalià d’Esame: Già discusse lezione precedente Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

3 L’importanza del canale radiomobile
Negli ultimi anni il canale radio è diventato l’accesso preferito per comunicare, per gli evidenti vantaggi legati alla mobilità e alla così detta nomadicità. La possibilità di utilizzare una risorsa limitata e quindi pregiata, in modo così esteso e per tante applicazioni (sistemi cellulari, reti WiFi, reti ad hoc, reti WiMax, ecc.) si basa fortemente sulla capacità di ottimizzare da un lato la codifica della sorgente (riduzione di ridondanza), dall’altro di progettare sistemi di trasmissione efficienti e robusti per un ambiente particolarmente difficile come il canale radiomobile. Il corso vuole dare una panoramica degli aspetti più significativi necessari a caratterizzare il canale e a definire le caratteristiche principali degli elementi che condizionano la progettazione dei sistemi radiomobili. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

4 Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni
Il progetto di un sistema di telecomunicazioni, e più in generale di una rete per telecomunicazioni è un compito arduo ed articolato dovendo tenere conto di molti aspetti realizzativi e tecnologici. Nello sviluppo di questo tipo di sistemi sono necessarie numerose competenze che spaziano dal campo dell’elettronica fino all’informatica. Inoltre occorre tenere conto dei requisiti provenienti dalle applicazioni che utilizzano il sistema, dei servizi offerti, delle caratteristiche del mezzo utilizzato per il trasporto della informazione, Delle tecnologie disponibili etc. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

5 Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni
In generale, per semplificare il progetto di un sistema complesso si utilizza il concetto di stratificazione delle funzioni che il sistema deve svolgere inquadrandole all’interno di una gerarchia. Una funzione viene svolta da un modulo. Questo `e rappresentabile come un dispositivo (hardware e/o software (es. processi all’interno di un calcolatore). La funzione eseguita dal modulo `e di supporto per il funzionamento dell’intero sistema. Il progettista del modulo conosce completamente la sua struttura, i dettagli di realizzazione e le operazioni che il modulo può compiere. L’utilizzatore del modulo visto come component in un sistema più ampio, si interessa soltanto delle grandezze di ingresso e di uscita dal modulo e soprattutto della loro relazione funzionale. In questo secondo caso, il modulo viene trattato come una scatola nera. Un modulo può essere unito ad altri moduli per costruire sottosistemi più complessi che, ad un livello più alto sono viste come scatole nere più grandi. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

6 Esempio di gerarchia di moduli incapsulati
Modulo di Alto Livello Black box Modulo semplice Lower level black box Modulo semplice Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

7 Esempio di modello a strati per un sistema di telecomunicazioni
Higher level black box communication system Module Peer Process Lower level black box communication system Module Lower level Peer Process Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

8 Architettura rete OSI External site Subnet node Subnet node
Application Virtual network service Presentation Virtual session Session Virtual link for end to end message Transport Virtual link for end to end packets Physical Interface Data link control Network Virtual link for reliable packets Virtual bit pipe Phisical link Virtual bit pipe Physical Interface Network Data link control Virtual link for reliable packets Phisical link Physical Interface Data link control Network Virtual link for reliable packets Virtual bit pipe Phisical link External site Anno Accademico Subnet node Trasmissioni radiomobili Subnet node External site

9 Trasmissioni radiomobili
Bandwidth vs Mobility Satellite phones Fixed Wireless PSTN WLAN PAN Cordless Phones Third generation mobile phone Second generation 109 108 107 106 105 104 Stationary Nomadic Pedestrian Vehicular train planes Mobility Bandwidth (Hz) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

10 Trasmissioni radiomobili
Bandwidth vs Range Third generation mobile phone Second generation Satellite phones Fixed Wireless PSTN WLAN PAN Cordless Phones 109 108 107 106 105 104 Range Bandwidth (Hz) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

11 Generalita’ sui modelli di un sistema di comunicazione numerica
Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

12 Tipico schema di un sistema di Trasmissione Numerica via radio
Sorgente Codifica di canale MOD Emettitore Tx Antenna Decodif. DEMOD Ricevitore Destinatario Rx Antenna Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

13 Modelli di Canali presenti nel collegamento RM
Canale di Propagazione Descrive il mezzo fisico. È responsabile delle fluttuazioni lente e di quelle rapide tra l’antenna Tx e quella Rx Si suppone che sia rappresentabile con un modello lineare, Il modello però si assume non permanente, ovvero tempovariante,, per tenere in considerazione la caratteristica principali del canale Radiomobile. Canale Radio Include le caratteristiche delle antenne Tx ed Rx e quelle del canale di propagazione. Canale di Modulazione Include oltre il canale radio il sistema di emissione (amplificatore e convertitore) il sistema di modulazione numerica, il sistema di ricezione (Amplificazione a basso rumore e convertitore) e demodulatore Canale Numerico I canale numerico considera i simboli generati dalla sorgente, quelli ricevuti dal destinatario ed il canale che include il canale di modulazione è rappresentato dalla probabilità di identificare il simbolo trasmesso sulla base dei simboli ricevuti Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

14 Canali identificabili in un sistema di comunicazione numerica via radio
Sorgente Codifica di canale MOD Emettitore Tx Antenna Decodif. DEMOD Ricevitore Rx Antenna Destinatario Canale numerico Canaledella modulazione Canale radio/tratta radio Canale di propagazione Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

15 Segnali nel sistema (linearizzazione del canale radio senza rumore)
Canale variante nel tempo h(t,) DEMOD Destinatario Decodif. di canale Sorgente MOD Codifica ak bk s(t) y(t) ck âk y(t)= h(t,)s(t- )d ∫ -  Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

16 Canale digitale con rumore
+ ek h(t,) DEMOD Destinatario Decodif. di canale Sorgente MOD Codifica + n(t) ak bk s(t) y(t) ck âk Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

17 Canale con rumore Gaussiano (AWGN)
h(t,) DEMOD Destinatario Decodif. di canale Sorgente MOD Codifica + n(t) ak bk s(t) y(t) ck âk Rumore gaussiano Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

18 Trasmissioni radiomobili
Processo Gaussiano Processo continuo gaussiano : È un processo del quale si ha la piena conoscenza statistica solo in base alla conoscenza della funzione di densità di probabilità del 2° ordine, nel caso di stazionarietà l´espressione della densità di probabilità del 1° ordine è . Una importante proprietà di questo processo è che la somma di processi gaussiani indipendenti è ancora un processo gaussiano con valor medio somma dei valori medi e varianza somma delle varianze inoltre la somma di n processi arbitrari ma indipendenti è un processo gaussiano per n  secondo quanto affermato dal teorema del limite centrale. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

19 Cenni sul Rumore Gaussiano (a)
È il processo gaussiano risultante dalla somma di numerosi segnali aleatori additivi , in particolare abbiamo un rumore gaussiano bianco se la densità spettrale di potenza è N(f) = N0 = KT= costante cui corrisponde la autocorrelazione Rumore gaussiano stazionario in banda traslata : Consideriamo una generica rappresentazione del rumore in banda traslata  Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

20 Trasmissioni radiomobili
Rumore Gaussiano (b) Rumore Gaussiano +filtro passa basso n(t) B/2 Rumore bianco R(t)=N0d(t)  h(t) h(t)=B sin(ptB) ptB Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

21 Trasmissioni radiomobili
Rumore Gaussiano (c) Rumore gaussiano stazionario in banda traslata Per una generica rappresentazione del rumore in banda traslata i processi in banda base Nc(t) ed Ns(t) risultano gaussiani stazionari e la potenza del rumore in banda traslata si ritrova identica su ciascuno di essi mentre la densità spettrale presenta una larghezza di banda diversa a seconda di come viene scelta fc , in particolare è massima e pari a 2B se fc è ad uno degli estremi della banda traslata mentre è minima e pari a B se fc è al centro della banda traslata. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

22 Trasmissioni radiomobili
Rumore Gaussiano (d) Rumore gaussiano bianco nello spazio dei segnali : Nello spazio con dimensione N tendente all´infinito , una realizzazione del rumore bianco è rappresentabile con un vettore n avente componenti ciascuna con densità di probabilità del 1° ordine   . Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

23 Le relazioni ingresso uscita
Canale radio Uscita Canale della modulazione s(t) g(t,) , n(t) y(t) Canale in banda base s+(t)=u(t)e j2fot g(t)=2{h(t) e j2fot } nB(t)= {n(t) e j2fot } y(t)={z(t) e j2fot } Canale digitale bk ek ck Alfabeto Alfabeto di ingresso ak Probabilità condizionata Alfabeto di uscita âk Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

24 Rappresentazione passabanda e di banda base dei segnali
Segnale passabanda: s(t)=A(t)cos[2f0t+(t)] ={s+(t) } ponendo: I(t)=A(t)cos[(t)] Q(t)=A(t)sin[(t)] L’inviluppo complesso e’: u(t)=I(t)+jQ(t) s+(t)=u(t)e j2fot e: Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

25 Rappresentazione nel Dominio della Frequenza
u(t)=I(t)+jQ(t) s(t)= {u(t)ej2pfot }=I(t)cos(2pf0t)-Q(t)sin(2pf0t) S(f)=½ {U(f-f0)+U*(-f-f0)} S(f)={S+(f)+S-(f)} Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

26 Spettro di Fourier del segnale
S(f)= 1/2[U(f-f0)+U*(-f-f0)] f Caso tipico f0>Banda dell’inviluppo complesso Caso generale f0 e’ paragonabile alla Banda dell’inviluppo complesso Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

27 Caso Generale S(f)=½ {U(f-f0)+U*(-f-f0)} ={S+(f)+S-(f)}
f0 e’ paragonabile alla Banda dell’inviluppo complesso S+(f)= ½ S(f)[1+sgn(f)] Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

28 Espressione generale nel tempo
S+(f)= ½ S(f)[1+sgn(f)] S+(f)= ½S(f)+ ½ sgn(f)S(f) La antitrasformata di S(f) è s(t), l’antitrasformata del secondo termine è data dalla funzione di correlazione fra le antitrasformate di S(f) e sgn(f) ; quindi: s+(t)= ½s(t)+ ½ ∫ -  p(t-t) js(t) dt =½s(t)+ ½š(t) Trasformata di Hilbert H[s(t)] s(t)=-H[š(t)] XH(f)=-jsgn(f)X(f) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

29 Trasmissioni radiomobili
Rappresentazione della Trasformata di Hilbert nel dominio della frequenza S+(f) ½ S(f) ½ sgn(f)S(f) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

30 Trasmissioni radiomobili
Rappresentazione semplificata per i segnali f0>Banda dell’inviluppo complesso U(f-f0)=0, se f<0 U(-f-f0)=0, se f>0 Si può rappresentare quindi il segnale con le componenti I e Q del suo inviluppo complesso in ogni fase della sua evoluzione lungo il canale radio Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

31 Rappresentazione della risposta impulsiva
Detta g(t) la risposta impulsiva reale: g(t)=2{h(t) e j2fot } dove: h(t)=hI(t)+jhQ(t) E lo spettro di Fourier risulta: G(f)=H(f-f0)+H*(-f-f0) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

32 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(1)
Detto y(t) il segnale di uscita reale: y(t)={z(t) e j2fot } dove: z(t)=zI(t)+jzQ(t) E lo spettro di Fourier risulta: Y(f)= 1/2[Z(f-f0)+Z*(-f-f0)] Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

33 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(2)
Y(f) risulta: Y(f)=G(f)S(f) Da cui nel caso f0>Banda inviluppo complesso: Z(f-f0)+Z*(-f-f0)= [H(f-f0)+H*(-f-f0)][U(f-f0)+U*(-f-f0)] Z(f-f0)+Z*(-f-f0)= H(f-f0)U(f-f0)+ H*(-f-f0)U*(-f-f0) E quindi: Z(f)= H(f)U(f) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

34 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(3)
z(t) e’ la convoluzione di h(t) e u(t) si ha quindi: z(t)=h(t)u(t) Sostituendo le espressioni in fase e quadratura per z(t), h(t) e u(t) si ha: zI(t)=hI(t)I(t)-hQ(t)Q(t) zQ(t)=hI(t)Q(t)+hQ(t)I(t) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

35 Trasmissioni radiomobili
Rappresentazione del processo di rumore AWGN in componenti di banda base Si assume che il processo gaussiano sia considerato all’uscita di un filtro ideale passa banda centrato sulla frequenza f0 H(f)= 1 per f0-B/2<f < f0-B/2 0 altrimenti L’inviluppo complesso n(t), associato al processo di rumore nB(t) si puo’ quindi rappresentare come: nB(t)= {n(t) e j2fot } Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

36 Front end RF-IF: frequenza immagine
X x(t) cos(2flot) y(t) X(f) + - Non e’ piu’ possibile filtrare e l’interferenza e’ ineliminabile Filtro immagine Y(f) + - Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

37 Front end RF-IF eliminazione diretta della frequenza immagine
x(t) X 90 cos(2flot) yI(t) yQ(t) -sin(2flot) X(f) X x(t) cos(2flot)-jsin(2flot) yI(t)+j yQ(t) Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

38 Schema di un Front-end eterodina
Digital Signal Processor Antenna Baseband filter X ~ ADC DSP Lo1 Lo2 Variable amplifier LNA Preselection filter IR filter Channel select filter Conversione analogica digitale Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

39 Vantaggio della “selettivita’” del ricevitore eterodina
Preselection filter IR filter Channel select filters Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

40 Trasmissioni radiomobili
Filtro di banda base Channel select filters Baseband filter Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

41 Schema di un Front-end omodina
X ~ ADC DSP Lo Antenna Preselection filter LNA Baseband Conversione analogica digitale Digital Signal Processor Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

42 Auto interference e LO self mixing per un ricevitore omodina
Antenna Baseband filter X ~ Lo Preselection LNA Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

43 Canale di trasmissione radiomobile
Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

44 Propagazione in Spazio Libero
Nello spazio libero la potenza ricevuta decresce con il quadrato della distanza Dipende dal Guadagno dell’antenna trasmittente Dall’area equivalente dell’antenna ricevente Pr(d) = PtGtAreff 4d2 Attenuazione in Spazio Libero Gr = 4pAreff l2 Pr(d) = PtGtGr ( )2= PtGtGr Asl(d,f) 4d l Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

45 Il canale radiomobile: fluttuazioni lente o di larga scala
Il canale radiomobile pone importanti limitazioni alle prestazioni dei sistemi radio. a differenza delle caratteristiche delle trasmissioni che utilizzano il cavo, le quali sono stazionarie e predicibili quelle del canale radio sono estremamente variabili e spesso di difficile analisi. La modellizzazione del canale radio è stata da sempre una delle parti più difficili del progetto dei sistemi radio. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

46 Meccanismi fisici di propagazione nello spazio con ostacoli
Ētot= Ēdir+ Ērifl+ Ēdiffr+ Ēdiff Raggio diretto Line of Sigth Raggio diffratto Raggio diffuso Raggio riflesso Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

47 Trasmissioni radiomobili
Il caso Radiomobile Se il terminale comunica attraverso un percorso in linea di vista non ostruito, ci si aspetta che la diffrazione e la diffusione siano poco influenti. Viceversa, se il terminale si muove a livello di strada in assenza di un percorso in linea di vista la diffrazione e la diffusione saranno invece i meccanismi di propagazione dominanti. Raggio diffuso Raggio riflesso Raggio diffratto Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

48 Modelli su grande scala e piccola sala
Tradizionalmente i modelli di propagazione cercano di predire la potenza media del segnale ricevuto ad una certa distanza e nelle sue vicinanze. Tali modelli sono chiamati modelli di larga scala la potenza del segnale fluttua rapidamente variando di poche lunghezze d’onda la posizione del rice-trasmettitore mobile . Si parla in questo caso di modelli di piccola scala. Questo fenomeno è dovuto al fatto che in ogni punto dell’area in cui il mobile si viene a trovare, il campo ricevuto è dato dalla somma dei campi diretto e/o riflesso e/o diffratto e/o diffuso. Si osserva che la potenza istantanea ricevuta può variare significativamente anche di 20 dB e fino a 40 dB. Ciò si puà anche verificare se il ricevitore si muove di una frazione della lunghezza d’onda. La modellizzazione è molto complessa. Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

49 Fluttuazioni su grande scala e piccola scala
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50 Coefficiente di riflessione (1)
Costante dielettrica del terreno c= 0[r+ /(2jf 0)] 0=8.854x10-12 [Coulomb2/Newton m2] Coefficienti di riflessione V= c /0sin(i)- (c /0)-cos2(i) c /0sin(i)+ (c /0)-cos2(i) i sin(i)+ (c /0)-cos2(i) sin(i)- (c /0)-cos2(i) H= Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

51 Coefficiente di riflessione (2)
Esempio di andamento dei coefficienti di riflessione per polarizzazione orizzontale e verticale per fo=1.8 GHz Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

52 Modello di canale mobile a banda stretta
Assumiamo di trasmettere un segnale sinusoidale a frequenza f0, e j(2fot), la risposta in uscita di un canale lineare si puo’ scrivere come: y(t)={r(t) e j(2fot+(t) } Il contributo complesso del canale risulta quindi : Assumendo una velocita’ costante del mobile v, si puo’ usare una dipendenza da d=vt per a0(d) e m(d): H(t)=a(t) e j(t) d(t) a(t)=a0(t)m(t) dove: a0(t)= fluttuazione veloce m(t)= fluttuazione lenta Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

53 Fluttuazione lenta A meno di una fase costante
»  /(4d)(e ) -j{2 p [(h b h m ) /(d l )} Ed »  /(4d)(e ) -j2 /{(d2+(hb-hm)2}1/2 x d Er  /(4d)(e ) -j2 /{(d2+(hb+hm)2}1/2 j{2 p [(h b h m ) /(d l )} »  /(4d)(e ) Se =-1, valido per d >> hb sia per polarizzazione orizzontale,che verticale: Attenuazione =A(d2/hbhm)2 hb hm Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

54 Attenuazione lenta complessiva
Pr(d) = PtGtGr Asl(d,f) AR(ht,hr,d,f) Asl(d,f) AR(ht,hr,d,f)= d4 (hthr)2 Questa approssimazione vale solo per riflessioni con piccoli angoli d’incidenza Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

55 Variazione lenta del campo totale: esempio di attenuazione A
Altezza antenna hb= 35 m Altezza utente hm= 1.4m Frequenza f0= 1.8 GHz Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

56 Prima Zona di Fresnel (= free line of sigth) Diffrazione
½ Dprima zona dto d Dprima zona=2(dto(d- dto)/d) maxfase D2prima zona d/[4dto(d- dto)]= Anno Accademico Trasmissioni radiomobili

57 Esempio dell’ellissoide di Fresnel
Distanza fra le antenne: 10 Km Frequenza: 1.8 GHz Nel caso di trasmissione radiomobile la prima zona di Fresnel non e’ mai libera da ostacoli. Sono fondamentali quindi i contributi riflesso, diffratto e diffuso Anno Accademico Trasmissioni radiomobili