Mobile CommunicationsChapter 2: Wir

Mobile Communications
Chapter 2: Wireless Transmission
• Frequencies
• Signals, antennas, signal propagation
• Multiplexing
• Spread spectrum, modulation
• Cellular systems








1


Frequencies for communication

● VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency
● LF = Low Frequency SHF = Super High Frequency
● MF = Medium Frequency EHF = Extra High Frequency
● HF = High Frequency UV = Ultraviolet Light
● VHF = Very High Frequency

● Frequency and wave length
●  = c/f
● wave length , speed of light c  3x108m/s, frequency f


twisted pair

coax cable


optical transmission




1 Mm
300 Hz

10 km
30 kHz

100 m
3 MHz

1 m
300 MHz

10 mm
30 GHz

100 m
3 THz

1 m
300 THz




VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF infrared visible light UV

Frequencies for mobile communication
● VHF-/UHF-ranges for mobile radio
● simple, small antenna for cars
● deterministic propagation characteristics, reliable connections
● SHF and higher for directed radio links, satellite communication
● small antenna, beam forming
● large bandwidth available
● Wireless LANs use frequencies in UHF to SHF range
● some systems planned up to EHF
● limitations due to absorption by water and oxygen molecules (resonance frequencies)
● weather dependent fading, signal loss caused by heavy rainfall etc.


3


Frequencies and regulations
● ITU-R holds auctions for new frequencies, manages frequency bands worldwide (WRC, World Radio Conferences)

Examples Europe USA Japan Việt Nam
Cellular GSM 880-915, AMPS, TDMA, PDC, FOMA 810- GSM 880-915,
phones 925-960, 1710-
1785, 1805-1880 CDMA, GSM 824-
849, 869-894 888, 893-958
PDC 1429-1453, 925-960, 1710-
1785, 1805-1880
UMTS 1920- TDMA, CDMA, 1477-1501 UMTS 1900-1980,
1980, 2110-2170 GSM, UMTS 1850-
1910, 1930-1990 FOMA 1920-
1980, 2110-2170 2010-2025, 2110-
2170
Cordless CT1+ 885-887, PACS 1850-1910, PHS 1895-1918 DECT 1895-1900
phones 930-932 1930-1990 JCT 245-380
CT2 864-868 PACS-UB 1910-
DECT 1880-1900 1930
Wireless 802.11b/g 802.11b/g 2412- 802.11b 2412- 802.11b/g 2400-
LANs 2412-2472 2462 2484 2483
802.11g 2412-
2472 802.11a
5150-5350
Other RF 27, 128, 418, 315, 915 426, 868
systems 433, 868





Signals I
● physical representation of data
● function of time and location
● signal parameters: parameters representing the value of data
● Classification
● analog signal = continuous values
● digital signal = discrete values
● signal parameters of periodic signals:
period T, frequency f=1/T, amplitude A, phase shift 
● sine wave as special periodic signal for a carrier: s(t) = At sin(2  ft t + t)

5





Signals II
● Different representations of signals
● amplitude (amplitude domain)
● frequency spectrum (frequency domain)
● phase state diagram (amplitude M and phase  in polar coordinates)

A [V]

A [V]

Q = M sin 




t[s]


I= M cos 


 f [Hz]

● Composed signals transferred into frequency domain using Fourier transformation
● Digital signals need
● infinite frequencies for perfect transmission
● modulation with a carrier frequency for transmission (analog signal!)
6





Antennas: isotropic radiator
● Radiation and reception of electromagnetic waves, coupling of wires to space for radio transmission
● Isotropic radiator: equal radiation in all directions (three dimensional) - only a theoretical reference antenna
● Real antennas always have directive effects (vertically and/or horizontally)
● Radiation pattern: measurement of radiation around an antenna

z
y z
y x ideal
x isotropic
radiator




7





Antennas: simple dipoles
● Real anten t, e.g., dipoles
with lengt tzian dipole
 shape of gth



● Example: R zian dipole
y

simple
x dipole

side view (xy-pl ane)
● Gain: maximum power in the direction of the main lobe compared to the power of an isotropic radiator (with the same average power)

8

Antennas: directed and sectorized
● Often used for microwave connections or base stations for mobile phones (e.g., radio coverage of a valley)

y y z


x z


directed
x antenna




side view (xy-plane)

side view (yz-plane)

top view (xz-plane)



z
z


x sectorized
x antenna




9 top view, 3 sector

top view, 6 sector





Antennas: diversity
● Grouping of 2 or more antennas
● multi-element antenna arrays
● Antenna diversity
● switched diversity, selection diversity
● receiver chooses antenna with largest output
● diversity combining
● combine output power to produce gain
● cophasing needed to avoid cancellation




/4


/2


/4


/2

/2

/2




+ +

ground plane
10




MIMO
● Multiple-Input Multiple-Output
● Use of several antennas at receiver and transmitter
● Increased data rates and transmission range without additional transmit power or bandwidth via higher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fading
● Examples
● IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …
● Functions
● “Beamforming”: emit the same signal from all antennas to maximize signal power at receiver antenna
● Spatial multiplexing: split high-rate signal into mu

Kết quả (Việt) 1:

Thông tin liên lạc điện thoại di độngChương 2: Truyền tải không dây• Tần số• Tín hiệu, ăng ten, tín hiệu tuyên truyền• Ghép kênh• Lây lan phổ, điều chế• Hệ thống di động1 Tần số cho các thông tin liên lạc● BOÅ = tần số rất thấp UHF = siêu cao tần● LF = tần số thấp SHF = siêu cao tần● MF = tần số trung bình hạng = phụ cao tần● HF = tần số cao UV = ánh sáng tia cực tím● VHF = tần số rất cao● tần số và sóng dài●  = c/f● sóng dài , tốc độ của ánh sáng c  3x108m/s, tần số f xoắn đôi cáp đồng trục truyền dẫn quang 1 mm300 Hz 10 km30 kHz 100 m3 MHz 1 m300 MHz 10 mm30 GHz 100 m3 THz 1 m300 THz BOÅ LF MF HF VHF UHF SHF hạng có thể nhìn thấy tia UV Tần số cho các thông tin liên lạc điện thoại di động● VHF-/ UHF-phạm vi cho đài phát thanh di động● đơn giản, nhỏ ăng ten xe ô tô● đặc điểm xác định tuyên truyền, kết nối đáng tin cậy● SHF và cao hơn cho các liên kết chỉ đạo các đài phát thanh, truyền hình vệ tinh● ăng ten nhỏ, chùm tạo thành● lớn băng thông có sẵn● mạng Lan không dây sử dụng tần số UHF để SHF tầm● một số hệ thống kế hoạch đến EHF● những hạn chế do sự hấp thụ phân tử nước và ôxy (cộng hưởng tần số)● phụ thuộc vào thời tiết mờ dần, tín hiệu mất do mưa vv.3 Tần số và các quy định● ITU-R tổ chức phiên đấu giá cho tần số mới, quản lý tần số ban nhạc trên toàn thế giới (WRC, thế giới Radio hội nghị)Ví dụ Europe Mỹ Nhật bản Việt NamTế bào GSM 880-915, AMPS, TDMA, PDC, FOMA 810-GSM 880-915,điện thoại 925-960, 1710-NĂM 1785, 1805-1880 CDMA, GSM 824-849, 869-894 888, 893-958PDC 1429 – 1453, 925-960, 1710-năm 1785, 1805-1880 UMTS 1920-TDMA, CDMA, 1477-1501 UMTS 1900 – 1980, NĂM 1980, 2110-2170 GSM, UMTS 1850-NĂM 1910, 1930-1990 FOMA 1920 -năm 1980, 2110-2170 2010-2025, 2110-2170Cordless CT1 + 885-887, PACS 1850-1910, PHS 1895-1918 DECT 1895-1900điện thoại [phone] JCT 245-380 CT2 864-868 PACS-UB 1910- DECT 1880-1900 1930 Wireless 802.11b / g 802.11b / g 2412 - 802.11b 2412 - 802.11b / g 2400 -LANs 2412-2472 2462 2484 2483 802.11g 2412-2472 802.11a5150 5350Khác RF 27, 128, 418, 315, 915 426, 868 Hệ thống 433, 868 Tín hiệu tôi● đại diện vật lý của dữ liệu● chức năng của thời gian và địa điểm● tín hiệu tham số: tham số đại diện cho giá trị của dữ liệu● phân loạiTín hiệu analog ● = giá trị liên tụcTín hiệu kỹ thuật số ● = giá trị rời rạc● thông số tín hiệu của tín hiệu định kỳ:khoảng thời gian T, tần số f = 1/T, biên độ A, giai đoạn thay đổi ● sine wave như là đặc biệt kỳ tín hiệu cho một tàu sân bay: s(t) = tại sin (2  ft t + t)5 Tín hiệu II● đại diện khác nhau của tín hiệu● biên (biên độ tên miền)● phổ tần số (tần số tên miền)● giai đoạn trạng thái Sơ đồ (biên độ M và giai đoạn  trong hệ tọa độ cực) [V] [V] Q = M sin  t [s] Tôi = M cos   f [Hz]● Composed tín hiệu chuyển vào phạm vi tần số sử dụng biến đổi Fourier● kỹ thuật số tín hiệu cần thiết● tần số vô hạn cho truyền tải hoàn hảo● điều chế với một tần số tàu sân bay cho bộ truyền động (tín hiệu analog!)6 Ăng-ten: tản nhiệt đẳng hướng● bức xạ và quầy lễ tân của sóng điện từ, các khớp nối của các dây điện để không gian cho các đài phát thanh truyền● đẳng hướng tản nhiệt: bằng bức xạ ở tất cả các hướng (ba chiều) - chỉ là một ăng-ten tham khảo lý thuyết● ăng ten thực tế luôn luôn có tác dụng chỉ thị (theo chiều dọc hoặc theo chiều ngang)● bức xạ mô hình: đo bức xạ xung quanh một ăng-tenzy zy x lý tưởngx đẳng hướngbộ tản nhiệt7 Ăng-ten: đơn giản dipoles● Real anten t, ví dụ: dipolesvới lengt tzian lưỡng cực hình dạng của gth● Ví dụ: R zian lưỡng cựcyđơn giảnx lưỡng cựcSide view (xy-pl ane)● đạt được: công suất tối đa theo hướng chính thùy so với sức mạnh của một tản nhiệt đẳng hướng (với công suất trung bình tương tự)8 Ăng-ten: đạo và sectorized● Thường được dùng cho lò vi sóng kết nối hoặc cơ sở trạm cho điện thoại di động (ví dụ, vùng phủ sóng đài phát thanh của một thung lũng) y y zx z đạo diễnx ăng-ten Side xem (xy máy bay) Side xem (yz máy bay) đầu xem (xz máy bay) zzx sectorizedx ăng-ten 9 quan điểm trên, ngành 3 quan điểm trên, 6 lĩnh vực Ăng-ten: đa dạng● Nhóm của 2 hoặc nhiều ăng-ten● đa nguyên tố ăng-ten mảng● Antenna đa dạng● chuyển đa dạng, đa dạng lựa chọn● người nhận đã chọn ăng-ten với sản lượng lớn nhất● đa dạng kết hợp● kết hợp sản lượng điện sản xuất tăng● cophasing cần thiết để tránh bị hủy bỏ /4 /2 /4 /2 /2 /2 + +bay mặt đất10 MIMO● Nhiều đầu vào đa dạng● sử dụng nhiều ăng ten thu và phát● Tăng tốc độ dữ liệu và truyền tải tầm hoạt động mà không cần bổ sung truyền tải điện hoặc băng thông qua hiệu quả quang phổ cao hơn, cao hơn liên kết mạnh mẽ, giảm mờ dần● Ví dụ● IEEE 802.11n, LTE, HSPA +...● chức năng● "Beamforming": phát ra những tín hiệu tương tự từ tất cả các ăng-ten để tối đa hóa sức mạnh tín hiệu tại ăng-ten thu● ghép kênh không gian: chia tỷ lệ cao tín hiệu vào mu

Kết quả (Việt) 2:

Truyền thông di động
Chương 2: Mạng không dây
• Tần số
• Tín hiệu, ăng ten, truyền tín hiệu
• Multiplexing
• trải phổ, điều chế
• Hệ thống Cellular 1 tần số cho truyền thông ● VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency ● LF = Low Frequency SHF = Super High tần ● MF = trung tần EHF = tắm High Frequency ● HF = High Frequency UV = Ultraviolet Light ● VHF = tần số rất cao ● tần số và độ dài sóng ●  = c / f dài ● sóng , tốc độ của ánh sáng c  3x108m / s , tần số f xoắn đôi cáp đồng trục truyền dẫn quang 1 mm 300 Hz 10 km 30 kHz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 m 3 THz 1 m 300 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy UV tần số cho thông tin di động ● VHF- / UHF-dãy cho điện thoại di động phát thanh ● đơn giản, ăng-ten nhỏ cho xe ô tô ● đặc tính truyền sóng xác định, các kết nối đáng tin cậy ● SHF và cao hơn cho các liên kết phát thanh trực tiếp, truyền hình vệ tinh ● ăng-ten nhỏ, chùm hình thành ● băng thông lớn có sẵn ● Mạng LAN không dây sử dụng tần số trong phạm vi UHF để SHF ● một số hệ thống kế hoạch lên đến EHF ● hạn chế do sự hấp thụ bởi các phân tử nước và oxy (tần số cộng hưởng) ● tiết phụ thuộc mờ dần, mất tín hiệu gây ra bởi mưa lớn, vv 3 tần số và quy định ● ITU -R giữ đấu giá tần số mới, quản lý băng tần trên toàn thế giới (WRC, radio thế giới Conferences) Ví dụ Âu Mỹ Nhật Bản Việt Nam Cellular GSM 880-915, AMPS, TDMA, PDC, FOMA 810- GSM 880-915, điện thoại 925-960, 1710- 1785, 1805-1880 CDMA, GSM 824- 849, 869-894 888, 893-958 PDC 1429-1453, 925-960, 1710- 1785, 1805-1880 UMTS 1920- TDMA, CDMA, 1477-1501 UMTS 1900 -1980, 1980, 2110-2170 GSM, UMTS 1850- 1910, 1930-1990 FOMA 1920- 1980, 2110-2170 2010-2025, 2110- 2170 Cordless CT1 + 885-887, PACS 1850-1910, PHS 1895-1918 DECT 1895 -1900 điện thoại [phone] JCT 245-380 CT2 864-868 PACS-UB 1910- DECT 1880-1900 1930 không dây 802.11b / g 802.11b / g 2412- 802.11b 2412- 802.11b / g 2400- LAN 2412 -2472 2462 2484 2483 802.11g 2412- 2472 802.11a 5150-5350 khác RF 27, 128, 418, 315, 915 426, 868 hệ thống 433, 868 tín hiệu tôi ● đại diện vật lý của dữ liệu ● hàm của thời gian và vị trí ● tín hiệu thông số: thông số đại diện cho các giá trị của dữ liệu ● Phân loại tín hiệu = giá trị liên tục ● analog ● tín hiệu kỹ thuật số = giá trị rời rạc thông số ● tín hiệu của tín hiệu định kỳ: thời kỳ T, tần số f = 1 / T, biên độ A, giai đoạn chuyển đổi  ● sóng sin như đặc biệt tín hiệu định kỳ một chiếc tàu: s (t) = Tại sin (2  ft t + t) 5 tín hiệu II ● đại diện khác nhau của tín hiệu ● biên độ (miền biên độ) phổ ● tần số (tần số tên miền) sơ đồ nhà nước ● pha (biên độ M và giai đoạn  trong tọa độ cực) A [V] A [V] Q = M sin ​​ t [s]  I = M cos   f [Hz] ● tín hiệu sáng tác chuyển vào miền tần số sử dụng Fourier chuyển đổi ● tín hiệu kỹ thuật số cần ● tần số vô hạn cho hoàn hảo truyền ● điều chế với tần số sóng mang để truyền (tín hiệu tương tự!) 6 Anten: đẳng hướng tản nhiệt ● bức xạ và nhận sóng điện từ, khớp nối dây để không gian cho đài phát thanh truyền ● đẳng hướng tản nhiệt: bức xạ bình đẳng trong tất cả các hướng (ba chiều) - chỉ là một tài liệu tham khảo lý thuyết anten ● Bất anten luôn có tác dụng chỉ thị (theo chiều dọc và / hoặc chiều ngang) mẫu ● bức xạ: đo lường bức xạ xung quanh một ăng-ten z y z y lý tưởng x x đẳng hướng tản nhiệt 7 anten: lưỡng cực đơn giản ● Bất anten t, ví dụ như, lưỡng cực với lengt lưỡng cực tzian  hình thứ g ● Ví dụ: R zian lưỡng cực y đơn giản x lưỡng cực xem mặt (xy-pl ane) ● Gain: công suất tối đa theo hướng thùy chính so với sức mạnh của một bức xạ đẳng hướng (với cùng một công suất trung bình) 8 anten: đạo diễn và sectorized ● thường được sử dụng cho các kết nối vi sóng hoặc các trạm gốc cho điện thoại di động (ví dụ, phủ sóng phát thanh của một thung lũng) YYZ xz đạo x ăng-ten bên view (xy-máy bay) xem mặt (phẳng yz) hàng đầu view (xz) z z x sectorized x ăng ten 9 xem đầu, 3 ngành xem đầu, 6 ngành anten: đa dạng ● Phân nhóm 2 hoặc nhiều anten ● nhiều nguyên tố anten mảng ● Antenna đa dạng ● chuyển đa dạng, lựa chọn đa dạng ● nhận chọn ăng-ten với lớn đầu ra ● đa dạng kết hợp ● kết hợp sức mạnh sản lượng sản xuất tăng ● cophasing cần thiết để tránh hủy  / 4  / 2  / 4  / 2  / 2  / 2 + + máy bay mặt đất 10 MIMO ● Multiple-Input Multiple -Output ● Sử dụng nhiều anten ở máy thu và máy phát ● tăng tốc độ dữ liệu và phạm vi truyền dẫn mà không truyền tải điện năng bổ sung hoặc băng thông qua hiệu suất phổ cao hơn, liên kết mạnh mẽ hơn, giảm mờ dần ● Ví dụ ● IEEE 802.11n, LTE, HSPA +, ... ● Chức năng ● "Chùm": phát ra các tín hiệu tương tự từ tất cả các ăng-ten để tối đa hóa công suất tín hiệu tại anten thu ● ghép kênh không gian: tín hiệu suất cao chia thành mu