Universita’ di TorVergata-Facolta’ di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( Ia parte)

1. Universita’ di TorVergata-Facolta’ di IngegneriaTrasmissioni Radiomobili (Iaparte) Anno Accademico 2007-2008 Antonio Saitto Romeo Giuliano Trasmissioni radiomobili

2. Alcune Informazioni • Docenti: • Antonio Saitto antonio.saitto@telepazio.com • Romeo Giuliano romeo.giuliano@uniroma2.it • Modalià d’Esame: • Già discusse lezione precedente 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. 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. 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. Trasmissioni radiomobili

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

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

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

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

10. Bandwidth (Hz) 109 PAN 108 WLAN Fixed Wireless 107 106 Third generation mobile phone Satellite phones 105 PSTN Cordless Phones Second generation mobile phone 104 1 10 100 1000 10000 100000 Range Bandwidth vs Range Trasmissioni radiomobili

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

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

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

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

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

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

18. 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. Trasmissioni radiomobili

19. Cenni sul Rumore Gaussiano (a) • Rumore Gaussiano : • 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  Trasmissioni radiomobili

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

21. 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. Trasmissioni radiomobili

22. 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   . Trasmissioni radiomobili

23. Le relazioni ingresso uscita Trasmissioni radiomobili

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

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

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

28. s+(t)= ½s(t)+ ½∫ - Trasformata di Hilbert H[s(t)] s(t)=-H[š(t)] XH(f)=-jsgn(f)X(f) js(t)  dt p(t-t) Espressione generale nel tempo S+(f)= ½S(f)[1+sgn(f)] S+(f)= ½S(f)+ ½sgn(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: =½s(t)+ ½š(t) Trasmissioni radiomobili

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

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

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

32. dove: z(t)=zI(t)+jzQ(t) E lo spettro di Fourier risulta: Y(f)= 1/2[Z(f-f0)+Z*(-f-f0)] 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 } Trasmissioni radiomobili

33. 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)] E quindi: Z(f)= H(f)U(f) Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(2) Y(f) risulta: Y(f)=G(f)S(f) Z(f-f0)+Z*(-f-f0)= H(f-f0)U(f-f0)+ H*(-f-f0)U*(-f-f0) 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) Trasmissioni radiomobili

35. 1perf0-B/2<f <f0-B/2 0altrimenti H(f)= Rappresentazione del processo di rumore AWGNin componenti di banda base Si assume che il processo gaussiano sia considerato all’uscita di un filtro ideale passa banda centrato sulla frequenza f0 L’inviluppo complesso n(t), associato al processo di rumore nB(t) si puo’ quindi rappresentare come: nB(t)= {n(t) e j2fot } Trasmissioni radiomobili

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

37. X x(t) yI(t)+j yQ(t) cos(2flot)-jsin(2flot) X yI(t) 0 cos(2flot) 90 cos(2flot) x(t) -sin(2flot) X yQ(t) Front end RF-IF eliminazione diretta della frequenza immagine X(f) Trasmissioni radiomobili

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

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

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

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

42. ~ ~ ~ ~ Baseband filter Antenna ~ ~ ~ X LNA Lo Preselection filter X Auto interference e LOself mixing per un ricevitore omodina Trasmissioni radiomobili

43. Canale di trasmissione radiomobile Trasmissioni radiomobili

44. PtGtAreff Pr(d)= 4d2 4pAreff Gr= l2 l Pr(d)= PtGtGr ( )2= PtGtGr Asl(d,f) 4d 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 Attenuazione in Spazio Libero Trasmissioni radiomobili

45. Il canale radiomobile: fluttuazionilente 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. 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 Trasmissioni radiomobili

47. 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 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. Trasmissioni radiomobili

49. Fluttuazioni su grande scala e piccola scala Trasmissioni radiomobili

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