Princípios das comunicações sem fio

Transcrição

1 Introdução à Computação Móvel Prof. Francisco José da Silva e Silva Prof. Rafael Fernandes Lopes Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PPGCC) Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Princípios das comunicações sem fio

2 Comunicações sem fio Computação móvel depende da existência de tecnologias de comunicação sem fio Anytime, anywhere, anything Meios de se comunicar a qualquer momento e em qualquer localização geográfica Transmissão de informações (e.g., voz, vídeo e dados) Com baixo custo, flexibilidade e robustez

3 Transmissão da informação Como representar a informação? Sinais! Sinais são gerados como representações físicas dos dados Gerados na camada física Classificação: Tempo contínuo / tempo discreto Valores contínuos / valores discretos Sinal analógico = tempo contínuo e valores contínuos Sinal digital = tempo discreto e valores discretos Não é viável transmitir sinais digitais em meios sem fio... Por que???

4 Domínio do tempo x Domínio da frequência Domínio do tempo Domínio da frequência A partir de um é possível recuperar o outro a partir da Transformada de Fourier

5 Composição de sinais

6 Decomposição de sinais: série de Fourier

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8 Série de Fourier: onda dente de serra

9 Série de Fourier: sinal digital Como gerar um sinal digital perfeito???? Fazendo o número de sinais utilizados na composição tender ao infinito!

10 Voltando à questão original: por que não transmitir sinais digitais em meios sem fio? Entre os vários motivos, destacamos dois: 1. O sinal digital puro (0 s e 1 s traduzidos em níveis de tensão ou corrente) não poderia ser diretamente transmitido Sinais DC não são irradiados em meios sem fio Sinais AC devem ser utilizados OK! 2. Grande ocupação de largura de banda

11 Largura de banda Sinais no domínio do tempo e da frequência têm uma relação oposta: Menor a duração no tempo => maior largura na frequência, e vice-versa f = 1/T

12 Frequências para comunicações

13 Frequências para comunicações

14 Frequências e regulamentação ITU (International Telecommunications Union), localizado em Geneva, é responsável por definir os padrões de comunicações no mundo Órgão das nações unidas Além do ITU, cada país tem uma agência reguladora FCC (Federal Communications Commission) nos EUA e Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) no Brasil

15 Antenas: irradiador isotrópico A transmissão e a recepção de ondas eletromagnéticas são os processos de irradiar energia do transmissor para o espaço e vice-versa Irradiador isotrópico Transfere energia de forma igualitária em todas as direções (tridimensional) Modelo teórico de antena Representação para antenas omni-direcionais Antenas reais apresentam efeitos diretivos (vertical ou horizontalmente) Padrão de irradiação: medida da radiação eletromagnética em torno da antena

16 Antenas: dipolos simples Antenas reais não são irradiadores isotrópicos Comprimento da antena é proporcional ao comprimento de onda desejado Ex: dipolos (dois condutores) Dipolos de comprimento λ/4 (e.g., usados em carros) Dipolo hertziano de comprimento λ/2 (cada polo com comprimento λ/4)

17 Antenas: dipolos simples Padrão de irradiação de um dipolo hertziano Ganho: razão da potência máxima na direção do lóbulo principal comparada a um irradiador isotrópico (com a mesma potência média) Revisitando o problema da transmissão dos sinais digitais: As antenas seriam extremamente grandes para a recepção adequada dos sinais

18 Antenas: direcionais e setorizadas Muito utilizadas para conexões de microondas ou estações base para telefones móveis

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20 Propagação de sinais Transmissões por guias de onda Comportamento previsível Transmissões por meios não guiados é difícil prever seu comportamento Com exceção de transmissões no vácuo Zona de transmissão Comunicação possível Baixa taxa de erro Zona de detecção Detecção do sinal é possível Comunicação não é possível Zona de interferência Sinal não é detectado Sinal é adicionado ao ruído de fundo

21 Propagação de sinais Propagação no espaço livre se comporta como a luz (linha reta) Potência recebida é proporcional a 1/d 2 no vácuo d = distância entre o transmissão e o receptor Perda muito maior em ambientes reais. Ex: d 3,5, d 4,... Fórmula de Friis (perda no espaço livre) Perda por propagação em db: d

22 Propagação de sinais Potência recebida é também influenciada pelo desvanecimento Sombreamento (através de um muro ou porta) Refração, dependendo da densidade do meio Reflexão Objetos largos em relação ao comprimento de onda Espalhamento Tamanho do obstáculo é da ordem de magnitude do comprimento de onda ou menor Difração Similar ao espalhamento Ocorre em cantos

23 Multipercurso O sinal pode seguir diferentes percursos entre o transmissor e o receptor, devido à reflexão, espalhamento e difração Dispersão temporal Interferência entre símbolos Sinais chegam ao receptor com diferentes amplitudes e fases, distorcendo o sinal original

24 Desvanecimento em pequena escala

25 Resumo: canais sem fio

26 Multiplexação Objetivo: permitir que múltiplos usuários utilizem o meio de transmissão sem que interfiram entre si Multiplexação pode ocorrer em quatro dimensões Espaço (s i ) Tempo (t) Frequência (f) Código (c) Multiplexação no espaço requer um espaço de guarda!

27 Multiplexação por divisão de frequência Separação do espectro em faixas de frequência menores Um canal representa uma faixa do espectro em uso durante todo o tempo Vantagens: Sem coordenação dinâmica necessária Desvantagens: Desperdiça largura de banda Inflexível

28 Multiplexação por divisão de tempo Um canal representa todo o espectro durante um intervalo de tempo Vantagens: Somente uma portadora está presente no meio por vez Vazão alta, mesmo para muitos usuários Desvantagens: Esquema de sincronização preciso é necessário

29 Multiplexação por divisão de frequência e tempo Combinação de ambos os métodos Um canal representa uma faixa de frequência por um certo período de tempo Ex: GSM Vantagens: Melhor proteção contra escutas Proteção contra interferência seletiva em frequência Desvantagens: Coordenação precisa se torna necessária Evitar interferência co-canal

30 Multiplexação por divisão de código Cada canal tem um código único Todos os canais o mesmo espectro ao mesmo tempo Separação realizada por meio de códigos ortogonais (chips) Vantagens: Eficiente do ponto de vista do uso do espectro Nenhuma coordenação ou sincronização é necessária Boa proteção contra interferência e escutas Desvantagens: Taxas de dados dos usuários variam Mais complexo para regenerar o sinal original Comumente implementado utilizando tecnologias de espalhamento espectral

31 Representação da informação em sinais Parâmetros dos sinais são utilizados para representar os valores dos dados Mudança de parâmetros de sinais periódicos, denotados portadoras ou harmônicas Parâmetros modificados para a representação da informação: Amplitude (A) Frequência (f) Fase (ϕ)

32 Modulação de portadora Portadoras têm largura de banda teórica nula (única frequência) Mas não transportam informação Necessário modificar a portadora (modular) para transportar uma mensagem Mais informação, mais largura de banda

33 Modulação Codificar dados digitais em sinais analógicos na frequência correta e com uso limitado do espectro Diferentes esquemas (como ASK, FSK e PSK) apresentam diferenças em sua eficiência espectral, eficiência em potência e robustez Motivação: Antenas menores Multiplexação por divisão de frequência Características do meio Modulação analógica desloca a frequência central do sinal em banda básica para a frequência da portadora Esquemas básicos de modulação analógica: Modulação em amplitude (AM) Modulação em frequência (FM) Modulação em fase (PM)

34 Modulação e demodulação

35 Modulação digital

36 Modulação digital

37 Ruído em sistemas de comunicações Nos sistemas de comunicações, o ruído aleatório aparece devido a vários fatores No entanto, a fonte mais comum é o ruído térmico originário do uso de dispositivos eletrônicos O mais importante tipo de ruído que ocorre em sistemas de comunicações é o ruído branco, n(t) AWGN (Additive White Gaussian Noise) O ruído é um sinal aleatório que corrompe os sinais transmitidos, degradando o desempenho do sistema Ele é somado ao sinal original e, por ser aleatório, não é possível filtrá-lo completamente Ruído Interferência

38 Relação Sinal-Ruído Principal figura de mérito na avaliação de sistemas de comunicações Afeta diretamente a taxa de erro de bits (BER Bit Error Rate) do sistema Razão entre a potência do sinal e a potência do ruído (dadas em Watts) Por ser uma razão, é ADIMENSIONAL! É tipicamente ilustrada em db (decibel) O desvanecimento (seja em larga ou pequena escala) reduz a intensidade do sinal, diminuindo sua SNR N0 = Densidade espectral do ruído B = Largura de banda considerada

39 BER

40 Capacidade de canais AWGN Capacidade do canal é quantidade máxima de bits por segundo que podem ser transferidos por um canal Fórmula de Shannon para a capacidade de canais AWGN C = B log 2 (1 + SNR) C = Capacidade do canal B = Largura de banda do canal SNR = Relação sinal-ruído do canal

41 Leituras recomendadas Mobile Communications Jochen Schiller Cap 2: Wireless Transmission Addison-Wesley Fundamentals of Wireless Communications David Tse, Pramod Viswanath Cap 2: The wireless channel Cambridge University Press Wireless Communications Andrea Goldsmith Caps 1, 2, 4 Cambridge University Press