infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 infocommunication systems infokommunikációs rendszerek lecture...

73
infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

Upload: ashlynn-george

Post on 21-Jan-2016

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 1

Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek

Lecture 3. előadásRadio transmission

Rádiós átvitel

Takács György

Page 2: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 2

Radio transmission media

• Frequency bands and wave propagation modes

• Terrestrial radio connection

• Satellite communication

• In door radio connection

Page 3: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 3

Media characteristics

• Transmission parameters (path loss, delay, fading, radio interferences)

• Reliability and availability - equipment and propagation parameters (lightning, snow, rain, fog, smoke)

• Openness – interferences - privacy

Page 4: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 4

Is radio communication a technical issue (1)?

• Radio communications use open and common media. Using a radio frequency means consuming. So management of radio frequency is inevitable.

• Using a radio frequency means a kind of environment pollution! Frequency police?

• Radio frequencies are limited resources. The „good” frequencies are already consumed. Frequency fees! NMHH.

• Propagation of radio waves do not consider political borders! Frequency management is a typical international process. (CCIR, ITU-R)

Page 5: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 5

Is radio communication a technical issue (2)?

• Radio frequencies have considerable physiological effect!

• Antennas are considered as special constructions. Local municipalities regulate construction rules and issue building licences.

• Satellite positions are limited resources too. The „good” positions are consumed.

• Differential equations of electromagnetic wave propagation are quite simple – in the case of plane wave and free space. Solutions in real geographic situations (among hills, valleys, buildings or especially inside buildings) are extremely difficult.

Page 6: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 6

Frequency bands and wave propagation modes

• LF (30-300kHz)

• MF (300-3000kHz)

• HF (3-30 MHz)

• VHF (30-300 MHz)

• UHF (300-3000MHz)

• SHF (centimetric waves, 3-30GHz)

• EHF (millimetric waves, 30-300GHz)

Page 7: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 7

Propagation modes and antennas

LFMF

Page 8: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 8

Page 9: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 9

Propagation modes and antennas

HF

Page 10: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 10

Page 11: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 11

Propagation modes and antennas

UHFVHFSHFEHF

Page 12: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 12

Page 13: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 13

Page 14: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 14

Page 15: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 15

Page 16: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 16

in free space (ε0,µ0):

plane-wave solution

1. electric and magnetic field vectors are perpendicular

2. ratio of their amplitudes is a constant and called as free-space wave impedance

Page 17: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 17

Reflection coefficient

characteristic impedance

Page 18: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 18

Free space radio link (LOS)

PT transmitted power

Ae effective area of antenna

G gain of antenna

λ wavelength

d distance

Page 19: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 19

Page 20: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 20

Example by GSM mobile system

Base stationd=30m

P=50W

d=3cm

P=5W

Pr=kPT/d2

Pr=k×0,0555

Pr=k×5555 100000×

Page 21: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 21

• Property of a radiated electromagnetic wave describing the time varying direction and relative magnitude of the electric-field vector

• In general the field is elliptically polarized

• Linear and circular polarizations are special cases

Polarization:

Page 22: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 22

Reflection

• The amplitude, phase and polarization of the reflected wave is determined by the material parameters of the medias and the surface irregularity.

Page 23: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 23

Page 24: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 24

Page 25: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 25

Page 26: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 26

Propagation with direct and reflected waves and reflected only waves

Page 27: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 27

RECEIVER

SENDER

Without FADING

RADIO FOR MOBILES

Page 28: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 28

Page 29: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 29

Page 30: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 30

Page 31: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 31

Page 32: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 32

Page 33: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 33

Page 34: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 34

Page 35: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 35

Page 36: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 36

Page 37: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 37

Page 38: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 38

„Good” frequencies? Bandwidth issues?

• Low attenuation (loss)• High bandwidth• Beaming – circular characteristic• Cheap or free• No interference• Exclusive usage

• „Good” frequencies are not existing -- Only compromise of limitations

Page 39: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 39

Radio link types

• Point-point connections

• Point multipoint connections

• Cellular systems

Page 40: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 40

Optically visible loop

The surface of the earth30-50 km because the spherical earth

Terrestrial microwave connections

Page 41: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 41

Page 42: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 42

Page 43: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 43

Geostationary satellite characteristics

Gravitation force

Centrifugal force

Mass of the satellite, kg

Mass of the earthGravitational constant

Speed of the satellite, m/s

Page 44: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 44

Page 45: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 45

Page 46: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 46

Page 47: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 47

Page 48: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 48

Page 49: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 49

Page 50: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 50

Page 51: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 51

Page 52: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 52

Page 53: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 53

Page 54: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 54

Page 55: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 55

Page 56: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 56

Page 57: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 57

Page 58: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 58

Page 59: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 59

Page 60: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 60

Page 61: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 61

Cellular systems• in a cluster each cell has a separate

frequency• a is the area of one cell• A is the cluster area• R is the cell diameter• D is the distance between clusters (the

distance between cells with identical frequencies)

• K is the number of the cluster cells

Page 62: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 62

Examples for generating clusters

Page 63: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 63

Frequency reuse pattern for K=4

Page 64: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 64

Frequency reuse pattern for K=7

Page 65: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 65

Frequency reuse pattern for K=19

Page 66: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 66

K=?

Page 67: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 67

Increasing capacity in cellular systems

• Adding new channels• Frequency borrowing• Cell splitting• Cell sectoring• Microcells

Page 68: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 68

Sectoring

Page 69: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 69

In-door wireless connections

Page 70: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 70

A vezetéknélküli adathálózat bázisállomásainak helye elő van készítve minden folyosón

Page 71: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 71

Page 72: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 72

Page 73: Infokom. 3. ea. 2012. szept. 23.1 Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek Lecture 3. előadás Radio transmission Rádiós átvitel Takács György

infokom. 3. ea. 2012. szept. 23. 73

Interferences