Bežični medijumi za prenos - prenos nevođenim EM talasima

Bežični medijumi za prenos

• U bežičnim komunikacionim sistemima prenos signala od predajnika do prijemnika ostvaruje se korišćenjem slobodnog prostora (vazduha), kao medijuma za prenos EM talasa.

• Prenos putem radio (RF) talasa: – Pod radio talasima (RF-radio-frequency) podrazumevaju se EM

talasi čije se frekvencije nalaze u opsezima učestanosti od 3kHz do 3000GHz (3THz).

Bežični prenos• Karakteristike vazduha kao medijuma za prenos elektromagnetnog zračenja zavise

prvenstveno od frekvencije signala kao i od vremenskih prilika u atmosferi. • Bežični prenos može biti sa:

– usmerenim zračenjem (primer radio-relejni prenos) ili– neusmerenim (radijalnim) zračenjem, odnosno sa zračenjem u svim pravcima (difuzni prenos).

• Usmeren karakter zračenja imaju signali na većim učestanostima. • Dobre osobine bežičnog prenosa su:

– mogućnost rada na nepristupačnim mestima,– moguća masovna upotreba bez većeg dodatnog ulaganja u sistem. – mobilnost prijemnika i predajnika,

• Loše osobine su:– mala otpornost na smetnje,– manja pouzdanost u prenosu informacija, – relativno male brzine prenosa signala, – slaba zaštita informacija.

• Generalno, probleme sa nepoželjnim zračenjem imaju i žične veze ali daleko manje nego bežične.

Poređenje bežičnih (wireless) i žičnih (cable) mreža

• Izraženiji uticaji interferencija• Ograničena upotreba frekvencija

– Frekvencijski spektar je prezauzet• Manje brzine prenosa

– Lokalno do nekoliko Mbit/s,– Regionalno- 53kbit/s preko GSM/GPRS ili do 150 kbit/s korišćenjem

EDGE sistema• Veća kašnjenja i varijacije kašnjenja (jitter)• Manja bezbednost komunikacije, jednostavnije mogućnosti

aktivnih napada • Uvek se koristi deljeni (zajednički) medijum

Podela RF spektraGranične frekv. Talasne dužine Naziv talasnog područja Oznaka opsega

3 - 30 kHz 100 -10 kmMirijametarski - vrlo dugi talasi

VLF (Very Low Frequencies)

30-300 kHz 10 – 1 km Kilometarski - dugi talasi LF (Low Frequencies)

300 - 3000 kHz 1000 – 100 m Hektometarski -srednji talasi MF (Middle Frequencies)

3 - 30 MHz 100 – 10 m Dekametarski – kratki talasi HF (High Frequencies)

30 - 300 MHz 10 – 1 m Metarski – ultra kratki talasi VHF (Very High Frequencies)

300 – 3000 MHz 1 – 0.1 m Decimetarski UHF(Ultra High Frequencies)

3 - 30 GHz 10 – 1 cm Centimetarski SHF(SuperHigh Frequencies)

30 - 300 GHz 10 – 1 mm Milimetarski EHF(Extra High Frequencies)

300 - 3000 GHz 1 – 0.1 mm DecimilimetarskiTHF (Tremendously High Frequencies)

Primene pojedinih RF opsegaFrekventni opseg

Naziv i oznaka Tip servisa

3-30 kHz VLF - veoma niske frekvencije navigacije, sonari

30- 300 kHz LF - Niske frekvencije radio pilot signali (bikoni), pomoć pri navigaciji

300-3000 kHz MF – srednje frekvencije AM radio difuzija, pomorske radio veze, radio uređaji za obalne straže, traženje pravca

3-30 MHz HF - visoke frekvencije telefonija, telegraf, faksimil, kratkotalasna međunarodna radio-difuzija, radio amaterski opseg, građanski opseg, brod-obala radio veza, brod-avion radio veza

30-300 MHz VHF - veoma visoke frekvencije TV, FM radio difuzija, kontrola vazdušnog saobraćaja, policija, taxi radio veze, pomoć pri navigaciji

300-3000 MHz UHF - ultravisoke frekvencije TV, mobilna telefonija, satelitski prenos, radiosonde, radarski nadzor, pomoć pri navigaciji

3-30 GHz SHF - super visoke frekvencije avionski radari, mikrotalasne veze, mobilne zemaljske veze, satelitske komunikacije

30-300GHz EHF - ekstremno visoke frekvencije

radari, eksperimenti

Primeri korišćenja pojedinih RF opsega Europe USA Japan

Cellular Phones

GSM 450-457, 479-486/460-467,489-496, 890-915/935-960, 1710-1785/1805-1880 UMTS (FDD) 1920-1980, 2110-2190 UMTS (TDD) 1900-1920, 2020-2025

AMPS, TDMA, CDMA 824-849, 869-894 TDMA, CDMA, GSM 1850-1910, 1930-1990

PDC 810-826, 940-956, 1429-1465, 1477-1513

Cordless Phones

CT1+ 885-887, 930-932 CT2 864-868 DECT 1880-1900

PACS 1850-1910, 1930-1990 PACS-UB 1910-1930

PHS 1895-1918 JCT 254-380

Wireless LANs

IEEE 802.11 2400-2483 HIPERLAN 2 5150-5350, 5470-5725

902-928 IEEE 802.11 2400-2483 5150-5350, 5725-5825

IEEE 802.11 2471-2497 5150-5250

Others RF-Control 27, 128, 418, 433, 868

RF-Control 315, 915

RF-Control 426, 868

Model bežičnog komunikacionog sistema• Radio predajnik• Predajna antena• Bežični kanal (medijum)• Prijemna antena • Prijemnik

Gant,txPtx Gant,rxGchannel Prx

Slabljenje na trasi (komunikacionom kanalu)

Dobitak predajne antene

Dobitak prijemne antene

ERPt = Ptx x Gant,tx ERPt - efektivna izračena snaga predajnika

Pt – snaga kojom predajnik radi

G – dobitak antene (u posmatranom pravcu zračenja)

Model bežičnog komunikacionog sistema

• Predajnik proizvodi EM talas u koji je određenim postupkom obrade (modulacijom) utisnuta željena informacija.

• Ovaj EM talas se pomoću antene zrači u okolni prostor. • Jedan deo izračene EM energije stiže do mesta prijema.• Prijemna antena prima deo energije dolazećeg EM talasa i

predaje ga prijemniku, u kojem se zatim demodulacijom dobija željeni signal.

Generisanje radio talasa - antene

• Radio talasi se generišu pomoću antena, koje (na predajnoj strani) vrše pretvaranje električne energije signala u elektromagnetnu energiju koja se zrači u okolni prostor.

• Na prijemnoj strani, vrši se obrnut proces, odnosno promenljivo EM polje u prostoru oko prijemne antene indukuje električni signal u anteni, koji se zatim dovodi na ulaz prijemnika.

• Drugim rečima, predajna antena predajna antena je uređaj koji vrši pretvaranje vođenih u nevođene elektromagnetne talasepretvaranje vođenih u nevođene elektromagnetne talase, a prijemna antena obrnut postupakprijemna antena obrnut postupak.

Antene• Generalno, antena je oscilatorno kolooscilatorno kolo kod koga je potrebno da se

električno i magnetno polje prožimaju u svakoj tački u prostoru.

• 1887 - Hertz prvi konstruisao napravu koja zadovoljava ovaj uslov– Hercov (polutalasni) dipol.

• Da bi antena imala što veću efikasnost zračenja, odnosno da bi se Da bi antena imala što veću efikasnost zračenja, odnosno da bi se postiglo zračenje u uzanom snopu i tako se obezbedila visoka postiglo zračenje u uzanom snopu i tako se obezbedila visoka koncentracija snage na prijemnoj strani, to one moraju biti fizički koncentracija snage na prijemnoj strani, to one moraju biti fizički velike proporcionalno talasnim dužinama emitovanog signala. velike proporcionalno talasnim dužinama emitovanog signala.

• Otuda, sa porastom radne frekvencije, potrebne dimenzije antena su sve manje!

• Kod dvosmerne komunikacije, ista antena se koristi i za predaju i za prijem EM energije.

Osnovni tipovi antena

Antene se prema konstrukciji mogu podeliti na:• izotropna antena (hipotetička, idealizovana)

– uniformno zračenje u svim pravcima, dijagram zračenja u prostoru je oblika lopte

– ovakva antena u stvarnosti ne postoji, ali se u praksi često koristi kao element komparacije sa drugim

• linearne antene (monopoli i dipoli) – polutalasni dipol - dipol čija je fizička dimenzija jednaka 1/2 talasne dužine

radio talasa koji se emituje/prima (ne koristi se na frekvencija ispod 2MHz, jer bi dimenzije antena bile suviše velike)

• antene oblika petlje, • antene sa zračećim otvorom (parabolične, horn)• antene koje rade na principu sočiva.

Snaga na prijemu Pr

• Antene (ako nisu izotropne) utiču da se veći deo energije usmeri ka

prijemniku i iz pravca predajnika i to za Gt na predaji za Gr na prijemu, pa je:

22

24 4 4t

r t

PP P

d d

24

t rr t

G GP P

d

2

s4 d

L

prostorno slabljenje

–Pt snaga predajnika

–Prvrednost snage na prijemu

–Gt dobitak predajne antene (bezdimenziona veličina)

–Gr dobitak prijemne antene (bezdimenziona veličina)

–d rastojanje između predajnika i prijemnika u metrima

talasna dužina u metrima.

Frisova jednačina

(jednačina slobodnog prostora)

Snaga signala na prijemu zavisi inverzno od kvadrata rastojanja (1/d2) i kvadrata učestanosti (1/f2), a direktno je proporcionalna snazi signala na predaji.

Slabljenje slobodnog prostora• Pri prostiranju radio talasa dominatan uticaj ima slabljenje u

slobodnom prostoru (free space loss) – podrazumeva slabljenje na trasi bez prepreka i bez uticaja interferencija

gde je:

cf

talasna dužina [m]

f – frekvencija [Hz]

d– udaljenost od predajnika [m]

Slabljenje prilikom prostiranja u slobodnom prostoru predstavlja najvažniji izvor gubitaka u radio kanalu, u opsezima učestanosti do 30GHz.

Slabljenje prilikom prostiranja u slobodnom prostoru predstavlja najvažniji izvor gubitaka u radio kanalu, u opsezima učestanosti do 30GHz.

zavise od njihovih frekvencija:– Pri niskim frekvencijama, radio talasi mogu prodirati kroz objekte

(prepreke), pri čemu snaga opada značajno sa porastom rastojanja od predajnika, (slabljenje zavisi od vrste/strukture prepreke)

– Na višim frekvencijama, RF talasi nastoje da se prostiru pravolinijski i ne prolaze kroz prepreke, Inače, što je viša učestanost talasa osobine njihovog prostiranja sve više podsećaju na svetlost.

– Radio talasi su podložni uticajima interferencije od drugih izvora.

Karakteristike prostiranja radio talasa

Osnovni načini prostiranja radio talasa

1. Površinskim talasom (ground wave propagation) – duž površine Zemlje (LF(30-300 kHz),MF( 300kHz – 3MHz)

2. Jonosferskim talasom (ionosphere wave propagation) HF (3-30 MHz)

3. Prostornim talasom (space wave propagation)- po liniji optičke vidljivosti (LoS-line of sight) (iznad 30MHz VHF, UHF, SHF...)

4. Prostiranje rasejanjem (scatering) (UHF(300MHz – 3GHz).

Osnovni načini prostiranja radio talasa• U prvim godinama razvoja radio tehnike, smatralo se da je jedini

mogući način prostiranja radio talasa duž površine Zemlje (površinksim talasom). Tada je bila poznata činjenica da ukoliko su talasne dužine veće, domet radio talasa je veći, jer talas gubi manje energije na površini Zemlje i lakše može da savlada pojedine prepreke u vidu većih uzvišenja. Zbog toga je dugo forsiran rad na dugim i srednjim talasima (DT/LF i ST/MF), sa predajnicima što većih snaga.

• Otkrićem jonosferskog načina prostiranja, upotrebom visokih učestanosti (HF:3-30MHz) stvorena je mogućnost uspostavljanja radio veza na rastojanjima od više hiljada kilometara, i to sa predajnicima mnogo manjih snaga, nego kod dugih i srednjih talasa.

• Sa daljim razvojem elektronike i radio-tehnike primenjivani su radio talasi sve manjih talasnih dužina (većih frekvencija), sve do mikrotalasnog područja i područja svetlosnih talasa.

Načini prostiranja radio talasa

predajnik prijemnik

Zemlja

jonosferski talas

Prostorni (direktni) talasPovršinski talas

Troposphere (0 - 14 km)

Stratosphere (14 - 50 km)

Mesosphere (50 - 90 km)

Ionosphere (90 - 500 km)

Načini prostiranja radio talasa i primene RF opsegaopsegopseg opsegopseg prostiranjeprostiranje Tipične primeneTipične primene

VLFVLF3–30 KHz

(100-10)kmPovršinsko

Namena: Navigacija na velikim rastojanjima, sonar Servisi: telegrafske veze za brodove i luke, prekomorske veze, podzemne i podvodne komunikacije Karakteristike sistema: dimenzije antena male u odnosu na talasnu dužinu, mali protoci, atmosferski šum veoma izražen, talasovodno prostiranje (zemlja i jonosfera čine talasovod), relativno stabilna propagacija, za opseg ispod 9kHz ne postoji međunarodna regulativa

LFLF

30–300 KHz

(10-1)km

Površinsko

Namena: navigacija, difuzijaServisi: pomorske komunikacije na velikim rastojanjima, fiksni servisi za interkontinentalna rastojanja, AM radiodifuzni servisi, vremenske reference itd.Karakteristike sistema: uobičajeno se primenjuje vertikalna polarizacija, moguća je realizacija antena velike efikasnosti po cenu velikih dimenzija, stalno je prisutan visok atmosferski šum, mali protoci, moguće su veze na rastojanjima do nekoliko hiljada kilometara,

Načini prostiranja radio talasa i primene RF opsegaopsegopseg opsegopseg prostiranjeprostiranje Tipične primeneTipične primene

MFMF300 KHz–3 MHz

(1-0.1) km

Površinsko/ jonosfersko

Namena: pomorske radio veze, komercijalni AM radio, goniometrisanjeServisi: radiodifuzija, radionavigacija, pomorske mobilne komunikacijeKarakteristike sistema: antene prihvatljivih dimenzija, usmerene antene, površinski talas je izražen preko morskih površina, intenzivno slabljenje jonosferskog talasa tokom dana (zbog postojanja jonosferskog sloja D) i malo slabljenje tokom noći, visok nivo atmosferskog šuma

HF HF 3–30 MHz Jonosfersko

Namena: spasilačke službe, civilne i vojne primeneServisi: radio difuzija (međunarodna i nacionalna), pomorske i vazdušne mobilne komunikacije, komunikacije tačka-tačka na velikim udaljenostima, kontrola vazdušnog saobraćaja i dr

opsegopseg opsegopseg prostiranjeprostiranje Tipične primeneTipične primene

VHF VHF 30–300 MHz

(10-1)m

Prostorno (line-of-sight)

Namena: FM radio difuzija, VHF TV difuzija, mobilni sistemi, kontrola leta, policija, navigacija...Servisi: kopneni, pomorski i vazdušni mobilni radio servisi, zvučna radio-difuzija (FM i DAB) i TV difuzija, vazdušni radionavigacioni sistemi i sistemi za sletanje, analogna bežična telefonija i pejdžing, Karakteristike sistema: antene u formi dipola, atmosferski šum je mali, dok je industrijski šum značajan, pravolinijska propagacija

UHF UHF

300 MHz–3 GHz

(1-0.1)m

Prostorno (line-of-sight)

Rasejanjem

Namena: UHF TV difuzija,mobilna telefonija, paging sistemi, radari navigacija, satelitski sistemiServisi: TV difuzija, ćelijski i personalni komunikacioni sistemi, mobilni satelitski sistemi, GPS, radio-astronomski servisi, istraživački radari, zemaljski tačka –tačkaservisi, sistemi fiksog radio pristupa, telemetrija, bežična kućna telefonija i dr Karakteristike sistema: porostiranje direktnim talasom i troposfersko rasejanje

Načini prostiranja radio talasa i primene RF opsega

opsegopseg opsegopseg prostiranjeprostiranje Tipične primeneTipične primene

SHF SHF 3–30 GHz

(10-1) cm

Prostorno (line-of-sight)

Namena: satelitske veze, zemaljski mikrotalsni linkovi (radio-relejne veze), vazduhoplovni i meteorološki radari, DSRC, Wi-Max Servisi: fiksni zemaljski i satelitski servisi, satelitski sistemi posebne namene, fiksni širokopojasni bežični prsitup (FWA)Karakteristike sistema: parabolične i horn antene velikih dobitaka, talasovodi, široki propusni opsezi i veliki protoci, slabljenje usled kiše, snega, magle na učestanostima iznad 10GHz

EHFEHF

30–300 GHz

(1-0.1)cm

Prostorno (line-of-sight)

Namena: Radarska navigacija, eksperimentalne primene Servisi: buduće satelitske primene, daljinski nadzor sa satelita, širokopojasni pristup itdKarakteristike sistema: male visokousmerene antene, vrlo visoki protoci

THFTHF

300–3000 GHz

(1-0.1)cm

Prostorno (line-of-sight)

Eksperimentalne primene

Načini prostiranja radio talasa i primene RF opsega

Prostiranje površinskim talasomProstiranje površinskim talasomPovršinskim talasom prostiru se LF i MF radio talasi, tj. radio talasi čije su frekvencije niže od 3MHz (praktično do 2MHz s obzirom da se slabljenje talasa na većim frekvencijama značajno povećava).

Površinski talasi se prostiru po samoj površini Zemlje prateći njenu zakrivljenost.

Pošto zemlja nije idealan provodnik deo energije talasa se gubi zbog apsorpcije u zemlji. Slabljenje površinskog talasa direktno zavisi od parametara tla (provodnosti i dielektrične konstante), koji zavise od specifične lokacije.

Slabljenje je veće na višim frekvencijama, pa su dometi predajnika na višim frekvencijama manji.

Uglavnom se koriste za telegrafiju, navigaciju i radiodifuziju. Koriste se predajnici velikih snaga (od nekoliko stotina kW pa sve do par MW), dometi su od nekoliko stotina km pa do reda hiljadu kilometara.

Niske frekvencije potrebne su antene velikih dimenzija.

Prostiranje jonosferskim talasomProstiranje jonosferskim talasom (sky wave propagation)

U HF opsegu, površinski talasi bivaju apsorbovani od Zemlje.

absorpcija

Jonosfera

HF opseg 3-30 MHz, kao i viši delovi MF opsega (iznad 1MHz)

(100-400km iznad površine zemlje)

Jonosferska refleksija = niz sukcesivnih refrakcija do kojih dolazi pri prostiranju talasa kroz jonosferske slojeve sa različitim indeksima prelamanja

Glavni jonosferski slojevi: D, E F1 i F2

Slojevi D i E noću iščezavaju, F1 i F2 postoje samo danju a noću se spajaju u jedinstven sloj F.

Slojevi D i E (danju) značajno apsorbuju signale na nižim frekvencijama, pa se talasi nižih frekvencija (iz HF opsega) bolje prostiru noću. Na višim frekvencijama, apsorpcija je manja, pa radio talasi na višim učestanostima mogu da se primaju (kvalitetno) i danju.

Snage predajnika: do 150kW ( ili više)

Prostiranje jonosferskim talasomProstiranje jonosferskim talasom

50-90km50-90km

~110km~110km

180-250km180-250km

250-400km250-400km

DanjuDanju Noću:Noću:

~300km~300km

Prostiranje prostornim talasom Prostiranje prostornim talasom (LoS, Line of Sight)(LoS, Line of Sight)

Prostorno talasi se prostiru po liniji optiProstorno talasi se prostiru po liniji optiččke vidljivosti izmeke vidljivosti izmeđđu predajnika i u predajnika i

prijemnika uz pojavu refleksije od Zemlje, atmosferske refrakcije,difrakcije prijemnika uz pojavu refleksije od Zemlje, atmosferske refrakcije,difrakcije

na različitim objektima i sl.na različitim objektima i sl.

Ovakav način prostiranja predominantan je kada je visina predajne antene Ovakav način prostiranja predominantan je kada je visina predajne antene

mnogo veća od talasne dužine, a signal na prijemnoj anteni je rezultanta mnogo veća od talasne dužine, a signal na prijemnoj anteni je rezultanta

direktne i reflektovanih komponeneti.direktne i reflektovanih komponeneti.

h>>

T

Rdirektan talas – linija vidljivosti (LOS)

refelktovan talas

h>>

Učestanosti preko 30MHz (VHF, UHF... )

Ako se antena podigne za više talasnih dužina od Zemlje dominiraće prostorni talas.Ako se antena podigne za više talasnih dužina od Zemlje dominiraće prostorni talas.

(ove učestanosti se ne mogu reflektovati od jonosfere) (ove učestanosti se ne mogu reflektovati od jonosfere)

Prostiranje prostornim talasomProstiranje prostornim talasom

Domet veze je ograničen realnom zakrivljenošću površine Zemlje, konfiguracijom terena (preprekama), kao i visinama predajne i prijemne antene (do nekoliko 10-tina km).

Snage predajnika: od nekoliko W do nekoliko desetina kW.

Prostiranje rasejanjemProstiranje rasejanjem scattering propagation

Prostiranje rasejanjem (Prostiranje rasejanjem (scatter propagationscatter propagation) – za ) – za prostiranje se koriste turbulencije u troposferi ili prostiranje se koriste turbulencije u troposferi ili nehomogenosti u jonosferinehomogenosti u jonosferi, , jonizacije od meteora i sl. jonizacije od meteora i sl.

TR

volumen rasejavanja