ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Βασικές έννοιες

Τι είναι ένα ασύρματο δίκτυο; Ασύρματο δίκτυο καλείται ένα δίκτυο στο οποίο η επικοινωνία των χρηστών αλλά και των δομικών στοιχείων που το αποτελούν γίνεται πλήρως ή μερικώς χωρίς τη χρήση ενσύρματων μέσων

Παραδείγματα ασύρματων δικτύων Ασύρματη τηλεφωνία: ασύρματη σύνδεση τηλεφώνου (handset) με ένα σταθμό βάσης – π.χ. DECT Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας: ασύρματη σύνδεση κινητών τηλεφώνων στο δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο (PSTN) – π.χ. AMPS, GSM, GPRS Ασύρματα δίκτυα υπολογιστών και άλλων συσκευών: ασύρματη σύνδεση φορητών υπολογιστών, εκτυπωτών, κλπ μεταξύ τους ή με το Internet – π.χ. δίκτυα IEEE , HIPERLAN/2, Bluetooth, IEEE , IEEE

Ασύρματα δίκτυα vs ανάγκες δικτύωσης (1/2) Τα ασύρματα δίκτυα παρουσιάζουν σημαντική ευελιξία – δεν χρειάζονται καλώδια για την σύνδεση των τερματικών – είναι δυνατή η κινητικότητα των χρηστών Η ευελιξία τους καλύπτει ποικίλες ανάγκες δικτύωσης Σταθεροί χρήστες ή χρήστες με μικρή κινητικότητα καλύπτουν μόνιμες και προσωρινές ανάγκες δικτύωσης – μόνιμες ανάγκες: επεκτάσεις ενσύρματων δικτύων (έλλειψη ενσύρματης υποδομής), διασύνδεση ενσύρματων δικτύων, κα – προσωρινές ανάγκες: π.χ., δικτύωση συνέδρων, πρόσβαση στο Internet σε ένα αεροδρόμιο, κα – συνήθως δίκτυα μικρής κλίμακας: τοπικά, μητροπολιτικά δίκτυα ή δίκτυα προσωπικής περιοχής Τεχνολογίες: infrastructure και ad hoc δίκτυα IEEE , HIPERLAN/2, HIPERACESS, IEEE , IEEE 802,16, κλπ

Ασύρματα δίκτυα vs ανάγκες δικτύωσης (2/2) Κινητοί χρήστες – δίκτυα συμπληρωματικά ως προς τα ενσύρματα – υποστήριξη κινητικότητας συνήθως σε μεγάλη κλίμακα (και περιαγωγή) αλλά και σε μικρότερη: κλίμακα: μεγάλη δίκτυα ευρείας περιοχής, π.χ. κυψελοειδή συστήματα GSM, Wireless Mesh networks, δορυφορικά δίκτυα μικρή κλίμακα, π.χ. mobile ad hoc networks (ΜΑΝΕΤs) – καλύπτουν συνήθως μόνιμες ανάγκες δικτύωσης Δικτύωση με ή χωρίς υποδομή – δίκτυα με υποδομή: βασικά δομικά στοιχεία του δικτύου προϋπάρχουν καλύπτουν μόνιμες ανάγκες δικτύωσης – δίκτυα χωρίς υποδομή: ο εξοπλισμός μόνο των χρηστών είναι αρκετός καλύπτουν παροδικές ανάγκες δικτύωσης

Αρχιτεκτονική ασύρματων δικτύων (1/2) Δύο βασικές αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούνται στα ασύρματα δίκτυα – Με σημεία πρόσβασης (infrastructure networks) – Χωρίς σταθμούς βάσης (ad hoc networks)

Αρχιτεκτονική ασύρματων δικτύων (2/2) Infrastructure networks – τα τερματικά επικοινωνούν ρμ μέσω των σημείων πρόσβασης (σταθμοί βάσης) – συνήθως επικοινωνία ενός άλματος – oι σταθμοί βάσης συνδέονται μεταξύ τους ενσύρματα ή ασύρματα Ad hoc networks – απ’ευθείας επικοινωνία των τερματικών μπορεί να επεκταθεί ώστε να περιλαμβάνει και multihop επικοινωνία – επικοινωνία χωρίς την ανάγκη υποδομής – δίκτυα με αυτοοργάνωση = ευελιξία

Infrastructure vs Ad Hoc

Μοντέλο ασύρματου συστήματος επικοινωνίας (1/2) Η επικοινωνία μεταξύ δύο χρηστών ενός ασύρματου δικτύου περιγράφεται από το παρακάτω μοντέλο

Μοντέλο ασύρματου συστήματος επικοινωνίας (2/2) Δομικά στοιχεία: – κανάλι: το κοινό μέσο στο οποίο μεταδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φορέας της πληροφορίας) – πομπός: μετατρέπει τα δεδομένα ώστε να μπορούν να μεταδοθούν στο κανάλι επικοινωνίας – δέκτης: μετατρέπει το λαμβανόμενο σήμα ώστε να ανακτήσει τα δεδομένα

Χαρακτηριστικά καναλιού επικοινωνίας Κατευθυνόμενη ή μη επικοινωνία – το ηλ ηλ. κύμα διαδίδεται προς “μια” κατεύθυνση η προς περισσότερες (ή όλες) τις κατευθύνσεις Εύρος ζώνης συχνοτήτων W (Hz) – το σύνολο των συχνοτήτων που μπορεί να έχει ένα σήμα ώστε να μεταδοθεί μέσα από το κανάλι Επίπεδο θορύβου – συνήθως μετράται με το λόγο ισχύος σήματος προς θόρυβο S/N ( συνήθως σε dB) Χωρητικότητα καναλιού – ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (ταχύτητα μετάδοσης )

Εύρος ζώνης συχνοτήτων Διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων έχουν διαφορετικές εφαρμογές – π.χ. δορυφορικά δίκτυα (>10 GHz), κυψελοειδή συστήματα ( ~900MHz), ασύρματα τοπικά δίκτυα (2‐5 GHz)

Χωρητικότητα καναλιού Θεώρημα Shannon: ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας σε ένα κανάλι με προσθετικό Gaussian λευκό θόρυβο είναι: O λόγος ισχύος σήματος προς θόρυβο S/N προσδιορίζει το επίπεδο θορύβου στο κανάλι και μετράται συνήθως σε dB Θεωρητικό όριο – ο πραγματικός ρυθμός περιορίζεται από την υλοποίηση των τηλεπικοινωνιακών διατάξεων και τις τεχνικές κωδικοποίησης

Μηχανισμοί πολλαπλής πρόσβασης απαραίτητοι ώστε πολλοί χρήστες να χρησιμοποιούν το ίδιο κοινό μέσο

Στατικοί vs κινητοί χρήστες

Βασικός στόχος Ενοποίηση των ασύρματων και ενσύρματων δικτύων – σημαντικός είναι και ο ρόλος του Internet

Προτυποποίηση

Εξέλιξη ασύρματων κυψελοειδών δικτύων

Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα: Προτυποποίηση (1/2)

Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα: Προτυποποίηση (2/2)

Ασύρματη διάδοση (1/2) Φορέας μεταφοράς πληροφορίας: – Ηλεκτρομαγνητικό κύμα (σε όλες τις μορφές του)

Ασύρματη διάδοση (2/2) Διακρίνονται δύο είδη: – κατευθυνόμενη το η/μ κύμα διαδίδεται προς συγκεκριμένες κατευθύνσεις – μη κατευθυνόμενη το η/μ κύμα διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις Χαρακτηριστικά μεταδιδόμενου η/μ κύματος – ισχύς επηρεάζει την απόσταση της ζεύξης – συχνότητα (f) (ισοδύναμα: μήκος κύματος λ=c/f) επηρεάζει τις απώλειες ισχύος και επομένως την απόσταση της ζεύξης (μεγαλύτερες συχνότητες ‐> μεγαλύτερες απώλειες) συνήθως το μεταδιδόμενο η/μ κύμα αποτελείται από πολλά η/μ κύματα με διαφορετικές συχνότητες διαφορετικές συνθήκες διάδοσης για κάθε συνιστώσα

Κεραίες: εισαγωγή Η κεραία είναι ένας ηλεκτρικός αγωγός (ή σύστημα αγωγών) που μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα και αντίστροφα Μια κεραία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκπομπή και λήψη – εκπέμπει ή/και συλλέγει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια Κάθε κεραία χαρακτηρίζεται από: – το διάγραμμα ακτινοβολίας – την κατευθυντικότητά της – το κέρδος της

Διάγραμμα ακτινοβολίας – αναπαριστά, σε όλες τις κατευθύνσεις, τη συμπεριφορά μιας κεραίας ως προς την ισοτροπική κεραία προσδιορίζει την ισχύ του εκπεμπόμενου η/μ κύματος σε κάθε κατεύθυνση – Ισοτροπική κεραία: η κεραία που εκπέμπει την ίδια ισχύ προς όλες τις κατευθύνσεις – διάγραμμα ακτινοβολίας: μοναδιαίος κύκλος – ορίζεται και διάγραμμα για τη λήψη

Κατευθυντικότητα κεραίας Το συνηθέστερο μέτρο της κατευθυντικότητας μιας κεραίας είναι το εύρος δέσμης ημίσειας ισχύος Εύρος Δέσμης Ημίσειας ισχύος: – η γωνία μεταξύ δύο κατευθύνσεων στις οποίες η εκπεμπόμενη ισχύς είναι η μισή της μέγιστης ισχύος Ανάλογα με την κατευθυντικότητα διακρίνονται οι: – ισοτροπικές κεραίες: μετάδοση προς όλες τις κατευθύνσεις – κατευθυντικές κεραίες: μετάδοση προς επιλεγμένες κατευθύνσεις (μια ή περισσότερες) Κάθε τύπος κεραίας έχει εφαρμογές σε διαφορετικούς τύπους δικτύων – π.χ. ασύρματα τοπικά δίκτυα ‐> ισοτροπικές κεραίες, διασύνδεσης ενσύρματων δικτύων ‐> κατευθυνόμενες κεραίες

Κέρδος κεραίας (1/2) Κέρδος (ή απολαβή) G: Ο λόγος της ισχύος που μια κεραία παράγει ως προς την ισχύ που παράγει μια ισοτροπική κεραία αν η εισερχόμενη ισχύς είναι ίδια – το κέρδος ορίζεται για συγκεκριμένη κατεύθυνση f : συχνότητα εκπεμπόμενου η/μ κύματος λ : μήκος εκπεμπόμενου η/μ κύματος c : ταχύτητα φωτός A e : ενεργός περιοχή κεραίας

Κέρδος κεραίας (2/2) Η ενεργός περιοχή (Αe) εξαρτάται από το είδος της κεραίας

Μοντέλα Διάδοσης: Ground wave propagation Περιγραφή: Το η/μ κύμα (χαμηλής συχνότητας) ακολουθεί την καμπυλότητα της επιφάνειας της γης – λόγω διάθλασης Ιδιότητες: – ικανοποιητικές αποστάσεις ζεύξεων – γρήγορη μείωσης ισχύος – συχνότητες ζεύξεως < 2 MHz Εφαρμογή: – ραδιόφωνο AM

Μοντέλα Διάδοσης: Sky wave propagation Περιγραφή: Το η/μ κύμα (υψηλής συχνότητας) διαθλάται από την ιονόσφαιρα Ιδιότητες: – ζεύξεις με μεγάλο αριθμό διαθλάσεων είναι δυνατές – σχετικά μικρές απώλειες ισχύος – συχνότητες 2‐30 MHz Εφαρμογή: – ερασιτεχνικό ραδιόφωνο – CB radio

Μοντέλα Διάδοσης: Line of sight (LOS) propagation (1/2) Περιγραφή: Το η/μ κύμα διαδίδεται σε ευθεία ή «σχεδόν» ευθεία – οι πολύ μεγάλες συχνότητες δεν ανακλώνται από την επιφάνεια – το φαινόμενο της διάθλασης είναι σημαντικό («σχεδόν ευθεία»)

Μοντέλα Διάδοσης: Line of sight (LOS) propagation (2/2)

Μοντέλα Διάδοσης: Two ray ground reflection model Περιγραφή: η διάδοση έχει δύο σημαντικές συνιστώσες – την απευθείας η ς συνιστώσας λόγω οπτικής επαφής – τη συνιστώσα από την ανάκλαση του η/μ κύματος στο έδαφος Ιδιότητες – ζεύξη κοντά στην επιφάνεια της γης (μικρά ύψη κεραιών) – ζεύξη μικρής απόστασης Εφαρμογή – ασύρματα τοπικά δίκτυα

Απώλειες (1/2) Ένα η/μ κύμα υπόκειται σε απώλειες της ισχύος του κατά τη διάδοσή του – σύνθετο αποτέλεσμα διαφόρων φαινόμενων π.χ. ανάκλαση, διάθλαση, απορρόφηση από ατμοσφαιρική υγρασία, κλπ Οι απώλειες εξαρτώνται από: – το περιβάλλον στο οποίο γίνεται η διάδοση – τη συχνότητα του κύματος – την απόσταση επικοινωνίας Σε σύνθετα σήματα (συνιστώσες διαφορετικών συχνοτήτων) οι απώλειες προκαλούν παραμόρφωση – κάθε συνιστώσα υπόκειται σε διαφορετικές απώλειες

Απώλειες (2/2) Οι απώλειες καθορίζουν τη μέγιστη απόσταση μιας ασύρματης επικοινωνίας – ένας δέκτης χαρακτηρίζεται από έλα ελάχιστο επίπεδο λαμβανόμενης ισχύος – εκπεμπόμενη ισχύς – μέγιστες απώλειες > ελάχιστο επίπεδο λαμβανόμενης ισχύος

Μοντέλα Απωλειών Ο υπολογισμός των απωλειών είναι σύνθετος ως διαδικασία και δεν είναι πάντα εφικτός Περιορισμένος αριθμός μοντέλων για τον υπολογισμό των απωλειών – διαφορετικά μοντέλα για διαφορετικές συνθήκες διάδοσης Κατηγορίες μοντέλων υπολογισμού απωλειών – θεωρητικά μοντέλα σπάνια λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου της διάδοσης – στατιστικά μοντέλα προκύπτουν από μακροχρόνια στατιστική μελέτη σε συγκεκριμένες συνθήκες διάδοσης μοντέλα εξειδικευμένα για συγκεκριμένα είδη επικοινωνίας – π.χ. μοντέλο για κινητή τηλεφωνία σε αστικό περιβάλλον, σε ημιαστικό περιβάλλον, κλπ

Απώλειες στον ελεύθερο χώρο (1/2)

Απώλειες στον ελεύθερο χώρο (2/2)

Θόρυβος: εισαγωγή Θόρυβος: οποιοδήποτε σήμα που δεν ανήκει στο σήμα που μεταφέρει την πληροφορία Ο θόρυβος είναι συνήθως: – στοχαστικός – λευκός: έχει την ίδια ισχύ σε όλες τις συχνότητες – προσθετικός: δρα προσθετικά στο μεταδιδόμενο σήμα Το επίπεδο θορύβου (ισχύς) εκφράζεται σε σχέση με το μεταδιδόμενο σήμα – λόγος ισχύος σήματος προς θόρυβο (S/N ή SNR) ή σηματοθορυβική σχέση

Είδη θορύβου (1/3)

Είδη Θορύβου (2/3)

Είδη θορύβου (3/3) Θόρυβος από παρεμβολές – δημιουργείται από την επίδραση του σήματος ενός χρήστη στο σήμα κάποιου άλλου – εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται από κοινού το κανάλι (μηχανισμός πρόσβασης) Θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης – δημιουργείται λόγω ατέλειας των τηλεπικοινωνιακών διατάξεων Θόρυβος από εξωτερικές πηγές – πολλές συσκευές λόγω κατασκευαστικών ατελειών παράγουν εκπομπές σε διάφορες συχνότητες – συχνή είναι η δημιουργία παλμών θορύβου (κρουστικός θόρυβος) μεγάλη ισχύς σε μικρή διάρκεια

Διαλείψεις (1/2)

Διαλείψεις (2/2)

Τεχνικές διαχωρισμού

Διασυμβολική παρεμβολή Παρεμβολή μεταξύ διαφορετικών παλμών που φτάνουν με χρονική διαφορά στο δέκτη

Προσαρμοστική εξισορρόπηση Χρησιμοποιείται για να αντιμετωπίσει τη διασυμβολική παρεμβολή