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

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

Infocommunication systems Infokommunikációs rendszerek

Lecture 3. előadásRadio 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

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

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)

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.

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)

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

Propagation modes and antennas

LFMF

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

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

Propagation modes and antennas

HF

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

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

Propagation modes and antennas

UHFVHFSHFEHF

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

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

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

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

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

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

Reflection coefficient

characteristic impedance

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

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

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×

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:

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.

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

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

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

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

Propagation with direct and reflected waves and reflected only waves

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

RECEIVER

SENDER

Without FADING

RADIO FOR MOBILES

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Radio link types

• Point-point connections

• Point multipoint connections

• Cellular systems

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

Optically visible loop

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

Terrestrial microwave connections

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Examples for generating clusters

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

Frequency reuse pattern for K=4

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

Frequency reuse pattern for K=7

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

Frequency reuse pattern for K=19

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

K=?

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

Increasing capacity in cellular systems

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

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

Sectoring

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

In-door wireless connections

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

A vezetéknélküli adathálózat bázisállomásainak helye elő van készítve minden folyosón

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

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

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

Interferences