ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ

Τηλεπικοινωνίες(1 Διάλεξη)

14 Νοεμβρίου 2007

Δρ. Κωνσταντίνος Πίτρης

Εισαγωγή• Η εποχή μας θα μπορούσε να

χαρακτηριστεί “εποχή τηςπληροφορίας”.

• Ασύλληπτα μεγάλος αριθμόςπληροφοριών μεταφέρονται από τονπομπό στο δέκτη της πληροφορίας

• Τηλε + Επικοινωνίες• Μετάδοση πληροφορίας (Φωνή, δεδομένα,

κλπ)

• Μετάδοση σήματος με• Ηλεκτρικό ρεύμα σε ομοαξονικό καλώδιο ή

σε άλλα καλώδια• Τηλεφωνική γραμμή σπιτιού,• Δίκτυα Η/Υ όπως Ethernet, cable TV

• Ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον αέρα• Ραδιόφωνο, TV, κινητή τηλεφωνία

• Παλμούς φωτός σε οπτικές ίνες• Μακρινές γραμμές τηλεφώνου

• Για να μεταδώσουμε την πληροφορία, το ηλεκτρικό σήμα διαβιβάζεται στονπομπό, αφού διαμορφωθεί

Μετάδοση Πληροφοριών• Διαμόρφωση

• Το σήμα προστίθεται σε ένα αρμονικόυψίσυχνο κύμα, που παράγεται στονπομπό και έχει ορισμένη συχνότητα(φέρουσα συχνότητα.)

• Διαμόρφωση κατά πλάτος ή ΑΜ(amplitude modulation )

• Στο φέρον κύμα δημιουργούνται“κορυφές” και “κοιλάδες” πουαντιστοιχούν στο κύμα της πληροφορίας.

• Διαμόρφωση κατά συχνότητα ή FM (frequency modulation)

• Στο φέρον κύμα δημιουργούνταιπυκνώματα και αραιώματα.

• Το πλεονέκτημα αυτής της διαμόρφωσηςείναι ότι το διαμορφωμένο κύμα δενεπηρεάζεται σημαντικά από παράσιτα.

• Τα παράσιτα, κατά τη συμβολή τους με τοδιαμορφωμένο κύμα, επηρεάζουν κυρίωςτο πλάτος και λιγότερο τη συχνότητα.

+Πληροφορία (ήχος, φωνή κλπ)

Φέρον Κύμα

Διαμόρφωση AM Διαμόρφωση FM

Καλωδιακή Επικοινωνία

• Αποτελεί τον πιο κοινότρόπο σύνδεσης

• Το κανάλι επικοινωνίαςείναι ένα φυσικό υλικόμέσο το οποίο είναικαλός αγωγός τουμεταδιδόμενου σήματος• Καλώδια για μετάδοσηηλεκτρικού ρεύματος

• Οπτικές ίνες για μετάδοσηπαλμών φωτός

Τα Πρώτα Βήματα των ΚαλωδιακώνΕπικοινωνιών

• Τηλέγραφος• Samuel Morse, 1837• Κώδικας Μορς• Πρώτο μήνυμα: "A patient

waiter is no loser." • Πρώτο υπερατλαντικόκαλώδιο, 1858

• Τηλέφωνο• Η πατρότητα του τηλεφώνουακόμα αμφισβητείται(Antonio Meucci, JohannPhilipp Reis, AlexanderGraham Bell, Thomas Edison και Elisha Gray)

• Διπλώματα ευρεσιτεχνίαςπήραν οι Bell και Edison

Samuel Morse (1791-1892)

Τηλεγραφική συσκευή

Ο Alexander Graham Bell μιλά στο τηλέφωνο(1892)

Σύστημα Τηλεφώνου• Μετάδοση φωνής μεταξύ δύο

χρηστών• Το πιο απλό και ένα από τα

πιο παλιά μέσα επικοινωνίας• Ο άνθρωπος είναι αναλογικό

σύστημα• Η συσκευή τηλεφώνου θα έχει

πάντα αναλογικά στοιχεία• το μικρόφωνο στο οποίο

μιλούμε• ο δέκτης του τηλεφώνου από

όπου ακούμε την φωνή τουατόμου με το οποίο μιλούμε

• Το αρχικό σύστημα ήτανεεξολοκλήρου αναλογικό• Η τεχνολογία τώρα άλλαξε σε

ψηφιακή

Σύστημα Μετάδοσης Τηλεφώνου• Βασικά μέρη:

• Πομπός (μικρόφωνο) –μετατρέπει την φωνή σεηλεκτρική ενέργεια και τηνστέλλει για μετάδοση

• Μέσο μετάδοσης – μεταφέρειτην ηλεκτρική ενέργεια από έναμέρος σε άλλο (π.χ. σύρμα)

• Δέκτης – λαμβάνει τηνηλεκτρική ενέργεια και τηνμετατρέπει σε ήχο

• Σύστημα μεταγωγής (switching system) – ενώνει ένασυγκεκριμένο πομπό σε ένασυγκεκριμένο δέκτη (καιαντιστρόφως)

•

• Σύστημα σηματοδότησης(signaling system) – ελέγχει καιρυθμίζει τα στοιχεία μεταγωγήςγια κάθε τηλεφωνική σύνδεση

Παροχέας ΣυνδέσεωνΜεγάλων Αποστάσεων

ΟπτικέςΊνες

Κεντρικό Γραφείο

ΥπόγειοΣύρμα

Δέκτης Τηλεφώνου• Απλό αναλογικό σύστημα

• Όταν ηλεκτρικό ρεύμα περνάαπό το πηνίο τότεδημιουργείτε ένα μαγνητικόπεδίο που αλληλεπιδρά με τομαγνήτη και προκαλεί τηνμεμβράνη να κουνηθεί με τηνίδια συχνότητα όπως τορεύμα

• Η κίνηση της μεμβράνηςκουνά αέρα προκαλώντας τηνδημιουργία ηχητικώνκυμάτων που μπορούμε ναακούσουμε

μαγνήτηςμεμβράνη πηνίο

Μικρόφωνο• Αναλογικό σύστημα• Αλλάζει τα ηχητικά κύματα από

την φωνή σε ηλεκτρικά σήματα• Δουλεύει όπως το μεγάφωνο

αλλά αντίστροφα. • Όταν ηχητικά κύματα κουνούν την

μεμβράνη τότε δημιουργείτε μικρόηλεκτρικό ρεύμα λόγω της κίνησηςτου πηνίου μέσα στο μαγνήτη(ηλεκτρομαγνήτης)

• Στο παρελθόν, το μικρόφωνοπεριείχε απλώς κόκκουςάνθρακα συμπιεσμένους μεταξύδύο λεπτών μεταλλικών πλακών

• Η κίνηση της μεμβράνης λόγω τωνηχητικών κυμάτων συμπιέζει καιαποσυμπιέζει τους κόκκουςαλλάζοντας έτσι την ηλεκτρικήαντίσταση των κόκκων και κατάσυνέπεια το ηλεκτρικό ρεύμα πουπερνά από το μικρόφωνο

Το Τηλέφωνο• Πολύ απλή τεχνολογία• Ένα switch που συνδέει και

αποσυνδέει το τηλέφωνο από τοδίκτυο

• Ή σύνδεση γίνεται όταν «σηκώνουμε τοακουστικό» του τηλεφώνου

• Επιλογή και μετάδοση αριθμού μεπαλμούς ηλεκτρικού ρεύματος (“dial pulse”)

• Το μεγάφωνο (speaker) που είναι οδέκτης του τηλεφώνου

• Το μικρόφωνο (microphone) πουείναι ο πομπός

• Πηνίο γα ταυτόχρονη διπλήκατεύθυνση (Duplex coil)

• Για να μην ακούμε την δική μας φωνήόταν μιλάμε στο μικρόφωνο

• Πληκτρολόγιο για την δημιουργίατόνων

• Κάθε αριθμός έχει ένα μοναδικό τόνο• Επιλογή και μετάδοση αριθμού με

ηχητικά σήματα – τόνους διαφορετικώνσυχνοτήτων (“touch tone”)

• Κουδούνι που κτυπά όταν τοτηλέφωνο καλείται

Σύστημα Μετάδοσης

• Η βασική αρχή είναι πολύ απλή

• Χρησιμοποιεί δύο καλώδια• Το κοινό καλώδιο που απλά ενώνει ένα πομπό με ένα δέκτη• Το καλώδιο που κλείνει το κύκλωμα και τροφοδοτεί το τηλέφωνο με

ηλεκτρικό ρεύμα

• Το μικρόφωνο αλλάζει την ποσότητα αυτού του ηλεκτρικούρεύματος ανάλογα με τα ηχητικά κύματα

Σύστημα Μεταγωγής1895

Σήμερα

• Χειροκίνητα Κέντρα: • Όταν κάποιος καλούσε ένα

αριθμό άναβε μία λάμπα στο“switch board”

• Η τηλεφωνήτρια σύνδεε τονκαλόντα με τον καλούμενοτοποθετώντας το κατάλληλοβύσματα καλωδίου στηνκατάλληλη υποδοχή

• Αυτόματα Κέντρα μεταγωγής: αντικατάσταση χειροκίνητωνκέντρων με ηλεκτρονικούςυπολογιστές• Επιλογή και μετάδοση αριθμού

με παλμούς ηλεκτρικούρεύματος (“dial pulse”)

• Επιλογή και μετάδοση αριθμούμε ηχητικά σήματα – τόνουςδιαφορετικών συχνοτήτων(“touch tone”)

Ψηφιακό Σύστημα Τηλεφώνου

• Υπάρχει συνδυασμός αναλογικών και ψηφιακών σημάτων καθώς καισυνδυασμός αναλογικής και ψηφιακής τεχνολογίας

• Το σήμα είναι αναλογικό από την συσκευή τηλεφώνου μέχρι το πρώτογραφείο μεταγωγής τηλεφώνου

• Μετατροπή αναλογικού ηλεκτρικού σήματος σε ψηφιακό σήμα• Δειγματοληψία με συχνότητα 8 KHz => 8.000 δείγματα / sec• Κβαντισμός με 256 επίπεδα => 8 bits / δείγμα• Ρυθμός δυαδικού ψηφίου (bit rate)

= 8.000 δείγματα x 8 bits/ δείγμα= 64.000 bits / sec

• Μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό

• Η τεχνολογία εξελίσσεται => ψηφιακά τηλέφωνα• οι μετατροπές A/D και D/A γίνονται μέσα στην τηλεφωνική συσκευή

A/D D/AΨηφιακόΣύστημα

Ασύρματο Τηλέφωνο• Λειτουργεί όπως το κανονικό τηλέφωνο αλλά

δίνει την δυνατότητα χρήσης καθώς οχρήστης κινείσαι μέσα στο σπίτι του

• Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό καιδέκτη ασύρματης επικοινωνίας

• Η βάση του τηλεφώνου είναι ενωμένη στηνκανονική γραμμή τηλεφώνου και λειτουργεί σανένα κανονικό.

• Η βάση λαμβάνει το εισερχόμενο ηλεκτρικό σήμα(μιας κλήσης) από την γραμμή τηλεφώνου και τομετατρέπει σε σήμα ασύρματης επικοινωνίας FM το οποίο εκπέμπει.

• Το ακουστικό (με τον επιλογέα) λαμβάνει το FM σήμα από την βάση και το μετατρέπει σε ηλεκτρικόσήμα το οποίο στέλλει στο δέκτη (μεγάφωνο) όπουμετατρέπετε σε ήχο.

• Όταν μιλάς στο ακουστικό γίνεται η αντίστροφημετατροπή

• Ήχος ηλεκτρικό σήμα FM σήμα• Η βάση λαμβάνει το FM σήμα από το ακουστικό

και το μετατρέπει για να το στείλει στον καλόντα• FM σήμα ηλεκτρικό σήμα

Ασύρματο Τηλέφωνο• Αμφίδρομη (duplex)

επικοινωνία• Μπορείς να μιλάς και να ακούς

ταυτόχρονα

• Η βάση και το ακουστικό τουασύρματου τηλεφώνουχρησιμοποιούν δύοσυχνότητες για τα δύοξεχωριστά FM σήματα

• Τα FM σήματα εκπέμπονταιστον αέρα

• Οποιοσδήποτε μπορεί ναακούσει την συνομιλία με έναανιχνευτή ραδιοσυχνοτήτων

Ασύρματο Τηλέφωνο• Πρώτο ασύρματο τηλέφωνο το 1980

και λειτουργούσε σε συχνότητα 27 MHz• Περιορισμένο σε περιοχή λήψης• Η ποιότητα του ήχου δεν ήτανε καλή• Η συνομιλία δεν ήτανε πολύ ασφαλισμένη

• Το 1986 το Federal CommunicationsCommission (FCC) έδωσε νέεςσυχνότητες• 47-49 MHz

• Το 1994 τα πρώτα ψηφιακά ασύρματατηλέφωνα με συχνότητα 900 MHz

• Το 1995 χρησιμοποιείτε η τεχνολογίαdigital spread spectrum (DDS) γιακρυπτογράφηση του ψηφιακούσήματος έτσι ώστε να εμποδίζεται τοκρυφάκουσμα συνομιλιών

Καλωδιακά Μέσα Μετάδοσης

• Παράλληλα Καλώδια• Αποτελείται από χάλκινους αγωγούς σε ζεύγη• Λιγότερο κατάλληλα για μεταφορά πληροφορίας

• Καλώδια συνεστραμένων ζευγών (twisted wires)• Είναι τα γνωστά χάλκινα σύρματα των τηλεφωνικών γραμμών -

DSL• Αποτελείται από τέσσερις ή περισσότερους χάλκινους αγωγούςσυστρεμμένους σε ζεύγη (ένα για τη γείωση κι ένα για τη μεταφοράτου σήματος)

• Συνήθως, με το ένα ζεύγος γίνεται η αποστολή και με το άλλο ηλήψη

• Ταχύτητες μετάδοσης 300 bits / sec – 10 Mbits / sec

Καλωδιακά Μέσα Μετάδοσης

• Ομοαξονικά καλώδια (coaxial cables)• Οι (δύο) αγωγοί είναι τοποθετημένοι ό ένας μέσα στον άλλο καιχωρίζονται μεταξύ τους από ένα μονωτικό υλικό

• Μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης (56 kbits /sec - 200 Mbits / sec)• Μετάδοση τηλεοπτικού σήματος

• Καλώδια οπτικών ινών (fiber-optic cables)• Εύκαμπτες ίνες (νήματα-καλώδια) από πλαστική ύλη ή γυαλί, μέσωτων οποίων διέρχονται ακτίνες φωτός ή laser

• Αποτελεί το ταχύτερο (500 Kbits /sec – 10 Gbits / sec), ασφαλέστερο αλλά και πιο δαπανηρό μέσο μετάδοσης

Σημαντικές Στιγμές στην Ιστορία τωνOπτικών Τηλεπικοινωνιών (*)

• 1870 Ανακάλυψη κυματοδήγησης του φωτός• 1955 Ανακάλυψη οπτικής ίνας• 1962 Ανακάλυψη laser ημιαγωγού• 1966 Πρώτη χρήση οπτικής ίνας στις οπτικές

τηλεπικοινωνίες• 1970 Ανακάλυψη οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (< 20

dB/km)• 1970 Πρώτα lasers ημιαγωγού σε θερμοκρασία δωματίου• 1977 Πρώτο σύστημα οπτικών τηλεπικοινωνιών (Σικάγο,

Η.Π.Α.)• 1988 Πρώτο οπτικό υπερατλαντικό καλώδιο (ΤΑΤ-8) • 1996 Μετάδοση 1 Tb/s σε οπτική ίνα

(*) από το βιβλίο του J. Hecht, City of Light: The Story of FiberOptics, Oxford University Press, 1999.

Πλεονεκτήματα Οπτικών Ινών• Μεγάλο εύρος ζώνης (~25

THz/παράθυρο στο υπέρυθρο0.8,1.3 και 1.55 μm)

• Χαμηλή εξασθένιση (~0.25 dB/kmστο 1.55 μm)

• Αν η θάλασσα ήταν τόσο καθαρή θαμπορούσαμε να βλέπουμε το βυθόκάτω από 20 km νερού!!!

• Χαμηλό κόστος παραγωγής(~σεντ/km)

• Μικρoσκοπικό πάχος (~μm)• Αναισθησία σε ΗΜΜ παρεμβολές• Προστασία από πιθανές

υποκλοπές (;)

• Απλουστευμένη εξήγησηλειτουργίας οπτικών ινών

• http://www.corning.com/opticalfiber/discovery_center/tutorials/fiber_101/

D. B. Keck, R. D. Maurer, P. C. SchultzCorning, Inc.

Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας ΗΠΑ 2000Εφευρέτες της πρώτης οπτικής ίνας

χαμηλής εξασθένισης (1970)

Εξέλιξη της Εξασθένισης της Οπτικής Ίνας

Ανατομία μιας Οπτικής Ίνας

Μονότροπη Πολύτροπη Ανθρώπινη τρίχα

• Διάμετρος:• Μονότροπη οπτική ίνα

• 8 μm πυρήνας, 125 μmμανδύας

• Πολύτροπη οπτική ίνα• 50, 62.5, 100 μm πυρήνας,

125 μm μανδύας

Διάθλαση του Φωτός• Ο δείκτης διάθλασης (n) ενός

οπτικού υλικού είναι η “οπτικήπυκνότητα” του υλικού. Μεγαλύτερος δείκτης σημαίνειμικρότερη ταχύτητα (v) φωτός στουλικό.

• Η γωνία διάθλασης είναιαντιστρόφως ανάλογη του δείκτηδιάθλασης (n) του οπτικού υλικού.

• Η σχέση της γωνίας διάθλασης καιγωνίας πρόσπτωσης δίνεται απότον νόμο του Snell:• na ημ(θa) = nb ημ(θb)• n γυαλιού > n νερού > n αέρα• v στο γυαλί < v στο νερό < v στον αέρα• θb στο γυαλί < θb στο νερό < θb στον

αέρα

Διάθλαση του Φωτός

• Στο φαινόμενο της διάθλασηςοφείλονται πολλέςοφθαλμαπάτες, όπως τοφαινομενικό σπάσιμο μιαςράβδου που ένα τμήμα τηςείναι βυθισμένο στο νερό.

• Μια άλλη οφθαλμαπάτηφαίνεται στο σχήμα. Το μάτιαντιλαμβάνεται το φως σαν ναδιαδίδεται ευθύγραμμα. Έτσιβλέπει το ψάρι στηνπροέκταση της ακτίνας(εστιγμένη γραμμή), πιο κοντάστην επιφάνεια από ότι είναιπραγματικά.

Ολική Ανάκλαση

• Ολική ανάκλαση

• Κρίσιμη γωνία (ή οριακήγωνία) θcrit• na ημ(θcrit) = nb ημ(90o)• θcrit = ημ-1( nb / na)

0n 2n

1n

0θ

aθ1θ 1φ

2φ

Τυπικές τιμές Δ = 1‰ - 1%n =1.44 - 1.46

Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης

1

2

( )n r a

n rn r a

<⎧⎪= ⎨⎪ ≥⎩

Ίνα Βηματικού Δείκτη Διάθλασης

Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης

1

2

1

( )

xrn r aa

n rn r a

⎧ ⎡ ⎤⎛ ⎞−Δ <⎪ ⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦

⎪= ⎨⎪ ≥⎪⎪⎩

Ίνα Βαθμιαίου Δείκτη Διάθλασης

Υποθαλάσσιο Δίκτυο Οπτικών Ινών

Υπερατλαντικό Καλώδιο FLAG Atlantic-1• Ρυθμός σηματοδοσίας

(Tb/s):2.4/κατεύθυνση• Μήκος (km):6250/κατεύθυνση• Κόστος κατασκευής (δις

Δολάρια):1.1• Χώρες που συνδέονται:ΗΠΑ,

Γαλλία, Αγγλία

• Βάση δεδομένων υποβρυχίωνκαλωδίων (International CableProtection Committee)• http://iscpc.org

• Πώς ποντίζεται ένα οπτικόκαλώδιο;• http://www.alcatel.com/submarine

Φωτοδίοδος

Δεδομένα

Laser/LED

Ίνα

Εξωτερικός

Διαμορφωτής

Οπτικός πομπός

ΕνισχυτήςΙσχύος

ΕνισχυτήςΓραμμής Προενισχυτής

Οπτικός δέκτης

Ίνα

Αποδιαμορφωτής

Οπτικόφίλτρο

Οπτικό Τηλεπικοινωνιακό Σύστημα

Πομποί ΔέκτεςΕνισχυτές γραμμής

Πομποί

Δέκτες

Ενισχυτές γραμμήςΠολυπλέκτης Αποπολυπλέκτης

Πολυπλεξία• Κατά μήκος κύματος• Κατά μήκος χρόνο

Ασύρματη Επικοινωνία

• Αποτελεί τον πιο γοργάαναπτυσσόμενο τρόποσύνδεσης

• Το κανάλι επικοινωνίαςείναι ηλεκτρομαγνητικάκύματα μέσω τωνοποίων μεταδίδεται τοσήμα• Επίγειες επικοινωνίες

(ασύρματος, τηλέφωνο, τηλεόραση, κλπ)

• Δορυφορικές επικοινωνίες• Κλπ

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

• Heinrich Rudolf Hertz• Ανακάλυψε τη διπολική κεραία,

το 1886 • Επιβεβαίωσε την ύπαρξη

ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων(που είχαν προβλεφθεί απότους Maxwell και Faraday), το1888

• “I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application […] you can’t even see them”

• Nikola Tesla• Κατασκεύασε τις πρώτες πρακτικές

μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος• Κατασκεύασε το πρώτο ασύρματο

σύστημα επικοινωνίας, το 1893• Σήματα Morse, ακτίνα 80 km το

1895• Έλαβε το πρώτο αμερικάνικο

δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, το 1898• Κατασκεύασε μια

τηλεκατευθυνόμενη βάρκα, το 1898• Έχασε το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας

από τον Marconi, το 1904 –Δικαιώθηκε ~1940’ς

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

• Alexander StepanovichPopov• Κατασκεύασε δέκτη Η/Μ

κυμάτων το 1894 (coherer)• Πέτυχε μετάδοση

ραδιοκυμάτων μεταξύ• κοντινών κτιρίων, το 1896• 6 μιλίων το 1898• 30 μιλίων το 1899

• Δεν διεκδίκησε δίπλωμαευρεσιτεχνίας

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

• Guglielmo Marconi• Έλαβε το πρώτο βρετανικό

δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το1897

• Έστειλε το πρώτουπερατλαντικό σήμα το 1901

• Ίδρυσε εταιρείαυπερατλαντικού ασύρματουτηλέγραφου, το 1903

• Νόμπελ Φυσικής το 1909• Μέλος του Ιταλικού

Φασιστικού Κόμματος καιΣυμβουλίου

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

• Reginald Fessenden• Πρώτη μετάδοση ήχου (της

δικής του φωνής), το 1901• Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ)

• Πρώτη αμφίδρομηυπερατλαντική ασύρματηεπικοινωνία (1906)

• Πρώτη ραδιοφωνικήεκπομπή (μουσικόπεριεχόμενο), το 1906

• 1900-1940• Ευρεία χρήση ασύρματου

τηλέγραφου κατά τον πρώτοπαγκόσμιο πόλεμο

• Ραδιοφωνικές Εκπομπές1920-1930

• Πλοήγηση Αεροσκαφών μεχρήση ραδιοβοηθημάτων(μετα το 1920)

• Διαμόρφωση FM (Frequency Modulation) το 1935

• Ευρεία χρήση ασύρματωναπό αστυνομίεςαμερικάνικών πόλεων (μετάτο 1930)

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

Τα Πρώτα Βήματα στιςΑσύρματες Επικοινωνίες (~1880-1980)

• Ασύρματη Τηλεφωνία 0ηςΓενιάς• Πρώτη λειτουργία συστήματος σε

ευρεία βάση το 1946, στο St. Louis, στις Η.Π.Α• Frequency Modulation, κανάλι 120

KHz• Αρχικά Push-to-Talk, αργότερα Full-

Duplex• Τοπολογία Δικτύου: Μια πολύ μεγάλη

κεραία για κάθε μεγάλη αμερικανικήπόλη

• Πρόβλημα: περιορισμένος αριθμόςκαναλιών• Πολύ γρήγορα τα συστήματα

κορέστηκανΟλλανδικό Ραδιο-τηλέφωνο, 1937

Κινητή Τηλεφωνία• Δυνατότητα τηλεφωνικής επικοινωνίας παντού και πάντα

• Με τον ίδιο πάντα αριθμό τηλεφώνου

• Κινητό τηλέφωνο (mobile phone or cellular phone)• cellular = κυψελοειδής, κυτταροειδής• Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό και δέκτη ασύρματης επικοινωνίας

χρησιμοποιεί ραδιοσυχνότητες• Χρησιμοποιεί πομπό χαμηλής ισχύος μικρή μπαταρία και μικρές

συσκευές

• Οι ραδιοσυχνότητες είναι περιορισμένες• ο αριθμός κινητών συνομιλιών σε μία συγκεκριμένη ώρα είναι

περιορισμένος• Σήμα πολύ ψηλής συχνότητας δεν μπορεί να περάσει από καταιγίδα

βροχής• Μέχρι τώρα η τεχνολογία που χρησιμοποιεί ψηλές συχνότητες είναι πιο

ακριβή

Κινητή Τηλεφωνία• Η καινοτομία της κινητής

τηλεφωνίας είναι οδιαχωρισμός μίας πόλης σεμικρά κύτταρα ή κυψέλες• επιτρέπει να χρησιμοποιούνται

οι ίδιες ραδιοσυχνότητες απόδιάφορους χρήστες σε μία πόλη

• δυνατότητα ναεξυπηρετούνται περισσότεροιχρήστες

• Επιτρέπει ευελιξία στηνανάπτυξη του δικτύου

• Μέσα σε κάθε κύτταρο οιραδιοσυχνότητες είναι πάλιπεριορισμένες αλλά είναι καιο χώρος περιορισμένος

• Μία μεγάλη πόλη μπορεί ναέχει εκατοντάδες κύτταρα

Κινητή Τηλεφωνία• Σε κάθε κυψέλη υπάρχει ένας

Σταθμός Βάσης (base station) που επικοινωνεί με τα κινητάτηλέφωνα στην κυψέλη του

• Δηλαδή, αντί να υπάρχει έναςμεγάλος σταθμός για μίαπόλη, υπάρχουν πολλοίμικροί σταθμοί

• Ένας Σταθμός Βάσηςαποτελείται από• αρκετές κεραίες εκπομπής /

λήψης, συνήθως στερεωμένεςσε έναν ιστό

• μια μονάδα ελέγχου – ένα κτίριομε τεχνολογία ασύρματηςεπικοινωνίας

Κινητή Τηλεφωνία• Οι Σταθμοί Βάσης

• Συνδέονται με ένα κέντρο μεσυνηθισμένα τηλεφωνικά καλώδια

• Διαβιβάζουν στο κέντρο τιςσυνομιλίες που διενεργούνται απόκάποιο κινητό τηλέφωνο στηνκυψέλη τους

• Λαμβάνουν από το κέντρο τιςσυνομιλίες που πρέπει ναδιαβιβάσουν σε κάποιο κινητότηλέφωνο στην κυψέλη τους

• Κέντρο μεταγωγής κινητούτηλεφώνου (Mobile SwitchingCenter ή Mobile TelephoneSwitching Office - MTSO)• Ελέγχει όλους τους Σταθμούς

Βάσης• Ενώνει όλες τις κλήσεις στο

σταθερό σύστημα τηλεφώνου

Χρήση Ραδιοσυχνοτήτων• Κάθε κινητό τηλέφωνο

χρησιμοποιεί 2 συχνότητες γιααμφίδρομη επικοινωνία

• Υπάρχουν 832 ραδιοσυχνότητεςγια μία πόλη: 790 για φωνή και42 για δεδομένα

υπάρχουν 395 κανάλια συνομιλίας

• Το ραδιοσήμα του ΣταθμούΒάσης δεν είναι υπερβολικάισχυρό για να μην δημιουργείπαρεμβολές στα σήματα τηςεπόμενης κυψέλης

οι ίδιες συχνότητες χρησιμοποιούνταισε κυψέλες που δεν είναι γειτονικές(π.χ. οι κυψέλες με κίτρινο χρώμα)

• Κάθε κυψέλη έχει 6 γείτονες• Στα αναλογικά συστήματα κάθε

κυψέλη έχει 395 / 7 = 56 κανάλια• Στα ψηφιακά συστήματα κάθε

κυψέλη έχει 168 κανάλια

Μέγεθος Κυψέλης• Το μέγεθος της κυψέλης

ορίζεται από τοναναμενόμενο αριθμό χρηστώνκινητών τηλεφώνων καικαθορίζεται κατά τοσχεδιασμό του δικτύου• Τυπικό μέγεθος στις ΗΠΑ 26

km2• Μπορεί να είναι 1 έως 4 km2 ή

και μικρότερο στο κέντροκάποιας μεγαλούπολης

• Αν κάποιο κινητό τηλέφωνοαπομακρυνθεί από τηνκυψέλη, τότε η σύνδεσημεταβιβάζεται αυτόματα στηνεπόμενη κυψέλη

Αριθμός Κυψελών

• Αν σε κάποια κυψέληχρησιμοποιούνται όλο καιπερισσότερα κινητάτηλέφωναυπερφορτώνεται ο σταθμόςΒάσης

• Τότε μπορεί να γίνειυποδιαίρεση της κυψέλης• Εγκαθίστανται δηλαδήαναγκαστικά πρόσθετοι σταθμοίΒάσης που με μικρότερη ισχύεκπομπής εξυπηρετούν τιςμικρότερες κυψέλες τους

• => ευελιξία στην δομή καιλειτουργία της κινητήςτηλεφωνίας

Λειτουργία Κινητού• Το κινητό τηλέφωνο χρησιμοποιεί κωδικούς για ναεπικοινωνήσει και να λάβει κλήσεις• Electronic Serial Number (ESN) – προγραμματισμένος αριθμός (32

bits ) από την κατασκευάστρια βιομηχανία• Mobile Identification Number (MIN) – αριθμός (10 bits) πουβασίζεται στον αριθμό τηλεφώνου του κινητού

• System Identification Number (SID) – μοναδικός αριθμός (5 bits) που καθορίζεται σε κάθε φορέα κινητής τηλεφωνίας

• Όταν ένας χρήστης ανάψει το κινητό του, το τηλέφωνοπρώτα λαμβάνει ένα SID από τον Σταθμό Βάσης σε μίαειδική συχνότητα (control channel)• Αν το κινητό δεν βρίσκει το control channel τότε είναι out of rangeκαι γράφει το μήνυμα “no service”

• Αν λάβει το SID τότε το συγκρίνει με το SID που έχειπρογραμματισμένο και αν ταιριάζει ξέρει ότι επικοινωνεί με το δικότου σύστημα (home system). Διαφορετικά ξέρει ότι κάνει περιαγωγή(roaming) δηλαδή ότι χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό σύστημα απόεκείνο στο οποίο ο χρήστης έχει συνδρομή

Λειτουργία Κινητού• Μαζί με το SID το κινητό στέλλει και ένα “registration

request” το οποίο φυλάγεται σε βάση δεδομένων στοMTSO για να εντοπισμό του κινητό όταν καλείται απόάλλα τηλέφωνα

• Όταν το κινητό ενός χρήστη καλείται• το MTSO λαμβάνει την κλήση και πρώτα εντοπίζει το κινητό• Μετά το MTSO διαλέγει τις 2 συχνότητες για την κλήση και τιςστέλλει στο κινητό μέσω του control channel

• Όταν το κινητό και ο Σταθμός Βάσης αλλάξουν σε αυτές τιςσυχνότητες, τότε η κλήση ενώνεται και μπορεί να γίνει η συνομιλία

• Όταν χρήστης κινείται προς την άκρη της κυψέλης του ο ΣταθμόςΒάσης αντιλαμβάνεται ότι η ισχύς του σήματος του κινητούελαττώνεται. Ταυτόχρονα γειτονικοί Σταθμοί Βάσηςαντιλαμβάνονται ότι ο χρήστης κινείται προς την κυψέλη τους απότην αύξηση της ισχύς του σήματος. Σε κάποια στιγμή, σεσυνεργασία με το MTSO ο ένας Σταθμός Βάσης δίνει (hands off) την κλήση στον άλλο σταθμό και το κινητό λαμβάνει νέεςσυχνότητες μέσω του control channel για να αλλάξει κυψέλη.

Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας

• Πρόσβαση μεΠολυπλέξη ΔιαίρεσηςΣυχνότητας - Frequency Division Multiplexing Access (FDMA)• Με FDMA κάθε τηλέφωνολαμβάνει 2 διαφορετικέςσυχνότητες βάζει κάθεκλήση σε ξεχωριστήσυχνότητα

• Όχι αποτελεσματική γιαψηφιακή κινητή τηλεφωνία

Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας

• Πρόσβαση μεΠολυπλέξη ΔιαίρεσηςΧρόνου – Time Division Multiplexing Access (TDMA)• TDMA χωρίζει μίασυχνότητα σε 3 χρονικάδιαστήματα.

• Οι συχνότητες καναλιώνχωρίζονται με 30 KHz

• Δίνει σε κάθε κλήση μέροςτου χρόνου σε μίασυγκεκριμένη συχνότητα

Τεχνολογίες Πρόσβασης Κινητής Τηλεφωνίας

• Πρόσβαση μεΠολυπλέξη ΔιαίρεσηςΚώδικα - CDMA (Code Division Multiple Access)• Δίνει ένα μοναδικό κωδικό σεκάθε κλήση και την σκορπάσε όλες τις ελεύθερεςσυχνότητες

• Ο κωδικός χρησιμοποιείταιστην κωδικοποίηση τωνψηφιακών δεδομένων

• Ο δέκτης χρησιμοποιεί τονίδιο κωδικό για νααποκωδικοποιήσει το σήμα

• Κυψελωτή Τοπολογία

• Αναλογική διαμόρφωση FM

• Μερικά συστήματα:• Advanced Mobile Phone System (AMPS)

• 1983 στις ΗΠΑ• Συχνότητες 824 – 894 MHz• Κάθε χρήστης λαμβάνει 2 συχνότητες για την

διάρκεια της συνομιλίας• Δηλ. χρησιμοποιεί FDMA (Frequency

Division Multiple Access)• Η επικοινωνία δεν ήτανε απόρρητη, η

συνομιλία μπορούσε να ανιχνευτή• European Total Access Cellular System

(ETACS), Ευρώπη, 1985• NTT Cellular, Japan, 1979

Ασύρματη Τηλεφωνία 1ης Γενιάς

Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G)• Τα πρώτα ψηφιακά

συστήματα• Πιο μεγάλη χωρητικότητα

εξυπηρετούνται πιοπολλοί χρήστες

• Ψηλότερη ποιότητα μεψηφιακό ήχο

• Caller ID, paging, instant messaging

Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G)

• GSM (Global System for Mobile Communications)• Πανευρωπαϊκό standard από τα μέσα του 1980• Αρχικά το διεθνές πρότυπο στην Ευρώπη, Αυστραλία, Ασία καιΑφρική και τώρα υπάρχει και στις ΗΠΑ

• Συχνότητες: 900 MHz και 1800 MHz στην Ευρώπη και Ασία, 1900 MHz στις ΗΠΑ

• Μετατροπή φωνής σε ψηφιακό σήμα• 64.000 bits / sec που επεξεργάζεται και κωδικοποιείται έτσι ώστε το bit

rate να μειώνεται στα 13.000 bits / sec. • Αυτή η επεξεργασία επιτρέπει 3-10 ψηφιακές κλήσεις στον ίδιοραδιοχώρο που χρειάζεται μία αναλογική κλήση

• Χρησιμοποιεί κρυπτογραφία για ασφάλεια της συνομιλίας• Χρησιμοποιεί TDMA (Time Division Multiple Access)

• Αντί να χωρίζονται οι συχνότητες χωρίζεται ο χρόνος• Χρησιμοποιεί 30 kHz μεταξύ των καναλιών και 3 χρονικά διαστήματα

Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G)

• IS-95• Αμερικανικό standard, βασισμένο σε τεχνολογία Code Division

Multiple Access (CDMA) Qualcomm• Λειτουργεί στις 2 συχνότητες 900 MHz / 1900 MHz

• Pacific Digital Cellular (PDC)• Ιαπωνικό standard• Προσφέρει υπηρεσίες Caller ID, paging και email• Έχει μικρότερα κύτταρα και γι’ αυτό πιο πολλές αντένες• Χρησιμοποιεί συχνότητες 1850 MHz και 1990 MHz• Χρησιμοποιεί TDMA με 200 kHz μεταξύ των καναλιών και 8 χρονικάδιαστήματα

• IS-136• Αμερικανικό standard, TDMA

Ασύρματη Τηλεφωνία Γενιάς 2.5G

• High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) για το GSM.• Κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλές οπές (slots)

• General Packet Radio Service (GPRS) για τα GSM, IS-136• Μεταγωγή Πακέτου όπως στο Internet!

• Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) για ταGSM, IS-136• Πολλαπλές οπές και προσαρμογή στο κανάλι

• IS-95B για το IS-95• Κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλούς κώδικες

Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 3G

• Συστήματα τρίτης γενεάς (3G)• Ψηλότερα data rates για video, internet access• Λειτουργία παντού σε όλο τον κόσμο και μέσα στο αεροπλάνο• Θα μοιάζουν σαν PDAs (Personal desk assistants)• Θα προσφέρουν video-conferencing, advanced personal calendar

multi-player gaming

• 3G W-CDMA (UMTS)• Μετεξέλιξη του GSM, αλλά βασισμένο σε Wideband CDMA και

μεταγωγή πακέτου. Ευρωπαϊκό standard

• 3G cdma2000• Μετεξέλιξη του ISM-95, αμερικανικό standard

• 3G TD-SCDMA• Κινεζικό standard, βασισμένο στο GSM

Μέσα στο Κινητό

μεγάφωνο

μικρόφωνομπαταρία

SIM

Όχι Μόνο Τηλέφωνο

• Εκτός από την βασικήλειτουργία για τηλεφωνικέςκλήσεις πολλά κινητάπροσφέρουν• Μνήμη για καταχώρηση στοιχείωνεπικοινωνίας, ραντεβού και άλλεςπληροφορίες

• Ημερολόγιο και ρολόι• Αριθμομηχανή• Δυνατότητα για EMAIL• Δυνατότητα για πρόσβαση στοδιαδύκτιο

• Απλά ηλεκτρονικά παιγνίδια• Συνδυασμό άλλων τεχνολογιώνόπως PDA, GPS receiver, MP3 player, ψηφιακή κάμερα

• Άλλά;

Συστήματα Τηλεειδοποίησης (paging)• Οι συσκευές των

χρηστών αρκεί ναλαμβάνουν μόνο• Σε ορισμένες

περιπτώσεις μόνοένα bit

• Μεγάλη διάρκειαμπαταρίας

• Μικρός όγκοςσυσκευής

• Μικρό κόστος

Δορυφορικές Επικοινωνίες με ΓεωστατικούςΔορυφόρους

Δορυφορικές Επικοινωνίες με ΔορυφόρουςΧαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit – LEO)

• Χρήσιμο σε περιοχές που δεν μπορούν να υπάρχουν άλλασυστήματα τηλεφώνου όπως σε πλοία στην θάλασσα και σεμακρινές απομονωμένες περιοχές

• Χρήσιμο σε κατάσταση μαζικής καταστροφής τηλεφωνικώνγραμμών και κέντρων σε μία περιοχή

Δορυφορικές Επικοινωνίες με ΔορυφόρουςΧαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit – LEO)

• Δορυφορικά συστήματα• INMARSAT (International Marine Satellite)

• Προσφέρει τηλεπικοινωνία σε πλοία οπουδήποτε καισε μακρινές απομονωμένες περιοχές

• Iridium Motorola Corporation (1999) 66 δορυφόρους σε χαμηλή τροχεία της γής ( low earthorbit) σε ύψος 780 km

• Ψηφιοποίηση σήματος όπως στο GSM, αλλά οικυψέλες είναι από πάνω και κινούνται

• Συχνότητες• 1.6 GHz μεταξύ κινητού τηλεφώνου και δορυφόρου• 20 – 30 GHz μεταξύ δορυφόρων και μεταξύ

δορυφόρων και σταθμών εδάφους• Μετάδοση αναλογικής φωνής αρχικά• Λόγω του ψηλού κόστους η εταιρεία σταμάτησε τηνλειτουργία του συστήματος το 2000 αλλά μετάξανάρχισε το Μάρτη του 2001

• http://www.iridium.com/• Globalstar: έτος λειτουργίας 1998, 40 δορυφόροι

που επικοινωνούν με σταθμούς βάσης• Ούτε και αυτή η εταιρία έχει κέρδος

Μέλλον (~2000-2020) Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 4G (και βάλε)

Α

Β

• Στην κινητή τηλεφωνίατέταρτης γενιάς οι χρήστες θαμπορούν να μιλούν απευθείαςμεταξύ τους

• Στην κινητή τηλεφωνίατέταρτης γενιάς ο Β θαπροωθεί τα δεδομένα του Α

• Προτερήματα• Χαμηλότερη ενέργεια• Καλύτερη σύνδεση

• Με την παρούσα τεχνολογία• Ο χρήστης Α είναι εκτός δικτύου• Οι χρήστες επικοινωνούν

αποκλειστικά με το σταθμόβάσης

ΔίκτυοΣταθερής

Τηλεφωνίας

Α

Β

Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks)

• Οι χρήστες δημιουργούν ένα εξ ολοκλήρου ασύρματο δίκτυο.

• Οι χρήστες έχουν πλέον αυξημένες δυνατότητες και αρμοδιότητες.

SINK

SINK

Task Manager

Internet, Satellite, UAV

Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks)

Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks)

• Στρατιωτικές Εφαρμογές• Παρακολούθηση πεδίου μάχης• Έλεγχος για τυχόν πυρηνική, βιολογική ή χημική επίθεση

• Περιβαλλοντικές εφαρμογές• Ανίχνευση υπερχείλισης σε ποτάμια• Ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών• Ανίχνευση φωτιάς

• Εφαρμογές σε κτίρια• Ασφάλεια• Έλεγχος κλιματισμού• Δίκτυο επιταχυνσιόμετρων μπορεί να καταγράψει τον τρόποκατάρρευσης κτιρίων

Μέλλον (~2000-2020) Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks)

Τεχνολογία Αισθητήρων

Μέλλον (~2000-2020) Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)

• Εφαρμογές• Αυτόματη ανταλλαγήπληροφοριών σχετικών μεασφάλεια

• Απότομο φρενάρισμα, ολισθηρό οδόστρωμα

• Μετάδοση πληροφοριώνχρήσιμων στον οδηγό

• Μποτιλιάρισμα μπροστά• Έργα στο οδόστρωμαμπροστά

• Δελτία καιρού• software upgrades, κοκ.

• Πρόσβαση στο Internet(“Infotainment”)

• Μετάδοση Διαφημίσεων• «McDonalds στα δεξιά»

Το αυτοκίνητο Α εντοπίζειενδεχόμενη πηγή κινδύνουκαι τη μεταδίδει στοαυτοκίνητο Β (χωρίςπαρέμβαση του οδηγού)

Το αυτοκίνητο Β δεν μπορεί ναμεταδώσει απευθείας στα αυτοκίνηταC και D, και χρησιμοποιεί τα αυτοκίνηταΠου κινούνται στην αντίθετη λωρίδακυκλοφορίας

A B C D

Τυπική Εφαρμογή

Μέλλον (~2000-2020) Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)

Βιβλιογραφία

• Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001,

• G. P. Agrawal, Συστήματα επικοινωνιών μεοπτικές Ίνες, 2η έκδοση, Εκδ. Τζιόλα, 2000.

• How Cell Telephones Work • http://electronics.howstuffworks.com/cell-phone.htm