korszerű mobil rendszerek
DESCRIPTION
Dr. Maros Dóra . Korszerű mobil rendszerek. A kommunikáció evolúciója. …..a mobilok ….is fejlődtek. …ahhoz képest, amivel kezdődött…. Szabályozási szervezetek. Világszervezetek:. International Electrotechnical Commission. International Telecommunication Union. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Korszerű mobil rendszerek
Dr. Maros Dóra
Korszerű mobil rendszerek
A kommunikáció evolúciója
Korszerű mobil rendszerek
…..a mobilok….is fejlődtek
Korszerű mobil rendszerek
…ahhoz képest, amivel kezdődött…..
Korszerű mobil rendszerek
Comité Européen de Normalisation Électrotechnique;
Világszervezetek:
Európai szervezetek:
European Telecommunications Standards Institute
International Telecommunication Union
International Electrotechnical
CommissionInternational Organization
for Standardization
Szabályozási szervezetek
Korszerű mobil rendszerek
Institute of Electrical and Electronics
Engineers Internet Engineering
Task Force
Nemzetközi:
International Federation for Information Processing
Magyar:
Független szakmai szervezetek
Korszerű mobil rendszerek
Mobil rendszerek generációi (2G - 3G+)
Korszerű mobil rendszerek
Mobil hálózatok fejlődése a 3G után
Korszerű mobil rendszerek
900 MHz-2,6 GHz
Elektromágneses hullámok spektruma
Korszerű mobil rendszerek
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
Frekvencia
Idő
TDMA (Time Division Multiple Access)
1 csatorna = 1 időrés
CDMA (Code Division Multiple Access)
1 csatorna = 1 kód
Frekvencia
Idő
Frekvencia
Idő
Több felhasználó megosztva használja a rendelkezésre álló frekvenciasávot
NMT 450 GSM UMTS
Többszörös hozzáférési technikák
1 csatorna = 1 frekvencia
Korszerű mobil rendszerek
TDMA:más
időkben vagy
CDMA: egy
időben, más
kódolással
FDMA: egy időben más
frekvenciasávok
OFDMA: egy időben több
frekvenciasáv
Egyvivős (Single Carrier) és többvivős (Multi Carrier) rendszerek
Korszerű mobil rendszerek
FDD (Frequency Division Multipex) Különböző frekvenciasávok downlink és uplink átvitelre Jelenleg preferált megoldás Előnye: pl. beszélgetés, videotelefon Hátránya: aszimmetrikus terhelés esetén a sávszélesség
nincs kihasználva
TDD (Time Division Multipex) Ugyanaz a frekvenciasáv downlink és uplink átvitelre Jövőbeli megoldás (ma is van néhány pl. China Telecom) Előnye: sávszélesség hatékony kihasználása Hátránya: nagyon pontos időzítés kell
Duplexelés típusai
Korszerű mobil rendszerek
Downlink
Uplink
FDD: Két különböző frekvenciasáv a két
iránybanGSM :200 KHz UMTS: 5 MHzLTE: 20 MHz
TDD: Egy frekvenciasáv a két irányra, UL és DL időben változik (UMTS és LTE)
B(dl):sávszélesség
B(ul)
B(dl)=B(ul)
fk(dl)
fk(ul): középfrekvencia
fk(dl)-fk(ul)= duplex távolság
Downlink
Uplink
idő
Duplexelés a rádiós hozzáférésen
Korszerű mobil rendszerek
GSM 900, 1800, 1900 sávok (2G)
Korszerű mobil rendszerek
Duplexelés Uplink Downlink Sáv
UMTS-FDD 1920 - 1980 MHz 2110 - 2170 MHz 60 + 60 MHz
UMTS-TDD 1900 - 1920 MHz UL/DL 2010 - 2025 MHz UL/DL 20 + 15 MHz
Műhold 1980 - 2010 MHz 2170 - 2200 MHz 30 + 30 MHz
2000-ben, új frekvenciasávok 806 - 960 MHz, 1710 - 1885 MHz (GSM
sáv!) 2500 - 2690 MHz
DECT
GSM1800
1800 1900 2000 2100 2200 2500 2600 2700
UMTSFDD
Műhold
UM
TS TDD
UM
TS TDD
UMTSFDD
Műhold
UMTS
[MHz]
Páros sávokPáratlan sávok
Csatorna távolság: 5,10, vagy 20 MHz
UMTS frekvenciasávok
Korszerű mobil rendszerek
40 sáv:24 FDD16 TDD
LTE frekvenciasávok
Korszerű mobil rendszerek
TDD spektrum allokációk
Korszerű mobil rendszerek
Forgalom osztály
Conversational Streaming Interactive Background
Késleltetés
Válaszidő információ adás/vétel
között
Válaszidő informáci
ó adás/vétel között
Válaszidő lekérdezés
re
A fogadóolda
l egy bizonyos időn belül nem fogad
újabb adatot
<< 1 s ~ 1s < 10 s > 10 s
Hibatolerancia Igen Igen Nem Nem
Mód (tipikus) Áramkör-kapcsolt
Csomag-kapcsolt
Csomag-kapcsolt
Csomag-kapcsolt
SzolgáltatásBeszéd,
Videotelefon
Streaming
multimedia
Web böngészésAdatbázis kezelés….
Email, SMS,
MMS…
QoS osztályok
Korszerű mobil rendszerek
Conversational Beszéd
▪ Szimmetrikus forgalom▪ Round Trip Time < 400 ms ▪ AMR (Adaptive Multi-rate) codec▪ AMR-WB (AMR Wideband) codec (Release 5)
▪ Mintavétel: 16 kHz (8 kHz helyett)▪ Hang és audio jelek minőségi kódolása▪ Sebesség: 24 ÷ 6,6 kbps
Video telefon▪ Áramkörkapcsolt: H. 324▪ Csomagkapcsolt: SIP (Session Initiation Protocol)
Párbeszéd (conversational) osztály jellemzői
Korszerű mobil rendszerek
Streaming osztály Kevésbé szigorú késleltetési előírások Asszimetrikus Szolgáltatások
▪ Web broadcast (nagyszámú „hallgatóság” kapcsolódik egy médiaszerverhez)
▪ Videoanyag kívánságra (pl. nagy cégek saját oktatóanyagokat tárolnak szerverükön, és azt a mobilon meg lehet nézni)
Interactive osztály Tranzakció-orientált szolgáltatás
▪ Alkalmazás: nagy adatbázisok kezelése, web böngészés▪ Alkalmazott protokollok: HTTP, DNS stb▪ Jellemzők: asszimetrikus, kis kapcsolási idő, nagy mennyiségű
adatletöltésBackground osztály Alkalmankénti egyirányú kapcsolat• MMS, SMS, E-mail
Egyéb QoS osztályok jellemzői
Korszerű mobil rendszerek
Minden 3G (UMTS) szolgáltatásra külön kell specifikálni: Késleltetés Bithiba arány Adatsebesség Tendencia: Szolgáltatások csomagkapcsolt hordozón történő megvalósítása az áramkörkapcsolt megoldás helyett 4 QoS (Quality of Service) osztály Legfőbb faktor: mennyire érzékeny a szolgáltatás a
késleltetésekre
3G szolgáltatások jellemzői
Korszerű mobil rendszerek
Mobil készülék (ME:Mobile Equipment) rádió terminál, amely többfajta információ (beszéd, audio,
video, internet, stb.) kezelésére alkalmas
USIM (UMTS SIM) GSM SIM kártyával hasonló funkciók, új jellemzőkkel
kiegészítve
USIM
ME
UEMobil készülék
UMTS Előfizetői Azonosító Modul
Felhasználói készülék (User Equipment)
Korszerű mobil rendszerek
Cellák és adatsebesség
HSDPA (Release 5-től) High Speed Downlink Packet Access: >10Mbit/s
Korszerű mobil rendszerek
MS BTS
BSCMSC/VLR
SGSN
BTS
HLR
GMSC
Internet
PLMN, ISDN
GERAN Maghálózat (CN:Core Network)
Külső hálózatok
GGSN
MS= ME+SIM
Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez
Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez
MS: Mobile Station BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller PCU: Packet Contol Unit MSC: Mobile Switching (Serving) Center GMSC: Gateway MSC VLR: Visitor Location Register HLR: Home Location Register AUC: Authentication Center SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Serving GPRS Support Node EIR: Equipment Identiy Register
AUC
PCU
PCU
EIR
GSM hálózat (2.5 generáció)
Korszerű mobil rendszerek
UE Node B
RNCMSC/VLR
SGSN
Node B
HLR
GMSC
Internet
PLMN, ISDN
UTRAN Maghálózat (CN:Core Network)
Külső hálózatok
GGSN
UE
Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez
Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez
UE: User Equipment UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access NetworkNode B: B(ázis) csomópont, bázisállomás RNC: Radio Network Controller
AUCEIR
UMTS hálózat (Release 99-kezdeti állapot)
Korszerű mobil rendszerek
MGW: Media Gateway (Média átjáró)HSS: Home Subscriber Server (Honos előfizetői szerver) MRF: Media Resource Function (Média erőforrás funkció)CSCF: Call Session Control Function (Hívás felépítés vezérlés funkció)MGCF: Media Gateway Control Function (Média átjáró vezérlés funkció)IMS: IP Multimedia Subsystem (IP multimédia alrendszer)
MGW
SGSN
MGW
GGSN
UTRAN
MSCserver
GMSCserver
PSHSS
PSTN
IP hálózat
MRF
CSCF
MGCF
IMS
Adat & vezérlés
Vezérlés
MSC helyett
GMSC helyett
HLR helyett
AUC
GERANEIR
IMSMGW
CS
UMTS maghálózat fejlődése (Release 4-)
Korszerű mobil rendszerek
Node B Bázisállomás, amely megvalósítja a rádiós
interfész fizikai rétegét: csatornakódolás és interleaving, spektrum kiterjesztés/szűkítés (spreading/despreading) moduláció/demoduláció, sebességillesztés, mérések, stb.)
Megvalósít néhány rádió erőforrás menedzsment funkciót is: pl. finomabb (softer) handover vagy zárthurkú (close loop) teljesítményszabályozás
RNC (Radio Network Controller) Rádiós-hálózat vezérlő, amely az UMTS rádiós
interfész és a maghálózat közötti kapcsolatot biztosítja
Vezérli a rádiós erőforrások felhasználását (RRM-Radio Resource Management), a teljesítményszabályozást
Kezeli a protokoll illesztéseket a következő interfészeken: UE-RNC, RNC-RNC or RNC-MSC/SGSN
Load Management, Admission Control
Az UTRAN elemei
Korszerű mobil rendszerek
CBC: információ küldés a cellában tartózkodó minden UE felé (például városnév küldése a készülékre)SMLC : aktuális tartózkodási helytől függő szolgáltatások (Location Base Services) vezérléséhez
RNC Cell Broadcast Centre (CBC)
Iu-BC
Serving Mobile Location
Centre(SMLC)
Iu-PC
Új hálózati elemek az UMTS-ben
Korszerű mobil rendszerek
MSC, GMSC szerverek Jelzésfunkciók vezérlése Az előfizetői adat az MGW-n megy keresztül Egy MSC, GMCS szerver számos MGW-t vezérel
▪ Amikor növekszik az adatforgalom, csak egyel növelni kell az MGW-k számát
MGW (Media Gateway)Multimédiás áramkörkapcsolt megoldások átjárója
HSS (Home Subsciber Server) HLR helyett lesz (mobilitás kezelés, felhasználói biztonsági
funkciók, elérés hitelesítés, stb.)MRF (Media Resource Function) Multimediás erőforrások vezérléseCSCF (Call Session Control Function) Multimédiás kapcsolatok felépítése és kezeléseMGCF Az ISUP és IM alrendszerek hívásjelzés protokollok illesztését
kezeli IP szolgáltatások és UMTS áramkörtkapcsolt hálózati rész
jelzésszintű összekapcsolása
Új hálózati elemek a maghálózatban
Korszerű mobil rendszerek
RRM feladatok Rádiós erőforrások hatékony kezelése Garantált QoS értékek a felhasználók
számára Előre tervezett lefedettség biztosítása Kapacitás optimalizálásRRM vezérlési folyamatok Teljesítmény szabályozás (Power control) Handover Beléptetés vezérlés (Admission control) Terhelés vezérlés (Load control)
Radiós erőforrás kezelés (Radio Recource Management)
Korszerű mobil rendszerek
GSM szektorsugárzók
Dönthető antennák
Szektor antennák
Korszerű mobil rendszerek
Toronyra szerelt omni antenna
„Kézi” omni antenna
Omni antennák
Korszerű mobil rendszerek
Mikrohullámú antennák: kapcsolat a hálózat felé (pár tíz GHz, Mo-on 40 GHz-ig)
Mikrohullámú antennák
Korszerű mobil rendszerek
MIMO antennák (LTE)
Több szektoranten
na egy irányban
3G/4G antennák
Korszerű mobil rendszerek
Beltéri antennák
Korszerű mobil rendszerek
Csatornakapacitás
C - csatorna átviteli kapacitás [bit/s]B - csatorna sávszélesség [Hz]S - jelteljesítmény [W]N - zajteljesítmény [W] (Interferencia jelek okozzák)
1. Ha azonos jel/zaj viszony fenntartásával növelni akarjuk a csatorna átviteli kapacitását (sebességét) meg kell növelni a csatorna sávszélességét.
2. Ha a csatornát zavaró interferencia túl nagy (csökken S/N értéke), változatlan sávszélesség mellett csökken a csatorna kapacitása.
BC
NS
NSBC
NSBC
2ln2ln
1log2
Hartlay-Shannon törvény:
Korszerű mobil rendszerek
A CDMA-t alkalmazó rendszereknél:Ha az aktív UE-k száma az
interferencia szintje a rendszerben ▪ Minden UE interferenciát okoz:
▪ Minden másik UE-nek a cellában ▪ Minden másik UE-nek a környező cellákban
Ha UE kimeneti teljesítménye a sávban az interferencia (= a rendszer kapacitása)
Teljesítmény szabályozás szükségessége
Korszerű mobil rendszerek
Teljesítmény szabályozás minimalizálni kell az interferenciát hogy a kapacitást növelni lehessen
UE2UE1
Node B• A pontos és gyors
teljesítményszabályozás a CDMA rendszerek használhatóságának legfontosabb tényezője
• A túl nagy teljesítménnyel adó UE blokkolhatja a cella forgalmának nagy részét.
Közel-távol (near-far) probléma
Teljesítmény szabályozás (közel-távol probléma)
Korszerű mobil rendszerek
UMTS-ben alkalmazott háromféle teljesítmény-szabályozás megoldás:
Nyílthurkú (open-loop) Gyors, zárthurkú (fast closed-loop) Külsőhurkú zárt (outer loop)
Teljesítmény szabályozás típusai
Korszerű mobil rendszerek
UE „durva” kezdeti teljesítmény beállítása a cellában (uplink)A beállítás „pontatlan”: tolerancia ± 9-12 dB (path loss, lassú fading)
Nagy az FDD frekvenciák különbsége, nincs kolleráció a gyors fadingek esetén. Nem használható.
Node BUE
Downlink vételi teljesítmény mérés (BCH)
Tx teljesítmény
Nyílthurkú teljesítmény szabályozás (open-loop)
Korszerű mobil rendszerek
Uplink irányban Node B méri a vett SIR értéket (Signal to Interference Ratio) Ha SIRmért > SIRcél akkor a Node B utasítja UE-t
teljesítménytHa SIRmért < SIRcél akkor a Node B utasítja UE-t teljesítményt
Szabályozás sebessége = 1500/s minden UE esetében (1dB)▪ A GSM-ben lassú szabályozás van (2 Hz)▪ A mechanizmus gyorsabban működik minthogy lényeges path
loss következne be Ha egy UE túl nagy teljesítménnyel ad, túl nagy
interferenciát okoz a többi UE számára
Downlink irányban Nincs közel-távol probléma (Node B több UE felé) A Node B a cella határán lévő UE-khez igazítja a
teljesítményt
UE2
UE1Node B
Tx telj. Tx telj.
Gyors, zárthurkú teljesítmény szabályozás (closed-loop)
Korszerű mobil rendszerek
SIRcél (SIRtarget ) a szükséges BER szerint van meghatározvaSIRcél .~ UE sebessége, mert változik a BER.
SIRcél értékét az UE sebességétől függően kell változtatni
Külsőhurkú szabályozás SIRcél értéke változik a Node B-ben, hogy a BER-t konstans
szinten lehessen tartani
RNC(Külsőhurkú szabályozás)
Node B(Zárthurkú szabályozás)
UE
FER
SIRcél
SIRcél
Idő
Külsőhurkú teljesítmény szabályozás (outer loop)
Korszerű mobil rendszerek
Csatornaváltás vagy cellaváltás kapcsolat közbenTípusok Durva (hard) handover
Frekvenciák közötti: a WCDMA vivőfrekvenciák közötti handover (egy cellában több vivő is van) Rendszerek közötti: UMTS frekvenciasávok között, vagy UMTS és más rendszer között (pl. UMTS-GSM között)
Finom (soft) handover: Két Node B szektor között
Finomabb (softer) handover: Egy Node B két szektora között
Handover
Korszerű mobil rendszerek
MS csak egy BTS-el van kapcsolatban egyidőben MS hirtelen vált át az egyik csatornáról a másikra,
átváltás közben rövid időre nincs kapcsolat BTS 1
(f1,TS5)
BTS 2 BTS 1
(f2,TS3)
BTS 2
MSa
MSa
GSM
UMTS
f2f1 f1
f2
UMTS
GSM
Durva (hard) handover
Korszerű mobil rendszerek
CDMA rendszerekben alkalmazzák Finom handover Egy UE kettő, vagy annál több Node B-vel kommunikál
parallel UE már a Node B2-vel kommunikál, miközben a Node B1-el is
kapcsolatban marad „Láthatatlan” (seamless) átmenet a cellák között
Több szimultán kapcsolat a bázisállomásokkal → Makro-diverzitás
Finom (soft) handover elve
Node B1Node B2
1
UEa Node B1Node B2
2
UEa
Node B1Node B2
UEa
Node B3
Korszerű mobil rendszerek
UE két Node B-hez tartozó szektor határán tartózkodik
UE-Node B kommunikáció két rádiócsatornán zajlik A jelek kombinációját (uplink irányban) az RNC végzi Többutas vétel problémája – Rake feldolgozás
Két teljesítmény szabályozási hurok aktív
Szektor 1
Szektor 2
RNCNode B1
UEa
Node B2
Finom handover jellemzői
Korszerű mobil rendszerek
UE egy Node B két szektorának határán tartózkodik
UE-Node B két rádiócsatornán kommunikál A jelek kombinációját (uplink) a Node B végzi Többutas vétel– Rake feldolgozás
Egy teljesítményszabályozás hurok aktív
Sector 1
Sector 2
RNCNode B
UEa
Finomabb (softer) handover
Korszerű mobil rendszerek
(Hard) Handover BTS1 – BTS1 BTS1 - BTS2
- GSM/GPRS- megszakítás van az átvitelben
Soft handover Node B1 - Node B2 - cdma2000, UMTS- nincs megszakítás az átvitelben
Softer handover Node B1 - Node B1 - UMTS
Frekvencia hard handover Carrier f1 - Carrier f2 - UMTS
Rendszer hard handover Rendszer1 –Rendszer2 - WCDMA FDD / GSM
Handover áttekintés
Korszerű mobil rendszerek
Frekvencia ugrálás (Frequency Hopping) GSM (lassú), Bluetooth (gyors) Direkt szekvenciás kiterjesztés (Direct
Sequence) - Egyszerű implementáció → elterjedt használat (nem szükséges
nagysebességű frekvencia szintézer) - A rendelkezésre álló frekvenciasávot folyamatosan kihasználja - cdma2000, WCDMA
Időugrálás (Time Hopping) Katonai alkalmazások Többvivős CDMA (Multi Carrier CDMA)
Kiterjesztett spektrumú technikák
Korszerű mobil rendszerek
A B AB
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Kiterjesztés (spreading) – egy információs bitet a kiterjesztő sorozat n bitjének feleltetünk meg Kiterjesztő sorozat bitjei = chip-ek Chipek száma/információs bit = Kiterjesztési
Factor/Spreading Factor (pl. SF= 4, 8, 16, …512)
A B AB
+1 +1 +1
+1 -1 -1
-1 +1 -1
-1 -1 +1
XOR
100 kb/s (or kchip)
10 kb/s 100 kbpsInformációs bitek
Kiterjesztő sorozat
Kiterjesztett
információ
XOR logikai funkció és and analóg megfelelője
A jel kiterjesztésének elve
Korszerű mobil rendszerek
RSp, Sp-hez hasonlóan álvéletlen (pszeudo-random) zajként jelenik meg
R * Sp a kiterjesztett jel megnöveli a spektrumot
Információs bitek (R)
Kiterjesztő sorozat (Sp)(SF = 8)
Kiterjesztett információ (RSp)(= R * Sp)
Kiterjesztés
Kiterjesztő sorozat (Sp)Szűkítés
Adat (R)
Információs bit
Chip
1-1
1-1
1-1
1-1
1-1
Kód adás-vételt szinkronizálni kell
Kiterjesztés/szűkítés (spreading/despreading)
Korszerű mobil rendszerek
Szűkítés (despreading) – felerősíti a kívánt jelet a többi jelhez képest.
Feldolgozási nyereség (Processing gain): PG
PGSNRin SNRout(dB) = SNRin(dB) + PG(dB)
SNR - Signal to Noise Ratio: Jel/zaj viszony
Szűkítés
Vevő bemenetére jutó jel/zaj viszony
Szűkítés utáni jel/zaj viszony
Feldolgozási nyereség
Korszerű mobil rendszerek
][log10 10 dBRRP
RRP
Info
PNG
Info
PNG
RPN – chip sebesség (PN sorozat sebesség)RInfo – információ bitsebesség
PéldaRPN = 3,84 McpsRInfo = 12,2 kbps
PG = 10*log10(3,84*106/12,2*103) = 25 dBA szűkítés után, a jel teljesítményének néhány dB-vel a zajteljesítmény felett kell lennie, különben a jelet nem lehet kinyerni a csatornából.
Feldolgozási nyereség direkt szekvenciás kiterjesztésnél
Korszerű mobil rendszerek
Más kiterjesztett csatornák, interferenciaként jelentkeznek a felhasználó csatornáján és meghatározzák SNR értékét a szűkítés után Példa1.) RPN = 3,84 Mcps 2.) RPN = 3,84 Mcps RInfo = 12,2 kbps RInfo = 2 Mbps PG = 25 dB PG = 2,8 dB Tegyük fel, hogy a jó ávitelhez SNRout = 7 dB szükséges SNRout = SNRin + PG 1.) SNRIN = SNROUT - PG = -18 dB 2.) SNRIN = SNROUT - PG = 4,2 dB
A kívánt jelszintnek az 1.) esetben18 dB-vel kevesebbnek, a 2.) esetben 4,2 dB –el többnek kell lennie, mint a többi csatorna által okozott interferencia és zaj.
Példa a DS-CDMA jel teljesítmények meghatározására
Korszerű mobil rendszerek
twAtctstctstctsS cnnTx cos)]()(...)()()()([ 2211
A felhasználók ugyanazt a frekvenciasávot használják egyidőben
Kódjaik alapján vannak megkülönböztetve
c1(t)s1(t)
c2(t)s2(t)
cn(t)sn(t)
∑
Acos(ωct)
f(Hz)
Teljesítmény
f(Hz)
f(Hz)
f(Hz)
f(Hz)
f(Hz)
f(Hz)
Power
STXPseudo-zaj 1
Pseudo-zaj 2
Pseudo-zaj 3
Háttérzaj
Teljesítmény
Teljesítmény
Teljesítmény
Teljesítmény
Teljesítmény
Modulátor
Kiterjesztés
DS-CDMA jelek kiterjesztése (spreading)
Korszerű mobil rendszerek
1)()(,1)()(cos)()()(cos])()()([)()(
)(cos)]()(...)()()()([)()(
111'
111'
211
1'
22111
tctctctctwAtctctstwAtctctstctS
tctwAtctstctstctstctS
icc
n
iiiRx
cnnRx
f(Hz)
Kívánt jel
fc = c/2
c1(t)
fc = c/2
Sáváteresztő szűrő
A vett jel az összes vivőre ültetett kommunikációs
csatorna jelét tartalmazza
A jel szűkítése (despreading) az átviteli csatornán vett jel és a csatorna kódjának XOR logikai leképezésével történik.
SRX
nemkívánt jelek (interferenciák) kívánt jel
Átviteli csatornán vett jel
Demodulátor
DS-CDMA jelek szűkítése (despreading)
Korszerű mobil rendszerek
Természetes akadályok miatt (épületek, dombok, stb.), terjedésekor a jel visszaverődik, szóródik és csillapul többutas terjedés
A jel a vevőre időben jól elkülöníthető pillanatokban érkezik A beérkező energia változása (eloszlása) adja meg a
többutas késleltetés profilt A késleltetés értéke:
1 to 2 µs városi, vidéki környezetben 20 µs vagy több dombos területeken
Többutas komponensek
Többutas terjedés
Korszerű mobil rendszerek
Tchip = 0,26 µs (WCDMA, 3,84 Mc/s)Két eset Ha TMultiCom 0,26 µs, a vevő szét tudja választani és
kombinálni a többutas komponenseket hogy meghatározza a jel diverzitását ▪ TMultiCom ≥ 0,26 µs …ha az átviteli út ≥ 78 m
(kis mozgási/chip sebesség)▪ 1Mc/s esetén, 300 m
▪
Általában több egyforma hosszúságú terjedési út van adott idő alatt
Például a /2 (2GHz, =15 cm), késleltetéssel érkező jelek egy chipidő késleltetéssel érkeznek a vevőre
Ha az adó mozog jelvesztés vagy gyors fading jelentkezhet a kioltások miatt.
TMultiCom
Többutas terjedés problémája
Korszerű mobil rendszerek
A vett jel teljesítménye hirtelen 20-30 dB-el csökken
Rayleigh eloszlású fading Ellelépések a WCDMA-ban
Rake vevő Gyors teljesítmény szabályozás Hatékony kódolás, interleaving, újraküldési protokollok
Gyors fading
Korszerű mobil rendszerek
Csúcsértékek meghatározása Azon időbeli helyek meghatározása, ahol jelentősen megnő
a vett jel (szimbólum) energiája (teljesítmény sűrűsége), és ezen helyek megjelölése mutatókkal (fingers).
A mérés eredményei adják a többutas terjedés profilját.
Változások követése A mutatók vektor jellegűek, amelyek követik a gyors
fadingből eredő és gyorsan változó fázis- és amplitúdó jellemzőket
A változások észlelése ≤ 1 ms Jelfeldolgozás Minden egyes mutatót feldolgoznak, hogy meghatározzák a
demodulált jelet és fáziskésését, majd az összegzett eredményeket a dekóderbe küldik.
CDMA vevő
Korszerű mobil rendszerek
Maximális Rádió Keverés (Maximal Rádio Ősszegzés: MRC)
WCDMA pilot jeleket (szimbólumokat) használ, hogy a csatornára megbecsülje a súlyozott fázorok aktuális értékét
A csatorna által okozott fáziseltérést kompenzálják (visszaforgatják) az eredeti értékre
A kompenzált jeleket összeadják, hogy visszakapják a kívánt jelenergiát
Mutató 1
Mutató 2
Mutató 3
Adó jele Vett jel különböző
késleltetéssel
Csatornára becsült változás alapján
végrehajtott korrekció
Összegzett szimbólum
Σ
Fáziskompenzáció
Mutatók (fingers) elemzése
Korszerű mobil rendszerek
Finger 3
Korrelátor és kódgen. : szűkíti és integrálja az adat szimbólumotCsatorna becslő: megbecsüli a csatorna állapotát (a pilot jelekből) Fázisforgató: a vett jel fázisát kompenzálja (visszaforgatja) Késleltetés kiegyenlítő: kompenzálja a mutatók közötti időt Összeadó: összeadja a kompenzált jeleketIllesztett szűrő: frissíti a csatorna többutas fading profilját
Bejövő jel Összeadó
Finger 2 Finger 1
Korrelátor
Kód generátor
Csatornabecslő
Fázis forgató
Késleltetéskiegyenlítő
Illesztettszűrő
Dekóder
Időzítés
CDMA Rake vevő 3 mutatóval (finger)
Korszerű mobil rendszerek
Jellemzők Interferencia a csatornák között Véletlenszerű terhelés
Választás Auto-korrelációs jellemzők szerint Kereszt-korrelációs jellemzők szerint
Kódok típusai PN sorozat (Pseudo random Noise sequence)
▪ MLS (Maximal Length Sequence) Gold kód Walsh kód
Kiterjesztő kódok (spreading codes)
Korszerű mobil rendszerek
dttFtFACF
)()( Időben változó folytonos jel autokorrelációs függvénye:
NCCCCACF ACF értelmezése bitsorozatra: → L hosszúságú bitsorozat bitjeit összehasonlítjuk ugyanazon bitsorozat eltolt változatának bitjeivel (az eltolás mértéke: 1-L)
# Egybevágó bitek a két bitsorozatban# Nem egybevágó bitek a két bitsorozatban
ACF: Auto-Correlation Function
Auto-korreláció definiciója
Korszerű mobil rendszerek
-2
0
2
4
6
8
Eltolás (bits) Bitsotozat CC NCC ACF0 1011100 7 0 71 0111001 3 4 -12 1110010 3 4 -13 1100101 3 4 -14 1001011 3 4 -15 0010111 3 4 -16 0101110 3 4 -17 1011100 7 0 7
Kor
relá
ció
PN eltolás04 05 06 00 01 02 03 04 05 06 00 01 02 03
Auto-korreláció értelmezése bitsorozatra (példa)
Korszerű mobil rendszerek
dttGtFCCF
)()(
Időben változó folytonos jelek F(t) és G(t) keresztkorrelációs függvénye:
NCCCCCCF CCF értelmezése két bitsorozatra → két különböző bitsorozat bitenként összehasonlítása
# Egybevágó bitek száma# Nem egybevágó bitek száma
Ortogonális kódok: CCF = 0
CCF: Cross-Correlation Function
Kereszt-korreláció értelmezése
Korszerű mobil rendszerek
1... 1111 xaxaxaxP nnnn
123 xxxP
12 NL
7123 L
PN sorozat – bináris bitsorozat zajjellegű tulajdonságokkal (pszeudorandom) … PN sorozat nem teljesen determinisztikus, és nem teljesen
véletlen PN generator Lineáris visszacsatolt shift regiszter
Minden shift regiszter más polinomot állít elő
A PN sorozat hossza:
x0 x1 x2 x3
órajelPN sorozat
[chipek] … N – tárolók száma
Példa: 3-as shift regiszter
PN sorozat
Korszerű mobil rendszerek
Gold kód: két preferált PN sorozat bitenkénti modulo 2 összeadása (XOR) (primitív kifejezés) Az egyik PN sorozat eltolásával más GOLD kódot Csak három keresztkorrelációs csúcsértéke van,
amely a kódsorozat hosszának növekedesével egyre kevésbé lényeges
Egyszerű auto-korreláció nulla értékű (mint a PN sorozatoknál)
Elősegíti az aszinkron átvitelt▪ a vételi oldalon a Gold kód auto-korrelációs jellemzői
segítségével állítható vissza a jel Nagy mennyiségű kód generálható jó korrelációs
jellemzőkkel
Gold kód
Korszerű mobil rendszerek
NN
NNN MM
MMM 2
Walsh, vagy Walsh-Hadamard kódokA kódok ortogonálisak egymással ugyanabban a mátrixban (CCF = 0)Rossz auto-korrelációs jellemzők▪ Egy kód és eltolt változata közti auto-korreláció nem nulla
Walsh mátrix:▪ Négyzetes matrix▪ Mátrix leírható: (m = matrix mérete, i = sor száma)
1001001101011111
0110110010100000
0110110010100000
0110110010100000
0110110010100000
1000
0 8421 MMMM
miW
81W
10101010
Walsh kódok
Korszerű mobil rendszerek
01 W
0020 W
001142 W
0121 W
010141 W 01104
3 W
0000000080 W 000011118
4 W 0011001182 W 010101018
1 W 0011110086 W 010110108
5 W 0110011083 W 011010018
7 W
ismétlés& invertálás
ismétlés
000040 W
Walsh kód fastruktúrája
Korszerű mobil rendszerek
Kód Chip-ek Analóg megjelenés
Walsh 0 0000
Walsh 1 0101
Walsh 2 0011
Walsh 3 0110
bit 0 ≈ +1bit 1 ≈ -1
Walsh kód 3
bit 0 bit 1
adatbitek
Walsh 3
Kiterjesztés után
A user (Walsh 0)
B user (Walsh 2)
C user (Walsh 3)
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
+3,+1,-1,+1
Walsh kódok a kiterjesztésben (példa)
Korszerű mobil rendszerek
144
144
144
A user (Walsh 0) 0 0 0 0 1
B user (Walsh 2) 0 0 1 1 1
C user (Walsh 3) 0 1 0 1 1
A (Walsh 0)
Walsh kód * kiterjesztett adatChip-ek száma a Walsh kódban 1
44
Információs bitek (A user) 0 0 0 0 1
CCF=1*3+1*1+1*(-1)+1*1
144
Walsh kódok a szűkítésben
Korszerű mobil rendszerek
Kód alkalmazás Előnyök Hátrányok
Walsh UMTS, cdmaOne • A kódok ortogonálisak • rossz auto- és keresztkorreláció
PN sorozat cdmaOne• Jó autokorreláció
• Nem ortogonális kódok• Rossz keresztkorreláció • Kis számú kód
Gold UMTS • Jó kerasztkorreláció• Nagyszámú kód •Autokorreláció Walsh < Gold < PN sorozat
• nem ortogonális kódok
A kódok korrelációs jellemzői nagyban meghatározzák a cellában az interferenciát
CDMA kapacitás az interferenciától függ
Kódok - áttekintés
Korszerű mobil rendszerek
Előfizetői adat
Si
Csatorna kód(Walsh)
Jelsebesség (változik)
Chip sebesség
(fix)
Kiterjesztő kódok = Walsh kódok Minden kód egy csatornát reprezentál csatorna kódok Azonosítja az előfizetőket a cellában A kódhossz válozik és az alkalmazástól függ
Ci
Ci+1
Si+1
Ck
Sk
UMTS-ben használt kódok downlink irányban (I.)
Korszerű mobil rendszerek
Keverés (scrambling): a kiterjeszett jelet egy második kóddal szorozzuk meg A kiterjesztés után használjuk Nem változik a jel sávszélessége (…sebessége)
Keverő kódok = Gold kódok javítja a csatornakód autokorrelációs jellemzőjét Azonosítja a Node B-ket (… minden Node B-nek más kódja van)
Keverő kód (Gold)
Chip sebesség
Előfizetői adat
Si
Csatorna kód(Walsh)
Jelsebesség
(változik)
Chip rate (fix)
Ci
Ci+1
Si+1
Ck
Sk
UMTS-ben használt kódok downlink irányban (II.)
Korszerű mobil rendszerek
Node B (adás) a Node B-k által küldött jelek időben szinkronozva
vannak
UE (vétel) A többutas terjedés miatt, a küldött jelek
ortogonális jellemzői megszűnnek (Rake vevő)
UMTS-ben használt kódok downlink irányban (III.)
Korszerű mobil rendszerek
Csatornakód Walsh Szétválasztja az adat és kontroll fizikai csatornákat
Keverő kód Rövid (Gold kód) vagy hosszú (PN sorozat) Elkülöníti a felhasználókat of users
A felhasználó jelei nem ortogonálisak UE-k felől érkező jelek aszinkronok
UMTS-ben használt kódok uplink irányban (IV.)
Korszerű mobil rendszerek
Csatorna kód Keverő kód
HasználatDownlink: UE-k elválasztása a cellábanUplink: kontroll és adat fizikai csatornák szétválasztása egy UE felöl
Downlink: cellák megkülönböztetéseUplink: UE-k megkülönböztetése
Chip- hosszúság
Downlink: 4-512 chip
Uplink: 4-256 chip
Downlink: 10 ms = 38400 chips Uplink: 10 ms = 38400 chips or 66,7 µs = 256 chips
Kódok száma Shift regiszter hosszától függDownlink: 512Uplink: sok millió
Sáv-szélesség Megnöveli az átviteli sávszélességet Nincs hatása a sávszélességre
UMTS-ben használt kódok (V.)