Informatika | Távközlés » Maros Dóra - UMTS rendszer

UMTS rendszer Maros Dóra Budapesti Műszaki Főiskola Dr. ing Robert Bestak Prágai Műszaki Egyetem Mobil rendszerek generációi Generáció 1 (1980-1995) 2 (1992-2000) 2,5 (1999-2010) 3 (2000-) Név Jellemzők NMT (Nordic Mobile Telephone); 450 MHz, 900 MHz AMPS (Advance Mobile Telephone System); USA TACS (Total Access Communication System); UK, I, SP, Radiocom 2000; FR Analóg rendszer Nemzeti rendszer GSM (Global System for Mobile communications) - GSM 900 - GSM 1800 (DCS, Digital Communication System) DAMPS (Digital AMPS, IS136 néven ismert) PCS 1900 (Personal Communication System), DCS-n alapul GSM verzió az USA-ban IS95 (Interim Standard) CDMA-n alapul - IS95a,b cdmaOne néven is szerepel PDC (Personal Digital Communication), DAMPS-hoz hasonló Hang Beszédátvitelre optimalizált Digitális rendszerek FDMA/TDMA/CDMA Beszéd és adat GPRS/ (General Packet Radio Service) EGPRS/EDGE (Enhanced GPRS/Enhanced Data rates for Global Evolution) Beszéd és adat

cdma2000 - cdma2000 1xEV-DO (cdma2000 csak adat) - cdma2000 1xEV-DV (cdma2000 adat és beszéd) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Multimédia 3G szabványok Japán, Korea • Japán   • ARIB (Association for Radio Industries and Businesses) • 3 technológia fejlesztése: WCDMA, WTDMA and OFDMA • 1997: WCDMA választása FDD és TDD alkalazásával • 3GPP tagja TTC (Telecommunication Technology Committee): Magasabb rétegekben specifikált működés Korea  TTA (Telecommunication Technology Association) • Két párhuzamos 3G fejlesztés – TTA1 (szinkron CDMA): hasonlóan WCDMA-hoz az ETSI-ben és ARIB-ban – TTA2 (aszinkron CDMA): hasonló a cdma2000-hez a TIA-ban • 3GPP és 3GPP2 tagja 3G szabványok USA • USA    TIA (Telecommunications Industry Association) ATIS (Aliance for Telecommunication Association), T1P1-ként is ismert 2G technológiából átmenet a 3G-be • GSM 1900WCDMA N/A (North America) ATIS •

Hasonló az ETSI és ARIB WCDMA-hoz • IS136 (DAMPS) TDMA+WTDMA+EDGE TIA • IS95  cdma2000 TIA • szinkron hálózat • 3GPP2 szabvány • WP CDMA (Wideband Packet CDMA) 3G szabványok Európa (UMTS/ETSI) • Release 99   • Release 4   •    Kiadás: 2002 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) bemutatása IP alapú szállítási réteg Internet Engineering Task Force (IETF) szervezet ajánlásainak bevonása – jelentős IP alapú alkalmazások Release 6   • Kiadás: 2001 A Release 99 javítása Release 5  • Kiadás: 1999 Első verzió Kiadás: 2003 Hatékonyabb rádiós erőforrás menedzsment Release 7  ? A 3GPP létrehozása (3rd Generation Partnership Project) • 3GPP előtt - számos technológiát szabványosítottak világszerte  Hasonló szabványokat több helyen is publikálnak • Kutatások azonos területeken • A készülékek kompatibilitásának problémáját nehéz megoldani •

WCDMA szabványok egységesítése  3GPP (1998)  UTRA szabványosítása • UMTS Terrestrial Radio Access (ETSI)  Universal Terrestrial Radio Access (3GPP) 3GPP ETSI ARIB TTC TTA ATIS CWTS (Europa) (Japán) (Japán) (Korea) (USA) (Kína) A szabványszervezeten keresztül a vállalatok is a 3GPP tagjai Partnerek: GSM testület, UMTS forum, IPv6 forum, etc. 3GPP munkacsoportok 3GPP Rádiós elérés hálózat TSG Maghálózat TSG Szolgáltatások és rendszerjellemzők TSG Terminálok TSG TSG: Technical Specification Groups (Technikai specifikációk csoportja) GERAN: GSM/Edge Radio Access Network GERAN TSG (2000) UMTS rádiós hozzáférés CDMA: Code Division Multiple Access • Egy előfizető-egy kód Duplexelés: FDD  Különböző frekvenciasávok downlink és uplink átvitelre  FD-CDMA=WCDMA (Wideband CDMA) TDD  Ugyanaz a frekvenciasáv downlink és uplink átvitelre  TD-CDMA (Time Division CDMA). UMTS frekvenciasávok

(Európa) 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 A frekvenciasávokat 1992-ben specifikálták Csatorna távolság: 5,10, vagy 20 MHz 2000-ben, új frekvenciasávok   806 - 960 MHz, 1710 - 1885 MHz 2500 - 2690 MHz UMTS FDD Műhold UMTS TDD UMTS FDD Műhold UMTS TDD DECT GSM 1800 GSMEurope UMTS [MHz] 1800 1900 Páratlan sávok 2000 2100 Páros sávok 2200 2500 2600 2700 Többszörös hozzáférési technikák Több felhasználó megosztva használja a rendelkezésre álló kommunikációs csatornákat FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 frekvencia 1 csatorna = 1 időrés 1 csatorna = 1 kód Idő Idő Idő Frekvencia Frekvencia Frekvencia CDMA: egy időben több előfizető

használja aktívan ugyanazt a frekvenciasávot (pl. sávszélesség: 5 MHz) Cellák és adatsebesség Föld cella (szatelit) Makrocella 350m-20km vidék, külváros Max. 384 kbit/s Mikrocella 50-300m város kültér Max. 384 kbit/s Pikocella pár 10m beltér Max. 2Mbit/s HSDPA (Release 5) High Speed Downlink Packet Access: 10Mbit/s 3G szolgáltatások jellemzői • 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 érkézeny a szolgáltatás a késleltetésekre QoS osztályok Forgalom osztály Késleltetés Hibatolerancia Mód Példa Conversational Streaming Interactive Background Válaszidő információ adás/vétel között Válaszidő információ adás/vétel között Válaszidő lekérdezésre

A fogadóoldal egy bizonyos időn belül nem fogad újabb adatot << 1 s ~ 1s < 10 s > 10 s Igen Igen Nem Nem Áramkörkapcsolt Áramkörkapcsolt Csomagkapcsolt Csomagkapcsolt Csomagkapcsolt Beszéd, Videotelefon Streaming multimedia Web böngészés Adatbázis kezelés Email, SMS, MMS Párbeszéd (conversational) osztály jellemzői • 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) UMTS hálózat Node B UE Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez RNC MSC/ VLR Node B GMSC PLMN, ISDN GGSN Internet HLR SGSN Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez UE UTRAN UE: Felhasználói készülék Maghálózat

(CN:Core Network) UTRAN: UMTS földi rádiós-elérésű hálózat Node B: B(ázis) csomópont, bázisállomás RNC: Rádiós-hálózat vezérlő Külső hálózatok Egyéb QoS osztályok jellemzői • 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 • Jellemzők: asszimetrikus, kis kapcsolási idő, nagy mennyiségű adatletöltés • Background osztály  Alkalmankénti egyirányú kapcsolat • • Csomagkapcsolt átvitel MMS, SMS, E-mail Felhasználói készülék (User Equipment) • 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 UMTS Előfizetői Azonosító Modul USIM ME Mobil készülék UE Az UTRAN elemei • 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, a teljesítményszabályozást Kezeli a

protokoll illesztéseket a következő interfészeken: UE-RNC, RNC-RNC or RNC-MSC/SGSN Rádiós hálózati alrendszer • RNS (Radio Network Sub-system): Rádiós-hálózati alrendszer - egy RNC + egy vagy több Node - az RNC-k között is lehet kapcsolat • UTRAN: egy vagy több RNS CS Node B MSC/VLR RNC UE Node B RNS Node B RNC Node B SGSN RNS UTRAN PS UMTS interfészek Uu (Um) UE (MS) Node B (BTS) Iub (Abis) Iu RNC (BSC) MSC/ VLR E Iu-CS (A) PSTN MSC/ VLR GMSC PLMN, ISDN GGSN Internet D Node B C Iur Gs HLR Gr Iu-PS (Gb) SGSN Gc Gn Pirossal az UMTS, zárójelben zölddel pedig a GSM/GPRS megfelelőket jelöltük Iu flex (flexible): Egy RNC több Iu-CS és Iu-PS interfészt támogat egyszerre Új Iu interfészek: Iu-BC és Iu-PC Iu-BC Cell Broadcast Centre (CBC) RNC Iu-PC stand alone Serving Mobile Location Centre(SMLC) CBC: információ küldés a cellában tartózkodó minden UE felé (például városnév küldése a készülékre)

SMLC (SAS néven is ismert): : Aktuális tartózkodási helytől függő szolgáltatások (Location Base Services) vezérléséhez Maghálózat fejlődése Adat & vezérlés MSC server GMSC server HSS MGW MGW PSTN Vezérlés Iu-CS Iu-CS UTRAN Iu-PS SGSN GGSN Internet MRF CSCF MGCF IP alapú multimediás szolgáltatások biztosítására (audio, video, chat, stb.) IMS MGW: Media Gateway (Média ártjáró) 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) Új hálózati elemek a maghálózatban • 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)  • MRF (Media Resource Function)  • Multimediás erőforrások vezérlése (pl. videokonferencia esetén) CSCF (Call Session Control Function)  • HLR helyett lesz (mobilitás kezelés, felhasználói biztonsági funkciók, elérés hitelesítés, stb.) Multimédiás kapcsolatok felépítése és kezelése MGCF   Az ISUP és IM alrendszerek hívásjelzés protokollok illesztését kezeli IP szolgáltatások és UMTS áramkörtkapcsolt hálózati rész jelzésszintű összekapcsolása Radiós erőforrás kezelés (Radio Recource Management) • RRM feladatok  Rádiós erőforrások hatékony kezelése  Garantált QoS értékek a felhasználók számára  Előre tervezett lefedettség biztosítása  Kapacitás optimalizálás • RRM vezérlési folyamatok 

Teljesítmény szabályozás (Power control)  Handover  Beléptetés vezérlés (Admission control)  Terhelés vezérlés (Load control) Csatornakapacitás kérdése Hartlay-Shannon törvény: S  C  B log 2 1     N C B S ln 2  N  S ln 2   C  N B CBSN- csatorna átviteli kapacitás [bit/s] csatorna sávszélesség [Hz] jelteljesítmény [W] 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. Ha a csatornát zavaró interferencia túl nagy (csökken S/N értéke), változatlan sávszélesség mellett csökken a csatorna kapacitása. 2. Teljesítmény szabályozás szükségessége A CDMA-t alkalmazó rendszereknél: Ha  az aktív UE-k száma rendszerben  az interferencia szintje a • Minden UE interferenciát okoz: – Minden másik UE-nek a

cellában – Minden másik UE-nek a környező cellákban Ha  UE kimeneti teljesítménye (=  a rendszer kapacitása)  a sávban az interferencia Teljesítmény szabályozás (közel-távol probléma a CDMA-ban) Node B UE1 Közel-távol (near-far) probléma • A pontos és gyors teljesítményszabályozás a CDMA rendszerek használhatóságának legfontosabb tényezője • A túl nagy teljesítménnyel adó UE blokkolhatja a cella forgalmának nagy részét. UE2 Teljesítmény szabályozás minimalizálni kell az interferenciát hogy a kapacitást növelni lehessen Teljesítmény szabályozás típusai • A CDMA-ban alkalmazott háromféle teljesítmény-szabályozás megoldás:    Nyílthurkú (open-loop) Gyors, zárthurkú (fast closed-loop) Külsőhurkú (outer loop) Nyílthurkú teljesítmény szabályozás (open-loop) • UE „durva” kezdeti teljesítmény beállítása a cellában A beállítás „pontatlan”: tolerancia ±

9-12 dB (path loss, lassú fading) Downlink vételi teljesítmény mérés (BCH) Node B UE Tx teljesítmény  Nagy az FDD frekvenciák különbsége, nincs kolleráció a gyors fadingek esetén. Nem használható Gyors, zárthurkú teljesítmény szabályozás (closed-loop) • Uplink irányban    Node B méri a vett SIR értéket (Signal to Interference Ratio) Ha SIRmért > SIRcél akkor a Node B utasítja UE-t  teljesítményt Ha 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 Node B  Tx telj. Tx telj. UE2 • Downlink irányban   Nincs közel-távol probléma (Node B több UE felé) A Node B a cella határán lévő UE-khez

igazítja a teljesítményt UE1 Külsőhurkú teljesítmény szabályozás (outer loop) • • SIRcél (SIRtarget ) a szükséges BER szerint van meghatározva SIRcél .~ 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 BER SIRcél UE RNC (Külsőhurkú szabályozás) Node B (Zárthurkú szabályozás) SIRcél Idő Handover • • Csatornaváltás kapcsolat közben Típusok  Durva (hard) handover Frekvenciák közötti: a WCDMA vivőfrekvenciák közötti handover (egy cellában több vivő is van) Rendszerek közötti: CDMA FDD-TDD rendszer között, vagy UMTS és más rendszer között (UMTS-GSM között)   Finom (soft) handover: Két Node B között Finomabb (softer) handover: Egy Node B két szektora között Durva (hard) handover • MS csak egy BTS-el van

kapcsolatban egyidőben • MS hirtelen vált át az egyik csatornáról a másikra, átváltás közben rövid időre nincs kapcsolat BTS 2 BTS 1 BTS 2 BTS 1 GSM (f2,TS3) (f1,TS5) MSa MSa UMTS UMTS f1 f1 f2 f2 GSM Finom (soft) handover elve • • 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 Node B2 Node B1 Node B2 Node B1 Node B3 UEa Node B2 Node B1 UEa 1 2 UEa Finom handover jellemzői • • 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 Node B1 RNC Node B2 Szektor 1 UEa Szektor 2 Finomabb (softer) handover • 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 Node B Sector 1 UEa Sector 2 RNC Handover áttekintés (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 Kiterjesztett spektrumú technikák • 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) A jel kiterjesztésének elve XOR logikai funkció és and analóg megfelelője XOR Információs 10 kb/s bitek 100 kbps Kiterjesztett információ 100 kb/s (or kchip) Kiterjesztő sorozat • A B AB A B AB 0 0 0 +1 +1 +1 0 1 1 +1 -1 -1 1 0 1 -1 +1 -1 1 1 0 -1 -1 +1 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) Kiterjesztés/szűkítés (spreading/despreading) Információs bit 1 -1 Információs bitek (R) Chip Kiterjesztő sorozat (Sp) (SF = 8) 1 -1 Kiterjesztett információ (RSp) (=

R * Sp) 1 -1 Kiterjesztő sorozat (Sp) 1 -1 Adat (R) 1 -1 • • Kiterjesztés Szűkítés Kód adás-vételt szinkronizálni kell RSp, Sp-hez hasonlóan álvéletlen (pszeudo-random) zajként jelenik meg R * Sp  a kiterjesztett jel megnöveli a spektrumot Feldolgozási nyereség • Szűkítés (despreading) – felerősíti a kívánt jelet a többi jelhez képest. • Feldolgozási nyereség (Processing gain): PG Szűkítés SNRin Vevő bemenetére jutó jel/zaj viszony PG SNRout(dB) = SNRin(dB) + PG(dB) Szűkítés utáni jel/zaj viszony SNR - Signal to Noise Ratio: Jel/zaj viszony Feldolgozási nyereség direkt szekvenciás kiterjesztésnél RPN PG  RInfo  RPN   [dB] PG  10 log10  R   Info  RPN – chip sebesség (PN sorozat sebesség) RInfo – információ bitsebesség • Példa RPN = 3,84 Mcps RInfo = 12,2 kbps PG = 10*log10(3,84106/12,2103) = 25 dB • A szűkítés után, a jel teljesítményének néhány dB-vel a

zajteljesítmény felett kell lennie, különben a jelet nem lehet kinyerni a csatornából. Példa a DS-CDMA jel teljesítmények meghatározására • Más kiterjesztett csatornák, interferenciaként jelentkeznek a felhasználó csatornáján és meghatározzák SNR értékét a szűkítés után • Példa • 1.) RPN = 3,84 Mcps RInfo = 12,2 kbps PG = 25 dB 2.) RPN = 3,84 Mcps RInfo = 2 Mbps 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. DS-CDMA jelek kiterjesztése • A felhasználók ugyanazt a frekvenciasávot használják egyidőben • Kódjaik alapján vannak megkülönböztetve Kiterjesztés Teljesítmény Teljesítmény Pseudo-zaj 1 c1(t) f(Hz) Háttérzaj f(Hz)

s1(t) STX Teljesítmény Modulátor Teljesítmény f(Hz) s2(t) f(Hz) c2(t) Pseudo-zaj 2 Teljesítmény Teljesítmény f(Hz) ∑ Acos(ωct) f(Hz) sn(t) f(Hz) Power cn(t) Pseudo-zaj 3 STx  [ s1 (t )c1 (t )  s2 (t )c 2 (t )  .  sn (t )cn (t )] A coswc t  DS-CDMA jelek szűkítése • A jel szűkítése (despreading) az átviteli csatornán vett jel és a csatorna kódjának XOR logikai leképezésével történik. Átviteli csatornán vett jel Kívánt jel f(Hz) fc = c/2 fc = c/2 A vett jel az összes vivőre ültetett kommunikációs csatorna jelét tartalmazza Sáváteresztő szűrő Demodulátor SRX c1(t) S Rx (t )c1 (t )  [ s1 (t )c1 (t )  s2 (t )c 2 (t )  .  sn (t )cn (t )] A coswct c1 (t ) n S Rx (t )c1 (t )  [ si (t )ci (t )c1 (t )] A coswct   s1 (t )c1 (t )c1 (t ) A coswc t  i 2 nemkívánt jelek (interferenciák) kívánt jel ci (t )c1 (t )  1, c1 (t )c1 (t ) 

1 Többutas terjedés • Természetes akadályok miatt (épületek, dombok, stb.), terjedésekor a jel visszaverődik, szóródik és csillapul  többutas terjedés Többutas komponensek • • • 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 terjedés problémája • • 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 • 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. Gyors fading • 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 CDMA vevő • 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. Mutatók (fingers) elemzése • 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 Csatornára Vett jel becsült változás különböző alapján késleltetéssel végrehajtott korrekció Adó jele Összegzett szimbólum Mutató 1 Σ Mutató 2 Mutató 3 Fáziskompenzáció CDMA Rake vevő 3 mutatóval (finger) Bejövő jel Csatorna becslő Időzítés Finger 1 Finger 2 Finger 3 Illesztett szűrő • • • • • • Korrelátor és kódgen. : Csatorna becslő: Fázisforgató: Késleltetés kiegyenlítő: Összeadó: Illesztett szűrő: szűkíti

és integrálja az adat szimbólumot megbecsüli a csatorna állapotát (a pilot jelekből) a vett jel fázisát kompenzálja (visszaforgatja) kompenzálja a mutatók közötti időt összeadja a kompenzált jeleket frissíti a csatorna többutas fading profilját Dekóder Kód generátor Késleltetés kiegyenlítő Összeadó Fázis forgató Korrelátor Kiterjesztő kódok (spreading codes) • Jellemzők   Influence interference among users Have to have random behavior • 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 Auto-korreláció definiciója - Időben változó folytonos jel autokorrelációs függvénye:  ACF   F (t ) F (  t )dt  ACF: Auto-Correlation Function - ACF értelmezése bitsorozatra: L hosszúságú bitsorozat bitjeit

összehasonlítjuk ugyanazon bitsorozat eltolt változatának bitjeivel (az eltolás mértéke: 1-L) ACF  CC  NCC # Egybevágó bitek a két bitsorozatban # Nem egybevágó bitek a két bitsorozatban Auto-korreláció értelmezése bitsorozatra (példa) Eltolás (bits) 0 1 2 3 4 5 6 7 Bitsotozat 1011100 0111001 1110010 1100101 1001011 0010111 0101110 1011100 CC 7 3 3 3 3 3 3 7 NCC 0 4 4 4 4 4 4 0 ACF 7 -1 -1 -1 -1 -1 -1 7 Korreláció 8 6 4 2 0 -2 04 05 06 00 01 02 03 04 PN eltolás 05 06 00 01 02 03 Kereszt-korreláció értelmezése  - Időben változó folytonos jelek F(t) és G(t) keresztkorrelációs függvénye: CCF   F (t )G(  t )dt  CCF: Cross-Correlation Function • CCF értelmezése két bitsorozatra két különböző bitsorozat bitenként összehasonlítása CCF  CC  NCC # Egybevágó bitek száma # Nem egybevágó bitek száma • Ortogonális kódok: CCF = 0 PN sorozat • 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 P  x   a n x n  a n  1 x n  1  .  a 1 x 1  1 A PN sorozat hossza: L  2 N  1 [chipek] N – tárolók száma Példa: 3-as shift regiszter P x   x 3  x 2  1 x0 x1 x2 x3 PN sorozat L  23  1  7 órajel Gold kód • 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 Walsh kódok • Walsh, vagy Walsh-Hadamard kódok • • A kódok ortogonálisak egymással ugyanabban a mátrixban (CCF = 0) Rossz auto-korrelációs jellemzők  Egy kód és eltolt változata közti auto-korreláció nem nulla • Walsh mátrix   Wi m Négyzetes matrix Mátrix leírható: M1  0 M 2N 0 0  M2    0 1  M N  M N MN  M N  (m = matrix mérete, i = sor száma) 0 0 M4   0  0 0 0 0 1 0 1 0 1 1  1 1 0 0 0  0  0 M8   0 0  0  0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1  0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0  0 1 1 1 1 0 0  1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1          W18 Walsh kód fastruktúrája W 1  0

ismétlés W02 W04  0000 W08  00000000 W48  00001111 ismétlés& invertálás  00 W24  0011 W28  00110011 W12  01 W14  0101 W68  00111100 W18  01010101 W58  01011010 W34  0110 W38  01100110 W78  01101001 Walsh kódok a kiterjesztésben (példa) Kód Chip-ek Walsh 0 0000 Walsh 1 0101 Walsh 2 0011 Walsh 3 0110 Analóg megjelenés bit 0 ≈ +1 bit 1 ≈ -1 Walsh kód 3 adatbitek Walsh 3 Kiterjesztés után bit 0 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 +3,+1,-1,+1 bit 1 Walsh kódok a szűkítésben A user (Walsh 0) 00001 B user (Walsh 2) 00111 C user (Walsh 3) 01011 A (Walsh 0) Walsh kód * kiterjesztett adat Chip-ek száma a Walsh kódban 4 1 4 Információs bitek (A user) 0 CCF=1*3+11+1(-1)+11 4 1 4 0 4 1 4 4 1 4 0 0 4  1 4 1

Kódok - áttekintés • A kódok korrelációs jellemzői nagyban meghatározzák a cellában az interferenciát  CDMA kapacitás az interferenciától függ Kód alkalmazás Walsh UMTS, cdmaOne PN sorozat cdmaOne Gold UMTS Előnyök Hátrányok • A kódok ortogonálisak • rossz auto- és keresztkorreláció • Jó autokorreláció • Nem ortogonális kódok • Rossz keresztkorreláció • Kis számú kód • Jó kerasztkorreláció • Nagyszámú kód • nem ortogonális kódok •Autokorreláció Walsh < Gold < PN sorozat UMTS-ben használt kódok downlink irányban (I.) • Kiterjesztő kódok = Walsh kódok    Minden kód egy csatornát reprezentál  csatorna kódok Azonosítja az előfizetőket a cellában A kódhossz válozik és az alkalmazástól függ Előfizetői adat Si Chip sebesség (fix) Jelsebesség (változik) Ci Csatorna kód (Walsh)  Si+1 Ci+1 Sk Ck UMTS-ben használt kódok downlink irányban

(II.) • Keverés (scrambling): a kterjeszett 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) Előfizetői adat Si Jelsebesség (változik) Chip rate (fix) Ci Csatorna kód (Walsh) Chip sebesség  Si+1 Ci+1 Sk Ck Keverő kód (Gold) UMTS-ben használt kódok downlink irányban (III.) • 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 UMTS-ben használt kódok uplink irányban (IV.) • 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 (V.) Csatorna kód Használat Chiphosszúság Kódok száma Sávszélesség Downlink: UE-k elválasztása a cellában Uplink: kontroll és adat fizikai csatornák szétválasztása egy UE felöl Downlink: 4-512 chip Uplink: 4-256 chip Keverő kód Downlink: cellák megkülönböztetése Uplink: UE-k megkülönböztetése Downlink: 10 ms = 38400 chips Uplink: 10 ms = 38400 chips or 66,7 µs = 256 chips Shift regiszter hosszától függ Downlink: 512 Uplink: sok millió Megnöveli az átviteli sávszélességet Nincs hatása a sávszélességre