UMTS rendszer Maros Dóra Budapesti Műszaki Főiskola Dr. ing. Robert Bestak Prágai Műszaki Egyetem

Mobil rendszerek generációi Név Jellemzők 1 (1980-1995) 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 Hang 2 (1992-2000) 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 Beszédátvitelre optimalizált Digitális rendszerek FDMA/TDMA/CDMA Beszéd és adat 2,5 (1999-2010) GPRS/ (General Packet Radio Service) EGPRS/EDGE (Enhanced GPRS/Enhanced Data rates for Global Evolution) 3 (2000-) cdma2000 - cdma2000 1xEV-DO (cdma2000 csak adat) - cdma2000 1xEV-DV (cdma2000 adat és beszéd) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Multimédia

3G szabványok Japán, Korea 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 Kiadás: 1999 Első verzió Release 4 Kiadás: 2001 A Release 99 javítása Release 5 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: 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 (Europa) ARIB (Japán) TTC (Japán) TTA (Korea) ATIS (USA) CWTS (Kína) Partnerek: GSM testület, UMTS forum, IPv6 forum, etc. A szabványszervezeten keresztül a vállalatok is a 3GPP tagjai

Szolgáltatások és rendszer- 3GPP munkacsoportok 3GPP Rádiós elérés hálózat TSG Maghálózat TSG Szolgáltatások és rendszer- jellemzők TSG Terminálok TSG GERAN TSG (2000) TSG: Technical Specification Groups (Technikai specifikációk csoportja) GERAN: GSM/Edge Radio Access Network

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 GSMEurope DECT GSM 1800 1800 1900 2000 2100 2200 2500 2600 2700 UMTS FDD Műhold UMTS TDD UMTS [MHz] Páros sávok Páratlan sávok

Többszörös hozzáférési technikák Több felhasználó megosztva használja a rendelkezésre álló kommunikációs csatornákat FDMA (Frequency Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 frekvencia TDMA (Time Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 időrés CDMA (Code Division Multiple Access) 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) Mikrocella Makrocella Pikocella 50-300m pár 10m 350m-20km város kültér vidék, külváros beltér Max. 384 kbit/s Max. 384 kbit/s 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 Conversational Streaming Interactive Background Késleltetés Válaszidő információ adás/vétel között Válaszidő lekérdezésre A fogadóoldal egy bizonyos időn belül nem fogad újabb adatot << 1 s ~ 1s < 10 s > 10 s Hibatolerancia Igen Nem Mód Áramkörkapcsolt Áramkörkapcsolt Csomagkapcsolt Csomagkapcsolt Példa Beszéd, Videotelefon Streaming multimedia Web böngészés Adatbázis kezelés Email, SMS, MMS

Párbeszéd (conversational) osztály jellemzői 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 GMSC PLMN, ISDN Node B HLR SGSN GGSN Internet Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez Maghálózat (CN:Core Network) Külső hálózatok UE UTRAN UE: Felhasználói készülék UTRAN: UMTS földi rádiós-elérésű hálózat Node B: B(ázis) csomópont, bázisállomás RNC: Rádiós-hálózat vezérlő

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 RNC (Radio Network Controller) 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 RNC MSC/VLR UE Node B RNS Node B RNC SGSN Node B PS RNS UTRAN

UMTS interfészek Uu (Um) Iub (Abis) Iu Iur MSC/ VLR Node B (BTS) UE (MS) RNC (BSC) E Iu-CS (A) MSC/ VLR PSTN GMSC PLMN, ISDN D Node B C HLR Iur Gs Gr Gc SGSN GGSN Internet Iu-PS (Gb) 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 RNC Cell Broadcast Centre (CBC) 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

szolgáltatások biztosítására Maghálózat fejlődése MSC server GMSC server HSS Adat & vezérlés Vezérlés Iu-CS MGW MGW PSTN UTRAN Iu-CS IP alapú multimediás szolgáltatások biztosítására (audio, video, chat, stb.) SGSN GGSN Internet Iu-PS MRF CSCF MGCF 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) HLR helyett lesz (mobilitás kezelés, felhasználói biztonsági funkciók, elérés hitelesítés, stb.) MRF (Media Resource Function) Multimediás erőforrások vezérlése (pl. videokonferencia esetén) CSCF (Call Session Control Function) 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: C - csatorna átviteli kapacitás [bit/s] B - csatorna sávszélesség [Hz] S - jelteljesítmény [W] N - zajteljesítmény [W] (Interferencia jelek okozzák) 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.

Teljesítmény szabályozás szükségessége 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 (közel-távol probléma a CDMA-ban) 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. UE2 UE1 Közel-távol (near-far) probléma It may happen that UE2 (at the cell edge) suffers a path loss, say 70 dB above that of UE1 which is near the Node B. If there are no mechanisms for UE1 and UE2 to be power controlled to the same level at the Node B, UE1 can easily over shout UE2 and thus block large part of the cell, giving rise to the so-called near-far problem of CDMA 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) Nagy az FDD frekvenciák különbsége, nincs kolleráció a gyors fadingek esetén. Nem használható. Downlink vételi teljesítmény mérés (BCH) Node B UE Tx teljesítmény

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 Downlink irányban Nincs közel-távol probléma (Node B több UE felé) A Node B a cella határán lévő UE-khez igazítja a teljesítményt Node B Tx telj.  Tx telj. UE1 UE2

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 Node B (Zárthurkú szabályozás) UE RNC (Külsőhurkú 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 1 BTS 2 BTS 1 BTS 2 GSM (f1,TS5) (f2,TS3) 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 B1 Node B2 Node B2 Node B1 Node B3 Node B2 UEa UEa Node B1 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 Downlink Same signal is sent from both sectors to the UE 2 different spreading codes (… UE can distinguish the signals) Uplink UE signal is received by both sectors Combined signal from the sectors is routed to the RNC Node B2 Szektor 1 Szektor 2 UEa

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 RNC Downlink Same signal is sent from both sectors to the UE 2 different spreading codes (… UE can distinguish the signals) Uplink UE signal is received by both sectors Combined signal from the sectors is routed to the RNC Sector 1 UEa Sector 2

Handover áttekintés (Hard) Handover Soft handover Softer 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 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 bitek 10 kb/s 100 kbps Kiterjesztett információ A B AB 1 A B AB +1 -1 100 kb/s (or kchip) Kiterjesztő sorozat 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 Kiterjesztés Kiterjesztett információ (RSp) (= R * Sp) 1 -1 1 -1 Szűkítés Kiterjesztő sorozat (Sp) Kód adás-vételt szinkronizálni kell 1 -1 Adat (R) 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 PG SNRin SNRout(dB) = SNRin(dB) + PG(dB) Vevő bemenetére jutó jel/zaj viszony Szűkítés utáni jel/zaj viszony SNR - Signal to Noise Ratio: Jel/zaj viszony

Feldolgozási nyereség direkt szekvenciás kiterjesztésnél RPN – chip sebesség (PN sorozat sebesség) RInfo – információ bitsebesség Példa RPN = 3,84 Mcps RInfo = 12,2 kbps PG = 10*log10(3,84*106/12,2*103) = 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 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.

DS-CDMA jelek kiterjesztése A felhasználók ugyanazt a frekvenciasávot használják egyidőben Kódjaik alapján vannak megkülönböztetve Kiterjesztés Teljesítmény Teljesítmény f(Hz) Háttérzaj s1(t) Pseudo-zaj 1 STX f(Hz) c1(t) Teljesítmény Modulátor Power Teljesítmény f(Hz) f(Hz) s2(t) ∑ f(Hz) Pseudo-zaj 2 c2(t) Teljesítmény Teljesítmény Acos(ωct) f(Hz) sn(t) f(Hz) Pseudo-zaj 3 cn(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) nemkívánt jelek (interferenciák) kívánt jel

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 ≥ 0,26 µs …ha az átviteli út ≥ 78 m (kis mozgási/chip sebesség) 1Mc/s esetén, 300 m TMultiCom 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 Ellenlépések a WCDMA-ban Rake vevő Gyors teljesítmény szabályozás Hatékony kódolás, interleaving, újraküldési protokollok

CDMA vevő Csúcsértékek meghatározása Változások követése 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 becsült változás alapján végrehajtott korrekció Adó jele Vett jel különböző késleltetéssel Összegzett szimbólum Mutató 1 Mutató 2 Mutató 3 Σ Fáziskompenzáció

CDMA Rake vevő 3 mutatóval (finger) Bejövő jel Finger 1 Összeadó Dekóder Korrelátor Fázis forgató Késleltetés kiegyenlítő Finger 2 Finger 3 Kód generátor Csatorna becslő Időzítés Illesztett szűrő Korrelátor és kódgen. : szűkíti és integrálja az adat szimbólumot Csatorna 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 jeleket Illesztett szűrő: frissíti a csatorna többutas fading profilját

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: Auto-Correlation Function - 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

Auto-korreláció értelmezése bitsorozatra (példa) Eltolás (bits) Bitsotozat CC NCC ACF 1011100 7 1 0111001 3 4 -1 2 1110010 1100101 1001011 5 0010111 6 0101110 8 6 4 Korreláció 2 -2 04 05 06 00 01 02 03 04 05 06 00 01 02 03 PN eltolás

Kereszt-korreláció értelmezése - Időben változó folytonos jelek F(t) és G(t) keresztkorrelációs függvénye: CCF: Cross-Correlation Function CCF értelmezése két bitsorozatra → két különböző bitsorozat bitenként összehasonlítása # 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 A PN sorozat hossza: [chipek] … N – tárolók száma Példa: 3-as shift regiszter x0 x1 x2 x3 PN sorozat 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 Walsh mátrix 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 Négyzetes matrix Mátrix leírható: (m = matrix mérete, i = sor száma)

Walsh kód fastruktúrája ismétlés ismétlés& invertálás

Walsh kódok a kiterjesztésben (példa) Chip-ek Analóg megjelenés Walsh 0 0000 Walsh 1 0101 Walsh 2 0011 Walsh 3 0110 Walsh kód 3 bit 0 ≈ +1 bit 1 ≈ -1 adatbitek Walsh 3 bit 0 Kiterjesztés után bit 1 A user (Walsh 0) 1 B user (Walsh 2) 1 1 1 C user (Walsh 3) 1 1 1 +3,+1,-1,+1

Walsh kódok a szűkítésben 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 adat Chip-ek száma a Walsh kódban Információs bitek (A user) 0 0 0 0 1 CCF=1*3+1*1+1*(-1)+1*1

Kódok - áttekintés A kódok korrelációs jellemzői nagyban meghatározzák a cellában az interferenciát CDMA kapacitás az interferenciától függ 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

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 változik és az alkalmazástól függ Chip sebesség (fix) Jelsebesség (változik) Előfizetői adat Si  Ci Csatorna kód (Walsh) Si+1 Ci+1 Sk Ck

UMTS-ben használt kódok downlink irányban (II.) 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) Jelsebesség (változik) Chip rate (fix) Előfizetői adat Si  Ci Chip sebesség Csatorna kód (Walsh) Si+1 Ci+1 Keverő kód (Gold) Sk Ck

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 Keverő kód Használat Downlink: UE-k elválasztása a cellában Uplink: kontroll és adat fizikai csatornák szétválasztása egy UE felöl Downlink: cellák megkülönböztetése Uplink: 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 függ Downlink: 512 Uplink: sok millió Sáv-szélesség Megnöveli az átviteli sávszélességet Nincs hatása a sávszélességre