Korszerű mobil rendszerek 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  International Organization for Standardization Európai szervezetek: Comité Européen de Normalisation Électrotechnique; European Telecommunications Standards Institute

Független szakmai szervezetek Nemzetközi: International Federation for Information Processing Institute of Electrical and Electronics Engineers  Internet Engineering Task Force Magyar:

Mobil rendszerek generációi (2G - 3G+)

Mobil hálózatok fejlődése a 3G után

Elektromágneses hullámok spektruma 900 MHz-2,6 GHz

Többszörös hozzáférési technikák FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 időrés CDMA (Code Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 kód 1 csatorna = 1 frekvencia Idő Idő Idő Frekvencia Frekvencia Frekvencia NMT 450 GSM UMTS Több felhasználó megosztva használja a rendelkezésre álló frekvenciasávot

Egyvivős (Single Carrier) és többvivős (Multi Carrier) rendszerek FDMA: egy időben más frekvenciasávok TDMA: más időkben vagy CDMA: egy időben, más kódolással OFDMA: egy időben több frekvenciasáv

Duplexelés típusai 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 a rádiós hozzáférésen B(dl):sávszélesség FDD: Két különböző frekvenciasáv a két irányban GSM :200 KHz UMTS: 5 MHz LTE: 20 MHz Downlink fk(dl) B(ul) Uplink fk(ul): középfrekvencia B(dl)=B(ul) fk(dl)-fk(ul)= duplex távolság TDD: Egy frekvenciasáv a két irányra, UL és DL időben változik (UMTS és LTE) Uplink Downlink idő

GSM 900, 1800, 1900 sávok (2G)

UMTS frekvenciasávok 2000-ben, új frekvenciasávok 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 GSM 1800 1800 1900 2000 2100 2200 2500 2600 2700 UMTS FDD Műhold UMTS TDD UMTS [MHz] Csatorna távolság: 5,10, vagy 20 MHz Páratlan sávok Páros sávok

LTE frekvenciasávok 40 sáv: 24 FDD 16 TDD

TDD spektrum allokációk

QoS osztályok Válaszidő információ adás/vétel között 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 (tipikus) Áramkör-kapcsolt Csomag-kapcsolt Szolgáltatás 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)

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 stb Jellemzők: asszimetrikus, kis kapcsolási idő, nagy mennyiségű adatletöltés Background osztály Alkalmankénti egyirányú kapcsolat MMS, SMS, E-mail

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 érzékeny a szolgáltatás a késleltetésekre

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

Cellák és adatsebesség HSDPA (Release 5-től) High Speed Downlink Packet Access: >10Mbit/s

GSM hálózat (2.5 generáció) BTS MS Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez BSC MSC/ VLR GMSC PLMN, ISDN BTS PCU HLR EIR AUC SGSN GGSN Internet PCU Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez MS= ME+SIM GERAN Maghálózat (CN:Core Network) Külső hálózatok 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

UMTS hálózat (Release 99-kezdeti állapot) Node B UE Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez RNC MSC/ VLR GMSC PLMN, ISDN Node B HLR EIR AUC SGSN GGSN Internet Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez UE UTRAN Maghálózat (CN:Core Network) Külső hálózatok UE: User Equipment UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network Node B: B(ázis) csomópont, bázisállomás RNC: Radio Network Controller

UMTS maghálózat fejlődése (Release 4-) MSC helyett GMSC helyett GERAN MSC server GMSC server Adat & vezérlés Vezérlés EIR PSTN CS MGW MGW UTRAN HSS HLR helyett AUC PS SGSN GGSN IP hálózat IMS MGW MRF MGCF CSCF IMS 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)

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 (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

Új hálózati elemek az UMTS-ben Iu-BC RNC Cell Broadcast Centre (CBC) Iu-PC Serving Mobile Location Centre(SMLC) CBC: információ küldés a cellában tartózkodó minden UE felé (például városnév küldése a készülékre) SMLC : aktuális tartózkodási helytől függő szolgáltatások (Location Base Services) vezérléséhez

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 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)

Szektor antennák Dönthető antennák GSM szektorsugárzók

Omni antennák Toronyra szerelt omni antenna „Kézi” omni antenna

Mikrohullámú antennák Mikrohullámú antennák: kapcsolat a hálózat felé (pár tíz GHz, Mo-on 40 GHz-ig)

Több szektorantenna egy irányban 3G/4G antennák Több szektorantenna egy irányban MIMO antennák (LTE)

Beltéri antennák

Csatornakapacitás 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 pontos és gyors teljesítményszabályozás a CDMA rendszerek használhatóságának legfontosabb tényezője A túl nagy teljesítménnyel adó UE blokkolhatja a cella forgalmának nagy részét. Node B 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 UMTS-ben alkalmazott háromféle teljesítmény-szabályozás megoldás: Nyílthurkú (open-loop) Gyors, zárthurkú (fast closed-loop) Külsőhurkú zárt (outer loop)

Nyílthurkú teljesítmény szabályozás (open-loop) 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. Downlink vételi teljesítmény mérés (BCH) UE Node B 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 Tx telj.  Tx telj. Node B 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 FER SIRcél UE Node B (Zárthurkú szabályozás) RNC (Külsőhurkú szabályozás) SIRcél Idő

Handover Csatornaváltás vagy cellaváltás kapcsolat közben Típusok 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

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 (spreading) 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 (despreading) 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 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

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 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 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

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& invertálás ismétlés

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 válozik 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 Csatorna kód (Walsh) Chip sebesség 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 (Rake vevő)

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