Hullámok a távközlésben. Ericsson Magyarország március 16

Hullámok a távközlésben Ericsson Magyarország 2007. március 16.

Hálózati architektúra User Equipment Radio Access Network

MS

RNS

Uu USIM

or

SIM

Node B

Cu

BSC

Iub

ME

RNS

SIM-ME i/f

MS Node B

Iub

RNC

UTRAN Iur © Ericsson AB 2007

Gb

RNC

2

MGW MGW Mc Nc GMSC C GMSC Server Server C

HLR HLR

Gf

Gr

Gs

Iur

Nb

MGW MGW A Mc MSC/VLR MSC/VLR Server Server IuCS D F

H

AUC

SIM-ME i/f

BTS BTS BSS

Abis

SCF SCF

EIR

ME

SIM

Core Network MSC/VLR MSC/VLR MGW MGWMc Server Server Nb G E Nc

Um

Co-operating Networks

TTSS GG W W

SMS

Gd

ISDN PSTN PSPDN CSPDN PDN: - Intranet - Extranet - Internet

Gc IuPS

SGSN SGSN

Gn

Gn SGSN SGSN

Hullámok a távközlésben

GGSN GGSN

Gi

Gp SCF SCF

Note: Not all interfaces are shown and named 2007-03-16

Tartalmi áttekintés

Történelmi áttekintés Digitális jelátvitel Csatorna hozzáférési módszerek Bevezetés a 3G-be

© Ericsson AB 2007

3


2007-03-16

Korai vezeték nélküli technikák i.e. 1184.

Füstjeles távíróvonal Trója és a Peloponnészoszi félsziget között Agamemnon felesége így tudta meg férje győzelmét.

i.e.450.

Kleoxenos and Democlitos fáklyás távíró módszere: Az ABC betűit 5 csoportba osztották, mindegyikben 5 betűvel. A hírnök két fáklyát használ: egyiket annyiszor mutatja fel, ahányadik csoportból választ betűt, a másikkal a csoporton belül választ betűt.

1792.

Optikai távírórendszer: Chappe testvérek.

© Ericsson AB 2007

4


2007-03-16

Elektromos jelátvitel 1832-33

Schilling orosz diplomata 6 tűs távírója, Gauss-Weber tűs távírója. Mágneses elven működő két drótos távíró, csengetési funkcióval.

1844.

Morse és William Fardely egymástól függetlenül találták fel a relét.

© Ericsson AB 2007

5


2007-03-16

Kereskedelmi méretű távközlő hálózatok 1850. 1851.

Tenger alatti kábel Calais és Dover között.

Siemens & Halske: tűzjelző hálózat Berlinben A hálózatba kötött tűzjelző oszlopoknál egy kar meghúzásával az oszlop saját morse-kódját egy tárcsával továbbította a központba.

1858.

Kábel Európa és Amerika között.

1876.

Alexander Graham Bell telefonja. Adó- és vevőoldali membrán, telefonos összeköttetés 3,2 km-en.

1879.

Puskás Tivadar Első telenfonközpont Párizsban

© Ericsson AB 2007

6


2007-03-16

A rádiótechnika megjelenése 1894.

© Ericsson AB 2007

Popov és Marconi egymástól függetlenül rádióösszeköttetést valósítottak meg.

7


2007-03-16

1898

© Ericsson AB 2007

Braun német fizikus oszcillátora a vezeték nélküli távíróhoz

8


2007-03-16

1899

Az Atlanti óceánt áthidaló vezeték nélküli távíró összeköttetés

1926

Yagi-Uda antenna Dr. Hidetsugu Yagi és Dr. Shintaro Uta a Tohoku Császári Egyetemen kifejlesztették az irányított antennát.

reflector directors

Táplált elem (dipól) © Ericsson AB 2007

9


2007-03-16

1928

E. H. Armstrong javasolta a frekvenciamoduláció (FM) alkalmazását az amplitudó moduláció helyett (AM).

1933

Walter Schottky német fizikus: pn-átmenet leírása a félvezetőkben → félvezető eszközök gyártásának lehetősége

© Ericsson AB 2007

10


2007-03-16

1948

A Bell Laboratóriumban kifejlesztették a germánium tranzisztort, mely erősítő eszköznek is alkalmas.

n A

p input current

amplified output current

n A

1.5V

10V

Transistor vs tube © Ericsson AB 2007

11


2007-03-16

Az elektronika fejlődése, mobil hálózatok megjelenése 1949 1952 1961

Nyomtatott áramkörök Integrált áramkörök Az USA pályára állította az első távközlési műholdat (MIDAS-3).

1921

A detroiti rendőrség a rendőrautókban 2MHz-es sávban üzemelő mobil telefonokat használt. A New Yorki Rendőrkapitányságon üzembe helyezték az első kétirányú mobil szolgáltatást. A Bell Telephone Laboratories St. Louisban bevezette az első nyilvános mobil rendszert. A Bell System egy a mai cellás elven alapuló új rendszert javasolt. NMT-450: analóg cellás mobilhálózat Szaud Arábia, Svédország, Norvégia, később Dánia és Finnország) Digitális mobilhálózat: Az első GSM hálózat működésbe lép Finnországban.

1933 1946 1971 1981. 1991. © Ericsson AB 2007

12


2007-03-16

Digitális jelátvitel

A digitális jelátvitel általános modellje

Forrás

Forráskódoló

Csatornakódoló

...1101...

Nyelő

© Ericsson AB 2007

Forrásdekódoló

...10110110...

Csatornadekódoló

14

Modulátor

zaj Csatorna

Demodulátor


2007-03-16

Forráskódolás Forráskódolás – Beszédkódolók – Multimédiás források kódolása (JPEG, MP3, ...)

20 MB dalonként

20 kB dalonként © Ericsson AB 2007

15


2007-03-16

Csatornakódolás Csatornakódolás – A rádiócsatorna zajos ezért bithibák lépnek fel az átvitelben – Bit Error Rate (BER) = hibás bitek száma / összes bit

– hibafelismerés – hibajavítás – bithibák hatásának csökkentése

© Ericsson AB 2007

16


2007-03-16

Jelek alapsávi leírása s (t ) = A(t ) cos (ω c t + ϕ (t )) = = A(t ) cos ϕ (t ) cos ω c t − A(t )sin ϕ (t )sin ω c t 14243 14243 S I (t )

S Q (t )

sekv (t ) = s I (t ) + i ⋅ sQ (t )

{

s (t ) = Re s ekv (t )e

iω c t

}

sI(t)

sI(t) cos(2π f0 t)

Fazorábra, Konstellációs diagram

s (t )

cos(2π f0 t)

SQ(t)

90o

A(t)

ϕ(t) sQ(t)

SI(t) © Ericsson AB 2007

17


– sQ(t) sin cos(2π f0 t) 2007-03-16

Lineáris modulációs rendszerek 1. Amplitúdóbillentyűzés (Amplitude Shift Keying, ASK) – A forrás M állapotát a vivő amplitúdójának változtatásával kódoljuk: g(t)

sszimbólum (t ) = ak cos(2πf c t ); k = {1, 2, ...8}

1

∞

∑a

s (t ) =

k ,n

t

g (t − nT ) cos(2πf c t ) T

n = −∞

Konstellációs diagram:

-7

© Ericsson AB 2007

-5

-3

18

-1

Q

1

3


5

7

2007-03-16

I

Lineáris modulációs rendszerek 2. Fázisbillentyűzés (Phase Shift Keying, PSK) – A forrás M állapotát a vivő fázisának a változtatásával kódoljuk:

sszimb. (t ) = cos( 2πf c t + Θ)

Konstellációs diagram:

Θ ∈ 0,

2π 2( M − 1)π ,..., M M

Q

8PSK

I

© Ericsson AB 2007

19


2007-03-16

Lineáris modulációs rendszerek Q

0

Speciális esetek: – M=2: Binary PSK, BPSK (egydimenziós) – M=4: Quaternary PSK, QPSK

10

Q

1

I

00 I

11

© Ericsson AB 2007

20


2007-03-16

01

Lineáris modulációs rendszerek 3. Kvadratúra-amplitúdómoduláció (Quadrature Amplitude Modulation, QAM vagy QASK) – ASK a vivő mindkét kvadratúraösszetevőjén – M=8 felett jobb a PSK-nál – Példa: 16QAM Q

sszimb. (t ) = I cos( 2πf c t ) − Q sin( 2πf c t )

16QAM

2k − 1 M I,Q = ± ; k = 1,2,..., 2 M −1

© Ericsson AB 2007

21

I


2007-03-16

A zaj hatása (16QAM példán) SystemView Signal constellation -1

0

1

0

1

1.5

w2 Amplitude

1 500.e-3 0 -500.e-3 -1 -1.5 -1 w3 Amplitude

SystemView Signal output constellation -1

0

1

0

1

1.5

w0 Amplitude

1 500.e-3 0 -500.e-3 -1 -1.5

-1 w1 Amplitude

© Ericsson AB 2007

22


2007-03-16

Csatorna hozzáférés

Csatornafelosztás Szimplex – egyirányú kommunikáció

Félduplex –

kétirányú kommunikáció, de egyidejűleg csak az egyik végpont adhat, a csatornát felváltva használják

Duplex – egyidejű, kétirányú kommunikáció

Feladat: duplex esetben az adási és a vételi irány elválasztása (duplexing) © Ericsson AB 2007

24


2007-03-16

A duplexing módszerei Frekvenciaosztásos duplex (Frequency Division Duplexing, FDD) –

fd

Adás és vétel két különböző frekvencián történik

Adás

Vétel frekvencia

© Ericsson AB 2007

25


2007-03-16

A duplexing módszerei Időosztásos duplex (Time Division Duplexing, TDD) –

Adás és vétel felváltva, “ping-pong”-módszerrel ugyanazon a frekvencián (gyors váltogatás, a felhasználó nem érzékeli)

A

V

A

V idő

Az adás-vétel váltás ideje

© Ericsson AB 2007

26


2007-03-16

A többszörös hozzáférés (Multiple Access)

Hírközlő csatorna

• Feladat: több felhasználó között meg kell osztani a rendelkezésre álló csatornát. • Probléma: a felhasználói igények egyidejűleg jelentkeznek. © Ericsson AB 2007

27


2007-03-16

A többszörös hozzáférés módszerei

Időosztás (TDMA) Frekvenciaosztás (FDMA) Kódosztás (CDMA) Térosztás (SDMA)

A fentiek kombinációi

© Ericsson AB 2007

28


2007-03-16

Időosztásos többszörös hozzáférés (Time Division Multiple Access, TDMA) A rendelkezésre álló idő felbontása ortogonális (nem átlapolódó) időrésekre Egy időrést egy felhasználóhoz rendelünk Az időrések között védőidő (guard time) szükséges lehet

frekvencia

1.

2.

...

n. idő

védőidő © Ericsson AB 2007

29


2007-03-16

Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés (Frequency Division Multiple Access, FDMA) védősáv A rendelkezésre álló frekvenciatartomány felbontása átlapolódásmentes csatornákra A csatornák között védősávok (guard band)

1.

2.

...

n.

frekvencia n. ... 2. 1. idő

© Ericsson AB 2007

30


2007-03-16

Kódosztásos többszörös hozzáférés (Code Division Multiple Access, CDMA) A felhasználók szórt spektrumú jelekkel kommunikálnak, kváziortogonális kódokat használva Minden felhasználó egyidejűleg, ugyanazon a frekvencián forgalmaz, a felhasználókat a kódjaik választják szét © Ericsson AB 2007

31

frekvencia n. ... 2. 1. idő


2007-03-16

CDMA koktélparti Mit hall?

© Ericsson AB 2007

32


2007-03-16

Térosztásos többszörös hozzáférés (Space Division Multiple Acces, SDMA) A felhasználókat térben választják el egymástól, pl. irányított antennák ill. szektorizált cellák segítségével

© Ericsson AB 2007

33


2007-03-16

Példa: a GSM rendszer

FDMA/TDMA/FDD rendszer: –

–

–

© Ericsson AB 2007

Több frekvenciasáv áll rendelkezésre (mindegyik 200 kHz széles) Az egyes frekvenciasávokon belül időosztást alkalmaznak, a 8 időrés mindegyike 1-1 beszédkapcsolat Az adás és a vétel különböző frekvenciákon történik, a duplex távolság 45 MHz

34


2007-03-16

Példa: WCDMA CDMA ≡ WCDMA (amely egy szabványt is jelent) Duplexelés: FDD (Frekvenciaosztásos duplex) A fizikai csatorna azonosítása: egy kóddal és egy frekvenciával Downlink (2110-2170 MHz) f

Uplink (1920-1980 MHz) Kódtér f

Vivőtávolság: 4.4-5.0 MHz

t

Kód-multiplexált felhasználók © Ericsson AB 2007

35


10 ms időkeret 2007-03-16

Bevezetés a 3G-be

A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 1 Kódoló

Dekódoló

Szűrő

Kód

S(f)

1

f

B

© Ericsson AB 2007

37


2007-03-16

A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 2

1 Kódoló

Dekódoló

Szűrő

Kód

2

f

W A kiterjesztő művelet semlegesíti önmagát (önadjungált): f( f(x) ) = x © Ericsson AB 2007

38


2007-03-16


3

1 Kódoló

Dekódoló

Szűrő

Kód

3

f

© Ericsson AB 2007

39


2007-03-16


3

4

1 Kódoló

Dekódoló

Szűrő

Kód

4

S(f)

f

© Ericsson AB 2007

40


2007-03-16


3

4

1 Kódoló

5

Dekódoló

Szűrő

Kód

1

S(f) 5

f

f

B

© Ericsson AB 2007

S(f)

41


2007-03-16


3

4

1 Kódoló

Dekódoló

Kód

S(f)

1

A feldolgozási nyereség (Processing Gain):

2

W PG = B

f

f

W

B 3

S(f)

4

f © Ericsson AB 2007

5 Szűrő

5

f

f 42

S(f)


2007-03-16

SS (Spread Spectrum) technika előnyei Pont-pont közötti átvitelben:

Interferencia elnyomás (Anti Jamming) Kis spektrális sűrűség Frekvenciaszelektív csatorna elleni védelem: “diversity” képesség (∼ frekvency diversity)

Többfelhasználós üzemmódban

Kódosztás: azonos frekv.sávban több felhasználó lehet TDMA-hoz képest egyszerűbb rendszerszinkronizálás Spektrális kihasználtság előnyös

© Ericsson AB 2007

43


2007-03-16

CDMA koktélparti Mit hall?

© Ericsson AB 2007

44


2007-03-16

Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa 1

1-1

11

1-11-1

1-11-1-11-11

1-11-11-11-1

1-1-11

1-1-11-111-1

1-1-111-1-11

11-1-1

11-1-1-1-111

1111

11-1-111-1-1

1-1-11-111-1-111-1 1-1-11

Digital/Analog Mapping logic 0 logic 1

© Ericsson AB 2007

1111-1-1-1-1

45


↔ analog +1 ↔ analog - 1

2007-03-16

Ortogonális kódok tulajdonságai Bemenő adatbit Kód az adóban Kisugározandó jelsorozat

Kód a vevőben Eredmény integrálás után Osztás a kódhosszal

+1

Adó

-1

x

x

-1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 -1

-1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 -1

=

=

-1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 -1

+1 –1 +1 –1 –1 +1 –1 +1

x

x

-1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 -1

+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

=

=

+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

+1 –1 +1 –1 –1 +1 –1 +1

Integrate

Integrate

8

0

+1

0

A vevő © Ericsson AB 2007

46

B vevő Hullámok a távközlésben

2007-03-16

Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa

Tb

1

Eredeti adat Kód (1 -1) Kódolt adat

1-1

Tb 1-11-1

1-1-11

Eredeti adat Kód (1 -1 1 -1)

1-11-1-11-11

1-11-11-11-1

1-1-11-111-1

1-1-111-1-11

Kódolt adat

1-1-11-111-1-111-1 1-1-11

Digital/Analog Mapping logic 0 logic 1

© Ericsson AB 2007

47


↔ analog +1 ↔ analog - 1

2007-03-16

DS-CDMA átvitel

Korrelációs vevő

b1(t)

w1(t) c1(t) u(t)

^ b1(t)

y2 (t)

^ b2(t)

Tb

r(t) b2(t)

y1(t)

c 1(t)

v(t)

w2(t)

c2(t)

...

...

...

Tb

c2(t)

bK(t)

wK(t)

^ bK(t)

y (t) K

Tb

cK(t)

SystemView

cK(t)

SystemView

Sink 19 0

2

4

6

8

10

12

0

2

4

6

0

2

4

6

0

2

4

6

0

2

4

6

8

10

12

14

8

10

12

14

8

10

12

14

8

10

12

14

1

1 500.e-3

Amplitude

500.e-3

Amplitude

Sink 21

14

0

0 -500.e-3

-500.e-3 -1

-1 0

2

4

6

8

10

12

14

Time in Seconds

SystemView

Sink 20

Time in Seconds SystemView

Sink 26 0

2

4

6

8

10

12

14

6

1

4 2

Amplitude

Amplitude

500.e-3 0 -500.e-3

0 -2 -4

-1

-6

0

2

4

6

8

10

12

14

Time in Seconds

-8

Time in Seconds

© Ericsson AB 2007

48


2007-03-16

A közvetlen kódsorozatú CDMA elve ∫ dt T

1. Kód

1. kód 1. felhasználó

∫ dt 2. felhasználó

T

2. kód

2. Kód

∫ dt T

N. felhasználó © Ericsson AB 2007

N. kód

N. Kód 49


2007-03-16

Kódok a WCDMA-ban scr2 scr1 scr1, ch2

BS2 scr1 ch1

scrA ch1

scr1 ch3

BS1

Csatornakód Ortogonális Walsh-kód Szétválasztja a csatornákat

Scrambling kód

scrA ch2

Kvázi-ortogonális sorozat Megkülönbözteti a mobil telefonokat, cellákat, és szektorokat.

scrB ch1

MSB MSA © Ericsson AB 2007

50


2007-03-16

Sebesség- és kapacitásnövelő technológiák HSDPA: gyors csomagalapú letöltés, 11Mbps sebesség elérése – 16QAM és 64QAM és adaptív moduláció – gyors ütemezés – gyors újraküldési funkció

HSUPA: gyors csomagalapú feltöltés, 16QAM, 5 Mbps Fejlett vételi eljárások: többutas terjedés okozta interferencia kiszűrése MIMO: több bemenetű – több kimenetű antennarendszerek: >21Mbps elérése (16QAM-el) s1

TX1

s2

TX2

RX1

x1

B=H-1 RX2

x2

sest1 sest2

zaj © Ericsson AB 2007

51


2007-03-16

A 3G mobiltávközlés fejlődése 1992.

1998. 1999. 2000. 2001. 2004. 2005. 2006. 2007. © Ericsson AB 2007

IMT-2000 rendszerek definiálása A Nemzetközi Távközlési Szervezet (ITU) döntése a 2000 MHzes sávok felhasználásáról nagy sávszélességű mobilhálózatok céljára (2000 kbps, 2000 MHz-en 2000-re). CDMA technológia kiválasztása az IMT-2000 céljára. Elkészül a 3GPP Release-99 szabvány. 3G spektrum aukciók 2000. év Licencdíj spektrum (€ / lakos) A japán NTT DoCoMo elindítja az első tenderei szélessávú CDMA hálózatot. UK 650 Hollandia 170 Az Ericsson demonstrálja a nagysebességű Németország 615 letöltést (HSDPA), 11Mbps-os sebességgel. Olaszország 212 Az Ericsson 1.6 Mbps-os nagysebességű Ausztria 105 feltöltést (HSUPA) valósít meg. Lengyelország 51 Portugália 40 Las Vegasban az Ericsson 28 Mbps-os Svájc 20 letöltést mutat be több bemenetű – több kimenetű (MIMO) technika segítségével. Az Ericsson a 3G LTE tesztrendszerén 144 Mbps sebességet mutatott be. 52


2007-03-16

© Ericsson AB 2007

53


2007-03-16

Hullámok a távközlésben. Ericsson Magyarország március 16

Recommend Documents