Mérési útmutató a Mobil Hírközlés Laboratórium (BMEVIHI4174) méréseihez
Qualcomm CDMA rendszer vizsgálata
Mérés helye: Híradástechnikai Tanszék Mobil Távközlési és Informatikai Laboratórium I.B.115.
Összeállította: Hankó Krisztián dr. Imre Sándor Utolsó módosítás: 2006.augusztus.23 (Fülöp Attila PhD hallgató)
I. Bevezető A harmadik generációs mobil rendszerek rádiós interfészének alapja a CDMA (Code Division Multiple Access) technológia. Az ETSI 1998. márciusában megkezdte az európai UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) rendszer szabványosítását, mely a WCDMA (Wideband CDMA) és a Wideband TDMA/CDMA lesz. Európában, és azon belül hazánkban is az UMTS harmadik generációs rendszer fogja fokozatosan leváltani a jelenleg használt második generációs rendszereket, 2006-tól jelennek meg hazánkban az első harmadik generációs szolgáltatások. Ezért fontos, hogy a jelenleg mobil hírközléssel foglalkozók megismerjék a rendszer főbb elemeit és azok működését. Már léteznek rendszerek, amelyek a CDMA elvet használják, például az IS 95. Ezen rendszer egyik megvalósításának, a Qualcomm CDMA-nak a felépítését vizsgáljuk meg a cég által kiadott anyag segítségével.
II. Mérési feladatok 1. A mérés egy interaktív program felhasználásával történik. A számítógépbe való bejelentkezéshez használja a qcdma / qcdma felhasználónév és jelszó párost. Bejelentkezést követően elvileg automatikusan elindul a méréshez szükséges interaktív program, és megnyílik a mérési útmutató. A program a tesztek eredményeit floppy lemezre menti, amelyet a mérésvezető biztosít. Ezután töltse ki a bejelentkező adatlapot értelem szerint. Először a vezetéknév, majd a keresztnév. Ezután az Initial mezőbe egy tetszőleges betűt adjon meg. Az Employee? mezőbe egy számot kell beírni, melyet a mérésvezető ad meg. Ezután a nehézségi fokozat kiválasztása következik. A Tech. Level mezőre kattintva három nehézségi szintet ajánl fel a program. Ezek közül a legalsó a Network Planner választása kötelező. Ez a szint ad megfelelő áttekintést a rendszerről és a végén ennek a szintnek a tesztjét kell kitölteni. Ezután a Continue gombra kattintva be lehet lépni a programba. Ha valamelyik mezőt nem töltik ki, akkor elölről kell kezdeni, mert a program nem fogadja el a hiányosan kitöltött adatlapot. A szoftver egy fájlt nyit a lemezen, melyre az aktuális állapotot, és a teszt eredményét menti. 2. A belépés után válassza ki a CDMA Benefits pontot, mely az első lecke. (Az egérrel a piros háromszögekből álló testre kell kattintani a kiválasztáshoz és az indításhoz.) A bejövő ablakban az Introduction és a Lesson Highlights a lecke vázlatát tartalmazza. A Lesson review-ban a lecke átismétléséhez felbontásban találhatók az egyes témák. Indítsa el a Presentation-t! A program angolul mutatja be a Qualcomm CDMA rendszer felépítését és az ehhez tartozó elméleti hátteret. Három különböző szintet különböztet meg. Ezek a Marketing, Technical, Engineer. Ennek megfelelően különböző
2
mélységben tárgyalja az egyes témákat. Minden oldalon, melyek között a jobb felső sarokban található nyilakra kattintva közlekedhetünk, van egy általános, kevesebb műszaki információt tartalmazó rész. Ha az aktuális oldalhoz van műszaki jellegű aloldal, akkor azt a jobb oldalon lévő ábrák elsötétedése jelzi. Fentről lefelé nő a nehézségi szint. Ha egérkattintással kiválasztjuk pl. a Technical szinthez tartozó aloldalt vagy aloldalakat, akkor azok között mehetünk, amíg a következő Marketing oldalig el nem érünk. A Technical szintről nem lehet az Engineer szintre menni, csak a Marketing-ről. Ennek szemléltetésére lásd az 1. ábrát. Az aktuális oldalhoz tartozó magyarázó szöveg megismételtethető, ha a hangszóró ikonra kattintunk.
Marketing i+1.
Marketing i.
Technical i1
Technical i2
Technical i3
Engineer i1
Engineer i2
Engineer i3
1.ábra Az egyes oldalak közötti átjárhatóság 3. A léptetés közben különböző feladatokat kell megoldani. A program addig nem lép tovább, amíg a feladatot valahogyan nem teljesítette. Ezután a program értékeli a választ, ha nem helyes, akkor megmondja a helyes megoldást. Érdemes ezen feladatokra odafigyelni, mert megjelenhetnek a végső tesztben. A feladatok között vannak olyanok, melyeknél a szövegdobozt el kell helyezni az előre kijelölt helyre. Ha nem pontosan illeszkedik, akkor nem fogadja el és rossznak veszi a megoldást. 4. A Presentation-t végezze el. Ez addig tart, amíg ismét meg nem jelenik a Lesson Menu. 5. Ezután a Lesson Posttest-et oldja meg. Mind a három leckére (CDMA Benefits, Forward Traffic Channnel Generation, Reverse Traffic Channel Generation) csinálja végig, majd a teszteket tartalmazó lemezt adja a mérésvezetőnek.
3
III. A leckék összefoglalása 1.CDMA Benefits
Első lépésben a vezeték nélküli távközlés történetével ismertet meg a CD. Ezen belül az analóg rendszerekkel, a Morse távíróval, ízelítőt ad egy-két Morse jelről. A következő tárgyalt téma a celluláris telefónia. Ezután a digitalizálás alapjaival ismerteti meg a felhasználót. A következő téma a rendszer architektúrája és az egyes elemek feladata. Ez megegyezik az előző félévben hallgatott GSM rendszer felépítésével. Ezután a különböző hozzáférési rendszerek összehasonlítása és főbb jellemzőinek tárgyalása következik. Ezek a rendszerek az FDMA, TDMA és CDMA. A program bemutatja az egyes rendszerekhez tartozó frekvenciatervezési eljárásokat. A következő részben a szórt spektrumú távközlés alapjaival ismertet meg a rendszer. Mitől függ a kapacitás, és hogyan oldható meg a kapacitás javítása? Bemutatja a felhasználható csatornák számának kiszámítását, mind a három rendszer esetén. FDMA és TDMA esetben ez megtalálható a [2] irodalomban. CDMA esetre pedig a következő: N=
Ahol, W R Ga Gv Eb I0 f
⎛W ⎞ ⎜ ⎟ * G a * Gv ⎝ R⎠ ⎛ Eb ⎞ ⎜ ⎟ (1 + f ) ⎝ I0 ⎠
.
a sávszélesség a vocoder sebessége az antenna nyeresége a beszédaktivitási nyereség a bitenergia az interferencia értéke a szomszédcellából származó interferencia értéke százalékban
A legfontosabb rész a különböző kódok előállításának technológiáját mutatja be. Eddigi tanulmányokban nem szerepeltek még részletesen mindenkinél az ortogonális és a pszeudo noise kódok előállításának módszerei. Itt az IS 95-ben használt kódokat tárgyalják. Először az ortogonális kódokra mutatnak példát. A rendszerben használt ortogonális kódok a Walsh-kódok, melyek Hadamard-mátrix segítségével állíthatók elő, így biztosítva az egyes kódok teljes ortogonalitását. A rendszerben ezen kód segítségével különböztetik meg a bázisállomásokat, a szektorokat egymástól a forward linken, reverse linken pedig az adatbiztonság javítására használják. Majd bemutatják a kód dekódolásának módszereit.
4
A másik kódfajta a pszeudo random kód. Ennek generálása visszacsatolt shift-regiszterekkel történik. Ez biztosítja, hogy maximális hosszú kódsorozatokat kapjunk. A kód maximális hossza: 2n-1, ahol n a regiszterek száma. A program bemutatja, hogy miként működik ez a fajta kódoló, hogyan állítja elő az egyes maximális hosszú kódokat. Majd a rendszerben használt módozatait ismertetik. A kódokra kis kiegészítéssel készíthető maszk, mely az azonosításnál fontos. Ez a maszk, visszaadja a kódot, csak valahány bittel eltolva. A következő részben a rendszerben használt logikai csatornákat mutatják be, melyeknek funkciói megegyeznek a GSM-ben használt logikai csatornákkal, csak a megvalósításuk különbözik. Ezután a rendszer egyik legfontosabb elmével, a teljesítmény szabályzással ismerkedhetünk meg. A rendszerben a közel-távol probléma miatt teljesítmény szabályzásra van szükség. A közel-távol problémának nevezik azt, hogyha a rendszerben mindenki azonos teljesítménnyel adna, akkor a bázisállomás közelében lévő felhasználók jele elnyomná a távoli felhasználók jelét. A feladat, hogy minden felhasználó jele a távolságtól függetlenül, egyforma teljesítménnyel érkezzen a bázisállomásra. Ezért a közeli felhasználók jelének teljesítményét csökkenteni, míg a távoli felhasználók jelét növelni kell. Ehhez valamilyen információ átvitelére van szükség. Ez a teljesítmény szabályzás. Két fajtája létezik: az open loop, melyben a mobil veszi a bázisállomás jelét, melyről tudja, hogy mekkora teljesítménnyel sugározták ki. Így azt feltételezve, hogy a vissza irány is hasonló csillapítással rendelkezik, a kisugárzott jel teljesítményét annyira megemeli, hogy a kívánt szinten érkezzen meg a bázisállomásra. A másik mód a closed loop, melyben a bázisállomás a vett jel szintjét mérve, megállapítja, hogy mennyivel különbözik ez a kívánt értéktől. Majd utasítja a mobilt, hogy milyen irányban változtassa meg a teljesítményét. Ezt az információ közé ágyazva sugározzák, 800 Hz-es frekvencián. A hang detektálását és digitalizálását a vocoder végzi. Ennek sebessége változtatható, annak érdekében, hogy amikor a beszélő szünetet tart, ne kelljen a zajt olyan nagy sebességgel átvinni. A rendszer másik lényeges eleme a RAKE vevő, melynek működését a segédlet tartalmazza. A következő lépés a különböző handoverek bemutatása, és a különbségek megvilágítása. A rendszer soft handovert használ, mely különbözik a GSM-ben megismert hard handovertől, melyben előbb történik meg a bontás, és csak utána épül fel az újabb kapcsolat. Itt a mobil egyszerre több bázisállomással is kapcsolatban van, és mindig azzal kommunikál, amelyik felé a legjobb az összeköttetés. A legjobb itt azt jelenti, hogy melyik állomáshoz kell a lehető legkisebb teljesítménnyel adni. Az egész rendszer feladata és törekvése, hogy a lehető legkisebb összteljesítménnyel a lehető legnagyobb kapacitást érje el.
5
2. Forward Traffic Channel
Ez a bázisállomás mobil irány. Itt először bemutatják a BSC szerepét, mivel itt történik a PSTN-ből érkező A törvényű kódolás szerint kódolt üzenet átalakítása a rendszernek megfelelő kódolásra. Ezt itt a változtatható sebességű vocoder végzi, melyet az előző részben már megismerhettünk. A PSTN-től indulva bemutatja az összeköttetés fajtáit, milyen kötegelésben megy a felhasználók jele a kábelen. Ezután az adó felépítését vizsgáljuk. Az egyes elemek részletes ismertetése következik. offset I PN teljesítmény szabályzó bit
9600 4800 2400 1200 R=1/2
14400 7200 3600 1800 R=3/4
Block interleaver
Hosszú PN kód generátor
19,2 ksps
MUX
konvolúciós kódoló és ismétlő
Decimátor 1,2288 Mchps
Walsh kód
1,2288 Mchps
Decimátor 19,2 ksps
800 Hz
offset Q PN
Felhasználó maszk
2. ábra. A bázisállomási adó felépítése A konvolúciós kódoló szerepe a vocoderből kijövő jel előzetes hibavédetté tétele. A kódolóban a változtatható sebességű vocoder miatt, más kiterjesztési tényezőt kell használni, hogy a kimenetén állandó legyen a sebesség. Az R=1/2 azt jelenti, hogy minden bemenő bitből kettő lesz, míg az R=3/4 három bitből képez négyet. A konvolúciós kódoló után a bit, vagy szimbólumsebesség 19,2 ksps. Ennek segítségével csökkenthető a teljesítmény, viszont az átvitel minősége nem változik, nem lesz nagyobb a BER. A csökkent teljesítmény kisebb zajt jelent, ami nagyobb kapacitást tesz lehetővé. A különböző adatsebesség esetén a kódoló ismétli a beérkező jelet, és csak utána kódolja. Így pl. a 4,8 kbps-os sebességű adat egy blokkját, amely 20 ms hosszú, kódolja R=1/2 szerint, ezzel a sebessége 9,6 kbps lesz, ezután egyszer megismétli, hogy a 19,2 ksps sebességet elérje. A következő egység a block interleaver, mely szintén a zaj elleni védettséget biztosítja. Az egyes blokkokat szétdarabolja, és ezután az egyes részeit meghatározott sorrendben egymás után állítja. Ezzel, ha egy blokk kiesik, még mindig vissza lehet állítani az eredeti információt. 6
A hosszú PN kód generátor egy maszk segítségével, mely a felhasználóra jellemző generálja a 1,2288 Mchps-os kódot. Ez a maszk teszi lehetővé, hogy az egyes felhasználók dekódolhassák a saját információjukat. A kódgenerátor után egy decimátornak nevezett sebességosztó található, mely a 1,2288 Mchps-ból 19,2 ksps-ot képez azáltal, hogy minden 64-dik chipet választja ki. Ezt hozzáadja az interleaverből kijövő adatfolyamhoz. A decimáló után egy másik decimáló következik, mely a 19,2 kbps-ot leosztja 24gyel, így egy 800 Hz-es jelet kapunk, mely a teljesítmény szabályzás sebessége. A MUX egység a kódolt adathoz hozzárendel egy teljesítményszabályzó bitet. A MUX-ból kijövő 19,2 ksps sebességű adathoz hozzáadódik a Walsh-kód. Ez a kód bázis-mobil irányban az egyes csatornákat külön-külön jellemzi. A rendszerben lévő összesen 64 különböző kód mindegyike hozzá van rendelve egy csatornához. A W0 (0-dik Walsh kódot) a Pilot csatornához rendelik. A W1-W7 a Paging csatorna, W8-W63-ig pedig 55 forgalmi csatorna van. A W32 a Szinkronizációs csatorna. A Walsh kód chipsebessége 1,2288 Mchps, így a kijövő adat is hasonló sebességű lesz. Ezután a tökéletesebb szétterítettség érdekében a kvadratúrákra bontott jelet egy rövid PN kóddal még összeadjuk, melynek a hossza 32768 chip. Ez biztosítja, hogy a spektrum sima lesz. Ez a kód úgy adódik hozzá a jelhez, hogy a szinkronizációhoz képest minden csatorna máshogy van eltolva. Két csatorna között 64 chip az offset, pl. a 0-dik csatornában szinkronban van, az első csatornán 64 bittel késik, a másodikon pedig 2*64 bittel. Ez a 64 csatorna miatt maximum 512 lehet. Ezután a vételi irány következik. A vételnél az előbb elvégzett műveletek inverzét kell végrehajtani fordított sorrendben. A jel megérkezik az antennára, utána a RAKE vevőbe kerül. A RAKE vevő négy csatornás, ebből az egyik a kereső, mely a Pilot csatornát keresi. A másik három a tényleges vevő rész. A vevők dekódolják a Walsh és a rövid PN kódokat. Ezután a kombájner következik, melynek feladata a lehető legjobb jel előállítása. Ezután a sávösszenyomóba kerül a jel, mely a hosszú PN kóddal szorozza be a vett jelet, ezzel visszaállítva az eredeti jelet. A következő a de-interleaver, mely a szétszórt blokkokat ismét egymás után illeszti. A de-interleaverből kijövő jel a Viterbi-dekóderbe kerül, mely a legvalószínűbb bitfolyamot adja a kimenetén, a vett jelből. A Viterbi-dekóderből kijövő jel digitális. Ezt a vocoder alakítja vissza analóg jellé, melyet az előfizető hall. 3. Reverse Traffic Channel
A mobil-bázisállomás irány esetén az első egység a beszédet digitális jellé alakító coder mely PCM kódolást használ. Ennek kimenő jelét alakítja át a vocoder a rendszerben használt sebességű adattá úgy, hogy a lehető legkevesebb redundanciát tartalmazza. Két sebességtartománya van, a 9600 és a 14400, mely között 20 ms-onként tud váltani.
7
A vocoderből kijövő adat a konvolúciós kódolóba kerül. Ennek feladata redundancia bevitele az adatfolyamba, és a kódolás, mely lehetővé teszi a hiba javítását a vételi oldalon. Attól függően, hogy melyik sebességen működött a vocoder, a kiterjesztési tényező R=1/3, vagy R=1/2. Ebből következően a konvolúciós kódoló után a sebesség 28800 szimbólum vagy bit másodpercenként, 28,8 kbps. A vocoder a különböző beszédintenzitáshoz más és más sebességet rendel, így van feles, negyedes és nyolcados sebesség. Ahhoz, hogy a sebesség mindig 28,8 kbps legyen a bejövő blokkot annyiszor meg kell ismételni, ahányad része a sebessége a maximális sebességnek. A mobil oldalon viszont gondolni kell a minél hosszabb készenléti időre, ezért az ismételt csomagokat nem sugározzák ki. offset I PN 9600 4800 2400 1200 R=1/3
28,8 ksps konvolúciós kódoló és ismétlő
14400 7200 3600 1800 R=1/2
28,8 ksps Block interleaver
307,2 ksps Ortogonális kódolás
1,2288 Mchps Adatcsomag választó D
Hosszú PN kód generátor
1,2288 Mchps offset Q PN
Felhasználó maszk
3. ábra. Mobilállomás adójának felépítése Ezután a Block interleaver következik, mely a csatorna behatásai ellen védi meg az adatfolyamot. A következő blokk egy többszintű kódolást hajt végre. Hat bitet fog össze és hozzájuk a hat bit által meghatározott sorszámú Walsh kódot rendeli, így hat bit helyett 64-et viszünk át. Ezáltal azok ortogonálisak, és így könnyen dekódolhatóak lesznek. Ez is a jobb vételi lehetőségek biztosítása érdekében történik. A kimenő sebesség 307,2 ksps. A következő egység feladata, hogy az előbb említett ismételt csomagok közül véletlenszerűen kiválassza, hogy melyiket sugározzák ki. Ennek a teljes sebességű átvitelkor nincs szerepe. A hosszú PN kód generátor az egyes előfizetőre jellemző kódot generálja, melyet az előfizető maszkjának segítségével állít elő. Ez a kód 1,2288 Mchps sebességű, melyet a jelhez adunk hozzá, így a sebesség meg fog egyezni a kód sebességével. Ezután a rövid PN kódot adjuk hozzá a kvadratúra komponensekhez. Itt nincs offset, mint a forward irányban csatornánként,
8
hanem a Q kvadratúrát egymástól fél szimbólumidőnyire eltoljuk. Ezt a jelet sugározzuk ki az antennán. A bázisállomás veszi a mobil által elküldött jelet. A vett jel beérkezik a RAKE vevőbe, melynek most mind a négy csatornája demodulátor. Ebben az irányban nincs pilot csatorna, mert akkor nagyon nagy lenne a mobilok teljesítmény felvétele. Így a bázisállomáson a vevő mind a négy csatornában a vett jelre figyel és a lehető legjobb minőségben veszi. A rövid PN kódot összenyomja és a Walsh-kódot gyors Hadamard-transzformációval visszaállítja. Megvizsgálja, hogy melyik Walsh-kód érkezhetett és utána a sorszámából visszaadja a hat kódolt bitet. A kombájner kiválasztja a legerősebb jelet. Ez a jel jut be a de-interleaver-be, illetve a teljesítmény szabályzást irányító egységbe, mely a jel szintjének értékéből egy teljesítmény fel, vagy le vezérlő parancsot ad ki. A de-interleaver után a Viterbi-dekóderbe jut a jel, mely a legvalószínűbb estre dönt. A Viterbi-dekóderből kijövő jelet a vokoder visszaalakítja a PSTN hálózatban használt PCM kódolásnak megfelelően. Ezután a jel kijut a PSTN hálózatba a hívott előfizetőhöz. Ezzel a harmadik leckét is teljesítettük. Töltse ki a tesztet, majd adja le a mérésvezetőnek.
IV. Segédlet a méréshez 1. A DS-CDMA adó felépítése
A rendszer a DS-CDMA (Direct Sequence CDMA) megoldást használja. Ennek jellemzője, hogy az átviendő szimbólumot (dn) a kódoló megszorozza egy sokkal nagyobb sebességű (ci) kóddal - melynek egyes bitjeit chipnek nevezzük - tehát a chipsebesség sokkal nagyobb, mint a szimbólumsebesség, Tc<
{dn }
gc (t )
Ts
Bináris kód
{ci }
Kimeneti jel s( t ) cos( 2π f 0 t )
Tc 4. ábra DS-CDMA adó felépítése
9
2. A RAKE vevő
A rendszer egyik alapeleme, mely szinte a legfontosabb a megfelelő detektáláshoz. Itt nem a Qualcomm rendszerben használt vevőt ismertetjük, hanem az általános egységet. A CDMA rendszerben használt kiterjesztő kódot úgy választják meg, hogy a lehető legkisebb legyen a korreláció a különböző kódok között. Ha a terjedés több úton történik és a késleltetés az egyes utak között nagyobb mint egy chipidő, akkor az korrelálatlan rendszerzajnak tekinthető. Ezért az az ötlet, hogy a külön utakon érkező jelet a időben késleltetve demoduláljuk és ezután összeadva jobb jelet kapunk, mintha csak egy utat vennénk figyelembe. Ezt diverziti technikának is tekinthetjük. A vevő M utas, ami azt jelenti, hogy az M legerősebb jelet veszi figyelembe úgy, hogy minden egyes korrelátor egy chipidővel későbbi időpontban nézi a korrelációt a vett jel és a kód között. Az 1. korrelátor a legerősebb komponensre szinkronizálódik rá. Ha valamelyik korrelátor kimenetén megjelenő jel fadinges azt kisebb súllyal vesszük figyelembe, de nagy valószínűséggel található olyan, amelyik nem terhelt fading-gel. Z1
1. korrelátor
r(t) alapsávi CDMA jel, többutas
α1 Z2
2. korrelátor
α2
∑
Z,
T
∫ ( )dt 0
Z
,
〈 〉
m (t)
ZM
M. korrelátor
αM
5. ábra. RAKE vevő felépítése Az egyes korrelátorok kimenetén megjelenő jel Z1, Z2, ...ZM. Ezeket súlyozzák az α1, α2,... αM súllyal. Ez a súlyozó tényező a korrelátor kimenetén mért teljesítmény és jel/zaj viszonyból adódik. Ha a teljesítmény vagy a jel/zaj viszony kicsi, akkor ez a súlyozó tényező is kicsi lesz, hasonlóan a lineáris optimális kombájnerhez M
Z = ∑ αm Zm . '
m =1
Az αm súlyozó tényezőt a korrelátorok kimenetén megjelenő eredő jelteljesítménnyel normalizálják
10
αm =
Z m2
.
M
∑Z m =1
2 m
Ezzel csökkenthető a rendszerzaj által okozott kapacitáscsökkenés. A RAKE vevő egyes útjaiba bemenő nagy teljesítmény nem biztos, hogy a korreláció után is megmarad. A RAKE vevők abban különböznek egymástól, hogy melyik, hogyan határozza meg αm értékét.
V. Házi feladat: Mekkora a felhasználható csatornák száma FDMA, TDMA és CDMA esetben, ha a használható sávszélesség 1,25 MHz, egy csatorna szélessége FDMA és TDMA esetben 30 kHz, egy frekvencián 3 időrés van, a klaszter méret pedig 7? A beszéd nyeresége 2.5, az adóantennáé 2.55, a jel/interferencia viszony 5, f=50% és W/R=128. (Az eredményt felfele kerekítse!)
N=? VI. Ajánlott irodalom: [1] Dr. Pap László: A mobil hírközlés alapjai előadás jegyzet - CDMA rendszerek fejezet [2] Dr. Simon Gyula: Mobil hírközlő rendszerek előadás jegyzet - IS 95 rendszer felépítése
11
