Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok hozzáférési szakasza (RAN) Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

Átírás

1 Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok hozzáférési szakasza (RAN) Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

2 2G rádiós interfész (Um) Um TDMA elvű, UL és DL külön vivőn (FDD) Chipering (titkosítás); TA Timing Advance; Tx power szabályozás; Csatornakódolás; Moduláció demoduláció (logikai CH-k leképezése a fizikai CH-ba).

3 2G rádiós interfész (Um)

4 2G rádiós interfész (Um) GSM900 esetén 124db 200kHz sávszélességű csatorna; Extended MHz (Up), MHz (Down) 195db csatorna (GSM-R és TETRA is) GSM1800 esetén 374db 200kHz sávszélességű csatorna áll rendelkezésre. Egy GSM keretidő 4,615ms, mely 8db TS-re osztott. 1 időrés (1TS) 577µs ideig foglalja a vivőt (adás bustökben történik), melyben a tényleges adási idő 546,5µs (148 bit), így a védő idő (guard time) 30,5µs.

5 2G rádiós interfész (Um) A rádiós interfészen az adatátviteli sebesség: (148 bit átvitele 546,5µs idő alatt) kb 270kbit/s.

6 2G rádiós interfész (Um) Modulációs séma GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Az információt a vivő fázis változása (90fok) hordozza. 1bit = 1 sym. 1 esetén -> -90 fok 0 esetén -> +90 fok

7 GSM keret hierarchia

8 GPRS General Packet Radio Service A TS-ek foglalása dinamikus, a TS-ek számának lefoglalása is változó lehet (1 8-ig). A ténylegesen elérhető adatátviteli sebesség kódolásfüggő (kódolás a rádiós csatorna minőségétől függ), lefoglalható TS szám függő. CS-4 esetén nincs hibajavító kódolás!

9 GERAN (GSM/EDGE RAN) ETSI TS / 3GPP TS Moduláció: GMSK 8PSK

10 GERAN (GSM/EDGE RAN) EPC Enhanced Power Control Minden 26. TDMA frame-ben (120ms időközönként)

11 3G - WCDMA A sugárzott információk szétválaszthatóságát az ortogonális kódok biztosítják

12 3G - WCDMA Cellaméret a pillanatnyi terheléstől függő! Több felhasználó a cellában a többire nézve több zajforrást jelent -> jel-zaj viszony romlás. Jelenleg úgy látszik, hogy ez zsákutcába vezet!

13 LTE-irányelvek Folyamatos frekvenciasáv bővítési lehetőség (felszabaduló frekvenciasávok használhatósága a jövőben, Nemzeti frekvenciagazdálkodási adottságok figyelembe vehetősége). Rugalmas frekvenciasávok 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz-es, valamint NB IoT 200kHz. Hatékonyabb spektrumkihasználási lehetőségek Például a duplexelésnél (FDD és TDD).

14 LTE le- és feltöltési irány Letöltési irány (DL): OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) az OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) egy mobilspecifikus változata. Feltöltési irány (UL): SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access).

15 LTE OFDMA (DL) Nagy számú, kis védőtávolságú vivők egymás mellett Párhuzamos átvitel a csatornákon; Csatornákra nézve QPSK, 16-QAM, 64-QAM Relatív alacsony szimbólumsebesség; Szimbólumok között időtartományban védősávok Szimbólumáthallás valószínűség csökkentése.

16 LTE OFDMA (DL) Miért nem alkalmazták korábban a cellás mobil technológiák korábban az OFDM-et? 1980-ban már a GSM kapcsán is felmerült az alkalmazása Nagyszámú FFT számítás az alapja ami energiaigényes 1998-ban az UMTS esetén is felmerült A technológia még ekkor sem tűnt alkalmasnak. Az LTE megszületéskor a DSP alapú számítások energiaigénye elviselhetővé váltak.

17 LTE OFDM és CDMA összehasonlítás

18 alvivők távolsága Δf=15 khz LTE - DL Δf=7.5 khz is lehet embms (Multimedia Broadcast Multicast Services) esetén ( LTE-broadcast ). Ennek reciproka a szimbólumidő T=66.67 μs Időtartományban négyszög frekvenciatartományban: sin(x)/x

19 LTE - DL ISI Inter Symbol Interference (Szimbólumközi áthallás Egyes vivők között is áthallást okoz ortogonalitás sérül: szimbólumidőnyi integrálásban nem egész számú periódus lesz az egyik vett jel esetén. Különböző terjedési utakon érkezett jelek okozzák:

20 LTE - DL Több utas terjedés probléma kezelése: Védőidők az adási távolság függvényében; Védőidő alatt a CP (Cyclic prefix) kerül kisugárzásra, ami a szimbólum végének másolata.

21 LTE - DL Normál CP, 1.4km távolságig működőképes A kiterjesztett CP 10 km-ig (szimbólumszám rovására).

22 LTE - DL Példa: 5 MHz sávszélesség, n db alvivő vivők színekkel jelöltek a frekvencia tartományban. Védőidők feketével időtartományban.

23 LTE - DL Egyes UE-k felé sugárzott OFDM jel

24 LTE DL (miért OFDMA?) Az OFDM-ben keskeny sávot használ egy UE Fading vagy interferencia elnyomhatja a jelet. OFDMA TDMA jelleg bevitele a vivők kiosztásába; UE időben több alvivőn forgalmaznak;

25 LTE keretszerkezet (FDD) Időrés: TS=0.5 ms (7 szimbólum); FDD módú keretszerkezet (Type-1): 10 ms keret, 10 db 1 ms alkeret (subframe) 20 db 0.5 ms időrés (TS - timeslot) Alap időegység: Ts=1/( ) 32,6ns

26 LTE keretszerkezet (TDD) DwPTS(Downlink Pilot Time Slot); GP(Guard Period); UpPTS(Uplink Pilot Time Slot); A subframe #0 és subframe#5 mindig letöltésre használt. Összesen 0 6 konfiguráció definiált UL/DL viszonyban.

27 LTE keretszerkezet (TDD) D jelentése: subframe - downlink transmission S jelentése: "special" subframe used for a guard time U jelentése: subframe - uplink transmission

28 LTE Radió erőforrás menedzsment Fizikai erőforrás blokk - Physical Resource Block PRB 12 alvivő (12*15 khz = 180 khz) egy időrésben (0.5 ms) Ez a legkisebb egység, ami egy előfizetőnek adható; 12*6= vagy 12*7 szimbólum időrésenként (embms esetén 24 alvivő, 7.5 khz-es távolságban).

29 Adatátviteli sebességek (DownLink) Fizikai szintű pillanatnyi átviteli sebességek egy PRB-vel: Egy bázisállomás min 6 PRB-t kell tudnia: 6*180kHz=1.08 MHz (Védősávokkal 1.4MHz).

30 Adatátviteli sebességek (DownLink) További lehetséges konfigurációk: Csatorna sávszélesség védősávval [MHz] Átviteli sávszélesség védősáv nélkül [MHz]: Átviteli sebesség konfigurációk 1, ,08 2,7 4,5 9 13,5 18 RB-k száma:

31 LTE UpLink (UL) Miért nem OFDMA-t használunk feltöltés irányban? Teljesítmény igény nagy, ami akkumulátoros üzemű készülék esetén hátrány; Feltöltés irányban általában kisebb adatátviteli sebességgel megelégszünk. Mit használunk? SC-FDMA-t (Single Carrier Frequency Division MA)

32 LTE-UpLink (UL) OFDMA szimólum idő = SC-FDMA szimbólumidő = 66,7µs Egy SC-FDMA szimbólum úgynevezett szub-szimbólumokat tartalmaz!

33 LTE-UpLink és DownLink

34 S = Single; M = Multi; I = Input; O = Output LTE - MIMO

35 2x2-es csatorna mátrix LTE - MIMO

36 Köszönöm a figyelmet!

37 Adatátviteli rendszerek LoRa WAN Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

38 LoRa WAN Regionális; Nemzeti; Nemzetközi hálózat, mely elsősorban telepes üzemű készülékek kétirányú adatátviteli megoldásait valósítja meg. Kifejezetten IoT-hez.

39 LoRa WAN Miért érdemes ezzel foglalkoznunk? Indul az Antenna Hungária IoT-hálózata Budapesten és a Balatonnál (2017) Az Antenna Hungária év végéig országosan elérhetővé teszi IoT hálózatát (2017) CHIPCAD Óbudai Egyetem (2016)

40 LoRa WAN A végberendezések Gateway kapcsolat single-hop vezeték nélküli átvitel (pont-pont 2 irány vagy multicast); Gateway Hálózati szerver kapcsolat normál IP csomagkapcsolás. Adatátviteli sebesség: 0,3kbit/s 50kbit/s ADR (Adaptive Data Rate). Titkosítás több szinten lehetséges. (EUI64 és EUI128 kulcsokkal)

41 LoRa WAN stack

42 LoRa WAN végberendezés osztályok

43 LoRa WAN Class A A Class A eszközök minden adást követően kötelezően figyelniük kell a vételi csomagok érkezését időablak: Join request után Rx Delay: 5s vagy 6s; Data packet után Rx Delay: 1s vagy 2 s.

44 LoRa WAN végberendezés gateway kommunikáció Szórt spektrumú FSK a 868MHz ISM sávban; ADR (Adaptive Data Rate);

45 LoRa WAN fizikai réteg EU ISM sávban (ETSI EN szerint definiált); 3 default csatorna megvalósítás kötelező, melyek sávszélessége 125kHz; 868,10 MHz; 868,30 MHz; 868,50 MHz melyeken DR0 DR5 (0,3kbit/s 50 kbit/s); Adási idő limitáció (duty-cycle limited Tx ETSI szerint); Kisugárzott teljesítmény 14dBm (ETSI szerint);

46 Szórt spektrumú LoRa moduláció

47 LoRa WAN

48 LoRaWAN

49 LoRa WAN hálózat adminisztrálás A hálózat adminisztrálás MAC command-okkal történik (ezek az alkalmazásokban sosem látszanak).

50

51 Köszönöm a figyelmet!