Hullámok a távközlésben. Ericsson Magyarország március 16.

Átírás

1 Hullámok a távközlésben Ericsson Magyarország március 16.

2 Hálózati architektúra User Equipment Radio Access Network Core Network SIM USIM SIM SIM-ME i/f Cu or ME ME SIM-ME i/f MS MS Um Uu BTS BTS BSS Node B Node B UTRAN Abis RNS Iub RNS Iub BSC RNC RNC Iur Iur A Iu CS Iu PS MSC/VLR MSC/VLR MGW MGW Server Server Nb Mc Nc G E MGW MGW McMSC/VLR MSC/VLR Server Server Gb Gs F EIR Gf SGSN SGSN Gn SGSN SGSN D HLR HLR Gr Gn SCF SCF Nb Nc C H MGW MGW Mc GMSC GMSC C Server Server AUC SCF SCF Gd Gc GGSN GGSN Gp SMS Co-operating Networks T- T- S G W Gi ISDN PSTN PSPDN CSPDN PDN: - Intranet - Extranet - Internet Note: Not all interfaces are shown and named Ericsson AB

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

4 Korai vezeték nélküli technikák i.e i.e Füstjeles távíróvonal Trója és a Peloponnészoszi félsziget között Agamemnon felesége így tudta meg férje győzelmét. 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. Optikai távírórendszer: Chappe testvérek. Ericsson AB

5 Elektromos jelátvitel Schilling orosz diplomata 6 tűs távírója, Gauss-Weber tűs távírója. Mágneses elven működő két drótos távíró, csengetési funkcióval Morse és William Fardely egymástól függetlenül találták fel a relét. Ericsson AB

6 Kereskedelmi méretű távközlő hálózatok 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 Kábel Európa és Amerika között Alexander Graham Bell telefonja. Adó- és vevőoldali membrán, telefonos összeköttetés 3,2 km-en. Puskás Tivadar Első telenfonközpont Párizsban Ericsson AB

7 A rádiótechnika megjelenése Popov és Marconi egymástól függetlenül rádióösszeköttetést valósítottak meg. Ericsson AB

8 1898 Braun német fizikus oszcillátora a vezeték nélküli távíróhoz Ericsson AB

9 Az Atlanti óceánt áthidaló vezeték nélküli távíró összeköttetés 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

10 1928 E. H. Armstrong javasolta a frekvenciamoduláció (FM) alkalmazását az amplitudó moduláció helyett (AM) Walter Schottky német fizikus: pn-átmenet leírása a félvezetőkben félvezető eszközök gyártásának lehetősége Ericsson AB

11 1948 A Bell Laboratóriumban kifejlesztették a germánium tranzisztort, mely erősítő eszköznek is alkalmas. n p A amplified output current input current A n 1.5V 10V Transistor vs tube Ericsson AB

12 Az elektronika fejlődése, mobil hálózatok megjelenése Nyomtatott áramkörök Integrált áramkörök Az USA pályára állította az első távközlési műholdat (MIDAS-3) 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. Ericsson AB

13 Digitális jelátvitel

14 A digitális jelátvitel általános modellje Forrás Forráskódoló Csatornakódoló Modulátor Csatorna zaj Nyelő Csatornadekódoló Forrásdekódoló Demodulátor Ericsson AB

15 Forráskódolás Forráskódolás Beszédkódolók Multimédiás források kódolása (JPEG, MP3,...) 20 MB dalonként 20 kb dalonként Ericsson AB

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

17 s = s Jelek alapsávi leírása ( t) = A( t) cos( ω t + ϕ ( t) ) = ( t) cos ϕ ( t) A ekv s S I ( t ) c cos ω t ( t) = s ( t) + i s ( t) I ( t) = Re s ( t) Q c { e i t } ω ekv c ( t) sin ϕ ( t) A S Q ( t ) s I (t) sin ω t c s I (t) cos(2 π f 0 t) Fazorábra, Konstellációs diagram SQ(t) cos(2 π f 0 t) A(t) ϕ(t) SI(t) s Q (t) 90 o s( t) s Q (t) sin cos(2 π f 0 t) Ericsson AB

18 Lineáris modulációs rendszerek 1. Amplitúdóbillentyűzés (Amplitude Shift Keying, ASK) A forrás M állapotát a vivő amplitúdójának változtatásával s kódoljuk: szimbólum ( t) = a cos(2πf t); k = Konstellációs diagram: k = n= c { 1,2,...8} s( t) a, g( t nt )cos(2πf t) k n Q c 1 g(t) T t I Ericsson AB

19 Lineáris modulációs rendszerek 2. Fázisbillentyűzés (Phase Shift Keying, PSK) A forrás M állapotát a vivő fázisának a változtatásával kódoljuk: s szimb.( t) = cos(2πf ct + Θ) Konstellációs diagram: Θ 0, Q 2π 2( M 1)π,..., M M 8PSK I Ericsson AB

20 Lineáris modulációs rendszerek Speciális esetek: M=2: Binary PSK, BPSK (egydimenziós) M=4: Quaternary PSK, QPSK 0 10 Q Q 1 00 I I Ericsson AB

21 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 s szimb.( t) = I cos(2πf ct) Q sin(2πf ct) Q 16QAM 2k 1 I, Q = ± ; k = 1,2,..., M 1 M 2 I Ericsson AB

22 A zaj hatása (16QAM példán) SystemView Signal constellation w2 Amplitude 500.e e w3 Amplitude 0 1 SystemView Signal output constellation w0 Amplitude 500.e e w1 Amplitude 0 1 Ericsson AB

23 Csatorna hozzáférés

24 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

25 A duplexing módszerei Frekvenciaosztásos duplex (Frequency Division Duplexing, FDD) Adás és vétel két különböző frekvencián történik Adás f d Vétel frekvencia Ericsson AB

26 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 Az adás-vétel váltás ideje idő Ericsson AB

27 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

28 A többszörös hozzáférés módszerei Időosztás (TDMA) Frekvenciaosztás (FDMA) Kódosztás (CDMA) Térosztás (SDMA) A fentiek kombinációi Ericsson AB

29 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 n. idő védőidő Ericsson AB

30 Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés (Frequency Division Multiple Access, FDMA) A rendelkezésre álló frekvenciatartomány felbontása átlapolódásmentes csatornákra A csatornák között védősávok (guard band) védősáv n. n frekvencia idő Ericsson AB

31 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 n frekvencia idő Ericsson AB

32 CDMA koktélparti Mit hall? Ericsson AB

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

34 Példa: a GSM rendszer FDMA/TDMA/FDD rendszer: 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 Ericsson AB

35 Példa: WCDMA f CDMA WCDMA (amely egy szabványt is jelent) Duplexelés: FDD (Frekvenciaosztásos duplex) A fizikai csatorna azonosítása: egy kóddal és egy frekvenciával Downlink ( MHz) Uplink ( MHz) Kódtér f Vivőtávolság: MHz t Kód-multiplexált felhasználók 10 ms időkeret Ericsson AB

36 Bevezetés a 3G-be

37 A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 1 Kódoló Dekódoló Szűrő Kód 1 S(f) f B Ericsson AB

38 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

39 A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány Kódoló Dekódoló Szűrő Kód 3 f Ericsson AB

40 A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány Kódoló Dekódoló 4 Szűrő Kód 4 S(f) f Ericsson AB

41 A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány Kódoló Dekódoló 4 Szűrő 5 1 S(f) Kód 5 S(f) f B f Ericsson AB

42 A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány Kódoló Dekódoló 4 Szűrő Kód S(f) 2 f B 4 f W S(f) 5 A feldolgozási nyereség (Processing Gain): S(f) W PG= B f f f Ericsson AB

43 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

44 CDMA koktélparti Mit hall? Ericsson AB

45 Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa Digital/Analog Mapping logic 0 analog +1 logic 1 analog - 1 Ericsson AB

46 Ortogonális kódok tulajdonságai Bemenő adatbit +1 Adó -1 Kód az adóban Kisugározandó jelsorozat x x = = Kód a vevőben Eredmény integrálás után Osztás a kódhosszal x x = = Integrate Integrate A vevő B vevő Ericsson AB

47 Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa T b 1 Eredeti adat Kód (1-1) 1-1 Kódolt adat T b Eredeti adat Kód ( ) Kódolt adat Digital/Analog Mapping logic 0 analog +1 logic 1 analog - 1 Ericsson AB

48 DS-CDMA átvitel SystemView Sink 19 SystemView Sink b (t) b (t) 2 c (t) 1 u(t) r(t) v(t) c (t) 1 T b T b c (t) Korrelációs vevő w (t) 1 y (t) 1 ^ b (t) w (t) 2 y (t) 2 ^ b (t) 2 c (t) 2 b (t) K w (t) K y (t) K ^ b (t) K c (t) K c (t) K T b e e-3 Amplitude e-3 Amplitude e SystemView Time in Seconds SystemView Time in Seconds Sink Sink e-3 2 Amplitude -500.e-3 0 Amplitude Time in Seconds Time in Seconds Ericsson AB

49 A közvetlen kódsorozatú CDMA elve T dt 1. felhasználó 1. kód 1. Kód 2. felhasználó 2. kód 2. Kód T dt N. felhasználó N. kód N. Kód T dt Ericsson AB

50 Kódok a WCDMA-ban scr 2 scr 1 scr 1, ch 2 BS 2 scr 1 ch 1 scr A ch 1 BS 1 scr 1 ch 3 Csatornakód Ortogonális Walsh-kód Szétválasztja a csatornákat scr A ch 2 scr B ch 1 Scrambling kód Kvázi-ortogonális sorozat Megkülönbözteti a mobil telefonokat, cellákat, és szektorokat. MS B MS A Ericsson AB

51 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) s TX 1 RX 1 1 s est1 B=H -1 s TX 2 RX x s est2 x 1 zaj Ericsson AB

52 A 3G mobiltávközlés fejlődése 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 A japán NTT DoCoMo elindítja az első szélessávú CDMA hálózatot. Az Ericsson demonstrálja a nagysebességű letöltést (HSDPA), 11Mbps-os sebességgel. Az Ericsson 1.6 Mbps-os nagysebességű feltöltést (HSUPA) valósít meg év spektrum tenderei Hollandia Németország Olaszország Ausztria Lengyelország Las Vegasban az Ericsson 28 Mbps-os letöltést mutat be több bemenetű több kimenetű (MIMO) technika segítségével. Portugália Svájc Az Ericsson a 3G LTE tesztrendszerén 144 Mbps sebességet mutatott be. UK Licencdíj ( / lakos) Ericsson AB

53 Ericsson AB