Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok hozzáférési szakasza (RAN) Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet
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).
2G rádiós interfész (Um)
2G rádiós interfész (Um) GSM900 esetén 124db 200kHz sávszélességű csatorna; Extended 876-915MHz (Up), 921-960MHz (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.
2G rádiós interfész (Um) A rádiós interfészen az adatátviteli sebesség: (148 bit átvitele 546,5µs idő alatt) kb 270kbit/s.
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
GSM keret hierarchia
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!
GERAN (GSM/EDGE RAN) ETSI TS 143 051 / 3GPP TS 43.051 Moduláció: GMSK 8PSK
GERAN (GSM/EDGE RAN) EPC Enhanced Power Control Minden 26. TDMA frame-ben (120ms időközönként)
3G - WCDMA A sugárzott információk szétválaszthatóságát az ortogonális kódok biztosítják
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!
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).
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).
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.
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.
LTE OFDM és CDMA összehasonlítás
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
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:
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.
LTE - DL Normál CP, 1.4km távolságig működőképes A kiterjesztett CP 10 km-ig (szimbólumszám rovására).
LTE - DL Példa: 5 MHz sávszélesség, n db alvivő vivők színekkel jelöltek a frekvencia tartományban. Védőidők feketével időtartományban.
LTE - DL Egyes UE-k felé sugárzott OFDM jel
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;
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/(15000 2048) 32,6ns
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.
LTE keretszerkezet (TDD) D jelentése: subframe - downlink transmission S jelentése: "special" subframe used for a guard time U jelentése: subframe - uplink transmission
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).
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).
Adatátviteli sebességek (DownLink) További lehetséges konfigurációk: Csatorna sávszélesség védősávval [MHz] Átviteli sávszélesség védősáv nélkül [MHz]: Átviteli sebesség konfigurációk 1,4 3 5 10 15 20 1,08 2,7 4,5 9 13,5 18 RB-k száma: 6 15 25 50 75 100
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)
LTE-UpLink (UL) OFDMA szimólum idő = SC-FDMA szimbólumidő = 66,7µs Egy SC-FDMA szimbólum úgynevezett szub-szimbólumokat tartalmaz!
LTE-UpLink és DownLink
S = Single; M = Multi; I = Input; O = Output LTE - MIMO
2x2-es csatorna mátrix LTE - MIMO
Köszönöm a figyelmet!
Adatátviteli rendszerek LoRa WAN Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet
LoRa WAN www.lora-alliance.org Regionális; Nemzeti; Nemzetközi hálózat, mely elsősorban telepes üzemű készülékek kétirányú adatátviteli megoldásait valósítja meg. Kifejezetten IoT-hez.
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)
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)
LoRa WAN stack
LoRa WAN végberendezés osztályok
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.
LoRa WAN végberendezés gateway kommunikáció Szórt spektrumú FSK a 868MHz ISM sávban; ADR (Adaptive Data Rate);
LoRa WAN fizikai réteg EU863-870 ISM sávban (ETSI EN300.220 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);
Szórt spektrumú LoRa moduláció
LoRa WAN
LoRaWAN
LoRa WAN hálózat adminisztrálás A hálózat adminisztrálás MAC command-okkal történik (ezek az alkalmazásokban sosem látszanak).
Köszönöm a figyelmet!