Hullámok a távközlésben Ericsson Magyarország 2007. március 16.
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 2007 2
Tartalmi áttekintés Történelmi áttekintés Digitális jelátvitel Csatorna hozzáférési módszerek Bevezetés a 3G-be Ericsson AB 2007 3
Korai vezeték nélküli technikák i.e. 1184. i.e.450. 1792. 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 2007 4
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
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. 1879. Alexander Graham Bell telefonja. Adó- és vevőoldali membrán, telefonos összeköttetés 3,2 km-en. Puskás Tivadar Első telenfonközpont Párizsban Ericsson AB 2007 6
A rádiótechnika megjelenése 1894. Popov és Marconi egymástól függetlenül rádióösszeköttetést valósítottak meg. Ericsson AB 2007 7
1898 Braun német fizikus oszcillátora a vezeték nélküli távíróhoz Ericsson AB 2007 8
1899 1926 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 2007 9
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
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 2007 11
Az elektronika fejlődése, mobil hálózatok megjelenése 1949 1952 1961 Nyomtatott áramkörök Integrált áramkörök Az USA pályára állította az első távközlési műholdat (MIDAS-3). 1921 1933 1946 1971 1981. 1991. 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 2007 12
Digitális jelátvitel
A digitális jelátvitel általános modellje Forrás Forráskódoló Csatornakódoló Modulátor...1101......10110110... Csatorna zaj Nyelő Csatornadekódoló Forrásdekódoló Demodulátor Ericsson AB 2007 14
Forráskódolás Forráskódolás Beszédkódolók Multimédiás források kódolása (JPEG, MP3,...) 20 MB dalonként 20 kb dalonként Ericsson AB 2007 15
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
s = s Jelek alapsávi leírása ( t) = A( t) cos( ω t + ϕ ( t) ) = ( t) cos ϕ ( t) A 14243 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 14243 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 2007 17
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 -7-5 -3-1 1 3 5 7 I Ericsson AB 2007 18
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 2007 19
Lineáris modulációs rendszerek Speciális esetek: M=2: Binary PSK, BPSK (egydimenziós) M=4: Quaternary PSK, QPSK 0 10 Q Q 1 00 I I 11 01 Ericsson AB 2007 20
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 2007 21
A zaj hatása (16QAM példán) SystemView Signal constellation -1 0 1 1.5 1 w2 Amplitude 500.e-3-500.e-3-1 0-1.5-1 w3 Amplitude 0 1 SystemView Signal output constellation -1 0 1 1.5 1 w0 Amplitude 500.e-3-500.e-3-1 0-1.5-1 w1 Amplitude 0 1 Ericsson AB 2007 22
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
A duplexing módszerei Frekvenciaosztásos duplex (Frequency Division Duplexing, FDD) Adás és vétel két különböző frekvencián történik Adás f d Vétel frekvencia Ericsson AB 2007 25
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 2007 26
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
A többszörös hozzáférés módszerei Időosztás (TDMA) Frekvenciaosztás (FDMA) Kódosztás (CDMA) Térosztás (SDMA) A fentiek kombinációi Ericsson AB 2007 28
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
Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés (Frequency Division Multiple Access, FDMA) A rendelkezésre álló frekvenciatartomány felbontása átlapolódásmentes csatornákra A csatornák között védősávok (guard band) védősáv 1. 2.... n. n.... 2. 1. frekvencia idő Ericsson AB 2007 30
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.... 2. 1. frekvencia idő Ericsson AB 2007 31
CDMA koktélparti Mit hall? Ericsson AB 2007 32
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
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 2007 34
Példa: WCDMA f CDMA WCDMA (amely egy szabványt is jelent) Duplexelés: FDD (Frekvenciaosztásos duplex) A fizikai csatorna azonosítása: egy kóddal és egy frekvenciával Downlink (2110-2170 MHz) Uplink (1920-1980 MHz) Kódtér f Vivőtávolság: 4.4-5.0 MHz t Kód-multiplexált felhasználók 10 ms időkeret Ericsson AB 2007 35
Bevezetés a 3G-be
A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 1 Kódoló Dekódoló Szűrő Kód 1 S(f) f B Ericsson AB 2007 37
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
A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 2 3 1 Kódoló Dekódoló Szűrő Kód 3 f Ericsson AB 2007 39
A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 2 3 1 Kódoló Dekódoló 4 Szűrő Kód 4 S(f) f Ericsson AB 2007 40
A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 2 3 1 Kódoló Dekódoló 4 Szűrő 5 1 S(f) Kód 5 S(f) f B f Ericsson AB 2007 41
A szórt spektrumú adatátvitel elve Frekvenciatartomány 2 3 1 Kódoló Dekódoló 4 Szűrő 5 1 3 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 2007 42
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
CDMA koktélparti Mit hall? Ericsson AB 2007 44
Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa 1 1-1 11 1-11-1 1-1-11 11-1-1 1111 1-11-1-11-11 1-11-11-11-1 1-1-11-111-1 1-1-111-1-11 11-1-1-1-111 11-1-111-1-1 1111-1-1-1-1 1-1-11-111-1-111-1 1-1-11 Digital/Analog Mapping logic 0 analog +1 logic 1 analog - 1 Ericsson AB 2007 45
Ortogonális kódok tulajdonságai Bemenő adatbit +1 Adó -1 Kód az adóban Kisugározandó jelsorozat 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 Kód a vevőben Eredmény integrálás után Osztás a kódhosszal 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 B vevő Ericsson AB 2007 46
Ortogonális kódok generálása Példaként a Walsh kódfa T b 1 Eredeti adat Kód (1-1) 1-1 Kódolt adat T b 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 analog +1 logic 1 analog - 1 Ericsson AB 2007 47
DS-CDMA átvitel SystemView Sink 19 SystemView Sink 21 0 2 4 6 8 10 12 1... b (t) b (t) 2 c (t) 1 u(t) r(t) v(t) c (t) 1 T b T b c (t) 2... 1... 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 14 0 2 4 6 8 10 12 14 1 1 500.e-3 500.e-3 Amplitude 0-500.e-3 Amplitude 0-500.e-3-1 -1 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 SystemView Time in Seconds SystemView Time in Seconds Sink 26 0 2 4 6 Sink 20 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 6 1 4 500.e-3 2 Amplitude -500.e-3 0 Amplitude 0-2 -4-1 -6 0 2 4 6 8 10 12 14-8 Time in Seconds 0 2 4 6 8 10 12 14 Time in Seconds Ericsson AB 2007 48
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 2007 49
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 2007 50
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 2 2 2 s est2 x 1 zaj Ericsson AB 2007 51
A 3G mobiltávközlés fejlődése 1992. 1998. 1999. 2000. 2001. 2004. 2005. 2006. 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 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. 2000. 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 40 20 Az Ericsson a 3G LTE tesztrendszerén 144 Mbps sebességet mutatott be. UK Licencdíj ( / lakos) 650 170 615 212 105 51 Ericsson AB 2007 52
Ericsson AB 2007 53