Upload
haque
View
217
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-162
Hálózati architektúra
F
HLRHLR
C
AU
C
Gf
SGSNSGSN
Gr
Gn
Gc
Gi
Gd
H SMS
Co-operatingNetworksUser Equipment Radio Access Network Core Network
Note: Not all interfaces areshown and named
BTSBTS
Um
Abis
BSS
F D
C
EIR
AU
C
A
GMSCServer
GMSCServer
Gf
Gn
GbGr
SGSNSGSN
GGSNGGSN
Gs
Gc
Gd
IuCS
MGWMGW
H
Gp
IuPS
RNCNode B
Uu
Iur
Iub
RNCNode BIub
RNS
RNS
UTRAN
Iur
ME
Cu
or
SIM-ME i/f
USIM
SIM
MS
ISDNPSTNPSPDNCSPDNPDN:- Intranet- Extranet- Internet
MSC/VLRServer
MSC/VLRServer SCFSCF
ME
SIM-ME i/f
SIM
MS
MGWMGW
MSC/VLRServer
MSC/VLRServer
Mc
Nb
Nc
MGWMGWNb Mc
Mc
EGNc
T-SGW
T-SGW
BSC
C
SMS
SCFSCF
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-163
Tartalmi áttekintés
� Történelmi áttekintés
� Digitális jelátvitel
� Csatorna hozzáférési módszerek
� Bevezetés a 3G-be
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-164
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.
Korai vezeték nélküli technikák
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-165
1832-33
1844.
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.
Elektromos jelátvitel
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-166
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.
1876.
1879.
Kábel Európa és Amerika között.
Alexander Graham Bell telefonja.
Adó- és vevőoldali membrán, telefonos
összeköttetés 3,2 km-en.
Puskás Tivadar
Első telenfonközpont Párizsban
Kereskedelmi méretű távközlő hálózatok
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-167
1894. Popov és Marconi egymástól függetlenül
rádióösszeköttetést valósítottak meg.
A rádiótechnika megjelenése
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-168
1898 Braun német fizikus oszcillátora a vezeték nélküli
távíróhoz
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-169
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
Táplált elem
(dipól)
directors
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1610
1928
1933
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 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1611
1948 A Bell Laboratóriumban kifejlesztették a germánium
tranzisztort, mely erősítő eszköznek is alkalmas.
n
n
p
A
A
1.5V 10V
input
current
amplified
output
current
Transistor vs tube
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1612
1949
1952
1961
1921
1933
1946
1971
1981.
1991.
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.
Az elektronika fejlődése, mobil hálózatok megjelenése
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1614
A digitális jelátvitel általános modellje
Forrás-kódoló
Forrás Csatorna-kódoló
Modulátor
Demo-dulátor
Csatorna-dekódoló
Forrás-dekódoló
...1101... ...10110110...
Nyelő
zajCsatorna
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1615
Forráskódolás
� Forráskódolás– Beszédkódolók
– Multimédiás források kódolása (JPEG, MP3, ...)
20 MB dalonként
20 kB dalonként
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1616
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 Hullámok a távközlésben 2007-03-1617
Jelek alapsávi leírása( ) ( )( )
( ) ( )( )
( ) ( )( )
tttAtttA
tttAts
c
tS
c
tS
c
QI
ωϕωϕ
ϕω
sinsincoscos
cos)(
4342143421−=
=+=
Fazorábra, Konstellációs diagram
SQ(t)
A(t)
ϕϕϕϕ(t)
SI(t)
( ) ( ) ( )tsitsts QIekv ⋅+=
( ) ( ){ }ti
ekvcetsts
ωRe=
90o
– sQ(t) cos(2π f0 t)
cos(2π f0 t)
sI(t)
sQ(t)
sI(t) cos(2π f0 t)
( )ts
sin
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1618
Lineáris modulációs rendszerek
� 1. Amplitúdóbillentyűzés (Amplitude Shift Keying, ASK)– A forrás M állapotát a vivő amplitúdójának változtatásával
kódoljuk:
Konstellációs diagram:
11 33 55--11--33--55--77 77
II
11
g(t) g(t)
tt
TT
{ }8...,2,1);2cos()( == ktfats ckszimbólum π
)2cos()()( , tfnTtgats c
n
nk π−= ∑∞
−∞=
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1619
Lineáris modulációs rendszerek
� 2. Fázisbillentyűzés (Phase Shift Keying, PSK)– A forrás M állapotát a vivő fázisának a változtatásával
kódoljuk:
M
M
M
ππ )1(2,...,
2,0
−∈Θ
Konstellációs diagram: QQ
II
8PSK
)2cos()(. Θ+= tfts cszimb π
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1620
Lineáris modulációs rendszerek� Speciális esetek:
– M=2: Binary PSK, BPSK (egydimenziós)
– M=4: Quaternary PSK, QPSK
QI
Q
I
0010
11 01
10
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1621
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
II2,...,2,1;
1
12,
Mk
M
kQI =
−
−±=
16QAM)2sin()2cos()(. tfQtfIts ccszimb ππ −=
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1622
A zaj hatása (16QAM példán)
SystemView
-1
-1
0
0
1
1
-1.5
-1
-500.e-3
0
500.e-3
1
1.5
w2
Am
plit
ud
e
w3 Amplitude
Signal constellation
SystemView
-1
-1
0
0
1
1
-1.5
-1
-500.e-3
0
500.e-3
1
1.5
w0
Am
plit
ud
e
w1 Amplitude
Signal output constellation
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1624
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 irányelválasztása (duplexing)
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1625
A duplexing módszerei
� Frekvenciaosztásosduplex
(Frequency Division Duplexing, FDD)
– Adás és vétel két
különböző frekvenciántörténik
frekvencia
Adás Vétel
fd
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1626
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
idő
Az adás-vétel
váltás ideje
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1627
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 Hullámok a távközlésben 2007-03-1628
A többszörös hozzáférés módszerei
� Időosztás (TDMA)
� Frekvenciaosztás (FDMA)
� Kódosztás (CDMA)
� Térosztás (SDMA)
� A fentiek kombinációi
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1629
Időosztásos többszörös hozzáférés(Time Division Multiple Access, TDMA)
� A rendelkezésre álló időfelbontása ortogonális (nemátlapolódó) időrésekre
� Egy időrést egyfelhasználóhoz rendelünk
� Az időrések között védőidő(guard time) szükséges lehet
1. 2. ... n.
frekvencia
idő
védőidő
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1630
Frekvenciaosztásos többszörös
hozzáférés(Frequency Division Multiple Access, FDMA)
� A rendelkezésre állófrekvenciatartományfelbontásaátlapolódásmentescsatornákra
� A csatornák közöttvédősávok (guard band) 1.
idő
védősáv
2....n.
frekvencia
1. 2. ... n.
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1631
Kódosztásos többszörös
hozzáférés(Code Division Multiple Access, CDMA)
� A felhasználók szórtspektrumú jelekkelkommunikálnak, kváziortogonális kódokathasználva
� Minden felhasználóegyidejűleg, ugyanazon a frekvencián forgalmaz, a felhasználókat a kódjaikválasztják szét
1.
idő
2....n.
frekvencia
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1633
Térosztásos többszörös
hozzáférés(Space Division Multiple Acces, SDMA)
� A felhasználókat térbenválasztják el egymástól, pl. irányított antennák ill. szektorizált celláksegítségével
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1634
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 Hullámok a távközlésben 2007-03-1635
10 ms időkeret
Vivőtávolság:4.4-5.0 MHz
Kódtér
t
f
Downlink (2110-2170 MHz)
CDMA ≡ WCDMA (amely egy szabványt is jelent)
Duplexelés: FDD (Frekvenciaosztásos duplex)
A fizikai csatorna azonosítása: egy kóddal és egy frekvenciával
f
Uplink (1920-1980 MHz)
Kód-multiplexált felhasználók
Példa: WCDMA
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1637
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
Kód
1
1
B
f
S(f)
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1638
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
Kód
1
2
2
W
f
A kiterjesztő művelet semlegesíti önmagát (önadjungált): f( f(x) ) = x
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1639
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
Kód
1
2 3
3
f
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1640
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
Kód
1
2 3
4
4
f
S(f)
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1641
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
Kód
1
2 3
45
5
f
S(f)1
B
f
S(f)
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1642
A szórt spektrumú adatátvitel elveFrekvenciatartomány
DekódolóKódoló Szűrő
A feldolgozási nyereség
(Processing Gain):
B
WPG=
Kód
1
2 3
45
1
B
f
S(f) 2
W
f
3
f
4
f
S(f) 5
f
S(f)
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1643
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
SS (Spread Spectrum) technika előnyei
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1645
Ortogonális kódok generálásaPéldaként a Walsh kódfa
1
1-1 11
1-11-1 1-1-11 11-1-1 1111
1-11-11-11-11-11-1-11-11 1-1-111-1-111-1-11-111-1 11-1-111-1-111-1-1-1-111 1111-1-1-1-1
Digital/Analog Mapping
logic 0 ↔↔↔↔ analog +1
logic 1 ↔↔↔↔ analog - 1
1-1-11-111-1-111-1 1-1-11
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1646
Ortogonális kódok tulajdonságai
Bemenő adatbit +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 –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 –1 +1
Kód az adóban
Kisugározandó
jelsorozat
Kód
a vevőben
8 0
Eredményintegrálás
után
+1 0Osztás a
kódhosszal
x x
Integrate Integrate
= =
x x
= =
A vevő B vevő
Adó
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1647
Ortogonális kódok generálásaPéldaként a Walsh kódfa
1
1-1
1-11-1 1-1-11
1-11-11-11-11-11-1-11-11 1-1-111-1-111-1-11-111-1
Digital/Analog Mapping
logic 0 ↔↔↔↔ analog +1
logic 1 ↔↔↔↔ analog - 1
1-1-11-111-1-111-1 1-1-11
Tb
Tb
Eredeti adat
Kód (1 -1)
Kódolt adat
Eredeti adat
Kód (1 -1 1 -1)
Kódolt adat
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1648
DS-CDMA átvitel
SystemView
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
-1
-500.e-3
0
500.e-3
1
Am
plitu
de
Time in Seconds
Sink 19SystemView
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
-1
-500.e-3
0
500.e-3
1
Am
plit
ude
Time in Seconds
Sink 21
SystemView
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
-1
-500.e-3
0
500.e-3
1
Am
plit
ude
Time in Seconds
Sink 26
SystemView
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Am
plit
ud
e
Time in Seconds
Sink 20
Tb
Tb
Tb
b (t)
b (t)
b (t)
. . .
1
2
K
c (t)1
c (t)2
c (t)K
u(t)
r(t)
v(t)c (t)1
c (t)2
c (t)K
. . .
w (t)
w (t)
w (t)
1
2
K
y (t)
y (t)
y (t)
1
2
K
b (t)
b (t)
b (t)
. . .
1
2
K
^
^
^
Korrelációs vevő
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1649
A közvetlen kódsorozatú CDMA elve
1. felhasználó
2. felhasználó
N. felhasználó
1. kód
2. kód
N. kód
∫T
dt
1. Kód
∫T
dt
∫T
dt
2. Kód
N. Kód
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1650
Kódok a WCDMA-ban
CsatornakódOrtogonális Walsh-kódSzétválasztja a csatornákat
Scrambling kódKvázi-ortogonális sorozatMegkülönbözteti a mobiltelefonokat, cellákat, ésszektorokat.
BS1scr1
ch1
scr1
scrA
ch1
scrA
ch2
scr1
ch3
scrB
ch1
scr1, ch2
BS2
scr2
MSA
MSB
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1651
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)
TX1s1RX1 sest1
x1
TX2s2RX2 sest2
x2
zaj
B=H-1
© Ericsson AB 2007 Hullámok a távközlésben 2007-03-1652
1992.
1998.
1999.
2000.
2001.
2004.
2005.
2006.
2007.
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.
Las Vegasban az Ericsson 28 Mbps-os
letöltést mutat be több bemenetű – több
kimenetű (MIMO) technika segítségével.
A 3G mobiltávközlés fejlődése
20Svájc
40Portugália
51Lengyelország
105Ausztria
212Olaszország
615Németország
170Hollandia
650UK
Licencdíj (€ / lakos)
2000. év spektrum tenderei
IMT-2000 rendszerek definiálása
A Nemzetközi Távközlési Szervezet (ITU) döntése a 2000 MHz-
es 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
Az Ericsson a 3G LTE tesztrendszerén 144 Mbps sebességet mutatott be.