Korszerű mobil rendszerek

1. Dr. Maros Dóra Korszerű mobil rendszerek

2. A kommunikáció evolúciója

3. …..a mobilok….is fejlődtek

4. …ahhoz képest, amivel kezdődött…..

5. Szabályozási szervezetek Világszervezetek: International ElectrotechnicalCommission International Telecommunication Union International Organization forStandardization Európai szervezetek: Comité Européen de Normalisation Électrotechnique; European TelecommunicationsStandards Institute

6. Független szakmai szervezetek Nemzetközi: International Federation for Information Processing Institute of Electrical and Electronics Engineers  Internet Engineering Task Force Magyar:

7. Mobil rendszerekgenerációi (2G - 3G+)

8. Mobil hálózatok fejlődése a 3G után

9. Elektromágneses hullámok spektruma 900 MHz-2,6 GHz

10. Többszöröshozzáférésitechnikák FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) 1 csatorna = 1 időrés CDMA (Code Division Multiple Access) 1 csatorna=1 kód 1 csatorna = 1 frekvencia Idő Idő Idő Frekvencia Frekvencia Frekvencia GSM UMTS NMT 450 Többfelhasználómegosztvahasználja a rendelkezésreálló frekvenciasávot

11. Egyvivős (SingleCarrier) és többvivős (Multi Carrier) rendszerek FDMA: egy időben más frekvenciasávok TDMA: más időkben vagy CDMA: egy időben, más kódolással OFDMA: egy időben több frekvenciasáv

12. Duplexelés típusai FDD (FrequencyDivisionMultipex) • Különbözőfrekvenciasávok downlink és uplink átvitelre • Jelenleg preferált megoldás • Előnye: pl. beszélgetés, videotelefon • Hátránya: aszimmetrikus terhelés esetén a sávszélesség nincs kihasználva TDD (Time DivisionMultipex) • Ugyanaz a frekvenciasáv downlink és uplink átvitelre • Jövőbeli megoldás (ma is van néhány pl. China Telecom) • Előnye: sávszélesség hatékony kihasználása • Hátránya: nagyon pontos időzítés kell

13. Duplexelés a rádiós hozzáférésen B(dl):sávszélesség FDD: Két különböző frekvenciasáv a két irányban GSM :200 KHz UMTS: 5 MHz LTE: 20 MHz Downlink fk(dl) B(ul) Uplink fk(ul): középfrekvencia B(dl)=B(ul) fk(dl)-fk(ul)= duplex távolság TDD: Egy frekvenciasáv a két irányra, UL és DL időben változik (UMTS és LTE) Downlink Uplink idő

14. GSM 900, 1800, 1900 sávok (2G)

15. UMTS GSM1800 DECT UMTS TDD UMTSFDD Műhold UMTS TDD UMTSFDD Műhold [MHz] 2100 2200 2500 2700 1800 1900 2000 2600 UMTS frekvenciasávok • 2000-ben, újfrekvenciasávok • 806-960 MHz, 1710 - 1885 MHz (GSM sáv!) • 2500 - 2690 MHz Csatorna távolság: 5,10, vagy 20 MHz Páros sávok Páratlan sávok

16. LTEfrekvenciasávok 40 sáv: 24 FDD 16 TDD

17. TDD spektrum allokációk

18. QoSosztályok

19. Párbeszéd (conversational) osztály jellemzői Conversational • Beszéd • Szimmetrikus forgalom • Round Trip Time < 400 ms • AMR (Adaptive Multi-rate)codec • AMR-WB (AMR Wideband) codec (Release 5) • Mintavétel: 16 kHz (8 kHz helyett) • Hang és audio jelek minőségi kódolása • Sebesség: 24 ÷ 6,6 kbps • Video telefon • Áramkörkapcsolt: H. 324 • Csomagkapcsolt: SIP (Session Initiation Protocol)

20. Egyéb QoS osztályok jellemzői Streaming osztály • Kevésbé szigorú késleltetési előírások • Asszimetrikus • Szolgáltatások • Web broadcast (nagyszámú „hallgatóság” kapcsolódik egy médiaszerverhez) • Videoanyag kívánságra (pl. nagy cégek saját oktatóanyagokat tárolnak szerverükön, és azt a mobilon meg lehet nézni) Interactive osztály • Tranzakció-orientált szolgáltatás • Alkalmazás: nagy adatbázisok kezelése, web böngészés • Alkalmazott protokollok: HTTP, DNS stb • Jellemzők: asszimetrikus, kis kapcsolási idő, nagy mennyiségű adatletöltés Background osztály • Alkalmankénti egyirányú kapcsolat • MMS, SMS, E-mail

21. 3G szolgáltatások jellemzői Minden 3G (UMTS) szolgáltatásrakülön kell specifikálni: • Késleltetés • Bithiba arány • Adatsebesség Tendencia: Szolgáltatások csomagkapcsolt hordozón történő megvalósítása az áramkörkapcsolt megoldás helyett 4 QoS(Quality of Service) osztály • Legfőbb faktor: mennyire érzékeny a szolgáltatás a késleltetésekre

22. Felhasználói készülék(UserEquipment) Mobil készülék (ME:Mobile Equipment) • rádióterminál,amely többfajta információ (beszéd, audio, video, internet, stb.) kezelésére alkalmas USIM (UMTS SIM) • GSM SIM kártyával hasonló funkciók, új jellemzőkkel kiegészítve UMTS Előfizetői Azonosító Modul USIM ME Mobil készülék UE

23. Cellák és adatsebesség HSDPA(Release 5-től)HighSpeedDownlinkPacket Access: >10Mbit/s

24. GSMhálózat (2.5 generáció) BTS MS Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez BSC GMSC MSC/VLR PLMN, ISDN PCU BTS HLR EIR AUC GGSN SGSN Internet PCU Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez MS= ME+SIM GERAN Maghálózat (CN:Core Network) Külső hálózatok MS: Mobile StationBTS: BaseTransceiverStationBSC: BaseStationControllerPCU: PacketContol Unit MSC: Mobile Switching (Serving) Center GMSC: Gateway MSC VLR:VisitorLocationRegisterHLR: Home LocationRegisterAUC:Authentication Center SGSN: Serving GPRS Support NodeGGSN:Serving GPRS Support Node EIR: EquipmentIdentiyRegister

25. UMTS hálózat (Release 99-kezdeti állapot) Node B UE Áramkörkapcsolt (CS) összekötetéshez RNC GMSC MSC/VLR PLMN, ISDN Node B HLR EIR AUC GGSN SGSN Internet Csomagkapcsolt (PS) összeköttetéshez UE UTRAN Maghálózat (CN:Core Network) Külső hálózatok UE:UserEquipmentUTRAN: UMTS TerrestrialRadio Access Network Node B: B(ázis) csomópont, bázisállomásRNC: Radio Network Controller

26. UMTS maghálózat fejlődése (Release 4-) MGW: Media Gateway (Média átjáró) HSS: Home Subscriber Server(Honos előfizetői szerver) MRF: Media Resource Function (Média erőforrás funkció) CSCF: Call Session Control Function (Hívás felépítés vezérlés funkció) MGCF: Media Gateway Control Function (Média átjáró vezérlés funkció) IMS: IP Multimedia Subsystem (IP multimédia alrendszer) GMSC helyett MSC helyett GERAN GMSCserver MSCserver Adat & vezérlés Vezérlés EIR PSTN CS MGW MGW UTRAN HSS HLR helyett AUC GGSN PS SGSN IP hálózat IMS MGW MGCF MRF CSCF IMS

27. Az UTRAN elemei Node B • Bázisállomás, amely megvalósítja a rádiós interfész fizikai rétegét: csatornakódolásés interleaving, spektrum kiterjesztés/szűkítés (spreading/despreading)moduláció/demoduláció, sebességillesztés, mérések, stb.) • Megvalósít néhány rádió erőforrás menedzsmentfunkciót is:pl. finomabb (softer) handover vagy zárthurkú(close loop)teljesítményszabályozás RNC (Radio Network Controller) • Rádiós-hálózat vezérlő, amely az UMTS rádiós interfész és a maghálózat közötti kapcsolatot biztosítja • Vezérli a rádiós erőforrások felhasználását (RRM-RadioResource Management), a teljesítményszabályozást • Kezeli a protokoll illesztéseket a következő interfészeken: UE-RNC, RNC-RNC or RNC-MSC/SGSN • Load Management, AdmissionControl

28. Új hálózati elemek az UMTS-ben CBC:információ küldés a cellában tartózkodó minden UE felé (például városnév küldése a készülékre) SMLC : aktuális tartózkodási helytől függő szolgáltatások (LocationBaseServices) vezérléséhez Iu-BC Cell Broadcast Centre (CBC) RNC Iu-PC Serving Mobile Location Centre(SMLC)

29. Új hálózati elemek a maghálózatban MSC, GMSC szerverek • Jelzésfunkciók vezérlése • Az előfizetői adat az MGW-n megy keresztül • Egy MSC, GMCS szerverszámos MGW-t vezérel • Amikor növekszik az adatforgalom, csak egyel növelni kell az MGW-kszámát MGW (Media Gateway) Multimédiás áramkörkapcsoltmegoldások átjárója HSS (Home Subsciber Server) • HLR helyettlesz (mobilitás kezelés, felhasználói biztonsági funkciók, elérés hitelesítés, stb.) MRF (Media ResourceFunction) • Multimediáserőforrások vezérlése CSCF (Call Session Control Function) • Multimédiáskapcsolatok felépítése és kezelése MGCF • Az ISUP és IM alrendszerek hívásjelzés protokollok illesztését kezeli • IP szolgáltatások és UMTS áramkörtkapcsolt hálózati részjelzésszintű összekapcsolása

30. Radióserőforráskezelés(RadioRecourceManagement) RRM feladatok • Rádióserőforrások hatékony kezelése • GarantáltQoS értékek a felhasználók számára • Előre tervezett lefedettség biztosítása • Kapacitás optimalizálás RRM vezérlési folyamatok • Teljesítmény szabályozás(Powercontrol) • Handover • Beléptetés vezérlés (Admission control) • Terhelés vezérlés(Loadcontrol)

31. Szektor antennák Dönthető antennák GSM szektorsugárzók

32. Omniantennák Toronyra szerelt omni antenna „Kézi” omni antenna

33. Mikrohullámú antennák Mikrohullámú antennák: kapcsolat a hálózat felé (pár tíz GHz, Mo-on 40 GHz-ig)

34. 3G/4G antennák Több szektorantenna egy irányban MIMO antennák (LTE)

35. Beltéri antennák

36. C - csatorna átviteli kapacitás [bit/s] B - csatornasávszélesség [Hz] S - jelteljesítmény [W] N - zajteljesítmény [W] (Interferencia jelek okozzák) Ha azonos jel/zaj viszony fenntartásával növelni akarjuk a csatorna átviteli kapacitását (sebességét) meg kell növelni a csatorna sávszélességét. 2. Ha a csatornát zavaró interferencia túl nagy (csökken S/N értéke), változatlan sávszélesség mellett csökken a csatorna kapacitása. Csatornakapacitás Hartlay-Shannon törvény:

37. Teljesítmény szabályozás szükségessége A CDMA-t alkalmazó rendszereknél: Ha az aktív UE-k számaaz interferencia szintje a rendszerben • Minden UE interferenciát okoz: • Minden másik UE-nek a cellában • Minden másik UE-nek a környező cellákban Ha  UE kimeneti teljesítményea sávban az interferencia(=  a rendszer kapacitása)

38. Teljesítmény szabályozás(közel-távol probléma) Teljesítmény szabályozás minimalizálni kell azinterferenciáthogy a kapacitást növelni lehessen • A pontosés gyorsteljesítményszabályozás a CDMA rendszerek használhatóságának legfontosabbtényezője • A túl nagy teljesítménnyel adó UE blokkolhatja a cella forgalmának nagy részét. Node B UE2 UE1 Közel-távol(near-far) probléma

39. Teljesítmény szabályozás típusai UMTS-ben alkalmazottháromféle teljesítmény-szabályozásmegoldás: • Nyílthurkú (open-loop) • Gyors, zárthurkú (fast closed-loop) • Külsőhurkú zárt (outer loop)

40. Nyílthurkú teljesítmény szabályozás (open-loop) UE „durva” kezdeti teljesítmény beállításaa cellában (uplink) A beállítás „pontatlan”: tolerancia ± 9-12 dB (pathloss, lassú fading) • Nagy az FDD frekvenciák különbsége, nincs kolleráció a gyors fadingek esetén. Nem használható. Downlink vételi teljesítmény mérés (BCH) UE Node B Tx teljesítmény

41. Gyors, zárthurkú teljesítmény szabályozás (closed-loop) Uplink irányban • Node B méri a vett SIR értéket (Signal to Interference Ratio) • HaSIRmért> SIRcélakkora Node B utasítja UE-t teljesítménytHaSIRmért < SIRcélakkora Node B utasítja UE-tteljesítményt • Szabályozás sebessége = 1500/s minden UE esetében (1dB) • A GSM-benlassú szabályozás van (2 Hz) • A mechanizmus gyorsabban működik minthogy lényeges pathloss következne be • Ha egy UE túl nagy teljesítménnyel ad, túl nagy interferenciát okoz a többi UE számára Downlink irányban • Nincs közel-távolprobléma(Node B többUE felé) • A Node B a cella határán lévő UE-khez igazítja a teljesítményt Tx telj.  Tx telj. Node B UE1 UE2

42. Külsőhurkú teljesítmény szabályozás (outerloop) SIRcél(SIRtarget) a szükséges BER szerint van meghatározva SIRcél.~ UE sebessége, mert változik a BER.  SIRcélértékét az UE sebességétől függően kell változtatni Külsőhurkú szabályozás • SIRcélértéke változik a Node B-ben,hogy a BER-t konstans szinten lehessen tartani FER SIRcél Node B(Zárthurkú szabályozás) UE RNC(Külsőhurkú szabályozás) SIRcél Idő

43. Handover Csatornaváltás vagy cellaváltás kapcsolat közben Típusok • Durva (hard) handover Frekvenciák közötti: a WCDMA vivőfrekvenciák közötti handover (egy cellában több vivő is van) Rendszerek közötti:UMTS frekvenciasávok között, vagyUMTS és más rendszer között (pl. UMTS-GSM között) • Finom (soft) handover: Két Node B szektor között • Finomabb (softer) handover: Egy Node B két szektora között

44. Durva (hard) handover MS csak egy BTS-el van kapcsolatban egyidőben MS hirtelen vált át az egyik csatornáról a másikra, átváltás közben rövid időre nincs kapcsolat BTS 2 BTS 2 BTS 1 BTS 1 GSM (f2,TS3) (f1,TS5) MSa MSa UMTS UMTS f1 f1 f2 f2 GSM

45. Finom (soft) handover elve CDMA rendszerekben alkalmazzák Finom handover • Egy UE kettő, vagy annál több Node B-velkommunikál parallel • UE már a Node B2-vel kommunikál,miközben a Node B1-el is kapcsolatban marad • „Láthatatlan” (seamless) átmenet a cellák között Több szimultán kapcsolata bázisállomásokkal→ Makro-diverzitás Node B2 Node B2 Node B1 Node B1 Node B3 UEa Node B2 Node B1 UEa 1 2 UEa

46. Finom handover jellemzői UE két Node B-hez tartozó szektor határán tartózkodik UE-Node B kommunikáció két rádiócsatornán zajlik • A jelek kombinációját (uplink irányban) az RNC végzi • Többutasvétel problémája – Rake feldolgozás Kétteljesítmény szabályozási hurok aktív RNC Node B1 Node B2 Szektor 1 Szektor 2 UEa

47. Finomabb(softer) handover UE egy Node B két szektorának határán tartózkodik • UE-Node B két rádiócsatornán kommunikál • A jelek kombinációját (uplink) a Node B végzi • Többutasvétel– Rake feldolgozás Egy teljesítményszabályozás hurok aktív RNC Node B Sector 1 UEa Sector 2

48. Handover áttekintés

49. Kiterjesztett spektrumú technikák Frekvencia ugrálás (FrequencyHopping) GSM (lassú), Bluetooth (gyors) Direkt szekvenciás kiterjesztés (DirectSequence) • - Egyszerű implementáció→ elterjedt használat (nem szükséges nagysebességű frekvencia szintézer) • - A rendelkezésre álló frekvenciasávot folyamatosan kihasználja • - cdma2000, WCDMA Időugrálás (TimeHopping) Katonai alkalmazások Többvivős CDMA (Multi Carrier CDMA)

50. Kiterjesztés (spreading) – egy információs biteta kiterjesztő sorozat n bitjének feleltetünk meg Kiterjesztő sorozat bitjei = chip-ek Chipek száma/információs bit = Kiterjesztési Factor/SpreadingFactor (pl. SF= 4, 8, 16, …512) A jel kiterjesztésének elve XOR logikai funkció és and analógmegfelelője XOR Információs bitek Kiterjesztett információ 10 kb/s 100 kbps 100 kb/s (or kchip) Kiterjesztő sorozat