HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA

Esitys aiheesta: "HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA"— Esityksen transkriptio:

1 HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA

2 Hajaspektritietoliikenne ja CDMA-tekniikka
Huom. Tässä osassa esiintyvät kalvot eivät kuulu kurssivaatimuksiin, vaan hajaspektritekniikkaan ja CDMA-tekniikkaan liittyvät asiat myöhemmän vaiheen langattoman tietoliikenteen kursseilla (esim A laajakaistaiset tietoliikennejärjestelmät). Alkuosan kalvot sen sijaan kuuluvat kurssivaatimuksiin. Esitettyjä asioita kalvoilla kannattaa kuitenkin silmäillä yleissivistyksen vuoksi, varsinkin jos et myöhemmin aio DI-opinnoissa erikoistua tietoliikennetekniikkaan, mutta haluat kuitenkin olla tietoinen mihin perustekniikkaan merkittävä osa nykyisistä langattomista digitaalisista siirto- ja paikannusjärjestelmistä perustuu (CDMA 2000, WCDMA/UMTS, 4 G LTE-tekniikkat, HSPA, WLAN, Bluetooth, GPS, useimmat sotilasjärjestelmät, jne.).

3 Hajaspektritietoliikenne ja CDMA-tekniikka
Näistä on kyse SS- ja CDMA tekniikoissa

4 Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS)
Tarkoittaa toista modulointiastetta digitaalisen informaation kapeakaistamoduloinnin jäljeen. Modulointi suoritetaan informaatiosta riippumattomalla valesatunnaisella hajotuskoodilla. Lähetetyn signaalin kaistanleveys kasvaa esim kertaiseksi. Vastaanottimessa suoritettavaa synkronoidulla koodilla korrelointia (demodulaatiota) kutsutaan spektrin kavennukseksi (despreading). Ilmaisuvahvistus (processing gain) on lähetetyn signaalin ja informaatiosignaalin vaatimien kaistanleveyksien suhde. Häiriön vaikutus vaimenee ilmaistaessa ilmaisuvahvistuksen verran. Hajaspektritekniikan etuja: salaus, tahallisen häirinnän vaimennus, lähete voidaan kätkeä taustakohinan alle, CDMA-monikäyttö (kaikki käyttäjät käyttävät samaa keskitaajuutta ja kaistaa), signaalin suuresta aikaresoluutiosta johtuva etäisyydenmittausmahdollisuus (esim. GPS, GLONASS) ja monitie-edenneiden signaalien erottelu (viivästyneet signaalit eivät korreloi merkittävästi suoraan edenneen kanssa  ISI:n vaimennus monitietilanteessa) .

5 Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS)
Informaation spektri Häiriön Tämä osa häiriöstä pääsee läpi BPF:stä B A Modulaattori Hajotusmodulaattori info RB bit/s kantoaalto fc Hz valesatunnainen koodi RC chip/s Hajotusdemodulaattori (spektrin kavennus) Demodulaattori tahallinen häirintä häiriökantoaallot muut CDMA-käyttäjät ilmaisuvahvistus = RC/RB tyypillisesti Häiriön spektri (suurin osa häiriötehosta BPF-suodattuu pois)

6 Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS)
Spektrin kavennuksessa informaation kaistanleveys palautuu hajotusta edeltäneelle tasolle ja levinneestä häiriön tehosta vain ilmaisuvahvistuksen määräämä osa osuu BPF:n IF-kaistalle.

7 Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS)
Perusidea on siinä, että moduloitu informaatio tulee kerrottua kaksi kertaa koodilla (poistaa koodin vaikutuksen), mutta häiriö vain kerran (häiriö jää levinneeseen muotoon).

8 Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS)
Signaali voidaan kätkeä kohinan alle, eli liikennöinti voidaan periaatteessa salata (tosin on olemassa ns. intercept -menetelmiä, joilla signaali voidaan havaita kohinan alta).

9 Implementation Techniques of a SS System
are classified based on how pseudonoise or pseudorandom code sequence affects on a narrowband-modulated information signal: Direct-sequence (DS)  multiply with a PN code Frequency-hopping (FH)  choose center frequency within a hopping band, hopping guided with a PN code, FH types: slow hopping, fast hopping (data bit spread over several consecutive hops) Time-hopping (TH)  choose transmit time instant within a known time-frame Hybrid systems: DS-FH, DS-TH, FH-TH, DS-FH-TH

10 Direct-Sequence SS System
BPSK modulations BPSK demodulation Spectrum despreading Synchronized with trans. code generator

11 SS applications Jamming resistant military systems in air, space, land, and sea Global position system with satellites (GPS, GLONASS)  DS Laptop’s WLAN (i.e. IEEE standard)  DS & FH Blutooth hands free connection in your mobile phone  FH 2nd generation CDMA 2000 (e.g. USA, South Korea) 3rd generation UMTS-WCDMA system  DS DS-CDMA analogies: key & lock, hand & glove FH-CDMA analogy: synchronized player pianos

12 SUORAHAJOTUSTEKNIIKKA — DIRECT SEQUENCE (DS–SS) (S)

13 Suorahajotustekniikka DS-SS (S)
Datamodulaatiomenetelmä voi olla mikä tahansa menetelmä, esimerkiksi: BPSK, QPSK ja MSK Valesatunnaisen (pseudonoise, PN, pseudorandom) koodin bittejä kutsutaan chipeiksi, erotukseksi normaaleista informaatiobiteistä . Koodin nopeus on chippinopeus. DS-SS-järjestelmän PE suorituskyky AWGN-kanavassa on identtinen hajottamattoman järjestelmän kanssa, eikä menetelmän käyttö siten tuo AWGN-tapauksessa mitään suorituskykyetua. DS-SS parantaa suorituskykyä vain muun tyyppisten häiriöiden (joko tahallisia tai tahattomia) vaikuttaessa (esim. CW-, osakaista, sulku-, yms. häirinnät). DS-SS tekniikkaa sovelletaan mm. eräissa standardiperheen mukaisissa WLAN –laitteissa. Kun WLAN on tarkoitettu yleisön Internet-yhteyksiä varten, siitä käytetään myös kaupallista nimitystä WiFi (Wireless Fidelity, myös Wi-fi, WiFi, Wifi tai wifi). Wi-Fi on myös Wi-Fi Alliancen tavaramerkki, jota jäsenet käyttävät määritellyn laatutason symbolina. Wi-Fi Zone -logolla merkityssä paikassa on tällainen internet-palvelu, maksullisena tai maksutta. (Lähde: Wikipedia)

14 Suorahajotustekniikka DS-SS (S)
Koodin etsintäsynkronointi (alla), acquisition, hakee oikean vaiheen yhden chipin epävarmuudella. Koodin seurantasynkronointi, tracking, pitää vaiheen PLL-tyyppisesti kohdallaan chipin sisällä. Koodisynkronointi on SS-tekniikan oleellinen toteutusongelma.

15 CW-kantoaaltohäirinnän vaikutus DS-SS-järjestelmään (S)
Ilmaisuvahvistus Gp vaimentaa tehokkaasti CW-häiriön vaikutusta. Mitä suurempi on hajotussuhde Gp = Tb/Tc, sitä parempi on suorituskyky. Kuvassa hajotussuhde Gp on 1000 (30 dB). JSR = PI/Ps on häiriö- ja signaalitehojen suhde.

16 CW-kantoaaltohäirinnän vaikutus DS-SS-järjestelmään (S)
Kuvasta nähdään ilmaisuvahvistuksen (kaistanleveyden) kasvattamisen vaikutus.

17 TAAJUUSHYPPYTEKNIIKKA — FH–SS (S)

18 The Godmother of Spread Spectrum: Hedy Lamarr (Hedy Kiesler Markey, Nov. 9, 1913 – Jan 19, 2000) (S)
She was granted US Patent #2,292,387 on 11th August 1942 with co-inventor George Antheil for a "Secret Communication System". (cf. 88 row perforations on a paper for keys of a player piano)

19 Taajuushyppytekniikka FH-SS (S)
Monisymbolinen PN-koodi ohjaa syntetisaattorin keskitaajuutta. Vastaanottimen syntetisaattori hyppii synkronoidusti. Syntetisaattorin koherenttiusongelmien vuoksi datamodulaationa yleensä epäkoherentti MFSK tai DPSK. FH-tekniikalla voidaan väistää häirintää & häiriöitä. Mitä nopeammin hyppykaistalta hypätään uudelle taajuudelle, sitä vaikeampi häiritsijän on seurata perässä (sen ainoaksi keinoksi jää häiritä monta eri taajuutta, mikä ei ole järkevää häirintäresurssien käyttöä).

20 Taajuushyppytekniikka FH-SS (S)
FH-SS tekniikkaa sovelletaan mm. eräissa standardiperheen mukaisissa WLAN-laitteissa. Myös Bluetooth käyttää FH-SS.

21 Taajuushyppytekniikka FH-SS (S)
FH-tekniikassa häirinnän osumia vaimennetaan tehokkaalla virheen korjaavalla koodauksella. Sama pätee myös FH-CDMA-tekniikkaan. FH-CDMA-tekniikan koodit valitaan siten, että ne tuottavan pienimmän mahdollisen määrän taajuusosumia asynkronisessa tapauksessa.

22 CDMA-TEKNIIKKA (S)

23 Radiotaajuusresurssin monikäyttömenetelmät (S)
FDMA ─ Frequency Division Multiple Access Kukin lähetin käyttää omaa kapeaa radiokanavaansa koko ajan. Esim. 1. generaation järjestelmät (NMT 450, NMT 900, AMPS) TDMA ─ Time Division Multiple Access Kukin lähetin lähettää sille allokoidussa aikavälissä leveällä kaistalla. Esim. 2. generaation järjestelmät (GSM, DAMPS) CDMA ─ Code Division Multiple Access Jokainen lähetin käyttää samaa keskitaajuutta ja samaa leveää kaistaa koko ajan. Käyttäjien erotus suoritetaan ortogonaalisten (ts. pienen ristikorrelaation omaavien) valesatunnaisten hajotuskoodien avulla. Toteutus joko DS−CDMA tai FH−CDMA-tekniikalla. Esim. 2. generaation IS−95 järjestelmä USA:ssa, 3. generaation WCDMA/UMTS-järjestelmät Euroopassa ja Japanissa. SDMA ─ Space Division Multiple Access Toteutetaan ohjatuilla (signaalinkäsittelyalgoritmi) vaiheistetuilla antenniryhmillä (smart antennas), jolloin saman keskitaajuuden käyttäjät voidaan erottaa tilassa toisistaan, ja jopa seurata niitä. Käytetty aiemmin geostationäärisessä satelliittitietoliikenteessä.

24 Radiotaajuusresurssin monikäyttömenetelmät (S)

25 Radiotaajuusresurssin monikäyttömenetelmät ▬ SDMA (S)

26 CDMA-tekniikka (S) DS-SS ja FH-SS mahdollistavat CDMA-menetelmän toteuttamisen. DS–CDMA:ssa kaikki käyttäjät käyttävät (esim. tukiasemasolun sisällä) samaa kantoaaltotaajuutta ja kaistanleveyttä. Muut käyttäjät näkyvät DS-CDMA:ssa summautuvana AWGN-kohinan kaltaisena interferenssinä, eli lisääntyneenä kohinana. Samanaikaisten käyttäjien lukumäärän kasvu näkyy monikäyttö-interferenssin (multiple-access interference, MAI) määrän kasvuna.

27 CDMA-tekniikka (S) DS–CDMA-järjestelmässä käyttäjien erottaminen suoritetaan lähes ortogonaalisten, vähän keskenään korreloivien hajotuskoodien avulla. Kanavointiin käytettävät koodit ovat käyttäjien osoitteita tukiasemasolun alueella. CDMA-järjestelmä voi olla asynkroninen tai synkroninen (onnistuu vain downlink-suunnassa).

28 DS–CDMA-periaate (S) Toisin kuin esim. TDMA-tekniikassa, interferenssin summautumisen vuoksi DS-CDMA-järjestelmällä on ns. pehmeä kapasiteettiraja. Korrelaatiovastaanotin laskee ristikorrelaatiofunktiot koodien välillä (niiden summa muodostaa MAI:n) ja autokorrelaatiofunktion ilmaistavalle signaalille. Korrelaatio- tai MF-vastaanotin siis ilmaisee autokorrelaatiofunktion pääkeilan arvon, joka vastaa MF-periaatteen mukaisesti maksimoituvaa ilmaisimen SNR-arvoa 2Eb/N0. Halutun käyttäjän ilmaiseminen edellyttää sitä vastaavan koodin tuntemista ja sen synkronointia. Koodaus tuo mukanaan pienen lisäsalauksen kuten myös uuden synkronointitehtävän. CDMA-linkissä (UMTS/WCDMA, IS-95) on yleensä useampia DS-hajotuskoodeja hieman eri tehtäviin: tukiasemien ja solun sektorien erottelu, pilottikoodi, käyttäjien erottelu/salaus solun sisällä). Uplink ja downlink -suunnissa käytetään erilaista koodausta.

29 DS–CDMA-periaate (S) DS-CDMA-järjestelmän monikäyttöinterferenssiä voidaan mallintaa summautuvana Gaussin kohinana keskeisen raja-arvolauseen mukaisesti, kun koodit ovat riittävän pitkiä (esim. N ≥ 31 chippiä) ja samanaikaisten käyttäjien lukumäärä on riittävän suuri (esim. K ≥ 10). Kanavan AWGN-kohinan ja monikäyttöinterferenssin avulla voidaan esittää BPSK-modulaation korrelaationvastaanottimen tai MF:n suorituskyvylle paljon käytetty approksimaatio: Nähdään, että yhden käyttäjän tapauksessa (K = 1) suorituskyky on sama kuin BPSK-modulaatiolla AWGN-kanavassa (N = koodin pituus).

30 Suorituskyky vs. samanaikaisten DS-käyttäjien määrä (S)

31 DS–CDMA-periaate (S) DS-CDMA-järjestelmän suuri ongelma synkronointivaatimuksen lisäksi on vastaanotettujen signaalitehojen epäbalanssista johtuva ns. lähi-kauko-ongelma (near-far problem). Siinä vastaanotettujen heikkojen signaalien (esim. solun reunalta tulevat) ilmaisemista haittaavat aivan läheltä tulevat voimakkaat signaalit (esim. aivan tukiaseman vierestä). Käytännössä DS-CDMA-järjestelmä tarvitsee nousulinkillä (uplink) kännykältä tukiasemalle -yhteydellä takaisinkytketyn tehonsäätöjärjestelmän tehojen balansoimiseksi koko solun alueella tukiaseman kannalta katsottuna. Laskulinkillä (downlink) tukiasemalta käyttäjälle yhteydellä tehojen epäbalanssiongelmaa ei synny, koska tukiasemalta lähtevät käyttäjille tulevat signaalit ovat kokeneet saman suuruisen vaimentumisen. Tuolloin vain naapurisolujen liikennöinti häiritsee. Tarvitaan siis tehon mittausta ja mittaustiedon nopeaa välittämistä, koska tilanne elää koko ajan dynaamisesti.

32 FH–CDMA-periaate (S) FH-CDMA-järjestelmässä lähikauko-ongelma ei ole merkityksellinen, koska pääasiallisin häiriö syntyy päällekkäisten hyppytaajuksien kautta (tietenkin heikompitehoinen ”taajuusosuma” häiritsee vähemmän). FH-koodit puolestaan pyrkivät minimoimaan päällekkäisten taajuushyppyjen todennäköisyyden asynkronisessa FH-CDMA-järjestelmässä. Taajuusosumat (”taajuushitit”) korjataan virheenkorjaavalla koodauksella, kuten tahallisen häirinnänkin tapauksessa. UMTS 3G-järjestelmä perustuu ns. wideband DS-CDMA-tekniikkaan (WCDMA). Myös USA:n 2G-standardi IS-95 perustuu DS-CDMA-periaatteeseen. FH-CDMA-tekniikkaa ei ole käytössä matkapuhelinjärjestelmissä. Niitä esiintyy lähinnä sotilastietoliikennejärjestelmissä. Sotilasjärjestelmät yleensä hybridijärjestelmiä (esim. DS-FH tai DS-FH-TH) hyvän häirinnänsiedon vuoksi.

33 IEEE 802.11 -standardiperhe (S)
WLAN-järjestelmät (kaupallinen nimi WiFi) käyttävät häiriöisiä ja siksi lisenssivapaita ISM-taajuuskaistoja 2,4 GHz ja 5 GHz -alueilla. ─ 2,4 GHz-alueella, 1 Mbit/s tai 2 Mbit/s, käyttää FH-SS, DS-SS tai IR (infrared) -tekniikkaa. 802.11a ─ 5 GHz-alueella, Mbit/s, käyttää OFDM-tekniikkaa. 802.11b (kutsutaan myös High Rate tai Wi-Fi) ─ 2,4 GHz-alueella, 11 Mbit/s (voidaan tiputtaa 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s ja 1 Mbit/s), käyttää pelkästään DS-SS-tekniikkaa (CCK, Complement Code Keying). 802.11g ─ 2,4 GHz-alueella, Mbit/s lyhyillä etäisyyksillä, käyttää CCK-OFDM-tekniikkaa. Risteytys a ja b –standardeista. 802.11n & tulevat ─ aiempien standardien laajennuksia, lisätty moniantennista MIMO-tekniikkaa (multiple-input multiple-output), Mbit/s. Kts. IEEE standardeista lisää: