Κινητές Επικοινωνίες

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα 5: Κυψελωτά Δίκτυα (2,5G) GPRS & (3G) WCDMA-UMTS Σαββαΐδης Στυλιανός Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Σκοποί ενότητας Κυψελωτά Δίκτυα (2,5G) GPRS & (3G) WCDMA- UMTS 4

Περιεχόμενα ενότητας GPRS Δίκτυα Αρχιτεκτονική GPRS Δικτύων Ασύρματο Interface στα GPRS Δικτύων Κωδικοποίηση & Επιδώσεις στα GPRS Δίκτυα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα Πολλαπλή Πρόσβαση στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα Παράδειγμα Πολλαπλής Πρόσβασης στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα Αρχιτεκτονική 3G WCDMA-UMTS Δικτύων Το Ασύρματο Interface U u στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων OVSF Kωδικοί στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων 5

Κυψελωτά Δίκτυα (2,5G) GPRS & (3G) WCDMA-UMTS

GPRS Δίκτυα Οι τεχνικές καινοτομίες που εισάγει το GPRS αλλά και όλα τα δίκτυα νέας γενιάς αφορούν κυρίως δύο ζητήματα: Την εισαγωγή της τεχνικής μεταγωγής πακέτου (packet switched) στο εσωτερικό του δικτύου, έτσι ώστε να είναι δυνατή η μετάδοση δεδομένων με υψηλότερους ρυθμούς, χωρίς τη σπατάλη πόρων που απορρέει από την στατική δέσμευση των καναλιών για ένα χρήστη. Την εισαγωγή νέων τεχνικών στο ασύρματο interface, που να κατατείνουν σε ένα ασύρματο κανάλι, το οποίο δεν θα ακυρώνει τις αλλαγές στο εσωτερικό του δικτύου με τη δημιουργία ενός μποτιλιαρίσματος στο σημείο πρόσβασης των χρηστών. GPRS Δίκτυα 7

Αρχιτεκτονική GPRS Δικτύων-1/2 Αρχιτεκτονική GPRS Δικτύων 8

Αρχιτεκτονική GPRS Δικτύων Η αρχιτεκτονική του δικτύου GPRS διατηρεί την δομή του GSM με μια αναβάθμιση στο software των υπαρχόντων τηλεπικοινωνιακών κόμβων, ενώ παράλληλα εισάγει δύο νέους κόμβους που ονομάζονται GPRS Support Nodes (GSN). Οι κόμβοι αυτοί λειτουργούν σαν δρομολογητές (routers) πακέτων δεδομένων και εισάγουν τη λογική της μεταγωγής πακέτου στο δίκτυο.οι GSN κόμβοι διακρίνονται σε δύο τύπους: τον Gateway GPRS Support Node (GGSN) που λειτουργεί σαν interface μεταξύ του GPRS δικτύου και των εξωτερικών δικτύων δεδομένων π.χ. internet, intranet κλπ. O GGSN συνδέεται με τα εξωτερικά δίκτυα μέσω του G i interface και μέσω ενός IP δικτύου με τον SGSN (G n interface). τον Serving GPRS Support Node o οποίος λειτουργεί σαν ένα MSC για τους χρήστες που στέλνουν και λαμβάνουν πακέτα δεδομένων. Υπό αυτή την έννοια έχει πρόσβαση στις διευθύνσεις των χρηστών μέσω της HLR και του λεγόμενου GPRS Register (GR), παρακολουθεί την κίνηση τους, καταγραφεί στατιστικά στοιχεία για την χρέωση τους και ελέγχει την νομιμότητα πρόσβασης στο δίκτυο. 9

Ασύρματο Interface στα GPRS Δικτύων Το U m interface διατηρεί την TDMA δομή των καναλιών προσφέροντας 8 κανάλια/χρονοθυρίδες ανά πλαίσιο. Η νέου τύπου διαχείριση, που επιβάλλει το GPRS, συνίσταται στην δυνατότητα ανάθεσης από 1 έως και 8 καναλιών ανά πλαίσιο σε όλους τους ενεργούς GPRS χρήστες. Η ανάθεση μπορεί να είναι στατική δηλ. προαποφασισμένη από τους τεχνικούς του δικτύου ή δυναμική δηλ. ανάλογα με την ζήτηση. Επίσης, σε αντίθεση με τη λογική μεταγωγής κυκλώματος, που υιοθετεί το GSM, στην περίπτωση του GPRS τα κανάλια δεν δεσμεύονται από κάποιον χρήστη αλλά αντίθετα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από όλους τους χρήστες. Η λογική της από κοινού χρήσης των καναλιών ανάλογα με τον όγκο των δεδομένων που μεταφέρει ο κάθε χρήστης εισάγει κατά κάποιο τρόπο τη λογική μεταγωγής πακέτου και στο ασύρματο interface. Οι επιδόσεις που μπορούν να επιτευχθούν εξαρτώνται από το σχήμα κωδικοποίησης της πληροφορίας και τον αριθμό των χρονοθυρίδων που 10 διατίθενται.

Κωδικοποίηση & Επιδώσεις στα GPRS Δίκτυα Coding scheme 1 slot 2 slots 3 slots 4 slots 5 slots 6 slots 7 slots 8 slots CS-1 9.05 18.2 27.15 36.2 45.25 54.3 63.35 72.4 CS-2 13.4 26.8 40.2 53.6 67 80.4 93.8 107.2 CS-3 15.6 31.2 46.8 62.4 78 93.6 109.2 124.8 CS-4 21.4 42.8 64.2 85.6 107 128.4 149.8 171.2 Πίνακας κωδικοποίησης 11

3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-1/2 Η περιορισμένης έκτασης αναδιάρθρωση του ασύρματου interface αποτελεί και το ουσιαστικό όριο του GPRS εν σχέση με την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης. Αυτόν τον φραγμό αίρουν τα 3ης γενιάς δίκτυα UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Η τεχνική καινοτομία που εισάγεται στα δίκτυα UMTS εντοπίζεται κυρίων στην υιοθέτηση ενός ασύρματου καναλιού μεγάλου εύρους (5 ΜΗz), το οποίο μπορεί να υποστηρίξει τη μεταφορά δεδομένων για μια μεγάλη γκάμα υπηρεσιών π.χ. φωνή, internet, video, μεταφορά αρχείων και email. μιας εναλλακτικής τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης, η οποία βασίζεται στην χρήση σχεδόν ορθογώνιων κωδίκων για τους διαφορετικούς χρήστες και τις παράλληλες υπηρεσίες που αυτοί χρησιμοποιούν. 12

3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-2/2 Η αρχική προσπάθεια για την διατύπωση ενός παγκόσμιου πρότυπου για τα δίκτυα 3ης γενιάς απέτυχε και μοιραία αυτή τη στιγμή υπάρχουν παραπάνω από μια παραλλαγές. Στα πλαίσια του μαθήματος θα εξεταστεί αυτή η οποία έχει επιλεγεί από τη Ευρωπαϊκή επιτροπή προτυποποίησης ΕΤSI. Συγκεκριμένα η ETSI επέλεξε δύο εκδοχές: α) την Wideband CDMA-FDD (WCDMA-FDD) που χρησιμοποιεί δύο κανάλια των 5 MHz προκειμένου να υλοποιήσει συνδέσεις αμφίδρομης επικοινωνίας (FDD για την uplink/downlink κατευθύνσεις) β) Time Division WCDMA (TD-WCDMA) που χρησιμοποιεί διαφορετικό αριθμό χρονοθυρίδων ανά κατεύθυνση (uplink/downlink). 13

Πολλαπλή Πρόσβαση στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-1/2 Η πολλαπλή πρόσβαση κώδικα (CDMA) διακρίνει τα διαφορετικά φυσικά κανάλια ή/και τους διαφορετικούς χρήστες στο πεδίο των κωδίκων δηλ. η πληροφορία του κάθε χρήστη κωδικοποιείται με διαφορετικούς κώδικες που είναι (σχεδόν) ορθογώνιοι μεταξύ τους. Η ατελής ορθογωνιότητα μεταξύ των διαφορετικών κωδικών σημαίνει ότι η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης (autocorrelation) τους είναι υψηλή ενώ η συνάρτηση διασυσχέτισης (cross-correlation) λαμβάνει χαμηλές ή σχεδόν μηδενικές τιμές. Η ανεξαρτησία των κωδίκων και της κωδικοποιημένης πληροφορίας επιτρέπει στον δέκτη να μπορεί να διακρίνει τον κάθε χρήστη εφαρμόζοντας τον κωδικό του χρήστη έστω και αν πολλοί διαφορετικοί χρήστες εκπέμπουν ταυτόχρονα στις ίδιες συχνότητες. 14

Πολλαπλή Πρόσβαση στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-2/2 Στην πράξη οι κώδικες που χρησιμοποιούνται στο UMTS είναι σχεδόν ορθογώνιοι και από αυτή την άποψη η διάκριση των χρηστών είναι ατελής. Στο δέκτη λαμβάνεται μια υπέρθεση σημάτων από τα οποία εξάγεται το επιθυμητό, μέσα από μια διαδικασία συσχέτισης με τους αντίστοιχους κώδικες. Το αποτέλεσμα αυτό οδηγεί στην εξαγωγή του επιθυμητού σήματος σε μια υψηλή στάθμη έναντι των υπολοίπων, τα οποία χαρακτηρίζονται σαν χαμηλής στάθμης παρεμβολή. Υπό αυτή την έννοια ένας μεγάλος αριθμός χρηστών ή η εκπομπή σε ανεξέλεγκτα επίπεδα ισχύος λειτουργεί σαν μια αυξανόμενη πηγή παρεμβολών προς τον κάθε μεμονωμένο χρήστη. Η αύξηση των παρεμβολών επιδεινώνει την ποιότητα της επικοινωνία και από αυτή την άποψη ερμηνεύεται: α) ο κρίσιμος ρόλος των διαδικασιών ελέγχου της εκπεμπόμενης ισχύος σε αυτά τα δίκτυα καθώς και β) τα ανώτατα όρια στην χωρητικότητα του συστήματος, που ουσιαστικά καθορίζονται από το ύψος των παρεμβολών και το λόγο SIR (Signal to Interference Ratio) που αντιλαμβάνεται ο κάθε χρήστης. 15

Παράδειγμα Πολλαπλής Πρόσβασης στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-1/2 Oι τεχνικές διάχυσης φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS), στην ιδανική τους μορφή, χρησιμοποιούν ορθογώνιους κώδικες. Kαθορίστε εάν κάποιοι από τους ακόλουθους τρεις κώδικες είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους, καθώς και το κέρδος της διαδικασίας διάχυσης σε dbs για ένα τέτοιο κώδικα, θεωρώντας ότι ο κάθε κώδικας αναπαριστά ένα σύμβολο. A k = 010011 B k = 110101 C k = 001100 Με μια αυστηρή μαθηματική προσέγγιση η έννοια της ορθογωνιότητας αναφέρεται στην συνάρτηση διασυσχέτισης μεταξύ δύο σημάτων. Ένας απλούστερος, και όχι μαθηματικά αυστηρός τρόπος, συνίσταται στην αντιμετώπιση του κώδικα σαν ένα διάνυσμα του οποίου οι συντεταγμένες λαμβάνουν την τιμή +1 ή -1 όταν η αντίστοιχη δυαδική τιμή είναι το λογικό {1} ή το {0}. 16

Παράδειγμα Πολλαπλής Πρόσβασης στα 3G WCDMA-UMTS Δίκτυα-2/2 Ο έλεγχος της ορθογωνιότητας απλοποιείται σε ένα διανυσματικό έλεγχο της ορθογωνιότητας δηλ. την απαίτηση ενός μηδενικού εσωτερικού γινομένου. A*B=(-1, +1,-1,-1,+1,+1)*(+1,+1,-1,+1,-1,+1)=-1+1+1-1-1+1=0 Ορθογώνιοι Κώδικες A*C=(-1, +1,-1,-1,+1,+1)*(-1,-1,+1,+1,-1,-1)=+1-1-1-1-1-1=-4 Μη Ορθογώνιοι Κώδικες B*C=(+1,+1,-1,+1,-1,+1)*(-1,-1,+1,+1,-1,-1)=-1-1-1+1+1-1=-2 Μη Ορθογώνιοι Κώδικες Το κέρδος της διαδικασίας διάχυσης αποτελεί μια ένδειξη για την έκταση του απλώματος του φάσματος και ισούται με το μήκος του κώδικα. Στην περίπτωση της παρούσας άσκησης το κέρδος είναι 6 ή 10log(6)=7.8 db. 17

Αρχιτεκτονική 3G WCDMA-UMTS Δικτύων-1/2 RNS UE 1 Node B I ub I u RNC CN UE 2 Node B UE 3 Node B Node B I ub I ur RNC Node B RNS 18

Αρχιτεκτονική 3G WCDMA-UMTS Δικτύων-2/2 BTS A bis BSS I u VLR BSC MSC GMSC PSTN Node BTS B I u CS AuC EIR HLR Node B I ub GR Node B RNC SGSN G n GGSN G i Node B RNS I u PS CN 19

Το Ασύρματο Interface U u στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων-1/3 Η ασύρματη επικοινωνία για την Ευρωπαϊκή εκδοχή (WCDMA UMTS) πραγματοποιείται με κανάλια των 5 MHz στα 1900 ΜΗz. Συγκεκριμένα για την UTRA-FDD εκδοχή είναι διαθέσιμες οι συχνότητες 1920-1980 MHz (uplink) και 2110-2170 MHz (downlink). H UTRA-TDD εκδοχή χρησιμοποιεί τις συχνότητες 1900-1920 MHz (uplink) και 2010-2025 MHz. Ο ρυθμός εκπομπής στον αέρα είναι σταθερός και ανεξάρτητος από τον ρυθμό μετάδοσης των πραγματικών δεδομένων και ανέρχεται στα 3. 84 Μchips/s. Αυτό σημαίνει ότι η πραγματική πληροφορία κωδικοποιείται με διαφορετικούς κωδικούς ανάλογα με τον χρήστη αλλά και τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης. Το τελικό αποτέλεσμα δίνει πάντοτε τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης συμβόλων (3.84 Μchips/s). Συνεπώς, οι διαφορετικοί ρυθμοί μετάδοσης υποστηρίζονται από διαφορετικού μήκους κωδικούς και διαφορετικής έκτασης άπλωμα του φάσματος. Η πληροφορία για την έκταση του απλώματος χρησιμοποιείται ένα παράγοντας που ονομάζεται Spreading Factor (SF=2n= 1, 2,4,8 ). 20

Το Ασύρματο Interface U u στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων-2/3 data 1 data 2 data 3 data 4 data 5 spr. spr. spr. spr. spr. code 1 code 2 code 3 code 1 code 4 scrambling code 1 scrambling code 2 sender 1 sender 2 21

Το Ασύρματο Interface U u στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων-3/3 Η διαδικασία της κωδικοποίησης αναπαρίσταται στο σχήμα που προηγείται. Για κάθε παράλληλη υπηρεσία που είναι ενεργή ανά χρήστη χρησιμοποιείται ένα τέλεια ορθογώνιος κωδικός που διαχωρίζει τις ροές των διαφορετικών δεδομένων και απλώνει το φάσμα της πληροφορίας. Το μήκος του κωδικού και αντίστοιχα ο SF εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης και επιλέγεται από ένα σύνολο κωδικών που ονομάζονται Orthogonal Variable Spreading Factor κωδικοί. Ο αλγόριθμος με τον οποίο το σύστημα αναπαράγει αυτούς τους κωδικούς αναπαρίσταται στο ακόλουθο σχήμα. Στη συνέχεια οι επιμέρους ροές των δεδομένων του χρήστη αθροίζονται και υφίστανται μια λογική πράξη (XOR) από ένα κωδικό (scrambling code) ο οποίος αναπαριστά με μοναδικό τρόπο τον χρήστη. Αξίζει να σημειωθεί ότι μετά το λεγόμενο scrambling η κωδικοποιημένη πληροφορία είναι σχεδόν ορθογώνια (quasi-orthogonal) με την πληροφορία των υπόλοιπων χρηστών. 22

OVSF Kωδικοί στα 3G WCDMA-UMTS Δικτύων X 1,1,1,1 1,1 1,1,-1,-1 X,X 1 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,-1,-1,1,1 1,-1,1,-1,1,-1,1,-1......... SF=n SF=2n 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... SF=1 SF=2 SF=4 SF=8 23

Τέλος Ενότητας