HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA

1. HAJASPEKTRITIETOLIIKENNEJA CDMA -TEKNIIKKA

2. Hajaspektritietoliikenne ja CDMA-tekniikka • Huom. Tässä osassa esiintyvät kalvot 12...33 eivät kuulu kurssivaatimuksiin, vaan hajaspektritekniikkaan ja CDMA-tekniikkaan liittyvät asiat myöhemmän vaiheen langattoman tietoliikenteen kursseilla (esim. Langattomat laajakaistaiset järjestelmät). Alkuosan kalvot 1...11 sen sijaan kuuluvat kurssivaatimuksiin. • Esitettyjä asioita kalvoilla 12...33 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 riippumattomallavalesatunnaisella hajotuskoodilla. • Lähetetyn signaalin kaistanleveys kasvaa esim. 100...1000-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. info RB bit/s Modulaattori Hajotusmodulaattori tahallinen häirintä häiriökantoaallot muut CDMA-käyttäjät kantoaalto fc Hz valesatunnainen koodi RC chip/s info RB bit/s Hajotusdemodulaattori (spektrin kavennus) Demodulaattori A valesatunnainen koodi RC chip/s kantoaalto fc Hz B Tämä osa häiriöstä pääsee läpi BPF:stä Häiriön spektri Informaation spektri A B Informaation spektri Hajaspektritekniikan periaate (Spread-Spectrum, SS) ilmaisuvahvistus = RC/RB tyypillisesti 100...1000 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 Spectrum spreading BPSK demodulation BPSK modulations Synchronized with trans. code generator Spectrum despreading

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 802.11a,b,... standard family)  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 & advanced LTE 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) • Datamodulaatiomenetelmänä 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 802.11 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 suurin 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/Pson häiriö- ja signaalitehojen suhde.

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

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) http://www.womeninscience.org/story.php?storyID=110

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 802.11 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 todennäköisyydenasynkronisessaFH-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. • 802.11─ 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, 6...54 Mbit/s, käyttää OFDM-tekniikkaa. • 802.11b (kutsutaan myös 802.11 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, 20...54 Mbit/s lyhyillä etäisyyksillä, käyttää CCK-OFDM-tekniikkaa. Risteytys 802.11a ja 802.11b –standardeista. • 802.11n & tulevat ─ aiempien 802.11-standardien laajennuksia, lisätty moniantennista MIMO-tekniikkaa (multiple-input multiple-output), 100...200 Mbit/s. • Kts. IEEE 802.11-standardeista lisää: • http://fi.wikipedia.org/wiki/802.11 • http://fi.wikipedia.org/wiki/WLAN • http://www.wi-fi.org/index.php • http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/TLT2_tutoriaalit.html