1 HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA Käytetään monissa nykyisissä tiedonsiirtoratkaisuissa
HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA-TEKNIIKKA 2 Huom. Tässä osassa esiintyvät kalvot 13...33 eivät kuulu kurssivaatimuksiin, vaan hajaspektritekniikkaan ja CDMA-tekniikkaan liittyvät asiat esitetään myöhemmän vaiheen langattoman tietoliikenteen DI-kursseilla. Alkuosan kalvot 1...12 sen sijaan kuuluvat kurssivaatimuksiin. Esitettyjä asioita kalvoilla 13...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/IS-95, UMTS/WCDMA, 4 G LTE-tekniikkat, HSPA, WLAN, Bluetooth, GPS, useimmat sotilasjärjestelmät, JTIDS, jne.).
HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA-TEKNIIKKA 3 Näistä on kyse SS- ja CDMAtekniikoissa
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 4 Tarkoittaa toista modulointiastetta digitaalisen informaation kapeakaistamoduloinnin jäljeen. Modulointi informaatiosta riippumattomalla valesatunnaisella 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).
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 5 info R B bit/s Modulaattori Hajotusmodulaattori kantoaalto f c Hz valesatunnainen koodi R C chip/s Tahallinen häirintä Häiriökantoaallot Muut SS/CDMA-käyttäjät A Hajotusdemodulaattori (spektrin kavennus) B Demodulaattori info R B bit/s valesatunnainen koodi R C chip/s kantoaalto f c Hz A Häiriön spektri Informaation spektri B Informaation spektri Tämä osa häiriöstä pääsee läpi BPF:stä Häiriön spektri (suurin osa häiriötehosta BPF-suodattuu pois)
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 6 Spektrin kavennuksessa informaation kaistanleveys palautuu hajotusta edeltäneelle tasolle ja levinneestä häiriön tehosta vain ilmaisuvahvistuksen määräämä osa osuu BPF:n IF-kaistalle.
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 7 Perusidea on siinä, että moduloitu informaatio tulee kerrottua kaksi kertaa koodilla (poistaa koodin vaikutuksen), mutta häiriö vain kerran (häiriö jää levinneeseen muotoon).
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 8 Signaali voidaan kätkeä kohinan alle, eli liikennöinti voidaan periaatteessa salata (tosin on olemassa ns. sieppausmenetelmiä, joilla signaali voidaan havaita kohinan alta).
HAJASPEKTRIPERIAATE (SPREAD-SPECTRUM, SS) 9 Hajaspektijärjestelmät kehitettiin sotilassovelluksiin 1940-luvulla. Aikanaan kallis tekniikka, kunnes halpeni 1990-luvulla integrointiasteen kasvun myötä. NATO:n JTIDS-järjestelmä on tunnetuin hajaspektitekniikkaan perustuva DS-FH-THhybridisotilasjärjestelmä. Joint Tactical Information Distribution System Users, 1990
SS-TOTEUTUSTEKNIIKAT 10 Jaottelu sen perusteella miten valesatunnainen (pseudorandom & pseudonoise) koodisekvenssi, eli hajotuskoodi vaikuttaa lähetykseen: Direct-sequence (DS)/suorahajotus databitti kerrotaan PN-koodilla Frequency-hopping (FH)/taajuushyppely valitaan koodin avulla hetkellinen hyppytaajuus leveältä hyppelykaistalta. Hidas hyppely = hyppy kestää useita datasymboleita, Nopea hyppy = hypätään monta kertaa datasymbolin aikana Time-hopping (TH)/aikahyppely Valitaan hyppelykoodin avulla hetkellinen hyppyaikaväli aikakehyksessä. Analoginen FH-hyppelylle. Hybridijärjestelmät: DS-FH, DS-TH, FH-TH, DS-FH-TH
DS-SS -JÄRJESTELMÄ 11 Spektrin hajotus BPSK modulaatiot BPSK-demodulaatiot Kantoaallon vaihe-estimointi Spektrin kavennus Koodisynkronointi (etsintä & seuranta)
HAJASPEKTRISOVELLUKSIA 12 Häirintäsietoiset sotilasjärjestelmät maalla, merellä ja ilmassa. GPS, GLONASS -satelliittipaikannusjärjestelmät DS WLAN/Wi-Fi (IEEE 802.11 standardiperhe) DS & FH Blutooth (kännykät, kaiuttimet, jne. lähisiirto) FH 2G/CDMA 2000 (USA, Etelä-Korea) DS 3G/UMTS-WCDMA & advanced LTE 4G DS DS-CDMA analogia: avain & lukko, käsi & hanska FH-CDMA analogia: automaattipiano
13 SUORAHAJOTUSTEKNIIKKA DIRECT SEQUENCE (DS SS) (S) Koodilla kerrotaan suoraan informaatiobittivirtaa
SUORAHAJOTUSTEKNIIKKA DS-SS (S) 14 Datamodulaatiomenetelmänä voi olla mikä tahansa, esimerkiksi: BPSK, DPSK, QPSK ja MSK (käytetyimmät) Valesatunnaisen (pseudonoise, PN, pseudorandom) koodin bittejä kutsutaan chipeiksi, erotukseksi normaaleista informaatiobiteistä. Koodin nopeus on chippinopeus. DS-SS-järjestelmän P E suorituskyky AWGN-kanavassa on identtinen hajottamattoman järjestelmän kanssa, joten SS-menetelmän käyttö ei siten tuo AWGN-tilanteessa 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 IEEE 802.11 standardiperheen WLAN laitteissa, joita kutsutaan myös kaupallisella nimellä Wi-Fi. Wi-Fi on Wi-Fi Alliancen tavaramerkki, jota jäsenet käyttävät määritellyn laatutason symbolina.
SUORAHAJOTUSTEKNIIKKA DS-SS (S) 15 Etsintäsynkronointi (acquisition) hakee oikean vaiheen yhden chipin epävarmuudella. Seurantasynkronointi (tracking) pitää vaiheen chipin sisällä. Koodisynkronointi on SS-tekniikan suurin toteutusongelma.
CW-HÄIRINTÄ DS-SS-JÄRJESTELMÄSSÄ (S) Ilmaisuvahvistus G p vaimentaa tehokkaasti CW-häiriön vaikutusta. Mitä suurempi on hajotussuhde ts. ilmaisuvahvistus G p = T b /T c, sitä parempi on suorituskyky. Kuvassa G p on 1000 (30 db). JSR = P I /P s on häiriö- ja signaalitehojen suhde. 16 p p I n s I b c b I T b I b c b T T b E G JSR SNR SNR G P P P A T T T N A A T A T T T N A T Q P ) )( ( 1 2) / )( / ( / 2 / 2 2, 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 + = + = = + = + = = σ σ σ
CW-HÄIRINTÄ DS-SS-JÄRJESTELMÄSSÄ (S) 17 Kuvasta nähdään ilmaisuvahvistuksen (kaistanleveyden) kasvattamisen vaikutus suorituskykyä parantavasti.
18 TAAJUUSHYPPYTEKNIIKKA FH SS (S) Koodi ohjaa lähetyksen keskitaajuutta hyppelykaistalla
KEKSIJÄ: HEDY LAMARR (9.11.1913-19.1.2000) US Patent #2,292,387 on 11.8.1942 (co-inventor George Antheil) "Secret Communication System". (vrt. 88-rivinen automaattipiano: nauha kosketin = sävel = hyppytaajuus) 19
TAAJUUSHYPPYTEKNIIKKA FH-SS (S) 20 Monisymbolinen PN-koodi ohjaa syntetisaattorin keskitaajuutta. Vastaanottimen syntetisaattori hyppii aina 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 ainoaksi keinoksi jää häiritä monta eri taajuutta, mikä ei ole järkevää häirintätehoresurssien käyttöä. Mikroaaltoalueella taajuudentunnistusajat kertaluokassa n. 1 ms hyppynopeudella >1 k hyppy/s seurantahäirintä & sieppaus ei onnistu
TAAJUUSHYPPYTEKNIIKKA FH-SS (S) 21 FH-SS tekniikkaa sovelletaan mm. eräissä IEEE 802.11 standardiperheen mukaisissa WLAN/Wi-Fi-laitteissa. Myös lähitiedonsiirron Bluetooth käyttää FH-SS.
22 CDMA-TEKNIIKKA (S) Kaikki käyttäjät käyttävät samaa keskitaajuutta ja kaistaa
RADIOTAAJUUKSIEN MONIKÄYTTÖMENETELMÄT (S) 23 f FDMA f TDMA 1 2 3 4 1 2 3 4 4 3 2 1 t t f CDMA 3 1 2 4 t
RADIOTAAJUUKSIEN MONIKÄYTTÖMENETELMÄT (S) 24 FDMA Frequency Division Multiple Access Kukin lähetin käyttää omaa kapeaa radiokanavaa koko ajan. Esim. 1. generaation järjestelmät (NMT 450, NMT 900, AMPS) TDMA Time Division Multiple Access Kukin 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 UMTS/WCDMA-järjestelmät Euroopassa ja Japanissa, sekä 4G LTE Advanced -tekniikat. SDMA Space Division Multiple Access Toteutetaan ohjatuilla (signaalinkäsittelyalgoritmi) vaiheistetuilla antenniryhmillä (smart antennas), jolloin saman keskitaajuuden käyttäjät voidaan erottaa tilassa toisistaan, ja jopa seurata niitä. Kiinteät keilat geostationäärisessä satelliittitietoliikenteessä.
SDMA -TILAJAKOTEKNIIKKA (S) 25
CDMA-TEKNIIKKA (S) 26 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 kohinatasona. Samanaikaisten käyttäjien lukumäärän kasvu lisää monikäyttöinterferenssin (multiple-access interference, MAI) määrää.
CDMA-TEKNIIKKA (S) 27 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 tukiasemalta kännykälle).
DS CDMA-PERIAATE (S) 28 Toisin kuin TDMA-tekniikassa, interferenssin summautumisen vuoksi DS-CDMA-järjestelmällä on pehmeä kapasiteettiraja. Korrelaatiovastaanotin laskee ristikorrelaatiofunktiot koodien välillä (niiden summa muodostaa MAI:n) sekä autokorrelaatiofunktion ilmaistavalle signaalille ilmenevät prosesseina päätösmuuttujassa Korrelaatio- tai MF-vastaanotin siis ilmaisee autokorrelaatiofunktion pääkeilan arvon, joka vastaa MF-periaatteen mukaisesti maksimoituvaa ilmaisimen SNR-arvoa 2 E B /N 0. Halutun käyttäjän ilmaiseminen edellyttää sitä vastaavan koodin tuntemista ja sen synkronointia. Hajotuskoodaus mahdollistaa pienen lisäsalauksen, mutta tuo myös uuden synkronointitehtävän. CDMA-linkissä (UMTS/WCDMA, CDMA 2000/IS-95) on yleensä useampia DS-hajotuskoodeja eri tehtäviin: tukiasemien ja solun 3-sektorin erottelu, pilottikoodi, käyttäjien erottelu/salaus solun sisällä. Uplink ja downlink -suunnissa käytetään usein erilaisia hajotuskoodiperheitä.
DS CDMA-PERIAATE (S) 29 DS-CDMA-järjestelmän monikäyttöinterferenssiä voidaan mallintaa summautuvana Gaussin kohinana keskeisen raja-arvolauseen mukaisesti, kun koodit ovat riittävän pitkiä (esim. N 31 chippiä) ja kun 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 ns. Gaussin approksimaatio: P E = Q ( SNR ) K 1 N0 SNR = + 3N 2E Nähdään, että yhden käyttäjän tapauksessa (K = 1) suorituskyky on sama kuin BPSK-modulaatiolla AWGN-kanavassa (N = koodin pituus). b 1
SUORITUSKYKY VS. DS-KÄYTTÄJIEN MÄÄRÄ (S) 30
DS CDMA-PERIAATE (S) 31 DS-CDMA-järjestelmän suurin ongelma synkronointivaatimuksen lisäksi on vastaanotettujen signaalitehojen epäbalanssista johtuva ns. lähikauko-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 sekä mittaustiedon nopeaa välittämistä kännykän ja tukiaseman välillä, koska tilanne elää koko ajan dynaamisesti.
FH CDMA-PERIAATE (S) 32 FH-CDMA-järjestelmässä lähikauko-ongelma ei ole merkityksellinen, koska häiriö syntyy päällekkäisten hyppytaajuksien kautta (toki heikompitehoinen taajuusosuma häiritsee vähemmän). FH-koodien valinnalla pyritään minimoimaan päällekkäisten taajuushyppyjen todennäköisyys asynkronisessa FH-CDMAjärjestelmässä. 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 (esim. JTIDS yleensä hybridijärjestelmiä (esim. DS-FH tai DS-FH-TH) hyvän häirinnänsiedon vuoksi.
IEEE 802.11 -STANDARDIPERHE (S) 33 WLAN-järjestelmät (kaupallinen nimi Wi-Fi) 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 GHzalueella, 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 multipleoutput), 100...200 Mbit/s. Nopeudet kasvussa. Kts. IEEE 802.11-standardeista lisää: http://fi.wikipedia.org/wiki/802.11 http://fi.wikipedia.org/wiki/wlan https://en.wikipedia.org/wiki/wi-fi http://www.wi-fi.org/index.php http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/tlt2_tutoriaalit.html