1

Kapitel 8 CDMA

Definition Spread-Spectrum ModulationUumlbertragungsbandbreite W gtgt Bandbreite B des Datensignals

Anwendungsgebiete der SS-TechnikMilitaumlrkommunikation seit mehr als 50 Jahren

anti-jamming robuste Uumlbertragung gegen selektive Stoumlrer

anti-detection Uumlbertragung wird im Rauschen verborgen

Positionsbestimmung (zB GPS)Mehrfachzugriffssysteme

Frequency Hopping Systeme (zB Bluetooth)CDMA-Systeme (zB IS95 UMTS)

ReferenzenProf Dr A Steffen Skript SU www-tzhwinchitsu Block 6A Viterbi bdquoCDMA Principles hellipldquo Addison-Wesley 1995

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 25

Grundprinzip

d(t)

s(t) s(t)

x(t) = d(t)middots(t)

Spreizung Entspreizungd(t)

d(t) s(t) 11-Bit-Barker-Sequenz (zB IEEE 80211 WLAN)

1 1

-1Tb

tTb=NmiddotTc

Tc Chip-Intervall N Spreizfaktor (N=11 hier)d(t) und x(t) haben gleiche Energie Eb x(t) hat aber Bandbreite W=NmiddotB=gt Eb asymp (Xmax)2W und Eb asymp (Dmax)2B wobei Xmax max Spektralwert=gt Xmax [dB] asymp Dmax [dB] ndash G wobei Prozessgewinn G=10middotlog10(N) [dB]=gt Entspreizer holt Spread-Spectrum-Signal um G [dB] aus Rauschen

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 26

2

Anti-Detection

Rauschpegel

Rauschpegel

G Spre

izun

g

Ents

prei

zung

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 27

Anti-Jamming

s(t)

d(t)middots(t) + i(t)

d(t) + n(t)

schmalbandigeInterferenz i(t)

breitbandigesRauschen n(t)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 28

3

d1[n]

s1=[1 1 -1 1 -1 -1 -1]

dK[n]

sK=[-1 -1 -1 1 -1 1 1]

s1

sumTb

sK

sumTb

Noisedlsquo1[n]

dlsquoK[n]

r[n]

[6 -8 8]

[6 8 -8]

[1 -1 1]

[1 1 -1]

Multiple Access

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

d1[n]= -1d1[n-1]= 1 d1[n+1]= 1

dK[n-1]= 1 dK[n+1]= -1-1 -1 -1 1 -1 1 1

s1

r[n] 0 0 -2 2 -2 0 0 -2 -2 0 0 0 2 2 2 2 0 0 0 -2 -2

1 1 -1 1 -1 -1 -1

dK[n]= 1

[1 -1 1]

E

E[1 1 -1]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 29

Alice 0 1 0 1

0 1 1 1 Carol

Bob 0 1 0 1

0 1 1 1 Dave

Multiple Access

sA

dA

dAmiddotsA

dC

sC

dCmiddotsC

r

sA

rmiddotsA

sC

rmiddotsC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 30

4

Korrelationsparameter

Periodische Autokorrelationwichtig fuumlr die Synchronisationwichtig fuumlr die Aufloumlsung des Mehrwegs

Periodische Kreuzkorrelationwichtig fuumlr Benutzertrennung

Aperiodische Korrelationwichtig in der Praxis

sj[0] sj[N-1] sj[n]sj sj sj

Korrelator siN-1

ii i im=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1

ij i jm=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1-n

ij i jm=0

C [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

mod N

mod N

Rij[n]

Cij[n]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 31

PN-Sequenzen

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

0 31

Generatorpolynom fuumlr s1[n] x5 + x3 + 1

+ +Generatorpolynom fuumlr s2[n] x5 + x4 + x3 + x + 1

k = 5 Register rArr maximale Laumlnge N = 2k - 1 = 31

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 32

5

PN-Sequenzen

M-Sequenzen der Laumlnge N=2k-1 exisitieren fuumlr alle kge2zB k=3 N=7 p(x)=1+X+X3 oder p(X)=1+X2+X3

M-Sequenzen imitieren binaumlre Zufallssequenzenman nennt sie deshalb Pseudo-Noise-SequenzenBasis fuumlr gute CDMA-Spreizsequenzen

M-Sequenzen sind bdquofastldquo ausgeglichen (balanced)Anzahl bdquo1ldquo ist nur um 1 verschieden von Anzahl bdquo0ldquo

Haumlufigkeit von bdquorunsldquo der Laumlnge nltk ist 12n

k=5 16 bdquorunsldquo davon 8x1 4x2 2x3 und 1x4

Hamming-Distanz (m-Sequenz zyklischer Shift) = 2k-1

Rii[n] = N-2middot2k-1 = -1 wenn (n mod N) ne 0

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 33

Gold-Codes

k3

5

6

79

10

11

N = 2k-17

31

63

127511

1023

2047

p5

9

17

1733

65

65

p N071

029

027

013006

006

003

20log(pN)-29 dB

-107 dB

-114 dB

-175 dB-238 dB

-239 dB

-300 dB

k Anzahl Register

N Sequenzlaumlnge

Basis sind 2 bestimmte m-Sequenzen s1 und s2 der Laumlnge N=2k-1Einschraumlnkung k mod 4 ne 0

Gold Set = s1 s2 s3 = s1+s2 sN+2 = s1+TN-1(s2)

Off-Peak Rij[n] p=1+2floor((k+2)2) zyklischer Shift um N-1 Positionen

Pop-Ratio = 20log10(Np)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 34

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

2

Anti-Detection

Rauschpegel

Rauschpegel

G Spre

izun

g

Ents

prei

zung

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 27

Anti-Jamming

s(t)

d(t)middots(t) + i(t)

d(t) + n(t)

schmalbandigeInterferenz i(t)

breitbandigesRauschen n(t)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 28

3

d1[n]

s1=[1 1 -1 1 -1 -1 -1]

dK[n]

sK=[-1 -1 -1 1 -1 1 1]

s1

sumTb

sK

sumTb

Noisedlsquo1[n]

dlsquoK[n]

r[n]

[6 -8 8]

[6 8 -8]

[1 -1 1]

[1 1 -1]

Multiple Access

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

d1[n]= -1d1[n-1]= 1 d1[n+1]= 1

dK[n-1]= 1 dK[n+1]= -1-1 -1 -1 1 -1 1 1

s1

r[n] 0 0 -2 2 -2 0 0 -2 -2 0 0 0 2 2 2 2 0 0 0 -2 -2

1 1 -1 1 -1 -1 -1

dK[n]= 1

[1 -1 1]

E

E[1 1 -1]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 29

Alice 0 1 0 1

0 1 1 1 Carol

Bob 0 1 0 1

0 1 1 1 Dave

Multiple Access

sA

dA

dAmiddotsA

dC

sC

dCmiddotsC

r

sA

rmiddotsA

sC

rmiddotsC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 30

4

Korrelationsparameter

Periodische Autokorrelationwichtig fuumlr die Synchronisationwichtig fuumlr die Aufloumlsung des Mehrwegs

Periodische Kreuzkorrelationwichtig fuumlr Benutzertrennung

Aperiodische Korrelationwichtig in der Praxis

sj[0] sj[N-1] sj[n]sj sj sj

Korrelator siN-1

ii i im=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1

ij i jm=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1-n

ij i jm=0

C [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

mod N

mod N

Rij[n]

Cij[n]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 31

PN-Sequenzen

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

0 31

Generatorpolynom fuumlr s1[n] x5 + x3 + 1

+ +Generatorpolynom fuumlr s2[n] x5 + x4 + x3 + x + 1

k = 5 Register rArr maximale Laumlnge N = 2k - 1 = 31

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 32

5

PN-Sequenzen

M-Sequenzen der Laumlnge N=2k-1 exisitieren fuumlr alle kge2zB k=3 N=7 p(x)=1+X+X3 oder p(X)=1+X2+X3

M-Sequenzen imitieren binaumlre Zufallssequenzenman nennt sie deshalb Pseudo-Noise-SequenzenBasis fuumlr gute CDMA-Spreizsequenzen

M-Sequenzen sind bdquofastldquo ausgeglichen (balanced)Anzahl bdquo1ldquo ist nur um 1 verschieden von Anzahl bdquo0ldquo

Haumlufigkeit von bdquorunsldquo der Laumlnge nltk ist 12n

k=5 16 bdquorunsldquo davon 8x1 4x2 2x3 und 1x4

Hamming-Distanz (m-Sequenz zyklischer Shift) = 2k-1

Rii[n] = N-2middot2k-1 = -1 wenn (n mod N) ne 0

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 33

Gold-Codes

k3

5

6

79

10

11

N = 2k-17

31

63

127511

1023

2047

p5

9

17

1733

65

65

p N071

029

027

013006

006

003

20log(pN)-29 dB

-107 dB

-114 dB

-175 dB-238 dB

-239 dB

-300 dB

k Anzahl Register

N Sequenzlaumlnge

Basis sind 2 bestimmte m-Sequenzen s1 und s2 der Laumlnge N=2k-1Einschraumlnkung k mod 4 ne 0

Gold Set = s1 s2 s3 = s1+s2 sN+2 = s1+TN-1(s2)

Off-Peak Rij[n] p=1+2floor((k+2)2) zyklischer Shift um N-1 Positionen

Pop-Ratio = 20log10(Np)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 34

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

3

d1[n]

s1=[1 1 -1 1 -1 -1 -1]

dK[n]

sK=[-1 -1 -1 1 -1 1 1]

s1

sumTb

sK

sumTb

Noisedlsquo1[n]

dlsquoK[n]

r[n]

[6 -8 8]

[6 8 -8]

[1 -1 1]

[1 1 -1]

Multiple Access

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

d1[n]= -1d1[n-1]= 1 d1[n+1]= 1

dK[n-1]= 1 dK[n+1]= -1-1 -1 -1 1 -1 1 1

s1

r[n] 0 0 -2 2 -2 0 0 -2 -2 0 0 0 2 2 2 2 0 0 0 -2 -2

1 1 -1 1 -1 -1 -1

dK[n]= 1

[1 -1 1]

E

E[1 1 -1]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 29

Alice 0 1 0 1

0 1 1 1 Carol

Bob 0 1 0 1

0 1 1 1 Dave

Multiple Access

sA

dA

dAmiddotsA

dC

sC

dCmiddotsC

r

sA

rmiddotsA

sC

rmiddotsC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 30

4

Korrelationsparameter

Periodische Autokorrelationwichtig fuumlr die Synchronisationwichtig fuumlr die Aufloumlsung des Mehrwegs

Periodische Kreuzkorrelationwichtig fuumlr Benutzertrennung

Aperiodische Korrelationwichtig in der Praxis

sj[0] sj[N-1] sj[n]sj sj sj

Korrelator siN-1

ii i im=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1

ij i jm=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1-n

ij i jm=0

C [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

mod N

mod N

Rij[n]

Cij[n]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 31

PN-Sequenzen

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

0 31

Generatorpolynom fuumlr s1[n] x5 + x3 + 1

+ +Generatorpolynom fuumlr s2[n] x5 + x4 + x3 + x + 1

k = 5 Register rArr maximale Laumlnge N = 2k - 1 = 31

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 32

5

PN-Sequenzen

M-Sequenzen der Laumlnge N=2k-1 exisitieren fuumlr alle kge2zB k=3 N=7 p(x)=1+X+X3 oder p(X)=1+X2+X3

M-Sequenzen imitieren binaumlre Zufallssequenzenman nennt sie deshalb Pseudo-Noise-SequenzenBasis fuumlr gute CDMA-Spreizsequenzen

M-Sequenzen sind bdquofastldquo ausgeglichen (balanced)Anzahl bdquo1ldquo ist nur um 1 verschieden von Anzahl bdquo0ldquo

Haumlufigkeit von bdquorunsldquo der Laumlnge nltk ist 12n

k=5 16 bdquorunsldquo davon 8x1 4x2 2x3 und 1x4

Hamming-Distanz (m-Sequenz zyklischer Shift) = 2k-1

Rii[n] = N-2middot2k-1 = -1 wenn (n mod N) ne 0

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 33

Gold-Codes

k3

5

6

79

10

11

N = 2k-17

31

63

127511

1023

2047

p5

9

17

1733

65

65

p N071

029

027

013006

006

003

20log(pN)-29 dB

-107 dB

-114 dB

-175 dB-238 dB

-239 dB

-300 dB

k Anzahl Register

N Sequenzlaumlnge

Basis sind 2 bestimmte m-Sequenzen s1 und s2 der Laumlnge N=2k-1Einschraumlnkung k mod 4 ne 0

Gold Set = s1 s2 s3 = s1+s2 sN+2 = s1+TN-1(s2)

Off-Peak Rij[n] p=1+2floor((k+2)2) zyklischer Shift um N-1 Positionen

Pop-Ratio = 20log10(Np)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 34

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

4

Korrelationsparameter

Periodische Autokorrelationwichtig fuumlr die Synchronisationwichtig fuumlr die Aufloumlsung des Mehrwegs

Periodische Kreuzkorrelationwichtig fuumlr Benutzertrennung

Aperiodische Korrelationwichtig in der Praxis

sj[0] sj[N-1] sj[n]sj sj sj

Korrelator siN-1

ii i im=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1

ij i jm=0

R [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

N-1-n

ij i jm=0

C [n] = s [m] s [m+n]sdotsum

mod N

mod N

Rij[n]

Cij[n]

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 31

PN-Sequenzen

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

0 31

Generatorpolynom fuumlr s1[n] x5 + x3 + 1

+ +Generatorpolynom fuumlr s2[n] x5 + x4 + x3 + x + 1

k = 5 Register rArr maximale Laumlnge N = 2k - 1 = 31

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 32

5

PN-Sequenzen

M-Sequenzen der Laumlnge N=2k-1 exisitieren fuumlr alle kge2zB k=3 N=7 p(x)=1+X+X3 oder p(X)=1+X2+X3

M-Sequenzen imitieren binaumlre Zufallssequenzenman nennt sie deshalb Pseudo-Noise-SequenzenBasis fuumlr gute CDMA-Spreizsequenzen

M-Sequenzen sind bdquofastldquo ausgeglichen (balanced)Anzahl bdquo1ldquo ist nur um 1 verschieden von Anzahl bdquo0ldquo

Haumlufigkeit von bdquorunsldquo der Laumlnge nltk ist 12n

k=5 16 bdquorunsldquo davon 8x1 4x2 2x3 und 1x4

Hamming-Distanz (m-Sequenz zyklischer Shift) = 2k-1

Rii[n] = N-2middot2k-1 = -1 wenn (n mod N) ne 0

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 33

Gold-Codes

k3

5

6

79

10

11

N = 2k-17

31

63

127511

1023

2047

p5

9

17

1733

65

65

p N071

029

027

013006

006

003

20log(pN)-29 dB

-107 dB

-114 dB

-175 dB-238 dB

-239 dB

-300 dB

k Anzahl Register

N Sequenzlaumlnge

Basis sind 2 bestimmte m-Sequenzen s1 und s2 der Laumlnge N=2k-1Einschraumlnkung k mod 4 ne 0

Gold Set = s1 s2 s3 = s1+s2 sN+2 = s1+TN-1(s2)

Off-Peak Rij[n] p=1+2floor((k+2)2) zyklischer Shift um N-1 Positionen

Pop-Ratio = 20log10(Np)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 34

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

5

PN-Sequenzen

M-Sequenzen der Laumlnge N=2k-1 exisitieren fuumlr alle kge2zB k=3 N=7 p(x)=1+X+X3 oder p(X)=1+X2+X3

M-Sequenzen imitieren binaumlre Zufallssequenzenman nennt sie deshalb Pseudo-Noise-SequenzenBasis fuumlr gute CDMA-Spreizsequenzen

M-Sequenzen sind bdquofastldquo ausgeglichen (balanced)Anzahl bdquo1ldquo ist nur um 1 verschieden von Anzahl bdquo0ldquo

Haumlufigkeit von bdquorunsldquo der Laumlnge nltk ist 12n

k=5 16 bdquorunsldquo davon 8x1 4x2 2x3 und 1x4

Hamming-Distanz (m-Sequenz zyklischer Shift) = 2k-1

Rii[n] = N-2middot2k-1 = -1 wenn (n mod N) ne 0

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 33

Gold-Codes

k3

5

6

79

10

11

N = 2k-17

31

63

127511

1023

2047

p5

9

17

1733

65

65

p N071

029

027

013006

006

003

20log(pN)-29 dB

-107 dB

-114 dB

-175 dB-238 dB

-239 dB

-300 dB

k Anzahl Register

N Sequenzlaumlnge

Basis sind 2 bestimmte m-Sequenzen s1 und s2 der Laumlnge N=2k-1Einschraumlnkung k mod 4 ne 0

Gold Set = s1 s2 s3 = s1+s2 sN+2 = s1+TN-1(s2)

Off-Peak Rij[n] p=1+2floor((k+2)2) zyklischer Shift um N-1 Positionen

Pop-Ratio = 20log10(Np)

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 34

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

6

Gold-Codes

+

+

1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

+ +

+ 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

s1[n]

m s2[n+m]

s3[n]

Generierung 33 Gold-Codes der Laumlnge N=31 mit 2 LFSR

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 35

Grundprinzip RangingNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 36

Tx1 Rx Tx2

x =

D bekannt

s1 s1Tx1

Tx2

Rx

R11(t) R22(t) (Kreuzkorrelation nicht beruumlcksichtigt)

s2 s2

s1

s2

t

t

t

t

s1

s2s2

s1

t

t12 t21 =gt x bestimmbar

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

7

GPS

bull 24 Satelliten in 6 Orbitalebenen dh 4 Satelliten pro Ebene

bull Umlaufhoumlhe 20lsquo200 kmbull Umlaufzeit 12 h

Nominelle Satellitenkonstellation

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 37

GPS

L1-Frequenz 157542 MHzCoarseAcquisition bzw CA-Code fuumlr die zivile Nutzung Precisionencrypted bzw PY-Code fuumlr militaumlrische Nutzung

QPSK-Modulation (CA-Code im I-Kanal und PY-Code im Q-Kanal)

GPS-QPSK-Signal wird meistens mit BPSK-Demodulator empfangen

L2-Frequenz 122760 MHz nur PY-CodeL5-Frequenz 117645 MHz im Aufbau fuumlr SystemverbesserungSatelliten verwenden Gold-Codes der Laumlnge N=1023 (CA-Code)

Chiprate CA-Code = 1023 kChipsLaufzeit Tc =gt 300 m Weg NmiddotTc =gt 300 km Repetitionsmuster

GPS-Datenrahmen mit Navigationsnachricht aufmoduliert5 mal 300 = 1500 Bit Rate 50 Bits (Tbit = 20 TCA-Code) Rahmendauer 30sUhrkorrektur Satellitenzustand Bahnparameter Ionosphaumlren- und UTC-Korrektur

Teil der Navigationsnachricht fuumlr Ortung notwendig (groumlssere Acquisitionszeit)ganzer Almanach dauert 25 Rahmen lang dh 12 Minuten und 30 s

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38a

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

8

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 38b

LinkbudgetSendeleistung 47 dBm bzw 50 WHohlleiterverlust - 1 dB

Gewinn Sendeantenne 15 dBi (Strahlachse) 11 dBi (Erdrand)Ausbreitungsverlust 1825 dB (20lsquo000 km)

1846 dB (25lsquo555 km Erdrand)Atmosphaumlre 2 dBEmpfangsleistung -1235 hellip-1296 dBm

PRX oft lt -130 dBm kann sehr einfach gestoumlrt werden

unter der Rauschschwelle aber Prozessgewinn

Haupt-FehlerquellenIonosphaumlrenfehler (Gegenmassnahme Zweifrequenz-Empfaumlnger)Mehrwegfehler (hauptsaumlchlich in staumldtischen Gebieten)geometriebedingte Fehler (DOPs bzw Dilution of Precision)

GPS-Codes

GPS verwendet 32 Gold-Sequenzen der Laumlnge N=1023

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 39

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

9

GPSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 40

Grundgleichungenxyzt Koordinaten und Zeit beim Nutzerxiyiziti Koordinaten und Zeiten von 4 Satelliten

(x1-x)2 + (y1-y)2 + (z1-z)2 = [cmiddot(t1-t)]2

(x2-x)2 + (y2-y)2 + (z2-z)2 = [cmiddot(t2-t)]2

(x3-x)2 + (y3-y)2 + (z3-z)2 = [cmiddot(t3-t)]2

(x4-x)2 + (y4-y)2 + (z4-z)2 = [cmiddot(t4-t)]2

4 Abstandsgleichungen (c Lichtgeschwindigkeit) und UnbekannteGenauigkeit

90 lt 10 m kuumlnstliche Verschlechterung seit 2000 abgeschaltetEGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System)

34 Bodenstationen errechnen Korrektursignale (agrave la DGPS)kostenloser Broadcast der Korrektur uumlber 2 Inmarsat-Satelliten1-3 m GenauigkeitEGNOS-Datenuumlbertragung uumlber CA-Codes 33 und houmlher

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

1 Frequenz-Wiederholabstand = 1in jeder Zelle gleiches Frequenzband W=gt gut fuumlr spektrale Effizienz [BitHz] keine Frequenzplanungschnelle und genaue Power Control wegen near-far-Problem erforderlich

2 robuste Breitband-Kommunikation in Mehrweg-UmgebungFrequenzdiversitaumlt

Rake-Empfaumlnger kombiniert konstruktiv Mehrwegkomponenten=gt zeitliche Aufloumlsung Tc=1W

IHKa

nal(f

)I

f

W

t

y(t)

Korrelator Phasenschaumltzung Delay

Matched Filter

Finger

ΣIQ

IQ

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 41

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

10

Gruumlnde fuumlr CDMA im Mobilfunk

3 variable Bitraten

Rate-R1-Benutzer produziert R1R2-mal mehr Interferenz als Rate-R2-Benutzer

4 soft(er) Handover

t

t

0 1R1

1R20

Tc

R1 gt R2 aber (Eb1=Eb2)

fP

Frame

R1-userR2-user

t

RNC

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 42

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

Benutzer kradicEcdk[n]

sk[m] bipolar zufaumlllig

sumTb

AWGN-Interferenz-ModellBS empfaumlngt alle K Benutzer mit gleicher Leistung Ps (power control)=gt Energie pro Bit Eb = NEc = PsTb (Ec Energie pro Chip)Interferenz I[m] der K-1 anderen Benutzer der Zelle (gleiche Rate)=gt Rauschleistungsdichte I0 = (K-1)Ec (ohne thermisches Rauschen)

sk[m]

I[m]

I[n]Benutzer k Rb [bps]

radicEbdk[n]

SNR bzw CI Eb I0 = (WRb) (K-1)Eb I0 = NEc (K-1)Ec und W=1Tc Rb=1Tb Tb=NTc

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 43

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

11

Schaumltzung CDMA-UL-Kapazitaumlt

SNR fuumlr binaumlre Uumlbertragung uumlber AWGN-Kanal Eb I0 = 3 hellip 9 dBCI abhaumlngig von BER-Anforderung Kodierung Fading Rx-StrukturRake-Empfaumlnger kann Mehrweg-Uumlbertragung aufloumlsen

Anzahl Benutzer pro isolierte Zelle K le 1+ (WRb) (EbI0)

Reduktion der InterferenzSprachaktivitaumlt (voice activity) in der Telefonie ist ca 38 (optimistisch)

=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GV = 83Antennen mit 3 Sektoren

Annahme Benutzer sind uniform in Zelle verteilt=gt Erhoumlhung der Anzahl Benutzer um GA = 24

Interzell-Interferenz asymp 06 Intrazell-InterferenzLeistung der uniform verteilten Benutzer optimal kontrolliert Ausbreitungsverlust ~ 1r354

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 44

CDMA-UL-Kapazitaumlt UMTS

Anzahl Benutzer pro ZelleK asymp [(WRb) (EbI0)] middot [GvmiddotGA16] = 4middot(WRb) (EbI0) EbI0= 6 dB =gt K asymp W Rb = N Benutzer pro Zelle

ohne voice activity K asymp 0375N ohne voice activity und ohne Sektorantennen K asymp 015N

Totalrate pro Hzmaximal KmiddotRb W asymp 1 BitsHztypisch vielleicht 04 BitsHz

NTM 200604 Multiplexverfahren Rur 45

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

12

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 46

Generationen zellularer PLMR (public land mobile radio) Systeme1G analoge Systeme zB Natel C nach NMT-Standard2G digitale Systeme primaumlr fuumlr Sprache zB ETSI-Standard GSM3G digitale IMT-2000-Systeme (ITU-Standard) primaumlr fuumlr Multimedia

zB ETSI UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)wideband CDMA-Luftschnittstelle FDD- und TDD-Variante

auch UTRA (universal terrestrial radio access) genanntRle384 kbs (circuit switched) 2 Mbs (packet switched)

Start Standardisierung mit EU-Projekt CODIT und FRAMESund WRC-Spektrum-Allokation (ab 1992) erste Version 1999

aber auch GSM-EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)8-PSK R le 384 kbs pro GSM-200 kHz-Kanal IP-Backbone

4G erste Studien (zB OFDM)

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 47

GSM1800 UL

1710 178575 MHz

1805 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 217075 MHz 20 MHz 60 MHz 15 MHz 60 MHz

DECT(TDD)

GSM1800 DL

UMTSTDD

UMTS FDD

UMTSTDD

UMTS FDD

Spektrum Allokation im 2 GHz Band in Europa

5 MHz breite Baumlndermaximale Summenrate im Bereich 2 Mbs Zellradien R lt 500 mFrequenzwiederholabstand = 1 GSM 1-18

Chip-Rate = 384 MChipsBPSKQPSK-Modulation

Wurzel-Raised-Cosine-Puls mit rolloff-Faktor r = 022kohaumlrente Demodulation in DL+UL R=12 (13) Faltungs-Turbocodes

=gt EbN0 = 5 dB fuumlr Sprache GSM CI = 9-12 dBPower Control Frequenz = 1500 Hz GSM 2 Hz oder kleiner

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

13

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 48

Kontrolldaten

Daten mit Rate R2

Daten mit Rate R3

OVSF-Spreizcode 1

OVSF-Spreizcode 2

OVSF-Spreizcode 3Verwuumlrflungscode

Spreizung und Verwuumlrflung von Daten

chip rate chip rate

OVSF-Spreizcodes (channelization code) variabler Spreizfaktor orthogonale Datentrennung im Sender 4 bis 256 Chips lang im DL auch 512 Chips

Verwuumlrflungscode (scrambling code)Benutzertrennung im UL Zell- bzw Sektortrennung im DLGold-Code LFSR der Laumlnge 25 beschraumlnkt auf 10 ms Frame

Sender k

Orthogonal-Variable-Spreading-Factor-Codes

[x]

[x x]

[x -x]

SpreizfaktorSF=n

[1]

[1 1]

SpreizfaktorSF=2n

[1 1 1 1]

[1 1 -1 -1]

[1 -1]

[1 -1 1 -1]

[1 -1 -1 1]

SF=1 SF=2 SF=4 hellip

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 49

verboten einen Code im Unterbaum zu verwenden

Daten 1 SF=4 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 hellipDaten 2 SF=8 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 hellipScrambling 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 hellip

Beispiel

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate

14

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 50

Rahmenstruktur UMTS-FDD-Modus

10 ms oder 38400 Chips

0 1 2 14

6667 μs oder 2560 Chips

UL DPDCH

UL DPCCH

DL DPCH

Data

Pilot TFCI FBI TPC(Kanalschaumltzung) (transport format control identifier) (soft handover) (power control)

6667 μs oder 2560 Chips 10 Bits

6667 μs oder 2560 Chips

Data 1 TPC TFCI Data 2 Pilot

UMTSNTM 200604 Multiplexverfahren Rur 51

Datenraten auf Uplink DPDCHSpreizfaktor Bitrate [kbs] Inforate (R=12 Coding) ca

256 15 75128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

Zeit [ms]

LeistungFrequenz (1 Band)

10 20

Benutzer mit variabler BitrateBenutzer mit konstanter Bitrate