Fondamenti di sistemi WCDMA e misure per la caratterizzazione di trasmettitori WCDMA

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1 Fondamenti di sistemi WCDMA e misure per la caratterizzazione di trasmettitori WCDMA Ing. Gianfranco Miele (g.miele@unicas.it) December 11, 2012

2 Caratteristiche generali dei sistemi W-CDMA Il W-CDMA è progettato per permettere a molti utenti di condividere efficientemente la stessa portante RF. è un sistema a divisione di codice (code division multiple access). A differenza del TDMA time division multiple access, nel CDMA, tutti gli utenti trasmettono contemporaneamente. Più utenti possono condividere la stessa risorsa spettrale. Ogni utente, utilizzando un codice unico apparirà come rumore a tutti gli altri utenti, fatta eccezione al ricevitore con cui sta scambiando informazioni. Quindi il termine canale descrive la combinazione frequenza codice.

3 Processo di trasmissione e ricezione CDMA

4 Esempio di comunicazione W-CDMA

5 Pila protocollare W-CDMA Lo strato di rete (layer 3) è basato su quello GSM. Il blocco RLC block è responsabile del trasferimento dati provenienti dai livelli superiori. Il MAC è responsabile della mappatura dei canali logici sui canali di trasporto. Il physical layer mappa i canali di trasporto sui canali fisici e svolge tutte le funzioni a RF affinchè il sistema possa funzionare correttamente.

6 Struttura base del reverse link W-CDMA

7 Codici OVSF Lo spreading factor (SF) può essere uguale a 4, 8, 16, 32, 64, 128, or 256, in corrispondenza di bit rate da 960 kbps a 15 kbps. Ogni codice viene indicato con C ch,sf,n. Per esempio, C ch,4,2 significa channelization code, SF = 4, code number 2.

8 Scrambling complesso

9 Scrambling complesso

10 Scrambling complesso

11 Scrambling complesso

12 Scrambling complesso Anche il segnale dopo lo scrambling presenta una costellazione QPSK.

13 Scrambling complesso

14 HPSK (Hybrid Phase Shift Keying) I sistemi W-CDMA usano l HPSK, noto anche come Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (OCQPSK), per ridurre il PAR del segnale in uplink. L HPSK è una variante dello scrambling complesso che elimina lo zero-crossing per ogni secondo punto della chip sequence. Viene realizzato usando delle specifiche sequenze di scrambling e scegliendo specifici codici di spreading ortogonali.

15 HPSK (Hybrid Phase Shift Keying) Il segnale di scrambling è composto dalla ripetizione in sequenza di rotatori di Walsh, I s = W 0 = (1,1) e Q s = W 1 = (1,-1). Si usano solo OVSF pari. Queste sequenze sono composte da coppie di bit uguali. Due chip points consecutivi, il primo viene ruotato di +45, il secondo invece di -45, assicurando che siano distanziati di 90 nella costellazione finale. Di conseguenza la transizione tra essi non prevederà un passaggio per lo zero.

16 HPSK (Hybrid Phase Shift Keying) Constellation without HPSK Constellation with HPSK

17 HPSK (Hybrid Phase Shift Keying) L HPSK elimina le 0 phase shift transitions per ogni secondo punto della sequenza di chip. Questa transizione avviene quando due punti consecutivi si trovano allo stesso punto della costellazione. Questo causa una sovraelongazione nella traiettoria che incrementa il PAR del segnale. L HPSK forza transizioni a 90 tra due punti consecutivi, minimizzando le 0 phase transitions.

18 Primary PN scrambling code La primary PN scrambling code PN viene applicata ai segnali I e Q finali, permettendo l identificazione dell UE e la correlazione al ricevitore. La sequenza PN è la stessa per la I e la Q e non influenza il numero delle transizioni a 90. La PN scrambling code può anche essere direttamente moltiplicata alle componenti I e Q prima dello scrambling complesso.

19 Primary PN scrambling code La sequenza PN non altera il numero delle transizioni a 90.

20 Secondary PN scrambling code Una secondary PN spreading code (P) decimata viene moltiplicata alla componente Q del rotatore di Walsh rotator, W 1 =(1,-1). P è la versione decimata della PN sequence avente un tasso pari al chip rate. P rende la direzione della rotazione di fase casuale lasciando la differenza di fase di 90 tra due punti consecutivi.

21 Secondary PN scrambling code La secondary PN sequence decimata (P) rende casuale la direzione della rotazione di fase.

22 Misurazioni in banda / nel canale Misurazioni nel dominio della modulazione Vettore errore QPSK EVM Composite EVM Symbol EVM Rho Code domain power

23 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - QPSK EVM Nei sistemi W-CDMA la costellazione risultante dipende dalla configurazione del canale fisico. La costellazione tipicamente non assomiglia ad una QPSK, o ad una qualsiasi altra costellazione conosciuta, eccetto per alcune specifiche configurazioni del canale. Ad esempio, un segnale con un singolo DPDCH (o un singolo DPCCH) produce una costellazione QPSK. Un segnale con un DPDCH e un DPCCH aventi la stessa ampiezza produce una costellazione QPSK ruotata di 45. Si può utilizzare le misure che coinvolgono il vettore errore per valutare la qualità del processo di modulazione, solamente nel caso in cui viene trasmesso un singolo DPDCH, un singolo DPDCH, o entrambi allo stesso livello di ampiezza. Segnali più complessi non possono essere analizzati con queste misure.

24 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - QPSK EVM

25 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - composite EVM Generalmente non ci si trova ad operare nelle condizioni descritte in precedenza, ma siamo interessati ad una analisi della qualità della modulazione per ogni configurazione di canale.

26 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - composite EVM Valutazione della qualità della modulazione di un trasmettitore nel caso di segnale multi canale. Rilevamento di errori di spreading o di scrambling. Rilevamento di problemi tra la sezione in banda base e quella RF. Analisi di errori che potrebbero causare alte interferenze sul segnale.

27 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - symbol EVM

28 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - Rho obiettivo: valutare la qualità di modulazioni numeriche a divisione di codice (CDMA); definizione: rapporto tra la potenza correlata e la potenza complessiva del segnale trasmesso, caratterizzato da un solo codice (un solo canale); procedura: la potenza correlata è calcolata rimuovendo gli offset in frequenza, in fase e nel tempo e calcolando la mutua correlazione fra il segnale misurato e quello di riferimento (ideale); strumentazione: VSA, analizzatore di spettro dotato di specifica measurement personality.

29 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - Rho potenza correlata potenza complessiva Il valore di rho è tanto più elevato quanto maggiore è il grado di somiglianza tra il segnale trasmesso e quello ideale. Poiché la potenza non correlata si manifesta come interferenza, bassi valori di rho compromettono la capacità di una cella nei sistemi radiomobili.

30 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - Potenza nel dominio dei codici obiettivo: verificare se la stazione base sta trasmettendo la potenza prevista sui canali attivi (differenti codici) oppure sta trasmettendo anche sui canali inattivi, generando interferenza con altri utenti; definizione: potenze associate alle diverse componenti (caratterizzate da diversi codici) di un segnale in banda base in modulazione CDMA; procedura: le diverse componenti in banda base sono separate sfruttando l ortogonalità tra i codici; strumentazione: VSA, analizzatore di spettro dotato di specifica measurement personality.

31 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) - Potenza nel dominio dei codici La potenza associata ai vari canali può essere valutata solo dopo la loro decodifica.

32 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) è una misura della prestazioni di un trasmettitore. È definita come il rapporto tra la potenza trasmessa e la potenza ricevuta nel canale adiacente RF dopo un filtro ricevitore. ACS (Adjacent Channel Selectivity) è una misura delle prestazioni di un ricevitore. È definita come il rapporto dell attenuazione del filtro ricevitore sul canale RF assegnato e l attenuazione del filtro sulle frequenze dei canali adiacenti. ACIR (Adjacent Channel Interfering Ratio) è una misura di prestazione di tutto il sistema. È definita come il rapporto tra la potenza totale trasmessa da una sorgente (BS or UE) e la potenza interferente causata dalle imperfezioni del trasmettitore e del ricevitore, che influenza il ricevitore vittima. Questi parametri sono legati dalla seguente relazione