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Laboratorio di El&Tel Caratterizzazione di trasmissioni WCDMA Mauro Biagi - Fabrizio Palma Laboratorio di El&Tel Caratterizzazione di trasmissioni WCDMA Mauro Biagi - Fabrizio Palma

Outline • Spreading del Segnale • Codici di accesso • Despreading e demodulazione • Outline • Spreading del Segnale • Codici di accesso • Despreading e demodulazione • Canali di segnalazione e controllo • Downlink e Uplink • Strumentazione e set-up Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 2

Allocazione di Banda Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 3 Allocazione di Banda Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 3

Dal bit al Chip 3840 Kcps Chip period 0. 2604 ms Caratterizzazione trasmissioni WCDMA Dal bit al Chip 3840 Kcps Chip period 0. 2604 ms Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 4

UN BIT (0 o 1) IN FASE Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina UN BIT (0 o 1) IN FASE Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 5

UN BIT (0 o 1) IN QUADRATURA Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina UN BIT (0 o 1) IN QUADRATURA Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 6

Un BIT IN FASE + Un BIT IN QUADRATURA Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA Un BIT IN FASE + Un BIT IN QUADRATURA Q I Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 7

Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 8 Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 8

De-Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 9 De-Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 9

Variable Spreading Factor Spreading factor (SF) =chip rate/bit rate 475 Kb/s 240 Kb/s 950 Variable Spreading Factor Spreading factor (SF) =chip rate/bit rate 475 Kb/s 240 Kb/s 950 Kb/s Codice 1. 042 ms SF=4 Codice 2. 083 ms SF=8 Codice 4. 167 ms SF=16 Chip period 0. 2604 ms Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 10

orthogonal variable spreading factor (OVSF) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 11 orthogonal variable spreading factor (OVSF) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 11

Uso di spreading factor (OVSF) variabili Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 12 Uso di spreading factor (OVSF) variabili Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 12

Combinazione di più canali SF=8 CODE 1: 0011 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA SF=8 CODE 2: Combinazione di più canali SF=8 CODE 1: 0011 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA SF=8 CODE 2: 00111100 + 3/18/2018 Pagina 13

MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA RISULTATO: 0 MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA RISULTATO: 0 1 13/18/2018 0 1 Pagina 14

MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA RISULTATO: 1 MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA RISULTATO: 1 1 0 3/18/2018 0 1 Pagina 15

30 k 128 30 k*128=3840 k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 16 30 k 128 30 k*128=3840 k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 16

120 k 32 120 k*32=3840 k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 17 120 k 32 120 k*32=3840 k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 17

One of the major differences between W-CDMA and IS-2000 is that W-CDMA supports asynchronous One of the major differences between W-CDMA and IS-2000 is that W-CDMA supports asynchronous base stations, whereas IS-2000 relies on synchronized base stations. With synchronized base stations, all cells (or sectors) can use shifts of the same scrambling code, so that a cell is identified by a unique code phase shift of the scrambling code. On the other hand, without time and frequency synchronization between base stations, using different phases of the same code for scrambling is not sufficient to resolve the code ambiguity in the presence of time ambiguity. Thus, in an asynchronous CDMA system, cells can only be identified by using distinct scrambling codes. Caratterizzazione trasmissioni WCDMA W-CDMA uses 512 downlink primary scrambling 3/18/2018 allowing codes, unique cell identification in every cluster of 512 cells Pagina 18

UN BIT IN FASE + UN BIT IN QUADRATURA Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina UN BIT IN FASE + UN BIT IN QUADRATURA Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 19

SCRAMBLING COMPLESSO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 20 SCRAMBLING COMPLESSO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 20

Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling (SC) permettono di distinguere stazioni radio base Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling (SC) permettono di distinguere stazioni radio base (BTS) e utenti (DL) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 21

Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling permettono di distinguere stazione radio base (BTS) Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling permettono di distinguere stazione radio base (BTS) e utente (UL) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 22

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 23 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 23

The CPICH (Common Pilot CHannel) a continuous loop broadcast of the BTS scrambling code. The CPICH (Common Pilot CHannel) a continuous loop broadcast of the BTS scrambling code. As described earlier, the scrambling code provides identification of the BTS transmission. The UE uses the CPICH as a coherent reference for precise measurement of the BTS time reference, as well as to determine the signal strength of surrounding BTS before and during cell site handover. Since no additional spreading is applied to this signal, it is quite easy for the UE to acquire a lock to this reference. This must occur before any other channels can be received. Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 24

The Synchronization CHannel (SCH) carries two sub-channels, the Primary Synchronization Channel (P-SCH) and Secondary The Synchronization CHannel (SCH) carries two sub-channels, the Primary Synchronization Channel (P-SCH) and Secondary Synchronization Channel (S-SCH). These channels consist of two codes known as Primary Synchronization Code (PSC) and Secondary Synchronization Code (SSC). The PSC is a fixed 256 -chip code broadcast by all W-CDMA BTS. During initial acquisition, the UE uses the PSC to determine if a W-CDMA BTS is present and establish the slot boundary timing of the BS. Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 25

The SSC represents a group, called a code group, of 16 sub-codes, each with The SSC represents a group, called a code group, of 16 sub-codes, each with a length of 256 chips. The BTS transmits these codes in an established order, one SSC sub-code in each time slot of a frame. When a UE decodes 15 consecutive SSC transmissions, it can determine the BTS frame boundary timing, as well as derive information that will aid in the identification of the BTS scrambling code. The SCH is transmitted during the first 256 chips of each time slot while the P-CCPCH (Primary Common Control Physical CHannel) is off (figure 6). Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 26

During the remaining 2304 chips of each slot the PCCPCH is transmitted, which contains During the remaining 2304 chips of each slot the PCCPCH is transmitted, which contains 18 bits of broadcast data (Broadcast Transport Channel (BCH) information) at a rate of 15 kbps. Since the cell’s broadcast parameters message will require more than 18 bits, the broadcast information may span several frames. Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 27

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 28 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 28

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 29 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 29

MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Digital modulation setting MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Digital modulation setting screen Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 30

MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Channel 9 to MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Channel 9 to 12 and Additional Channel Edit screen Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 31

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 32 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 32

MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Scrambling Code Edit MG 3681 A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Scrambling Code Edit screen (Up Link) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 33

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 34 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 34

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 35 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 35

DEMODULAZIONE DEL SEGNALE QPSK Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 36 DEMODULAZIONE DEL SEGNALE QPSK Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 36

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 37 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 37

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 38 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 38

MISURE DI CARATTERIZZAZIONE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 40 MISURE DI CARATTERIZZAZIONE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 40

Adjacent channel interference Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 41 Adjacent channel interference Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 41

Complementary cumulative distribution function Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 42 Complementary cumulative distribution function Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 42

Complementary cumulative distribution function EFFETTO DELLA DELL’AMPLIFICATORE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 43 Complementary cumulative distribution function EFFETTO DELLA DELL’AMPLIFICATORE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 43

ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 44 ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 44

ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 45 ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 45

Simulazione di multipath Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 46 Simulazione di multipath Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 46

MULTIPATH un cavo coassiale, lungo 100 m, simula un cammino multiplo Generatore di Segnali MULTIPATH un cavo coassiale, lungo 100 m, simula un cammino multiplo Generatore di Segnali Analizzatore di Spettro Att. 35 d. B ZN 2 PD 2 Cavo Combinatore Tramite l’Analizzatore Vettoriale di Reti se ne sono caratterizzati i parametri, in particolare il coefficiente di trasmissione S 21, pari≈ -34 d. B Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 47

 • • • Impedenza: 50 Ω Attenuazione ad 1 GHz : 2. 52 • • • Impedenza: 50 Ω Attenuazione ad 1 GHz : 2. 52 d. B/10 m Attenuazione a 100 MHz : 0. 68 d. B/10 m Lunghezza : 100 m Il coefficiente di diminuzione della velocità è pari a k = 0. 66. • Il ritardo di propagazione lungo il cavo coassiale è pari a : Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 48

DL senza cavo, con PCPCH e CPICH Peak EVM: 7, 63% attivi a -6 DL senza cavo, con PCPCH e CPICH Peak EVM: 7, 63% attivi a -6 d. Bm su Ch 1 e Ch 5 DL con e senza cavo con ulteriori 2 canali attivi PN 9 a -20 d. Bm e SF=128 DL con cavo stessi canali attivi EVM più che raddoppiato Peak EVM: 18, 35% Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 49

Misure in DL con e senza interferenza del cavo coassiale Misura in DL senza Misure in DL con e senza interferenza del cavo coassiale Misura in DL senza disturbo con 4 canali attivi i 2 canali di invio informazioni hanno SF=128. Errore per il Ch. 6 molto basso, ~-53 d. Bm Misura ancora in DL senza disturbo con 4 canali attivi è stato abbassato lo SF dei 2 canali di invio dati, come previsto è aumentato l’errore Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 50

Le misurazioni qui riportate si riferiscono alla medesima configurazione di canali, in DL, con Le misurazioni qui riportate si riferiscono alla medesima configurazione di canali, in DL, con Ch. 4 e 6 con SF=32 L’errore per lo stesso canale differisce di ≈ -11 d. Bm MISURA con MULTIPATH Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 MISURA senza MULTIPATH Pagina 51

up link Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 52 up link Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 52

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 53 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 53

G =0, 5 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 G denota la differenza Costellazione in Uplink G =0, 5 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 G denota la differenza Costellazione in Uplink a -20 di potenza tra i due d. Bm senza interferenze. La rotazione di ± 90° dovuta allo canali. scrambling complesso Q La modulazione I / non posiziona semplicemente i con scrambling interessa simboli sugli assi ciò dipende il DPDCH e il DPCCH; il dalla diversa potenza sui due ramo del DPCCH viene canali, dal valore di G diverso da sfasato di 90°( in 1 che non dà la nota quadratura). QPSK Pagina configurazione quadrata 54

Sul Generatore di Segnali è stato impostato come Pattern Selected UL_AMR#(. ), un modello Sul Generatore di Segnali è stato impostato come Pattern Selected UL_AMR#(. ), un modello in uplink che simula l’invio del DPDCH e del DPCCH EVM significativamente maggiore nel secondo caso Costellazione di Simboli in UL, misura effettuata senza banco misura effettuata con il tono di lavoro (toni interferenti) interferente del cavo coassiale Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 55

Una volta Access Channel ( RACH intercettato di riconosciuto dalla Random che il preambolo Una volta Access Channel ( RACH intercettato di riconosciuto dalla Random che il preambolo è stato ) è un canale e trasporto in uplink; BTS, tramite l’ Acquisition Indicator cella complessiva. In addizione mobile è sempre completamente ricevuto dalla Channel (AICH), dall’ unità al ècanale dedicato indella parte del messaggio, di lunghezza pari il RACH possibile l’invio UL, i dati utente possono essere inviati tramite a 10 msec o che è mappato sul Physical Random Access Channel PRACH. 20 msec. Il PRACH ha come caratteristica principale l’invio di preamboli, che precedono la trasmissione dati vera e propria. Tali preamboli parte del messaggio 256 variare da Lo SF per la usano uno SF pari a può e una “signature sequence” di 16 simboli, con una 256 a 32, dipendendo dalle un valore max di lunghezza complessiva di 4096 chips/preambolo. esigenze di trasmissione, ma è prima oggetto di L’operazione RACH dellacomprende il controllo di potenza si Pagina 56 non WCDMA Caratterizzazione approvazionetrasmissioni. UTRA network 3/18/2018 ricorrerà all’ “Open Loop Power Control”

PROCEDURA DEL RANDOM ACCESS CHANNEL sulla BTS Quando la tx dell’AICH avviene dalla BTS, PROCEDURA DEL RANDOM ACCESS CHANNEL sulla BTS Quando la tx dell’AICH avviene dalla BTS, si trasmette il messaggio Il terminale seleziona random uno dei sub-canali del gruppo RACH che la sua classe di accesso può usare. Anche la signature è selezionata in modo random fra tutte le signatures possibili. Il terminale decodifica il BCH (canale di broadcasting) per trovare i subcanali RACH accessibili, il loro SC e signature. Viene misurato il livello di potenza in DL, ed in base ad esso viene settato il livello di potenza del RACH, con un margine appropriato, dovuto al livello di inaccuracy del controllo ad anello aperto

PROCEDURA DEL RANDOM ACCESS CHANNEL sulla BTS Quando la tx dell’AICH avviene dalla BTS, PROCEDURA DEL RANDOM ACCESS CHANNEL sulla BTS Quando la tx dell’AICH avviene dalla BTS, si trasmette il messaggio Il preambolo del RACH inviato in 1 msec con la signature selezionata Il terminale decodifica AICH per capire quale BTS ha intercettato il preambolo Nel caso in cui AICH non venga intercettato, il terminale aumenta la potenza del preambolo in trasmissione, con step dato dalla BTS, come multipli di 1 d. B

I pattern simulano l’invio dei preamboli e l’attribuzione della signature all’utente “virtuale” Il protocollo I pattern simulano l’invio dei preamboli e l’attribuzione della signature all’utente “virtuale” Il protocollo PRE, impostato come “Pattern Selected” evidenzia l’invio di preamboli senza la presenza di alcun pacchetto dati Down-load settato al canale 4

Il protocollo di trasmissione è stabilito dalle normative 3 GPP Con i Patternpattern del Il protocollo di trasmissione è stabilito dalle normative 3 GPP Con i Patternpattern del tipo Con i del tipo C 168 e C 360 si R 168 e R 360 trasmissione visualizza la si visualizza in UL delreale trasmissione in la CPCH [Preambolo Accesso]+[CD Preambolo]+[mex] UL del RACH Preamble + message

PATTERN PRE PATTERN C 168/C 360 INVIO di PREAMBOLI Il motivo della presenza dei PATTERN PRE PATTERN C 168/C 360 INVIO di PREAMBOLI Il motivo della presenza dei due preamboli sta nel fatto che il generatore di segnali simula una comunicazione con l’invio di Waveform Totalun preambolo di accesso, seguito da un preambolo di individuazione di collisione, il quale precederà la trasmissione dell’effettivo messaggio CPCH. Expand waveform di un singolo preambolo Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 61

PREAMBOLO RACH Messaggio (20 msec) Costellazione non agganciata SPETTRO del SEGNALE PATTERN R 168/R PREAMBOLO RACH Messaggio (20 msec) Costellazione non agganciata SPETTRO del SEGNALE PATTERN R 168/R 30 invio del RACH Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 3/18/2018 Pagina 62