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

Despreading e demodulazione Canali di segnalazione e controllo 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 27/03/2017

Allocazione di Banda Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Dal bit al Chip 3840 Kcps Chip period 0.2604 ms Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Q I UN BIT (0 o 1) IN FASE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Q I UN BIT (0 o 1) IN QUADRATURA Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Q I Un BIT IN FASE + Un BIT IN QUADRATURA Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

De-Spreading Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Variable Spreading Factor Spreading factor (SF) =chip rate/bit rate Codice 2.083 ms 475 Kb/s Codice 4.167 ms 240 Kb/s 950 Kb/s Codice 1.042 ms SF=4 SF=8 SF=16 Chip period 0.2604 ms Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

orthogonal variable spreading factor (OVSF) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Uso di spreading factor (OVSF) variabili Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Combinazione di più canali + SF=8 CODE 2: 00111100 SF=8 CODE 1: 00110011 Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA RISULTATO: 0 1 1 0 1 27/03/2017

MOLTIPLICAZIONE CHIP A CHIP E INTEGRAZIONE PER SINGOLO PERIODO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017 RISULTATO: 1 1 0 0 1

30k 128 30k*128=3840k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

120k 32 120k*32=3840k Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

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. W-CDMA uses 512 downlink primary scrambling codes, allowing unique cell identification in every cluster of 512 cells Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

UN BIT IN FASE + UN BIT IN QUADRATURA Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

SCRAMBLING COMPLESSO Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling (SC) permettono di distinguere stazioni radio base (BTS) e utenti (DL) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Spreading factor (OVSF) e codici di scrambling permettono di distinguere stazione radio base (BTS) e utente (UL) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

This must occur before any other channels can be received. 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 27/03/2017

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 27/03/2017

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 27/03/2017

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 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Example measurement setting screen: Digital modulation setting screen MG3681A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Digital modulation setting screen Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

MG3681A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Channel 9 to 12 and Additional Channel Edit screen Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

MG3681A Digital Modulation Signal Generator Example measurement setting screen: Scrambling Code Edit screen (Up Link) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

DEMODULAZIONE DEL SEGNALE QPSK Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

MISURE DI CARATTERIZZAZIONE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Adjacent channel interference Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Complementary cumulative distribution function Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Complementary cumulative distribution function EFFETTO DELLA DELL’AMPLIFICATORE Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

ACCURATEZZA DI MODULAZIONE error vector magnitude (EVM) Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Simulazione di multipath Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

un cavo coassiale, lungo 100m, simula un cammino multiplo MULTIPATH un cavo coassiale, lungo 100m, simula un cammino multiplo Generatore di Segnali Analizzatore di Spettro Att.35dB Cavo ZN2PD2 Combinatore Tramite l’Analizzatore Vettoriale di Reti se ne sono caratterizzati i parametri, in particolare il coefficiente di trasmissione S21, pari≈-34 dB Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Attenuazione ad 1 GHz : 2.52 dB/10m Impedenza: 50 Ω Attenuazione ad 1 GHz : 2.52 dB/10m Attenuazione a 100 MHz : 0.68 dB/10m 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 27/03/2017

DL senza cavo,con PCPCH e CPICH attivi a -6 dBm su Ch1 e Ch5 Peak EVM: 7,63% DL con cavo stessi canali attivi EVM più che raddoppiato DL con e senza cavo con ulteriori 2 canali attivi PN9 a -20 dBm e SF=128 Peak EVM: 18,35% Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

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 dBm 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 27/03/2017

L’errore per lo stesso canale differisce di ≈ -11 dBm 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 dBm MISURA con MULTIPATH Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017 MISURA senza MULTIPATH

up link Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

G =0,5 G denota la differenza di potenza tra i due canali. La modulazione I / Q con scrambling interessa il DPDCH e il DPCCH; il ramo del DPCCH viene sfasato di 90°( in quadratura). Costellazione in Uplink a -20 dBm senza interferenze. La rotazione di ±90° dovuta allo scrambling complesso non posiziona semplicemente i simboli sugli assi  ciò dipende dalla diversa potenza sui due canali, dal valore di G diverso da 1 che non dà la nota configurazione quadrata QPSK Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

EVM significativamente maggiore nel secondo caso 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 di lavoro (toni interferenti) Costellazione di Simboli in UL, misura effettuata con il tono interferente del cavo coassiale Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Una volta che il preambolo è stato intercettato e riconosciuto dalla BTS, tramite l’ Acquisition Indicator Channel (AICH), dall’ unità mobile è possibile l’invio della parte del messaggio, di lunghezza pari a 10 msec o 20 msec. Random Access Channel ( RACH ) è un canale di trasporto in uplink; è sempre completamente ricevuto dalla cella complessiva. In addizione al canale dedicato in UL, i dati utente possono essere inviati tramite il RACH che è mappato sul Physical Random Access Channel PRACH. Il PRACH ha come caratteristica principale l’invio di preamboli, che precedono la trasmissione dati vera e propria. Tali preamboli usano uno SF pari a 256 e una “signature sequence” di 16 simboli, con una lunghezza complessiva di 4096 chips/preambolo. Lo SF per la parte del messaggio può variare da un valore max di 256 a 32, dipendendo dalle esigenze di trasmissione, ma è prima oggetto di approvazione della UTRA network L’operazione RACH non comprende il controllo di potenza  si ricorrerà all’ “Open Loop Power Control” Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

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 sub-canali 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,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 dB

Down-load settato al canale 4 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 3GPP Con i Pattern del tipo C168 e C360 si visualizza la trasmissione in UL del CPCH[Preambolo Accesso]+[CD Preambolo]+[mex] Con i pattern del tipo R168 e R360 si visualizza la reale trasmissione in UL del RACH Preamble + message

PATTERN C168/C360 PATTERN PRE 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 un preambolo di accesso, seguito da un preambolo di individuazione di collisione, il quale precederà la trasmissione dell’effettivo messaggio CPCH. Total Waveform Expand waveform di un singolo preambolo Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017

Costellazione non agganciata PREAMBOLO RACH Messaggio (20 msec) Costellazione non agganciata SPETTRO del SEGNALE PATTERN R168/R30invio del RACH Caratterizzazione trasmissioni WCDMA 27/03/2017