Module 16 : 통신시스템소개 김재석교수 ( 연세대학교 )
( 모듈 16) 목차 통신시스템개요 CDMA 기반통신시스템 CDMA 기반통신시스템개요 2 세대이동통신시스템 : IS-95 3 세대비동기식시스템 : W-CDMA 3 세대동기식시스템 : cdma2000 OFDM 기반통신시스템 OFDM 기반통신시스템개요 Wireless LAN 시스템 Digital Audio Broadcasting (DAB) 시스템 Digital Video Broadcasting (DVB) 시스템 2
통신시스템개요 디지털통신시스템의기본구성 Source coding 주파수, 시간등의통신자원을효율적으로사용하기위한 데이터압축블록 Channel coding 전송채널의영향으로인한에러발생율을감소시키거나, 수신단에서복원하기위한블록 Multiplexing 다수의사용자들이통신자원을공유하기위한다중접속처리블록 Modulation 전송데이터를송신채널특성에맞는반송파에실어전송하는블록 Channel 출력단자혹은안테나를떠난신호가또다른입력단자 / 안테나에도달하는전송로 3
통신시스템개요 디지털통신시스템블록도 Information Source Source Channel Multiple Decoder Encoder Encoder Access Modulator Channel (wire,air, Optical) Information Recovered Source Decoder Channel Decoder Multiple Access Demodulator Source compression Channel codec for error control Multiplexing Modem 블록을구성하는방식에따라여러가지통신시스템존재 이동통신 : CDMA 기반통신시스템중심 데이터통신 : OFDM 기반통신시스템중심 4
CDMA 기반통신시스템개요 Code Division Multiple Access 주파수대역확산 (Spread Spectrum) 기술을응용하여개발한부호분할다중접속방식의디지탈셀룰라시스템 보내고자하는신호를그신호의주파수대역보다아주넓은주파수대역으로확산시켜, 여러사용자가같은주파수를공유하면서서로다른부호를사용하여신호를구분하고송수신할수있는시스템 CDMA 방식의특징 대용량 고품질서비스제공가능 높은보안성 고품질의데이터서비스제공가능 저전력 / 소형경량화가능 5
Spread Spectrum System(1) Jamming 에대항하기위한군사통신용으로처음사용 신호를전송하는데필요한최소대역폭보다매우큰전송대역폭이용 확산은데이터에독립적인확산신호이용 정보를확산시키는데사용한확산신호와동기화된수신기자체확산신호사이의동기화를통해데이터복원 6
Spread Spectrum System(2) 장점 방해파억압 (anti-jamming) 효과 높은보안성 다중접속 분류 CDMA(Code Division Muliple Access) 1) Direct Sequence(DS). 2) Frequency Hopping(FH). 3) Time Hopping(TH). 7
Spread Spectrum System(3) RF Digital Waveform W PN code signal * Wss Sinusoidal Carrier Digital Waveform Demodulator Filter PN code signal * Sinusoidal Carrier * Identical and Synchronized in Time 8
PN(Pseudonoise) Sequence 알고있는사람에게만의미가있고, 그렇지않으면잡음처럼보이는신호 Randomness 특성을만족하는 deterministic/periodic binary sequence. Randomness 특성 3 가지 : 1) Balance 특성 : - 각주기내에서 0 과 1 의개수가같거나최대로 1 만차이가남. 2) Run 특성 : - 모든 run length( 같은 type의 digit sequence) 의 half : length 1, 1/4 : length 2, 1/8 : length 3 3) Correlation 특성 : - Random sequence 를 shift 시켜서원래 sequence 와비교하면 (modulo-2), agreement와 disagreement의숫자가최대로 1까지만차이가남. 9
PN autocorrelation functions R x ( τ ) = where, K R(r) 1 K = 1 T 1 T 0 0 2 0 T x ( t ) x ( t + τ ) dt 2 0 T T T 0 0 2 2 x( t) 2 dt X(t) : PN code waveform T 0 : period +1 P = 2 n -1 Period in number of chips 0 r -1 Normalized chip duration = 1-1/p 10
CDMA 기반통신시스템기술발전 CDMA 기반통신시스템기술발전 2 세대 CDMA 기반통신시스템 IS-95 95, IS-95A 95A, IS-95B 2.5 세대 CDMA 기반통신시스템 IS-2000(1X) 3 세대 (IMT-2000) CDMA 기반통신시스템 동기식 : cdma2000, cdma2000 1x, cdma2000 1xEV-DO, cdma2000 1xEV-DV 비동기식 : W-CDMA 11
CDMA 기반통신시스템기술발전 2 세대 /3 세대비교 구분 2G 2.5G 3G 주파수대역 824~849MHz849MH 1.75~1.75GHz 1 75GH 1.885~2.025GHz 869~894MHz 1.84~1.87GHz 2.110~2.200GHz 총 50M 총 230M 총 380M 이론적전송속도 19.2kbps 115kbps 153k~4.8Mbps 실제평균전송속도 9.6~19.2kbps 20~40kbps 60~300kbps 음성보코더 8kbps(EVRC) 13kbps 13kbps 8~32kbps 대역폭 1.25MHz 5/10/20MHz 제공서비스음성위주저속데이터고속멀티미디어 12
IS-95 CDMA System 1988 년 CTIA 의 2 세대 Cellular system 요구사항을만족시키기위해 Qualcomm사에서개발시작. ( 당시군사용으로쓰이던 CDMA 기술의상용화첫걸음 ) 1991 년 12 월, proto-type system 을만들어 field trial. 1993년 7월, IS-95 잠정규격으로확정됨. 1993 년말, MSM1.0(Mobile System Modem) & BBA1.0(BaseBand Analog) ASIC 개발완성. 1995년여름, MSM2.0 & BBA2.0 ASIC 개발. 삼성, LG, 현대, Motorola에서상용시스템개발. 1995년 3월 & 8월, ETRI에서 MSM1.0 & BBA1.0 ASIC 개발 1996 년 1 월, 한국에서상용서비스시작. 1999년 10월, IS-95B 서비스시작. 2000년 10월, CDMA2000(IS-95C) 서비스시작 13
IS-95 CDMA System 의특징 (1) Direct-Sequence Spread Spectrum 기술사용. PN code 로 data 를직접 spreading Correlator 를사용하여 despreading 수행. Open loop & closed loop control 방식의전력제어. Open loop power control : MS가수신신호의크기를측정하여자신의송신전력을수 usec 이내에조절하는기능 (85dB dynamic range). Closed loop power control : Cell site 가 MS 로부터수신신호를측정하고, 매 1.25 msec 단위로 power-up/down command 를보내는것 (0.5 db step). Capacity 및 quality 에절대적인영향을미침. Extensive diversity 사용 : Path diversity : Rake receiver 구조를사용하여독립적인 multiple signal path 를 tracking함. Time diversity : Symbol interleaving 과 error correction code(conv.encoder) 사용. 14
IS-95 CDMA System 의특징 (2) Variable rate vocoder(qcelp) 사용 : 8Kbps 기본의 4가지 rate(8k, 4K, 2K, 1K,) CELP vocoder 사용. 비밀보호의확실성 : SS 고유특성및 authentication 사용으로혼선, 도용방지. Soft Handoff 사용 : Handoff(Cell간이동 ) 시양쪽 cell에서동시에 tracking함으로 drop call 확률을낮춤. Make-before-break switching 기능 Frequency reuse & Sectorization : 대부분의 cell 에서모든 channel 사용가능. Sector 구분 (120 degree) 사용. High capacity : 이론적으로 analog system보다 10~15배용량. 현재, 실제적으로는 3~5배정도임. 새로운 Feature 를첨가하기가용이함. Fax protocol, ISDN 접속등 ASIC chip 을사용함으로인한작은크기, 저가격화. 15
IS-95 CDMA Concept 10kHz 1.25MHz 1.25MHz 10kHz DATA (9.6kbps) PN SOURCE DATA 0 f o f 0 o WIDEBAND SPECTRUM CORRELATOR BPF BPF DIGITAL FILTER ENOCDING & INTERLEAVING 1.228Mbps 125MH 1.25MHz 125MHz 1.25MHz 1.228Mbps DEINTERLEAVE &DECODE PN SOURCE DATA CARRIER 1.25MHz CARRIER 1.25MHz f o f o f o BACKGROUND EXTERNAL OTHER CELL(IOC) OTHER USER NOISE INTERFERENCE INTERFERENCE NOISE(ISC) f o f o 16
3 세대 CDMA 이동통신시스템 동기식과비동기식시스템비교 비교항목 동기식 ( 북미방식 ) : cdma2000 비동기식 ( 유럽방식 ) : W-CDMA 공통점 교환망 무선구간 ( 기지국과단말기간통신 ) 에서 CDMA 기술사용 - 북미방식기술사용 - 유럽방식기술사용 : ANSI-41 : GSM-MAP 차이점 기지국 -GPS 를통한동기화 -1.25MHz 단위주파수 -IS-95A/B와호환 - 네트웍자체적인동기화 -5MHz 단위주파수 -호환기술없음 -1.25MHz 단위주파수 -5MHz 단위주파수 단말기 - 기존서비스지역에서사용가능 - 기존 GSM, CDMA 서비스지역에서사용불가 17
cdma2000 시스템 IS-2000(1x, 3x) Supplemental 채널을통한고속데이터전송 다중반송파를이용하여고속데이터전송 (MC-CDMA) 1x1 는 2002 년상용화, 3x 는 1xEV 의부각으로상용화불투명!! 1xEV-DO (HDR) Data-only Service TDM 전송방식을사용 (IS-2000 과별개의사양 ) QPSK ~ 16QAM 까지전송채널환경 (BER) 에따라가변 1xEV-DV Data-and-Voice Service 1xEV-DO + IS-2000 IS-2000 과호환성유지 18
cdma2000 시스템비교 IS-2000 1xEV-DO (HDR) 1xEV-DV 목적 - 고속데이터통신 - 고품질음성통신 - 멀티미디어통신 - 고속데이터통신 : 무선인터넷전용서비스 - IS-2000 사양과별개의새로운사양 -1xEV-DO 사양에음성통신서비스를추가 - IS-2000 사양과호환성을유지 Max. Data Rate - 153.6Kbps(1x) - 2Mbps (3x) 153.6Kbps 1~2Mbps Mod. QPSK QPSK~16QAM QPSK~16QAM 전송기법 - Packet/Circuit 전송 - 채널동시전송 - Packet 전송 - 채널을 TDM 전송 - IS-2000 과동일 - 고속데이터전송시시분할적으로사용자들이데이터전송 Coding rate 1/2, 1/3, 1/4 1/2, 1/3, 1/4 1/2, 1/3, 1/4 User 구분 Long Code Time Slot Long Code Status - 1x 상용화 (2002 년 ) - 3x 상용화불투명 표준화완성 표준화진행 19
cdma2000 시스템설계 issue IS-2000(MC-CDMA) Many rake receivers in mobile station : H/W costs Spreading gain FIFO depth H/W costs 1xEV-DO Acquisition : Discontinuous transmission of Pilot channel Channel estimation, frequency error correction, and timing i error correction by burst Pilot channel Equalizer design for 8PSK, 16QAM (H/W와 S/W 분할필요 ) 1xEV-DV Equalizer design for 32QAM and 64QAM Multi-user detection in base station 20
W-CDMA 시스템 Flexible support of new multimedia services Mixed service, variable-rate services, and packet mode Improvement of basic capacity/coverage performance High bandwidth, coherent(uplink), fast power control(both up- and down link) Support of interfrequency handover Hierarchical cell structures and seamless interfrequency handover(using idle time) Support of adaptive antenna arrays using dedicated pilot symbols Asynchronous base stations 21
시스템 Parameters Standard Spec Multiplexing type CDMA-2000 W-CDMA 1xEV-DO 1xEV-DV CDMA/ CDMA CDMA+TDMA CDMA+TDMA MC-CDMA (FDD/TDD) Service Data and voice Data and voice Data only Data and voice Maximum data rate Single carrir: 230.4 kbps Three carrier: 1.0368 Mbps 2 Mbps 153.6 Kbps 1.024 Mbps ~2 Mbps Data modulation BPSK QPSK BPSK~16QAM BPSK~16QAM Frame size 5, 20 ms 10 ms 26.666666 ms 20 ms Coding rate 1/2, 1/3, 1/4 1/2, 1/3 1/2, 1/4 1/2, 1/3, 1/4 User identification Long code Long code Time slot Long code 22
OFDM System 개요 (1) OFDM 기술 CDMA 의경우, 고속의데이터전송시의문제점 Chip 간간섭이증가 하드웨어복잡도급격히증가 다중사용자간섭으로인한사용자의용량제한 무선통신채널환경에서데이터전속에적합한다중반송파방식 1-tap 등화기로다중경로에의한주파수선택적페이딩대처 상호직교성을갖는복수의반송파사용 주파수이용효율증대 변복조과정이 IDFT/DFT 과정으로구현 IFFT/FFT 고속구현가능 여러표준에서표준으로채택되거나고려중 채택 : IEEE 802.11a (WLAN), IEEE 802.16a/d (BWA), DAB/DMB, DVB-T 진행 : IEEE 802.15.3a 23
OFDM System 개요 (2) Frequency Division Multiplexing x 0 () t x1( t) x () t xn 1 () t 할당된전체 bandwidth를여러개의채널로주파수분할하여 Data를병렬로전송하는 System 분할된채널수만큼의 bandpass filter와 oscillator가필요 24
OFDM System 개요 (3) Orthogonal Frequency Division Multiplexing 각 Subcarrier 가직교하도록주파수분할 f 0 f 0 X 0 X 1 1 f 1 f f 2 f 2 X 2 f f 3 3 f X 3 X 0 X X 1 2 X 3 Orthogonal Subcarriers T s T sym = NT s f 0 f 1 f N-1 f f 2 25
OFDM System 개요 (4) OFDM System 장점 광대역고속전송에유리 병렬전송 전송심볼의길이증가 ( 부반송파수 ) 보호구간삽입 ISI 의영향을제거 각 Subcarrier 채널영향 Flat channel로근사화 1-tap 등화기 간단한채널왜곡보상 주파수효율 인접반송파간직교 인접대역간섭 X, 대역폭효율증가 OFDM System 단점 FFT/IFFT 구조사용 시간및주파수동기에민감, 복잡도와비용증가 높은 PAPR 파워엠프의효율저하, Device 구동범위증가 Nonlinear Distortion 증가 26
OFDM System 개요 (5) Baseband model of the OFDM System Transmitter X[k] 채널코딩 변조 S/P IFFT size N P/S Cyclic Prefix x[n] 시스템이나전송속도에따라다양한 parameter 가짐 h[n] Multipath channel Receiver w[n] X[k] 채널디코딩 복조 S/P FFT size N S/P Remove Cyclic Prefix Y[k] y[n] 27
OFDM 기반통신시스템 시스템주요 Parameters 비교 항목 무선랜 (802.11a) BWA (802.16a) DAB (Euraka-147) DVB-T 반송파수 52 52~1850 192~1536 1075/6817 FFT 크기 64 64~2048 256~2048 2048/8192 심볼주기 (us) 4.0 4.0~369.6 6 156~12461246 231~280/ 924~1120 보호구간 (us) 0.8 0.8~11.2 31~246 7~56/28~224 사용대역 5~6GHz 5~6GHz VHF~UHF VHF~UHF 채널코딩 Convol. Code 1/2 ~ 3/4 C.C + R.S 1/2 ~ 3/4 Convol. Code 1/4 ~ 3/4 C.C + R.S 1/2 ~ 7/8 변조방식 BPSK/QPSK QAM(16,64) QPSK QAM(16,64) DQPSK QPSK QAM(16,64) 전송률 (Mbps) 6~54 1.7~61.7 0.6~1.7 4.98~31.67 28
IEEE 802.11a System(1) IEEE 802.11a WLAN Information data rate Modulation Error Correction Code 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 and 54 Mbit/s (6, 12 and 24 Mbit/s are mandatory) BPSK-OFDM QPSK-OFDM 16QAM-OFDM 64QAM-OFDM K=7 (64 states) Convolutional code Coding rate 1/2, 2/3, 3/4 Number of subcarriers 52 OFDM symbol duration Guard interval Occupied Bandwidth 4.0 us 0.8 us 16.66 MHz 29
IEEE 802.11a System(2) IEEE 802.11a 무선모뎀블록도 Data Rate Modulation Coding rate R Coded bits per subcarrier N BPSC Coded bits per OFDM symbol N CBPS Data bits per OFDM symbol N DBPS 6Mbit/ Mbit/s BPSK 1/2 1 48 24 9 Mbit/s BPSK 3/4 1 48 36 12 Mbit/s QPSK 1/2 2 96 48 18 Mbit/s QPSK 3/4 2 96 72 24 Mbit/s 16QAM 1/2 4 192 96 36 Mbit/s 16QAM 3/4 4 192 144 48 Mbit/s 64QAM 2/3 6 288 192 54 Mbit/s 64QAM 3/4 6 288 216 30
DAB 시스템 Digital Audio Broadcasting 시스템 기존의 AM, FM 라디오방송을대체하는시스템 CD 수준의고품질오디오서비스와부가데이터서비스제공 OFDM 전송방식사용으로인해단일주파수망 (SFN) 구현 지역적경계없이단일주파수를사용하여방송 Eureka-147 DAB 시스템 ITU-R 의 Digital System A 고효율음성부호화인 MPEG 계층 II 사용 COFDM 변조방식사용 1.5MHz 전송대역폭 전송모드 I,II,III,IV 의 4 가지전송모드정의 31
Eureka-147 DAB 시스템 전송모드에따른시스템 Parameters 비교 전송모드 I II III IV 반송파주파수 < 375MHz < 1.5GHz < 3GHz < 1.5GHz 부반송파수 1,536 384 192 768 보호구간길이 246us 62us 31us 123us 유효심볼길이 1ms 256us 125us 500us 프레임길이 96ms 24ms 24ms 48ms 변조방식샘플링주파수시스템대역폭 DQPSK 2.048MHz 1.536MHz 유효데이터율 08~ 0.8 17Mbps 1.7 32
Eureka-147 DAB 시스템 Eureka-147 DAB 시스템블록도 Scrambler Convolu. Encoder/ Puncturer Time QPSK Freq. DQPSK Interleaver (mod) Interleaver (mod) IFFT Channel Descrambler Convolu. Decoder/ Depuncturer Time deinterleaver QPSK (demod) Freq. deinterleaver DQPSK (demod) FFT 33
DVB-T 시스템 비디오형식 SDTV ( 화면비 4:3, 주사선 625) HDTV ( 화면비 16:9, 주사선 1080) 비디오압축 MPEG-2 MP@ML (MPEG-2 MP@HL 옵션 ) 오디오압축 MPEG-2 BC (CD 품질, 5.1 채널 ) Packetized Data Transport MPEG-2 Transport Transmission Coded OFDM ( 연접에러정정 ) 2K 및 8K-point IFFT/FFT 34
DVB-T 시스템 DVB-T 송신블록도 Video Coder Audio Coder Data Coder 1 n Splitter MUX Scrambler MUX Scrambler Outer coder Outer coder Outer Interleaver Outer Interleaver Inner coder Inner coder Inner Interleaver Mapper Frame Adaption IFFT 35
Summary 통신시스템개요이해 CDMA 기반통신시스템개념이해 2G, 3G 통신시스템비교 CDMA 기반통신시스템별주요개념및파라미터정리 OFDM 통신기법개념이해 OFDM 기반통신시스템비교 OFDM 기반통신시스템별주요개념및파라이터정리 36
( 모듈 16) 참고문헌 이동통신용모뎀의 VLSI 설계,p32~68, p127~221 김재석, 조용수, 조중휘 IEEE 802.11 WG, part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High-speed Physical Layer in the 5 GHZ Band, supplement to IEEE 802.11 Standard, sep 1999 Marc Engels, Wireless OFDM Systems, Kluwer Academic Publishers, 2002 김재석, 조용수, 조중휘, 이동통신용모뎀의 VLSI 설계, 대영사, 2002 37