Bezprzewodowe sieci dostępowe

Ćwiczenie laboratoryjne nr 2

WLL - badanie jakości łącza punkt-wielopunkt w systemie IRT2000

1. Celem ćwiczenia jest prezentacja zasady działania bezprzewodowej pętli abonenckiej na przykładzie systemu radiowego punkt-wielopunkt IRT2000 firmy Lucent.

2. Wprowadzenie

Pętlą abonencką określa się wszystkie elementy sieci znajdujące się pomiędzy centralą a końcowym uŜytkownikiem. Ogólny schemat pętli abonenckiej z wyróŜnionymi częściami transmisyjną oraz dostępową pokazano na rys.1.

łoRys.1. - Podstawowe elementy pętli abonenckiej

Jedna z definicji określa bezprzewodową pętlę abonencką (WLL – Wireless Local Loop) jako system, który łączy końcowego uŜytkownika z publiczną komutowaną siecią telefoniczną, uŜywając sygnałów radiowych jako substytutu miedzianego łącza przewodowego [1/3]. Gdy część dostępowa zrealizowana jest w sposób bezprzewodowy, rolę koncentratora pełnić moŜe stacja bazowa. Bezprzewodowe pętle abonenckie, nazywane takŜe radiowymi sieciami dostępowymi, wypełniają obszar na pograniczu sieci stałej i systemów radiokomunikacji ruchomej. Ze względu na stosunkowo niskie koszty inwestycji, systemy bezprzewodowych pętli abonenckich są chętnie instalowane na obszarach niskozurbanizowanych. Realizacje bezprzewodowych pętli abonenckich bazują w znacznym stopniu na rozwiązaniach znanych z systemów komórkowych. Zasadnicza róŜnica polega na tym, Ŝe systemy komórkowe projektowane są według wypracowanych standardów takich, jak IS-95 (CDMA), IS-136 (TDMA) lub GSM. Natomiast systemy WLL mogą być budowane zgodnie z własnymi standardami dopasowanymi dla potrzeb konkretnego klienta. Istotną wadą bezprzewodowych pętli abonenckich jest ograniczona mobilność uŜytkowników. O ile od systemów komórkowych wymaga się obsługi nieograniczonego przemieszczania się uŜytkowników, to systemy WLL dopuszczają mobilność tylko w obszarze pokrytym przez daną stację radiową. Jedną z realizacji bezprzewodowej pętli abonenckiej jest budowa kilku niezaleŜnych łączy typu punkt-punkt, które zastępują transmisję rozsiewczą właściwą dla innych konfiguracji WLL. Rozwiązanie takie nosi nazwę punkt-wielopunkt (PMP – point-multipoint). Systemy PMP pracujące w pasmie 1.5÷2.4GHz stały się dość popularne w Polsce od połowy lat 90-tych. Zgodnie z obowiązującym prawem telekomunikacyjnym do końca 2007 operatorzy

systemów PMP byli zobowiązani do opuszczenia pasm otwartych i przejścia do zakresów licencjonowanych. W tym przypadku zarezerwowano pasmo 3.4÷3.6GHz. Głównym powodem było spełnienie norm europejskich, ale takŜe przyczyny natury technicznej takie, jak duŜy poziom zakłóceń i niewielka dopuszczalna, nadawana moc do 20dBm w pasmie ISM2.4GHz. Łącza w systemach PMP mają przepływność od 2 do 4Mbit/s. Najczęściej wykorzystuje się wielodostęp ze zwielokrotnieniem czasowym TDM/TDMA, a uŜytkownicy korzystają z kanałów transmitujących sygnał mowy w standardzie PCM 64kbit/s lub ADPCM 32kbit/s. Systemy PMP charakteryzują się duŜą pojemnością oraz moŜliwością podłączenia do tradycyjnej centrali telefonii publicznej, a takŜe do sieci ISDN. Przy takim podłączeniu, system PMP jest całkowicie przezroczysty dla pozostałych elementów sieci, gdyŜ zmienia jedynie warstwę fizyczną połączenia. Nie chodzi tu jednak o warstwę w rozumieniu modelu OSI (Open System Interconnection), a jedynie o fakt, Ŝe włączenie dodatkowych urządzeń nie powoduje zmian logicznym funkcjonowaniu sieci.

Przykładem systemu, który jest wykorzystywany w obszarach niskozurbanizowanych do budowy bezprzewodowych pętli abonenckich w technice PMP jest radiosystem IRT-2000 firmy Lucent Technologies. Architekturę systemu przedstawiono na rys.2.

Rys.2. – architektura systemu IRT-2000

IRT-2000 opiera się na rozproszonym, inteligentnym środowisku zarządzanym przez stację centralną (XBS). Bramą łączącą system z publiczną siecią telefoniczną jest stacja centralna (XBS), do której podłączona jest centralna stacja radiowa (RSC). Stacja RSC transmituje do stacji końcowych (RST) "terminali" lub stacji przekaźnikowych (RSN) tzw. repeater’ów – sygnały radiowe w trybie TDM. Komunikacja w łączu od stacji końcowych do stacji centralnej zorganizowana jest w trybie TDMA. Kanały łącza "w dół" (down-link) i łącza "w

górę" (up-link) są przesunięte o odstęp dupleksowy (FDD – Frequency Division Duplex). Odległość między centralną stacją radiową, a stacjami końcowymi moŜe wynosić, teoretycznie do 50km. Do terminali radiowych podłącza się lokalnie pętle abonenckie, na końcu których znajdują się standardowe telefony, fax-y. Podłączenie abonenta moŜe być zrealizowane przewodowo lub za pomocą łącz radiowych w standardzie DECT. Schemat transmisji danych przedstawiono na rys.3.

Rys.3 – zasada działania systemu TDM / TDMA

ramka n

ramka n+1

abonent szczelina

16 30

19 27

50 25

32 26

80 29

5 28

- 28

abonent szczelina

16 30

19 27

50 25

32 26

80 29

- 28

17 28

Transmisja zorganizowana jest w postaci pakietów. Długość nadawanego pakietu przez daną stację końcową jest zaleŜna od liczby dołączonych abonentów i od aktualnie generowanego ruchu. Ze względu na dostęp do medium transmisyjnego z podziałem czasu, niezbędna jest synchronizacja stacji końcowych. Stosowaną zasadą w przydziale dostępu do kanału jest DAMA (Demand Assigned Multiple Access) – wielodostęp z przydziałem kanału na Ŝądanie. System zapewnia łączność telefoniczną z jakością bliską sieci stałej. Dzięki transmisji mowy PCM lub ADPCM w urządzeniach końcowych lub przekaźnikowych następuje regeneracja sygnałów binarnych, co – podobnie jak w klasycznych systemach PCM – zapobiega pogarszaniu się jakości wraz ze wzrostem liczby skoków (liczby stacji RSN na drodze sygnału). Standardowe kodowanie sygnału akustycznego pozwala na wykorzystanie kanału akustycznego do transmisji modemowej tak, jak w klasycznym kanale telefonicznym. Struktura kodowania sygnału i ramka kompatybilności z systemem PCM tworzą dostęp w trybie podstawowym ISDN (2B+D) lub wydzielone kanały do transmisji danych. Wybrane parametry pakietów radiowych: nadawczego Tx i odbiorczego Rx podano w Tab.1

Tab.1. – parametry nadajnika i odbiornika systemu IRT-2000

tor nadawczy Tx tor odbiorczy Rx

Pasmoi 2.3 – 2.5GHz

Odstęp dupleksowy (uplink – downlink) 96MHz

Szybkość transmisji 2,432Mbit/s

Pasmo duplexera 7MHz

30±0.7dBm (Tx on) Poziom mocy wyjściowej Tx

≤−60dBm (Tx off)

Tłumienie sygnału Tx w Rx −80dB

Współczynnik szumów <5dB

Próg odbioru - czułość −96dBm

Max. moc wejściowa

−40dBm

Impedancja wyjściowa 50Ω

WFS <1.28 (na wyjściu)

Stabilność częstotliwości LO ±2.5ppm ±2.5ppm

Typ modulacji / demodulacji 4QAM koherentny

System z dupleksem częstotliwościowym FDD charakteryzuje się współbieŜną pracą nadajnika i odbiornika. Dla uzyskania tego efektu uŜywa się zestawów filtrów zwanych duplexerami lub zwrotnicami, które umoŜliwiają przyłączenie do jednej anteny dwóch urządzeń: nadawczego i odbiorczego pracujących w róŜnych zakresach częstotliwości. Duplexer jest układem odpowiednio połączonych filtrów mikrofalowych pasmowo-przepustowych zapewniających duŜe tłumienie (zwykle na poziomie 80dB) sygnału nadajnika w paśmie odbiornika i odwrotnie. Na rys.4 pokazano wnętrze duplexera zrealizowanego w technice filtrów falowodowych.

Wnętrze diplexeraWnętrze diplexera

Rys.4. – widok wnętrza dupleksera zrealizowane w technice filtrów falowodowych

System IRT-2000 posiada strukturę modułową, która sprawia, Ŝe zarówno rozbudowa, jak i naprawa sprowadzają się do dokładania lub wymiany odpowiednich pakietów. Podstawowymi elementami systemu IRT-2000 są stacja centralna oraz radiowe stacje bazowe i końcowe. W kaŜdym z tych bloków zainstalowane są pary pakietów nadajnik-odbiornik, wpinane w odpowiednią szynę sterującą (rys.5.)

Rys.5. – widok stacji końcowej IRT-2000 z zaznaczonymi pakietami nadawczym i odbiorczym

KaŜdy pakiet nadaje lub odbiera strumień danych o szybkości 2,304 Mbit/s w kodzie bez

powrotu do zera (NRZ – Non Return to Zero). Na strumień ten składa się 30 kanałów

Wnętrze dupleksera

pak ie t nadawczy

pak ie t odbiorczy

telefonicznych oraz sygnały sterujące. Moc nadawana moŜe być przełączana pomiędzy

wartościami 0.1W i 1W. Częstotliwość pośrednia jest równa 10.7MHz o stabilności ±15kHz

w nadajniku i ±10kHz w odbiorniku. W odbiorniku zastosowano demodulację koherentną z

pętlą Costasa. Schemat blokowy i widok pakietu nadajnika Tx IRT-2000 pokazano na rys.6.

Rys.6. – pakiet nadajnika Tx systemu IRT-2000

Moduł nadajnika składa się z pięciu głównych podzespołów: • Generator lokalny LO • Modulator typu I/Q zrealizowany z wykorzystaniem specjalizowanego układu MMIC

(Monolithic Microwave Integrated Circuit)

wwwzzzmmmaaacccnnniiiaaaccczzz mmmooocccyyy

mmmoooddduuulllaaatttooorrr III///QQQ

EEEPPPLLLDDDAAA

gggeeennneeerrraaatttooorrr LLLOOO

wyjście

AAADDDCCC///DDDAAACCC

• Wzmacniacz mocy – wielostopniowy z ARW • Układy logiczne EPLD (Electronically Programmable Logic Device) • Szyna I2C

Generator lokalny zrealizowano w formie syntezera VCO/PLL (Phase Locked Loop) z generatorem odniesienia stabilizowanym kwarcem. Częstotliwość porównania jest dość niska i wynosi 25kHz. Nadajnik otrzymuje sygnał danych do wysłania oraz sygnał zegara (2.304MHz) z modułu układów logicznych EPLD, które stanowią interfejs pomiędzy danymi magistrali, a róŜnymi blokami funkcjonalnymi nadajnika. Główną rolą PLED jest odbieranie i nadawanie odpowiednich sygnałów komend za pośrednictwem szyny I2C. Do wysyłanych przez układy EPLD sygnałów naleŜą:

• alarm wysokiego poziomu mocy transmitowanej • alarm niskiego poziomu mocy transmitowanej • alarm transmisji permanentnej • identyfikacja płyty

Natomiast odbierane są takie informacje, jak wartość mocy nadawanej oraz wartość częstotliwości nośnej. Podczas transmisji układy logiczne dostarczają do modulatora MMIC dwa synchroniczne sygnały I i Q z szybkością 1,152 Mbit/s kaŜdy. Modulator realizuje przemianę częstotliwości sygnałów I i Q, które są następnie wzmacniane w kwadraturze. Ideę modulatora kwadraturowego zilustrowano na rys.7.

Rys.7. – modulator kwadraturowy

Wzmacniacz wyjściowy składa się z dwóch stopni, z których pierwszy umoŜliwia regulację poziomu mocy wyjściowej w zakresie od 20dBm do 30dBm. Całym pakietem nadawczym steruje płyta CAR (Carte Adaptation Radio), której schemat blokowy oraz wygląd przedstawiono na rys.8. Moduł CAR składają się z następujących podzespołów:

• Mikroprocesor • Pamięci EEPROM i RAM • Układ nadzorczy (watchdog) • Kontroler szyny I2C • Rejestr parametrów radiowych • Układy rejestrujące alarmy

Podstawowe funkcje płyty CAR są wykonywane przez procesor Z80180 stowarzyszony z pamięciami EEPROM i RAM. W pierwszej z nich znajduje się wykonywalny kod dla mikroprocesora oraz wszystkie plany częstotliwościowe. Pamięć RAM zawiera dane i zmienne uŜywane przez mikroprocesor w czasie pracy. Układ nadzorczy (watchdog) jest przeznaczony do inicjalizacji mikroprocesora, m.in. aktywuje sygnał reset w następujących sytuacjach:

• błąd zegara mikroprocesora • spadek napięcia zasilania mikroprocesora

90°

LO

∑

I

Q

Rys.8 – schemat i widok płyty CAR systemu IRT-2000

Kontroler szyny I2C stanowi interfejs pomiędzy szyną I2C na płycie nadajnika i szyną danych mikroprocesora. Zbieranie parametrów radiowych wykonywane jest przez bufor (rejestr

szyna danych

kontroler I2C

szyna adresowa

MIKROPROCESOR

alarmy

moc nadawana

regulacja częstotliwości

moc

nadawana /

próg odbioru

__________

nadajnik / odbiornik plan częstotliwości 1,5 lub 2,5 GHz

parametrów radiowych) podłączony do mikroprocesora poprzez szynę danych. Parametry te wykorzystywane są po resecie mikroprocesora. Przekazywanie przez płytę CAR informacje o alarmach oraz mocy nadawania zapisywane są w układzie rejestrującym.

Na część odbiorczą składa się ekranowany pakiet odbiornika wpięty w płytę CAR (podobnie jak nadajnik). Zdjęcie i schemat blokowy odbiornika Rx przedstawiono na rys.9.

Rys.8 – schemat blokowy odbiornika

W odbiorniku moŜna wyróŜnić tor wielkiej częstotliwości, którego głównym elementem jest wzmacniacz niskoszumny (LNA – Low Noise Amplifier), tor pośredniej częstotliwości oraz układy przetwarzające sygnał w paśmie podstawowym. Dokładniejszy podział na bloki funkcjonalne obejmuje następujące podzespoły:

EEEPPPLLLDDDAAA

tttooorrr ppp...ccczzz...

LLLNNNAAA dddeeemmmoooddduuulllaaatttooorrr III///OOO

LLLOOO zzz ppprrrzzzeeemmmiiiaaannnąąą wejście

LO

• Generator lokalny LO • Wzmacniacz i mieszacz wejściowy • Filtr częstotliwości pośredniej • Wzmacniacz z ARW (Automatyczna Regulacja Wzmocnienia) • Demodulator • Układy regeneracji danych • Układy logiczne EPLD

Niektóre bloki funkcjonalne pakietu odbiorczego występują takŜe w nadajniku. NaleŜą do nich generator lokalny LO oraz układy logiczne EPLD. Wzmacniacz i mieszacz wejściowy zrealizowane są w technologii MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). Typowy próg odbioru, wyznaczony dla bitowej stopy błędu (BER – bit error rate) na poziomie 10-4, wynosi -92 dBm. Wartość tego parametru moŜe być jednak konfigurowana przez uŜytkownika. Na wejściu odbiornika umieszczono wzmacniacz LNA oraz układ przemiany częstotliwości, na wyjściu którego otrzymuje się sygnał o częstotliwości pośredniej równej 10.7MHz. W torze pośredniej częstotliwości znajduje się zestaw filtrów oraz wzmacniacz z ARW dla eliminacji resztkowej modulacji amplitudy. Następnym blokiem jest układ regeneracji danych, który bazuje na analizie momentów przejść sygnału przez zero – brak synchronizmu pętla fazowej, gdy dane nie są odbierane. Układy pracujące w paśmie podstawowym mogą – za pośrednictwem szyny I2C – wysyłać do płyty CAR następujące informacje:

• alarm synchronizacji lokalnego oscylatora • alarm poziomu odbieranego sygnału • identyfikator odbiornika

3. Opis łącza testowego IRT2000

Tor radiowy między stacją bazową a stacją końcową naleŜy zastąpić połączeniem przewodowym – uŜyto kablem współosiowego (50Ω) o długości ok. 10m o tłumieniu ok.25dB dla częstotliwości 2.4GHz. Dla regulacji poziomu mocy nadawanej/odbieranej stosuje się stałe tłumiki włączane w tor radiowy. Schemat łącza testowego pokazano na rys.10.

Rys.10 – łącze testowe systemu IRT-2000

Do przeprowadzania testowych transmisji oraz zbierania informacji na temat jakości połączenia między stacją bazową a stacją końcową naleŜy wykorzystać oprogramowanie ”SCORPIO” do zarządzania i monitorowania systemem IRT-2000. Na potrzeby monitorowania poprawności transmisji przewidziano dwa rodzaje testów:

a) Test transmisji ciągłej (permanent transmission quality supervision)

Test dostarcza informacji na temat jakości transmisji (w obu kierunkach) pomiędzy stacją bazową a dowolną stacją końcową lub przekaźnikową. W łączu w dół (down-link) bity transmitowane są w zerowej szczelinie. W kaŜdej stacji przekaźnikowej występującej na łączu są one regenerowane, a następnie przesyłane dalej do kolejnej stacji. Nadzór nad transmisją w łączu w górę (up-link) opiera się na analizie odbieranych pakietów i

stacja bazowa

DUPLEX

30 dB

DUPLEX

30 dB stacja

końcowa

tłumienie 25 dB Tx

Rx

Rx

Tx

prawdopodobieństwie wystąpienia błędów (odpowiednie ustawienie progu komparatora). Wyniki prezentowane są dla przedziału czasu od ostatniego zerowania liczników. 2) Test jakości transmisji 64 kbit/s (64 kbit/s quality test)

W tym teście przez tor radiowy transmitowany jest kod pseudolosowy, którego szybkość to 64 kbit/s. Bity nadawane są w pierwszej wolnej szczelinie ramki. Odebrany przez stację końcową kod jest porównywany „bit po bicie” z kodem wygenerowanym przez stację bazową, jednocześnie następuje zliczanie liczby błędnie odebranych bitów. Oprogramowanie udostępnia kilka parametrów określających poprawność przesyłanych

danych. Na rys.11 przedstawiono ekran sygnalizujący najwaŜniejsze wskaźniki, które poniŜej

krótko scharakteryzowano.

Rys.11 – widok ekranu programu SCORPIO do zarządzania systemem IRT-2000

• errored seconds – wyraŜona procentowa (w odniesieniu do czasu trwania testu) liczba sekund, w których pojawił się przynajmniej jeden błędnie odebrany bit

• seriously errored seconds – wyraŜona procentowo liczba sekund, które zawierały więcej niŜ 64 błędy

• unavailable seconds – 10 kolejnych sekund zawierających więcej niŜ 64 błędy, klasyfikowane jest jako niedostępne z punktu widzenia transmisji

• degraded minutes – wyraŜona procentowo liczba minut, w których kaŜda sekunda zawierała przynajmniej jeden błąd

• number od erroneous seconds – całkowita liczba wszystkich błędnie odebranych bitów

• BER (bit error rate) – bitowa stopa błędów

4. Program ćwiczenia

Studenci wykonują ćwiczenie w grupach 2 osobowych. Program ćwiczenia obejmuje następujące pomiary:

4.1 Wyznaczyć próg czułości łącza testowego IRT2000 dla zadanych wartości stopy błędu BER=10-7 i 10-4.

Pomiar polega na wprowadzeniu w tor radiowy takiego, aby uzyskać załoŜoną stopę błędu. Wartość czułości moŜna odczytać spośród danych sygnalizowanych przez program SCORPIO jako poziom odbieranej mocy mierzony przez system lub zmierzyć tłumienie toru radiowego za pomocą analizatora sieci.

4.2. Zmierzyć widmo sygnału testowego i porównać z maską określoną przez normę ETSI EN

301 021 V1.6.1. Poprzez sprzęgacz kierunkowy włączyć w tor radiowy analizator widma i zmierzyć

widmo transmitowanego sygnały. Wynik pomiaru porównać z udostępnioną maską widma określoną przez normę ETSI EN 301 021 V1.6.1.

4.3. Zmierzyć charakterystyki duplexera.

Za pomocą analizatora sieci zmierzyć częstotliwościowe charakterystyki duplexera tj. transmisję (|S21| w dB) i straty odbicia (|S11| w dB). Wyznaczyć poziom tłumienia sygnału nadajnika w pasmie odbiornika.

5. Opracowanie wyników pomiarów

Studenci w trakcie ćwiczenia, na bieŜąco, wykonują sprawozdanie z przeprowadzonych

pomiarów. Wyniki z pomiarów p.4.2 i 4.3 są dostępne w formie wydruków, na które

naleŜy nanieść charakterystyczne punkty.

6. :Literatura

[1] Wykład z TMO

[2] Wprowadzenie do ćwiczenia.

[3] Instrukcja obsługi systemu IRT2000