WCDMA-букварь

Citation preview

Оглавление Предисловие …………………………………………………………………….……..……………………. 1 1. Введение …………………………………………………………………….…………….………………... 1.1. WCDMA в системах третьего поколения ……………….…………….…………………. 1.2. Воздушные интерфейсы и распределения спектра для систем третьего поколения …………………………………………………………………….…………….……………. 1.3. Сроки внедрения систем третьего поколения ………….…………….………………... 1.4. Различия по воздушным интерфейсам между WCDMA и систем второго поколения …………………………………………………………….…………….………………….… 1.5. Базовые сети …………………………………………………………….…………….………………...

4 4 5 8 8

Литература …………………………………………………………………….…………….………………………

13 13

2. Услуги и области применения UMTS ……………………….…………….……………. 2.1. Введение 2.2. Услуги каналов-переносчиков информации (B-каналов) UMTS ….………… 2.3. Классификация качества услуг QoS ……………………….…………….…………………. 2.3.1. Класс диалогового взаимодействия …………………….…………….…..…………… 2.3.2. Класс потокового взаимодействия …………………….…………….…..……………. 2.3.3. Класс интерактивного взаимодействия …………………….…………….…..…….. 2.3.4. Класс вспомогательного взаимодействия …………………….…………….…..…... 2.4. Заключительные замечания …………………….…………….…..…………………………….. Литература …………………………………………………………………….…………….………………………

14 14 15 17 17 27 28 31 31 32

3. Введение в WCDMA …………………….…………….…..…………………………………………… 3.1 Введение …………………….…………….…..………………………………………………………….. 3.2. Краткое рассмотрение основных параметров WCDMA ………………………….. 3.3. Расширение и сжатие ………….…………….…..…………………………………………………. 3.4. Многолучевые радиоканалы и прием Rake ………….…………….…..………………... 3.5. Управление мощностью ………….…………….…..…………………………………………….. 3.6. Полумягкий и мягкий хэндоверы ………….…………….…..……………………………….

33 33 33 36 39 44 48 50

Литература …………………………………………………………………….…………….………………………

4. Подготовка и принятие стандарта WCDMA ………….…………….…..……………… 51 4.1 Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 51 4.2. Подготовительная работа в Европе ………….…………….…..………………………….. 51 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5.

Широкополосный CDMA ………….…………….…..…………………………………….. Широкополосный TDMA ………….…………….…..…………………………………….. Широкополосная TDMA/CDMA ………….…………….…..…………………………… OFDMA ………….…………….…..…………………………………………………………… ODMA ………….…………….…..……………………………………………………………...

398

52 53 54 54 55

Выбор ETSI ………….…………….…..………………………………………………………. 55 Подготовительная работа в Японии ………….…………….…..………………………… 56 Подготовительная работа в Корее ………….…………….…..……………………………. 57 Подготовительная работа в США ………….…………….…..……………………………. 57 4.5.1. W-CDMA N/A ………….…………….…..………………………………………………….. 57 4.5.2. UWC-136 ………….…………….…..……………………………………………………….. 58 4.5.3. cdma2000 ………….…………….…..……………………………………………………….. 58 4.5.4. TR46.1 ………….…………….…..…………………………………………………………… 58 4.5.5. WP-CDMA ………….…………….…..……………………………………………………… 59 4.6. Создание 3GPP ………….…………….…..…………………………………………………………. 59 4.7. Создание 3GPP2 ………….…………….…..……………………………………………………….. 61 4.8. Этап гармонизации ………….…………….…..…………………………………………………... 61 4.9. Процесс работы над IMT2000 в ITU ………….…………….…..………………………… 62 4.10. Действия после представления Рабочей версии-99 по проекту 3GPP …... 64 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 65 4.2.6.

4.3. 4.4. 4.5.

5. Архитектура сети радиодоступа ………….…………….…..…………………………………... 66 5.1. Архитектура системы ………….…………….…..………………………………………………. 66 5.2. Архитектура UTRAN ………….…………….…..……………………………………………….. 70 5.2.1. 5.2.2. 5.3.

Общая модель протокола для наземных интерфейсов UTRAN ……………. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3.

5.4.

Общие сведения ………….…………….…..……………………………………………… Горизонтальные уровни ………….…………….…..…………………………………… Вертикальные плоскости ………….…………….…..…………………………………

Iu, интерфейс UTRAN-CN ………….…………….…..……………………………………….. 5.4.1. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4.

5.5.

Контроллер радиосети ………….…………….…..……………………………………. Узел B (Базовая станция) ………….…………….…..………………………………….

Структура протокола для Iu CS ………….…………….…..……………………….. Структура протокола для Iu PS ………….…………….…..………………………... Протокол RANAP ………….…………….…..…………………………………………… Протокол Iu плоскости пользователя ………….…………….…..…………………

Внутренние интерфейсы UTRAN ………….…………….…..…………………………….

5.5.1. Интерфейс RNC-RNC (интерфейс Iur) и сигнализация RNSAP ………….….. 5.5.2. Интерфейс RNC – узел B и сигнализация NBAP ………….…………….…..……. Литература …………………………………………………………………….…………….………………………

71 72 73 73 74 74 75 76 78 79 82 82 82 86 88

6. Физический уровень ………….…………….…..…………………………………………………….. 90 6.1. Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 90 6.2. Транспортные каналы и их перенос на физические каналы ………………….. 91

6.3.

Выделенный транспортный канал ………….…………….…..……………………... Общие транспортные каналы ………….…………….…..…………………………… Перенос транспортных каналов на физические каналы ………….…………… Структура фрейма транспортных каналов ………….…………….…..………...

93 93 96 97 Расширение спектра и модуляция ………….…………….…..……………………………. 97 6.3.1. Скремблирование ………….…………….…..…………………………………………….. 97 6.3.2. Коды формирования каналов ………….…………….…..…………………………….. 98

6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4.

399

6.3.3. 6.3.4. 6.3.5. 6.4.

Передача данных пользователя ………….…………….…..………………………………... 6.4.1. 6.4.2. 6.4.3. 6.4.4. 6.4.5. 6.4.6. 6.4.7. 6.4.8. 6.4.9. 6.4.10.

6.5.

Восходящий выделенный канал ………….…………….…..………………………….. Мультиплексирование восходящего канала ………….…………….…..………….. Передача данных пользователя по каналу случайного доступа ………….…. Общий восходящий канал передачи пакетов ………….…………….…..………... Выделенный нисходящий канал ………….…………….…..………………………….. Мультиплексирование в нисходящем канале ………….…………….…..………… Совмещенный нисходящий канал ………….…………….…..……………………….. Прямой канал доступа для передачи данных пользователя ………….………. Канальное кодирование для данных пользователя ………….…………….…….. Кодирование информации TFCI ………….…………….…..………………………….

Сигнализация ………….…………….…..…………………………………………………………… 6.5.1. 6.5.2. 6.5.3. 6.5.4. 6.5.5. 6.5.6. 6.5.7. 6.5.8.

6.6.

Расширение спектра и модуляция в восходящем канале ………….…………... Расширение спектра и модуляция в нисходящем канале ………….…………... Характеристики передатчика

Общий пилот-канал (CPICH) ………….…………….…..…………………………….. Канал синхронизации (SCH) ………….…………….…..………………………………. Основной общий канал управления на физическом уровне (основной CCPCH) ………….…………….…..………………………………………………………… Дополнительный общий канал управления на физическом уровне (дополнительный CCPCH) ………….…………….…..………………………………………… Канал случайного доступа (RACH) для передачи сигнализации ………….…. Канал индикатора данных (AICH) ………….…………….…..……………………… Канал индикатора поискового вызова PICH ………….…………….…..………… Физические каналы для процедуры доступа CPCH ………….…………….……

Процедуры на физическом уровне

6.6.1. Процедура быстрого управления мощностью в замкнутом контуре …….. 6.6.2. Управление мощностью в открытом контуре ………….…………….…..……... 6.6.3. Процедура поискового вызова ………….…………….…..……………………………. 6.6.4. Процедура RACH ………….…………….…..…………………………………………….. 6.6.5. Действие CPCH ………….…………….…..……………………………………………… 6.6.6. Процедура поиска ячейки ………….…………….…..…………………………………. 6.6.7. Процедура разнесения при передаче ………….…………….…..…………………… 6.6.8. Процедура измерений при хэндовере ………….…………….…..…………………… 6.6.9. Процедура измерений в сжатом режиме ………….…………….…..……………. 6.6.10. Другие измерения ………….…………….…..…………………………………………….. Литература …………………………………………………………………….…………….………………………

131 133 135 135 137 136 137 138 139 139 140 142 143 145 145 148 151 151

153 153 153 155 Протоколы управления доступом к среде .………………………………………... 155 Функции уровня управления доступом к среде (MAC) ………...……………….. 156 Логические каналы ………….…………….…..………………………………………….. 158 Взаимосвязи между логическими и транспортными каналами …………….. 159 Пример потока данных, передаваемого на уровне MAC ………….…………… 159

7. Протоколы радиоинтерфейса ………….…………….…..………………………………………. 7.1. Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 7.2. Архитектура протоколов ………….…………….…..…………………………………………. 7.3. Протоколы управления доступом к среде ………….…………….…..……………….. 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 7.3.4. 7.3.5.

100 106 110 111 112 115 119 119 120 123 125 126 128 129 130 131 131

400

7.4.

Протоколы управления радиоканалом ………….…………….…..…………………….. 160

Архитектура уровня управления радиоканалом (RLC) ………….……………... 161 Функции RLC ………….…………….…..………………………………………………….. 163 Пример передачи потока данных на уровне RLC ………….…………….………. 165 7.5. Протокол сходимости пакетных данных (PDCP) ………….…………….…..…….. 167 7.5.1. Архитектура на уровне PDCP ………….…………….…..…………………………... 167 7.5.2. Функции PDCP ………….…………….…..……………………………………………….. 168 7.6. Протокол управления широковещательной / многоадресной передачей 168 7.6.1. Архитектура на уровне BMC (протокола управления широковещательной / многоадресной передачей) ………….…………….…..………………………… 169 7.6.2. Функции BMC ………….…………….…..…………………………………………………. 169 7.7. Протоколы управления радиоресурсами (RRC) ………….…………….…..………. 170 7.7.1. Логическая архитектура на уровне управления радиоресурсами (RRC) … 170 7.7.2. Режимы обслуживания RRC (управления радиоресурсами) ………….……… 171 Функции управления радиоресурсами (RRC) и процедуры сигнализации ………..... 174 7.7.3. Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 191 7.4.1. 7.4.2. 7.4.3.

8. Планирование радиосети ………….…………….…..………………………………………………… 191 8.1. Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 191 8.2. Определение территории размаха ………….…………….…..……………………………. 193 Ресурсы радиоканала и эффективность зоны обслуживания ………….…… 194 Коэффициенты нагрузки и эффективность спектра ………….……………… 199 Мягкая пропускная способность ………….…………….…..………………………... 207 8.3. Планирование пропускной способности и зоны обслуживания …………… 211 8.3.1. Итерационное прогнозирование пропускной способности и зоны обслуживания ………….…………….…..………………………………………………………… 211 8.3.2. Методика планирования ………….…………….…..…………………………………... 212 8.3.3. Пример ………….…………….…..………………………………………………………….. 214 8.3.4. Оптимизация сети ………….…………….…..………………………………………….. 219 8.4. Совместное планирование с GSM ………….…………….…..……………………………. 220 8.5. Помехи от соседних операторов ………….…………….…..……………………………… 222 8.5.1. Введение ………….…………….…..………………………………………………………... 222 8.5.2. Анализ для наихудшего случая в восходящем канале ………….…………….….. 224 8.5.3. Блокировка (задержка в обслуживании) в нисходящем канале ………….….. 225 8.5.4. Моделирования в восходящем канале ………….…………….…..………………….. 226 8.5.5. Результаты моделирования ………….…………….…..……………………………… 227 8.5.6. Планирование сети при наличии помех по соседнему каналу ………….…….. 227 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 229 8.2.1. 8.2.2. 8.2.3.

9. Управление радиоресурсами ………….…………….…..……………………………………….. 231 9.1. Управление радиоресурсами на основе учета помеховой обстановки ….. 231 9.2. Управление мощностью ………….…………….…..…………………………………………... 232 9.3.

Быстрое управление мощностью ………….…………….…..………………………. Управление мощностью внешнего контура ………….…………….…..………….

233 241 249 Эстафетные передачи управления (хэндоверы) ………….…………….…..……….. 9.3.1. Эстафетные передачи управления без изменения частоты ………….……... 249 9.2.1. 9.2.2.

401

Передача управления с частоты на частоту и между системами ……….. 257 Измерение нагрузки воздушного интерфейса ………….…………….…..………….. 258 9.4.1. Нагрузка в восходящем канале ………….…………….…..…………………………... 258 9.4.2. Нагрузка в нисходящем канале ………….…………….…..…………………………... 261 9.5. Управление доступом ………….…………….…..………………………………………………. 262 9.5.1. Принцип управления доступом ………….…………….…..…………………………... 262 9.5.2. Стратегия управления доступом, основанная на широкополосной мощности ………….…………….…..……………………………………………………………. 263 9.5.3. Стратегия управления доступом, основанная на пропускной способности ………….…………….…..……………………………………………………………….. 265 9.6. Управление нагрузкой (управление перегрузкой) ………….…………….…..…… 266 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 267 9.3.2.

9.4.

10. Пакетный доступ ………….…………….…..…………………………………………………………. 10.1. Пакетный информационный трафик ………….…………….…..………………………... 10.2. Рассмотрение пакетного доступа WCDMA ………….…………….…..……………... 10.3. Транспортные каналы для передачи пакетных данных ………….……………... 10.3.1. 10.3.2. 10.3.3. 10.3.4. 10.3.5. 10.4.

Пример алгоритмов распределения пакетов ………….…………….…..……………. 10.4.1. 10.4.2. 10.4.3. 10.4.4.

10.5.

Общие каналы ………….…………….…..………………………………………………… Выделенные каналы ………….…………….…..…………………………………………. Совмещенные каналы ………….…………….…..………………………………………. Общий канал передачи пакетов (CPCH) ………….…………….…..……………… Выбор типа канала ………….…………….…..………………………………………….. Введение ………….…………….…..………………………………………………………... Планирование с временным разделением ………….…………….…..……………... Планирование с кодовым разделением ………….…………….…..………………… Планирование, основанное на мощности передачи ………….…………….…….

269 269 271 272 272 273 273 273 274 274 274 275 277 279

Взаимодействие между распределителем пакетов и другими алгоритмами RMR (планирования использования радиоресурсов) ………….……….. 279 10.5.1. 10.5.2.

Распределитель пакетов и управление хэндовером ………….…………….…… Распределитель пакетов и управление нагрузкой (управление перегрузкой) ………….…………….…..………………………………………………………………. Распределитель пакетов и управление доступом ………….…………….……...

280

280 281 10.6. Характеристика пакетных данных ………….…………….…..…………………………… 281 10.6.1. Характеристика на уровне канала ………….…………….…..……………………... 281 10.6.2. Характеристика на уровне сети ………….…………….…..……………………….. 284 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 293 10.5.3.

11. Характеристики физического уровня ………….…………….…..……………………….. 294 11.1. Введение ………….…………….…..………………………………………………………………….. 294 11.2. Зона обслуживания ………….…………….…..………………………………………………….. 294

11.3.

Зона охвата для восходящего канала ………….…………….…..………………………

296 Зона обслуживания для канала случайного доступа ………….…………….….. 304 Зона обслуживания для нисходящего канала ………….…………….…..………... 306 Увеличение зоны обслуживания ………….…………….…..…………………………. 307 Пропускная способность ………….…………….…..………………………………………….. 308

11.2.1. 11.2.2. 11.2.3. 11.2.4.

402

Ортогональные коды в нисходящем канале ………….…………….…..…………. 309 Разнесение при передаче в нисходящем канале ………….…………….…..……... 315 Повышение пропускной способности ………….…………….…..…………………. 319 11.4. Высокие скорости передачи ………….…………….…..…………………………………….. 320 11.4.1. Помехи между лучами ………….…………….…..……………………………………... 321 11.4.2. Выигрыш при многолучевом разнесении ………….…………….…..……………… 324 11.4.3. Возможность технической реализации высоких скоростей передачи ….... 325 11.5. Возможности улучшения рабочих характеристик ………….…………….…..…… 327 11.5.1. Решения по использованию антенн ………….…………….…..…………………….. 327 11.5.2. Многопользовательский прием (многопользовательское детектирование) ………….…………….…..………………………………………………………………. 334 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 339 11.3.1. 11.3.2. 11.3.3.

12. Режим UTRA TDD ………….…………….…..………………………………………………………… 344 12.1. Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 344 Дуплекс с временным разделением (TDD) ………….…………….…..…………….. 344 Физический уровень UTRA TDD ………….…………….…..…………………………….. 346 12.2.1. Транспортный и физический каналы ………….…………….…..…………………... 347 12.2.2. Модуляция и расширение спектра ………….…………….…..……………………… 347 12.2.3. Структуры физических каналов, формат слота и фрейма ………….………. 348 12.2.4. Процедуры UTRA TDD на физическом уровне ………….…………….…..………. 355 12.3. Оценка радиопомех в UTRA FDD ………….…………….…..……………………………. 361 12.3.1. Интерференция TDD-TDD ………….…………….…..……………………………….. 362 12.3.2. Совместное размещение систем TDD и FDD ………….…………….…..………. 364 12.3.3. Несогласованная работа TDD ………….…………….…..…………………………… 367 12.3.4. Выводы в отношении помех UTRA TDD ………….…………….…..……………… 367 12.4. Заключения по технологии UTRA TDD ………….…………….…..…………………... 368 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 369 12.1.1.

12.2.

13. CDMA с множеством несущих в ITU-2000 ………….…………….…..………………… 371 13.1. Введение ………….…………….…..…………………………………………………………………... 371 13.2. Логические каналы ………….…………….…..…………………………………………………... 372 13.2.1. 13.3.

Расширение спектра и модуляция в режиме с множеством несущих …… 13.3.1. 13.3.2.

13.4.

Расширение спектра и модуляция в восходящем канале ………….…………... Расширение спектра и модуляция в нисходящем канале ………….…………...

Передача пользовательских данных ………….…………….…..………………………… 13.4.1. 13.4.2. 13.4.3.

13.5.

Физические каналы ………….…………….…..…………………………………………..

Передача данных в восходящем канале ………….…………….…..……………….. Передача данных в нисходящем канале ………….…………….…..……………….. Кодирование канала для передачи пользовательских данных ………….…….

Сигнализация ………….…………….…..…………………………………………………………… 13.5.1. 13.5.2. 13.5.3. 13.5.4. 13.5.5.

Пилот-канал ………….…………….…..…………………………………………………... Синхроканал ………….…………….…..…………………………………………………... Широковещательный канал ………….…………….…..……………………………… Канал быстрого поискового вызова ………….…………….…..……………………. Общий канал управления мощностью ………….…………….…..………………….

403

373 374 374 375 376 377 379 381 381 382 382 382 383 383

Общие и выделенные каналы управления ………….…………….…..……………... 383 Канал случайного доступа (RACH) для передачи сигнализации ………….…. 383 13.6. Процедуры на физическом уровне ………….…………….…..…………………………... 384 13.6.1. Процедура управления мощностью ………….…………….…..…………………….. 384 13.6.2. Процедура поиска ячейки ………….…………….…..………………………………….. 385 13.6.3. Процедура случайного доступа ………….…………….…..………………………….. 385 13.6.4. Процедура измерений при хэндовере ………….…………….…..…………………… 387 Литература …………………………………………………………………….…………….……………………… 387 13.5.6. 13.5.7.

Сокращения …………………………………………………………………….……………………………… 388

404

1 Предисловие Системы связи второго поколения, например, GSM, позволили передавать по радио речевой трафик: число радиотелефонов, составляющее 70% от всего телефонного парка, превышает число телефонов в обычных линиях связи в странах с наиболее продвинутыми рынками средств радиосвязи. Возможности по передаче данных у систем второго поколения ограничены, благодаря чему и требуются системы третьего поколения для обеспечения услуг с большой скоростью передачи, позволяющие передавать и принимать высококачественное изображение и видеоинформацию и обеспечивать доступ к сети с большой скоростью передачи данных. В этой книге системы подвижной связи третьего поколения называются UMTS (универсальной системой подвижной связи). WCDMA (широкополосный доступ с кодовым разделением каналов) является основным воздушным интерфейсом третьего поколения в мире и будет широко применяться в Европе, Азии, включая Японию и Корею, в согласованной полосе частот в диапазоне около 2 ГГц. Благоприятный прогноз рынка для технологии WCDMA и ее гибкие мультимедийные возможности создадут новые деловые перспективы для изготовителей аппаратуры, операторов и провайдеров информационного наполнения и прикладных программ. В данной книге дается подробное описание воздушного интерфейса WCDMA и его использования. Содержание книги в сжатом виде приводится на рис.1.1.

Введение (глава 1)

Подготовка и принятие стандарта WCDMA (глава 4)

Управление радиоресурсом (глава 9)

Архитектура сети радиодоступа (глава 5)

Пакетный вид доступа (глава 10)

Протоколы радиоинтерфейса

(глава 7) Физический уровень (глава 6)

Функционирование на физическом уровне (глава 11) Введение в WCDMA (глава 3) CDMA со множеством несущих (глава 13)

Режим TDD (глава 12)

Планирование радиосети (глава 8)

Услуги и области применения UMTS (глава 2)

Рис. 1. Содержание этой книги

405

В главе 1 дается представление о воздушных интерфейсах третьего поколения, распределении спектра, сроках внедрения и приводятся основные отличия воздушных интерфейсов 3 поколения от воздушных интерфейсов второго поколения. В главе 2 представлены примеры применений UMTS, принципы действия радиотелефонов и показано разделение на классы обслуживания по качеству. В главе 3 приводятся принципы построения воздушного интерфейса WCDMA, включая распределение спектра, сведения о приемнике Rake, об управлении мощностью и эстафетной передаче управления (хэндовере). В главе 4 изложены предпосылки для создания технологии WCDMA, рассматриваются вопросы глобальной гармонизации и стандартизации. Главы 5-7 дают подробное описание стандарта WCDMA, главы 8-11 охватывают вопросы использования стандарта и эффективности его применения. В главе 5 описываются архитектура сети радиодоступа, интерфейсы в сети радиодоступа между базовыми станциями и контроллерами радиосети (RNC), интерфейс между сетью радиодоступа и базовой сетью. Глава 6 охватывает рассмотрение физического уровня (уровня 1), включая вопросы расширения спектра, модуляции, передачи трафика пользователя и сигнализации, а также основные процедуры, осуществляемые на физическом уровне, – управление мощностью, вызовом абонента, одновременной передачей или разнесение каналов передачи и измерения при эстафетной передаче управления. В главе 7 рассматриваются протоколы радиоинтерфесов при передаче данных на канальном уровне (уровень 2) и сетевом уровне (уровень 3). В главе 8 даются рекомендации по определению размеров радиосети, приводится пример подробного расчета пропускной способности и зоны охвата, производится ее сравнение с системой GSM. Глава 9 посвящена алгоритмам управления радиоресурсами, которые гарантируют эффективное использование ресурсов воздушного интерфейса и качество обслуживания. Это алгоритмы управления мощностью, эстафетной передачей управления (хэндовером), управления доступом и нагрузкой. В главе 10 описывается пакетный вид доступа и проверяется подход, используемый при моделировании динамической системы. В главе 11 анализируется зона охвата и пропускная способность воздушного интерфейса WCDMA со скоростью передачи до 2 Мбит/с. В главе 12 рассматриваются особенности воздушного интерфейса WCDMA в режиме временного дуплексного разделения каналов (TDD) и приводятся отличия от режима частотного разделения дуплексных каналов (FDD). Помимо технологии WCDMA услуги систем третьего поколения могут обеспечивать технологии EDGE или CDMA с использованием множества несущих. EDGE представляет собой развитие технологии GSM для больших скоростей передачи данных в пределах разноса несущих, принятых в GSM. CDMA с использованием множества несущих представляет собой развитие IS-95 для больших скоростей передачи данных при использовании трех несущих IS-95, что и рассматривается в главе 13.

406

Эта книга предназначена для операторов, изготовителей сетевого и терминального оборудования, провайдеров услуг, студентов высших учебных заведений и администраторов, ведающих распределением частот. Глубокое понимание воздушного интерфейса WCDMA, его возможностей и способов его оптимального использования является ключом к успеху в бизнесе, связанном с UMTS.

407

1 Введение 1.1. WCDMA в системах третьего поколения Аналоговые сотовые системы обычно называются системами первого поколения. Цифровые системы, находящиеся в использовании в настоящее время, такие как GSM, PDC, cdma One (IS-95) и US-TDMA (IS-136), являются системами второго поколения. Эти системы позволили выйти на ведущие рынки с предложениями по беспроводной передачи речи, а в настоящее время у потребителей все большим спросом пользуются и другие услуги, начинающие переживать бурный рост, например, передача текстовых сообщений и доступ к сетям передачи данных. Системы третьего поколения предназначаются для мультимедийной связи: при их использовании системы персональной связи получают возможность обеспечивать высококачественную передачу изображений и видеоданных, а доступ к информации и услугам по сетям общего пользования и частным сетям будет существенно расширен за счет более высоких скоростей передачи и новых возможностей в отношении гибкости связи, которыми обладают системы третьего поколения. Все это вместе с продолжающимся развитием систем второго поколения будет создавать новые возможности в сфере бизнеса не только для изготовителей аппаратуры и операторов, но также и для использующих эти сети провайдеров информационного наполнения и прикладных программ. На форумах по стандартизации технология WCDMA получила признание в качестве наиболее широко распространенного воздушного интерфейса третьего поколения. Его спецификация была разработана в рамках Партнерство по проекту в области технологий 3 поколения (3GPP), который является совместным проектом органов стандартизации Европы, Японии, Кореи, США и Китая. В проекте 3GPP технология WCDMA называется UTRA (Универсальным наземным радиодоступом) с режимами FDD (частотное дуплексное разделение каналов) и TDD (временное дуплексное разделение каналов), при этом название WCDMA используется для охвата обоих режимов – и FDD и TDD. В этой книге в главах, раскрывающих спецификацию систем, используются термины UTRA FDD и TDD, принятые в 3GPP. В других же главах общего плана используется термин WCDMA. Основное внимание в книге уделено технологии WCDMA FDD. Рассмотрение режима WCDMA TDD и его отличий от режима WCDMA FDD представлено в главе 12.

408

1.2. Воздушные интерфейсы и распределения спектра для систем третьего поколения Работа по формированию облика систем подвижной связи третьего поколения началась сразу после того, как Всемирная административная конференция по радиочастотам (WARC) ITU (Международного союза электросвязи) в 1992 г. определила частоты в полосе около 2 ГГц для использования будущими системами подвижной связи третьего поколения как наземными, так и спутниковыми. В ITU эти системы третьего поколения получили название Международные системы мобильной электросвязи-2000 (IMT-2000). В структуре IMT2000 определено несколько типов воздушных интерфейсов для систем третьего поколения, основанных на технологии CDMA или TDMA, что излагается в главе 3. Первоначально в процессе разработки систем третьего поколения ставилась задача создания единого общего глобального воздушного интерфейса IMT-2000. Системы третьего поколения подошли ближе к решению этой задачи, чем системы второго поколения: один и тот же воздушный интерфейс WCDMA должен применяться в Европе и Азии, включая Японию и Корею, при использовании частотных полос в диапазоне 2 ГГц, которые WARC-92 выделила для систем третьего поколения IMT-2000. В Северной Америке, однако, этот спектр частот был уже отдан операторам, использующим системы второго поколения, и для IMT-2000 новых полос спектра не предоставлено. Таким образом, услуги систем третьего поколения должны реализовываться в выделенных полосах частот путем освобождения в них части спектра для систем третьего поколения. Такой подход называется перераспределением. Глобальный спектр частот IMT-2000 отсутствует в странах, которые следуют принятому в США распределению спектра для систем персональной связи (PCS). Кроме WCDMA, воздушными интерфейсами для обеспечения услуг систем третьего поколения могут служить технологии EDGE и CDMA с множеством несущих (cdma 2000). Технология EDGE (повышение скорости передачи данных для развития системы GSM) может обеспечить услуги систем третьего поколения со скоростями передачи до 500 Кбит/с при разнесении несущих GSM, равном 200 КГц [1]. EDGE имеет ряд возможностей по улучшению эффективности использования частотного спектра и по поддержке новых услуг, которые не предусматривались GSM. CDMA с множеством несущих может применяться как решение по усовершенствованию существующей технологии IS-95 и более подробно будет рассматриваться в главе 13. На рис. 1.1 представлены ожидаемые частотные полосы и географические районы где, по всей вероятности, будут применяться эти воздушные интерфейсы. В каждом регионе имеются отдельные исключения в местах, где уже развертываются технологии расширенного множественного доступа.

409

Америка:

Европа:

Япония:

EDGE,WCDMA и CDMA с множеством несущих в существующих полосах частот, которые уже используются системами второго поколения

WCDMA в полосе IMT – 2000 EDGE в полосе GSM 1800

WCDMA в полосе IMT – 2000

Корея: WCDMA в полосе IMT – 2000

Азия: WCDMA в полосе IMT – 2000 EDGE в полосе GSM 1800

Рис.1.1. Ожидаемые воздушные интерфейсы и спектры частот для обеспечения услуг систем третьего поколения.

Распределение спектра в Европе, Японии, Корее и США показано на рис. 1.2. В Европе и в большей части Азии для WCDMA FDD будут выделены полосы IMT-2000 2x60 МГц (1920-1980 МГц плюс 2110-2170 МГц). Наличие спектра частот TDD неодинаковое: ожидается, что в Европе для лицензионного использования TDD будет предоставляться полоса до 25 МГц в участках спектра 1900- 1920 МГц и 2020- 2025 МГц. Остальная часть непарного спектра (TDD) , как ожидается, будет использована для нелицензионных применений TDD (SPA: самостоятельно обеспечиваемые применения) в полосе 21102120 МГц. Системы FDD используют различные частотные полосы для восходящего (uplink) и нисходящего (downlink) каналов, разделенных дуплексным расстоянием, в то время, как системы TDD используют одну и ту же частоту как для восходящего (up) , так и для нисходящего канала(down). В Японии и Корее полоса IMT-2000 FDD такая же, как в Европе и в остальной части Азии. Япония развернула PDS (персональную цифровую сотовую систему связи) как систему второго поколения, а в Корее используется система IS-95 как сотовая система и как система PCS (система персональной связи). Распределение спектра для PCS в Корее отличается от распределения спектра для PCS в США: в Корее остается доступным весь спектр, предусмотренный для ITM-2000.В Японии часть спектра ITM-2000 используется системой PHS – системой персонального беспроводного телефона. В Китае в одной части спектра ITM-2000 зарезервированы места для PCS и WLL (беспроводной сети локального доступа) , хотя они и не выделены ни одному оператору. В зависимости от принятых решений в Китае для WCDMA FDD могут быть предоставлены полосы 2x60 МГц в спектре частот IMT-2000. Спектр частот для TDD также имеется в Китае.

410

GSM 1800 нисходящий канал

IMT – 2000 вос- MSS восхо- IMT – 2000 ходящий канал дящий канал TDD

IMT – 2000 нисходящий канал

MSS нисходящий канал

Европа IMT – 2000 нисходящий канал

IMT – 2000 восходящий канал

Япония IS 95 нисходящий канал

IMT – 2000 восходящий канал

IMT – 2000 нисходящий канал

Корея PCS восходящий канал

PCS нисходящий канал

США

1800

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

2200

Рис. 1.2. Распределение спектра частот в Европе, Японии, Корее и США.

В США новый спектр частот для систем третьего поколения не выделен. Услуги систем третьего поколения могут быть реализованы за счет вкрапления систем третьего поколения в существующий спектр частот PCS. Это потребует изъятия части частот, предназначенных для систем второго поколения, и предоставления их системам третьего поколения. Для полосы PCS в США могут рассматриваться различные проекты систем третьего поколения, но преимущество здесь на стороне системы EDGE как системы узкополосной. При использовании EDGE потребуется освобождать меньшую ширину спектра для внедрения услуг систем третьего поколения. Для перераспределения могут рассматриваться также системы CDMA с множеством несущих и системы WCDMA. EDGE может использоваться в существующих системах GSM 900 и GSM 1800 там, где частоты имеются. Этих частот GSM нет в Японии и в Корее. Общая полоса, имеющаяся для работы GSM 900, составляет 2x25 МГц плюс EGSM 2x10 МГц, а для работы GSM 1800 2x75 МГц. EGSM – это система с расширением полосы GSM 900. Полностью полоса GSM недоступна для EDGE в странах, имеющих систему GSM. Позднее станет возможным перераспределять участки для WCDMA в полосах частот GSM, но первоначально применение EDGE будет наилучшим решением для обеспечения услуг систем третьего поколения в рамках полос, выделенных GSM. Лицензирование спектра IMT-2000 уже производится. Первые лицензии для IMT-2000 уже предоставлены. Начало было положено в Финляндии в марте 1999 г., затем последовала Испания (март 2000 г.). Никаких торгов в Финляндии или Испании не проводилось. Ожидается, что некоторые страны последуют подобному порядку лицензирования, который использовался также для GSM в Европе. Однако, в ряде стран, например, в Великобритании проводятся торги наподобие торгов в США относительно спектра частот для PCS. Ожидается, что позднее для IMT-2000 ,будут выделены дополнительные частоты. Цель со-

411

стоит в том, чтобы изыскать дополнительные 160 МГц в спектре частот для IMT-2000 в мае 2000 г. Большая часть новых частот будет выделена в полосах от 2 до 3 ГГц.

1.3. Сроки внедрения систем третьего поколения В Европе исследовательская работа по WCDMA была начата по проектам научных исследований Европейского Союза CODIT [2] и FRAMES [3], а также рядом крупных Европейских компаний по беспроводной связи в начале 1990-х годов [4]. В результате выполнения этих проектов были проведены испытания CDMA для оценки качества канала [5] и было выработано пониманиеWCDMA, необходимое для проведения работ по стандартизации. В январе 1998 г. Европейская организация по стандартизации ETSI (Европейский институт по стандартам в области телекоммуникаций) принял решение о WCDMA как о воздушном интерфейсе третьего поколения [6].Тщательная работа по стандартизации была выполнена как часть процесса стандартизации по проекту 3GPP. Первая разработка полной спецификации была закончена в конце 1999 г. Коммерческие сети запланировано открыть в Японии в 2001 г., а в Европе и других странах Азии в начале 2002 г. Ожидаемые сроки внедрения представлены на рис. 1.3. Эти сроки предусмотрены для работы в режиме FDD. Ожидается, что режим TDD будет внедряться несколько позже, и первые сети TDD будут основываться на спецификациях по проекту 3GPP, рабочей версии 2000 г. В Японии сроки внедрения режима TDD также остаются неясными из-за отсутствия для TDD соответствующего спектра частот. Оглядываясь назад на историю внедрения GSM, мы отмечаем, что с момента открытия первой сети GSM в июле 1991 г. (Радиолиния, Финляндия) в некоторых странах сотовые радиотелефоны составляют уже 50% телефонного парка. В ряде странах эта величина доходит до 70%. Системы второго поколения позволяют передавать речевой трафик; теперь перед системами третьего поколения стоит задача предоставления также ряда услуг по передаче данных.

1.4. Различия по воздушным интерфейсам между WCDMA и систем второго поколения В этом разделе описываются основные различия между воздушными интерфейсами второго и третьего поколений. Рассматриваемые здесь системы GSM и IS-95 (стандарт для систем cdmaOne) представляются воздушными интерфейсами второго поколения. Воздушными интерфейсами второго поколения являются интерфейсы PDS в Японии и US-TDMA в Америке; они основаны на технологии TDMA (множественного доступа с временным разделением каналов) и имеют большую схожесть с GSM, чем с IS-95.Системы второго поколе-

412

Стандарты

Окончание работы ITU по IMT-2000

Сети

1998

1999

Выпуск проекта 3GPP, версия 99

Последующие версии по проекту 3GPP

2000

Испытательная сеть

2001 Япония

2002 Европа, Азия

Рис. 1.3. Сроки для стандартизации и начала коммерческой эксплуатации систем WCDMA

ния были рассчитаны в основном для обеспечения передачи речи в макроячейках. Чтобы уяснить предпосылки, повлекшие за собой различия у систем второго и третьего поколения, нам необходимо посмотреть на новые требования, предъявляемые к системам третьего поколения, которые приводятся ниже: • Скорости передачи до 2 Мбит/с • Изменяемая скорость передачи, позволяющая предоставлять ширину полосы частот по требованию • Мультиплексирование услуг с различными требованиями к качеству обслуживания для одного соединения, например, передача речи, видеоинформации и пакетированных данных • • • • • •

Требования по задержке, начиная от уязвимого в отношении задержек трафика, передаваемого в реальном масштабе времени, и кончая гибкой передачей пакетированных данных с наилучшим сервисом Требования к качеству передачи от 10% вероятности появления ошибок в кадре, до вероятности ошибок по битам, равной 10‾6 Совместимость систем второго и третьего поколения в части межсистемной эстафетной передачи управления для увеличения зон охвата и балансирования нагрузки Поддержка асимметричного трафика по восходящим и нисходящим каналам передачи, например, просмотр информации Web приводит к большей нагрузке в нисходящем канале, чем в восходящем Высокая эффективность использования спектра Наличие режимов FDD и TDD.

413

В таблице 1.1 приводятся основные различия между WCDMA и GSM, а в таблице 1.2. – различия между WCDMA и IS-95. При этом сравнении рассматривается только воздушный интерфейс. GSM охватывает также услуги и вопросы, связанные с базовой сетью, и эта платформа GSM будет использоваться вместе с интерфейсом WCDMA: см. следующий раздел в отношении базовых сетей. Таблица 1.1 Основные различия между воздушными интерфейсами WCDMA и GSM WCDMA

GSM

5 МГц

200 КГц

1

1-18

1500 Гц

2 Гц или ниже

Разнесение несущих Коэффициент повторного использования частоты Частота управления мощностью Управление качеством

Алгоритмы управления радиоресурсами

Частотно-территориальное

Разнесение частот

Ширина полосы 5 МГц обеспечивает борьбу с многолучевостью

Скачкообразная перестройка частоты

Пакетированные данные

Планирование передачи пакетов в зависимости от нагрузки

Разнесение (асимметрия) при передаче для нисходящего канала

Обеспечивается для повышения пропускной способности нисходящего канала

Стандартом не предусматривается, но может применяться

Таблица 1.2. Основные различия между воздушными интерфейсами WCDMA и воздушными интерфейсами IS-95 WCDMA

IS-95

5 МГц

1‚25 МГц

3‚84 Мчипов/с

1‚2288 Мчипов/с

Частота управления мощностью

1500 Гц, в восходящем и нисходящем каналах

В восходящем канале: 800Гц, в нисходящем: медленное управление мощностью

Синхронизация базовой станции

Не требуется

Да, обычно получают через GPS

Эстафетные передачи управления с изменением частоты

Да, измерения с разделенными временными интервалами

Возможны, но метод измерений в спецификации не определен

Алгоритмы эффективного управления радиоресурсами

Да, обеспечивает требуемое качество обслуживания

Не требуется для сетей передачи только речи

Пакетирование данных

Изменения интенсивности передачи пакетов в зависимости от нагрузки

Пакетированные данные передаются как отдельные сообщения при коммутации каналов

Разнесение передачи по нисходящему каналу

Поддерживается для повышения пропускной способности в нисходящем канале

Стандартом не поддерживается

Разнесение несущих Скорость передачи элемента сигнала

414

Различия в воздушном интерфейсе отражают новые требования систем третьего поколения. Например, для поддержки более высоких скоростей передачи требуется более широкая полоса частот – 5 МГц. Разнесение при передаче включается в WCDMA для повышения пропускной способности нисходящего канала для поддержки требований асимметричной пропускной способности для нисходящего и восходящего каналов. Такое разнесение при передаче не поддерживается стандартами систем второго поколения. Комбинированное использование различных скоростей передачи, услуг и требований к качеству в системах третьего поколения требует усовершенствованных алгоритмов управления радиоресурсами для гарантирования качества обслуживания и максимизации пропускной способности системы. Кроме того, эффективная поддержка пакетированных данных не в реальном времени имеет большое значение для новых видов услуг. Основные различия между WCDMA и IS-95 комментируются ниже. Как WCDMA, так и IS-95 используют CDMA в режиме прямого расширения спектра. Более высокая скорость передачи элементов данных (чипов), составляющая 3‚84 Мчипов/c в WCDMA, дает больший выигрыш в канале с многолучевостью, чем при скорости передачи 1‚2288 Мчипов/с, особенно в небольших городских сотовых ячейках. Влияние разнесения для работы системы рассматривается в Разделах 9.2.1.2 и 11.2.1.3. Наиболее значимым обстоятельством является то, что многолучевое разнесение улучшает возможность доступа. Более высокая скорость передачи элементов сигнала также дает выигрыш при транкинге в режиме группового использования канала, особенно при больших скоростях передачи, по сравнению с узкополосными системами второго поколения. WCDMA предполагает быстрое управление мощностью по замкнутому контуру управления как в восходящем канале, так и в нисходящем, тогда как IS-95 использует быстрое управление мощностью только в восходящем канале. Быстрое управление мощностью в нисходящем канале повышает качество работы канала и его пропускную способность. Оно требует новых функциональных возможностей подвижной связи, например, оценки SIR (отношения сигналпомеха) и управления мощностью по внешнему контуру, что не требуется подвижным абонентам системы IS-95. Система IS-95 была предназначена в основном для применения в макроячейках. Базовые станции макроячеек располагаются на мачтах или на крышах домов, где может легко приниматься сигнал GPS (Глобальной системы местоположения). Базовым станциям IS-95 необходима синхронизация, и эту синхронизацию они обычно получают через систему GPS. Необходимость в сигнале GPS делает развертывание ячеек внутри помещений и микроячеек делом более сложным, поскольку прием сигналов GPS затруднен без доступа к спутни-

415

ковым системам GPS по линии прямой видимости. Поэтому технология WCDMA предусматривается для работы с асинхронными базовыми станциями, где не требуется синхронизации от GPS. Применение асинхронных базовых станций делает эстафетную передачу управления в системе WCDMA несколько отличной от системы IS-95. В WCDMA считается важным иметь межчастотную передачу управления для максимизации использования нескольких несущих на базовой станции. В системе IS-95 межчастотные измерения не предусмотрены, что делает межчастотные передачи управления более сложными. Для разработки интерфейса третьего поколения важную роль сыграл опыт, полученный при использовании интерфейсов второго поколения, но как показано выше, у них имеется много различий. Чтобы как можно более полно использовать возможности WCDMA, необходимо глубоко изучить и хорошо понять воздушный интерфейс WCDMA, начиная с физического уровня и кончая вопросами планирования сети и оптимизации ее работы.

1.5. Базовые сети Имеется три основных решения в отношении базовой сети, к которой могут быть подключены сети радиодоступа WCDMA. Основой для второго поколения служили либо базовые сети GSM, либо сети на основе IS-41. Естественно, что обе они будут основополагающими вариантами решений для систем третьего поколения. Новой альтернативой может служить GPRS (Пакетная коммутация в сетях подвижной радиосвязи) с базовой сетью, полностью основанной на протоколе IP. Наиболее типичные соединения базовых сетей и воздушных интерфейсов показаны на рис. 1.4. Возможны и другие соединения, которые, как ожидается, должным образом будут представлены на форумах по стандартизации.

416

Расширенная базовая сеть GSM

Функции обеспечения межсетевого обмена

WCDMA

Режим TDD TD - CDMA Базовая сеть GPRS IP EDGE

Базовая сеть IS -41

сdma 2000 с множественным доступом

Рис.1.4. Место базовой сети среди альтернатив построения воздушного интерфейса третьего поколения

Спрос на рынке определит, какие комбинации будут использоваться операторами. Предполагается, что операторы сохранят базовые сети второго поколения для передачи речи и добавят к этому возможности по передаче пакетированных данных. Позднее можно будет использовать для всех этих услуг базовые сети, основанные на IP-протоколе. Из-за различия технологий и распределения частот осуществление глобального роуминга потребует наличия у операторов особых возможностей, например, использования многорежимного (многомодового) и многодиапаонного телефона-трубки и шлюзов для роуминга между различными базовыми сетями. Конечному пользователю средства оператора будут невидимыми, и, вероятно, появятся терминалы глобального роуминга для тех абонентов, которые захотят платить за эту глобальную услугу. Литература к главе 1: [1]

[2] [3]

Pirhoncn, R.. Rautava, T. and Penttinen, J., TDMA Convergence for Packet Data Services', IEEE Personal Communications Magazine, June 1999, Vol. 6, No. 3, pp. 68-73. Andermo. P.-G. (edj. 'UMTS Code Division Tesihed (COD1T)'. COD1T Final Review Report, September 1995. Nikula, E.. Toskala, A.. Dahlman, E.. Girard. L. and Klein, A.. 'FRAMES Multiple Access for UMTS and IMT-2000'. Personal Communications Magazine. April 1998. pp. 16-24.

417

[4]

[5]

[6]

Ojanpera, Т.. Rikkinen, K., Hakkinen, H., Pehkonen, K., Hottinen, A. and Lilleberg. J.,'Design of a 3rd Generation Multiraie CDMA System with Multiuser Detection, MUD-CDMA. Proc. ISSSTA'96. Mainz. Germany, September 1996. pp. 334-338. Pajukoski, K. and Savusalo, J., 'Wideband CDMA Test System', Proc. IEEE Int. Conf. On Personal Indoor anil Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki, Finland, 1-4 September 1997, pp. 669-672. Holma. H.. Toskala, A. and Latva-aho. M., 'Asynchronous Wideband CDMA for IMT-2000', SK Telecom Journal, South Korea. Vol. 8, No. 6, 1998, pp. 1007-1021.

2 Услуги и области применения UMTS 2.1. Введение Наиболее выраженной особенностью UMTS является использование абонентами более высоких скоростей передачи: скорость может достигать 384 Кбит/с при коммутации каналов и 2 Мбит/с при коммутации пакетов. Естественно, что более высокие скорости передачи способствуют внедрению некоторых новых услуг, например, видеотелефонии и быстрой загрузке данных. При наличии ограничивающей нагрузку прикладной программы, по всей вероятности, будет обеспечиваться быстрый доступ к информации и ее фильтрация в соответствии с местом нахождения пользователя: см. рис. 2.1.Часто запрос информации будет производиться через Интернет, что требует эффективной обработки трафика TCP/UDP/IP в сети UMTS. На первых этапах UMTS почти весь трафик будет речевым, но со временем доля трафика передачи данных будет увеличиваться. Однако, трудно предсказать темп, с которым пойдет процесс доминирования трафика передачи данных во всем объеме трафика. В то время, когда будет происходить переход от речевого трафика к трафику пере-

418

дачи данных, будет совершаться переход от коммутации каналов к пакетной коммутации. В начальный период работы UMTS не все функции обеспечения качества обслуживания (QoS) будут реализованы, и поэтому приложения, критичные к задержке пакетов, такие как передача речи и видеотелефония будут осуществляться в сетях с коммутацией каналов. Позднее окажется возможным поддерживать такие услуги, критичные ко времени задержки, посредством передачи пакетированных данных с обеспечением необходимого QoS. По сравнению с GSM и другими имеющимися на сегодняшний день сетями подвижной связи UMTS обладает новой и важной особенностью , а именно той, что она позволяет согласовывать характеристики радиоканала доступа как переносчика информации, B-канала. Этими характеристиками передачи могут служить пропускная способность, задержка при передаче и вероятность появления ошибок в данных. Чтобы система успешно работала, UMTS должна поддерживать широкий спектр приложений, удовлетворяющий самым разным требованиям к качеству обслуживания (QoS). В настоящее время невозможно предсказать характер и широту использования многих из этих приложений. Поэтому нет ни возможности, ни смысла оптимизировать UMTS к одному ряду приложений. Каналы-переносчики информации UMTS должны иметь по природе общий характер, позволять хорошо обеспечивать существующие приложения и способствовать развитию новых приложений. Поскольку в большинстве своем современные приложения представляют собой приложения, связанные с Интернет или N-ISDN, естественно, что эти приложения и услуги определяют в первую очередь процедуры для управления каналом-переносчиком информации (B-каналом).

419

Рис. 2.1. Одна из разновидностей телефона для UMTS

2.2. Услуги каналов-переносчиков информации (B-каналов) UMTS UMTS позволяет пользователю соответственно заявленному приложению согласовывать характеристики каналов-переносчиков информации (B-каналов) с целью их оптимизации для передачи информации. Также возможно изменять характеристики B-канала с помощью процедуры согласования в процессе осуществленного соединения (трафика). Согласование B-канала инициализируется применением соответствующего приложения, тогда как повторное согласование может инициализироваться либо приложением, либо сетью (например, при эстафетной передаче управления). Согласование, инициализированное приложением, похоже на согласование, которое имеет место на этапе установления соединения доступа: прикладная программа запрашивает канал доступа в зависимости от ее потребности, и сеть проверяет наличие ресурсов, правомочен ли абонент пользоваться этой услугой, и затем дает ответ. Абонент либо принимает, либо отклоняет предложение. Характеристики B-канала непосредственным образом влияют на стоимость обслуживания. Класс B-канала, его характеристики и значения параметров непосредственно связаны с используемым приложением, а также с сетями, находящимися между отправителем и получателем. Совокупность параметров должна выбираться таким образом, чтобы процедуры согласования и повторного согласования были простыми и однозначными. Кроме того, параметры должны позволять легко осуществлять управление и контроль. Формат и семантика должны строиться с учетом существующих протоколов резервирования, например, RSVP (протокол резервирования ресурсов) и протоколов, используемых в GPRS. Кроме того, концепция QoS должна быть достаточно гибкой и многосторонней, чтобы позволять производить согласование B-каналов в будущем с еще неизвестными прикладными программами (приложениями). Многоуровневая архитектура обслуживания с использованием B-канала UMTS показана на рис. 2.2; на каждом конкретном уровне имеются свои услуги B-каналов дополнительно к тем, которые предоставлялись на более низких уровнях. Как можно видеть из рисунка, услуги с предоставлением B-каналов UMTS играют огромную роль в обеспечении сквозного (от одного конца до другого) обслуживания [1].

420

UMTS TE

MT

UTRAN

CN Iu EDGE NODE

CN Gateway

TE

Сервис радиодоступа с использованием В-каналов

Сервис базовой сети с использованием В-каналов

Радиосервис по В-каналу

Сервис интерфейса Iu по В-каналу

Опорная сеть предоставляемого сервиса

Обслуживание с использованием FDD/TDD в ULTRA

Услуги физического В-канала

Сеть наземного радиодоступа UMTS

Внешнее обслуживание с использованием В-каналов

Терминальное оборудование

Обслуживание с использованием В-каналов UMTS

Шлюз базовой сети

Локальное обслуживание TE/TM с использованием В-каналов

Подвижный терминал

Терминальное оборудование

Сквозное обслуживание

Интерфейс Iu между CN и узлом EDGE

Рис.2.2. Архитектура обслуживания с использованием B-каналов

2.3. Классификация качества услуг QoS В общем виде приложения и услуги можно делить на различные группы в зависимости от того, как их оценивать. С появлением новых протоколов в сетях с пакетной коммутацией UMTS пытается выполнить запросы на QoS, ориентируясь на имеющиеся приложения или заявки пользователя. В UMTS определено четыре класса трафика взаимодействия: • Класс диалогового взаимодействия • Класс потокового взаимодействия • Класс интерактивного взаимодействия • Класс вспомогательного взаимодействия, с отложенной передачей (ответом). Основным фактором различия классов служит то, на сколько трафик критичен к задержке: диалоговый класс предназначен для трафика, весьма критичного к задержке, тогда как вспомогательный класс менее всего критичен к задержке. Классы QoS для UMTS приводятся в Таблице 2.1. Таблица 1.2. Классы QoS для UMTS

421

Класс трафика Основные характеристики

Диалогового

Потокового

Интерактивного

взаимодействия

взаимодействия

взаимодействия

Сохраняет временные соотношения информационных элементов в потоке.

Сохраняет временное соотношение информационных элементов в потоке

Запрашивает форму ответа

Потоковая мультимедия

Просмотр Web, игры в сети

Сохраняет целостность данных

Диалоговая форма (строгая и с небольшой задержкой) Пример приложения

Передача речи, видеотелефония, видеоигры

Вспомогательного взаимодействия Получатель не ожидает поступления данных за определенный промежуток времени (отложенная передача)

Загрузка электронной почты с отложенной передачей

На начальном этапе эксплуатации UMTS классы диалогового и потокового взаимодействия будут передаваться как соединение в реальном масштабе времени по воздушному интерфейсу WCDMA, тогда как классы интерактивного и ознакомительного взаимодействия будут передаваться как доставляемые пакеты данных не в реальном времени. Передача пакетов данных не в реальном времени в WCDMA описывается подробно в главе 10. 2.3.1. Класс диалогового взаимодействия Наиболее хорошо известным приложением этого класса является передача речи по сетям с коммутацией каналов. В Интернет и в системах с комплексным представлением информации (Мультимедийных системах) этот тип класса будет использовать ряд новых приложений, например, передачу речи по каналу IP и видеотелефонную связь. Диалог в реальном масштабе времени всегда происходит между равноправными живыми конечными пользователями (лицами или группами лиц). Это единственный класс из четырех, где требующиеся характеристики строго определяются восприятием человека. Диалог в реальном масштабе времени характеризуется тем обстоятельством, что задержка при передаче от одного конца до другого мала, и трафик является симметричным или почти симметричным. Максимальная величина задержки передачи от одного конца до другого задается восприятием человеком диалога в видео или аудиорежимах: субъективные оценки показали, что величина сквозной задержки (задержки от одного конца до другого) должна составлять менее 400 мс. Поэтому ограничение приемлемой задержки является жестким, т.к. неспособность обеспечить достаточно малую задержку приведет к неприемлемому качеству связи. 2.3.1.1. Передача речи с использованием метода AMR

422

В речевом кодеке в UMTS будет использоваться метод Адаптивной многоскоростной (AMR) передачи. Многоскоростной речевой кодер – это единый интегрированный речевой кодек с восемью исходными скоростями: 12‚2 (GSMEFR); 10‚2; 7‚40 (IS-641); 6‚70 (PDS-EFR); 5‚90; 5‚15 и 4‚75 Кбит/с. Скорости передачи в AMR управляются сетью радиодоступа и не зависят от речевой активности. Для облегчения совместимости с существующими сотовыми системами некоторые из режимов выбраны такими же, что и у существующих сотовых сетей. Речевой кодек AMR со скоростью передачи 12‚2 Кбит/с соответствует кодеку EFR в GSM, со скоростью передачи 7‚4 Кбит/с соответствует речевому кодеку US-TDMA, а со скоростью передачи 6‚7 Кбит/с – Японскому кодеку PDS.Речевой кодер AMR может по команде производить переключение своей скорость передачи в каждом речевом фрейме [кадре] длительностью 20 мс. Для переключения режима AMR выбраны два способа: управление по каналам сети или с использованием выделенного канала. Кодер AMR работает с речевыми фреймами длительностью 20 мс, что соответствует 160 выборкам при частоте 8000 выборок в секунду. Схема режимов многоскоростного кодирования представляет собой так называемый алгебраический метод кодирования и линейного предсказания (ACELP). Многоскоростной кодер ACELP называется MR-ACELP. За каждые 20 мс (160 речевых выборок) речевой сигнал анализируется для извлечения параметров модели CELP (коэффициентов фильтра с линейным предсказанием, адаптивных и фиксированных индексов кодировочной книги и коэффициентов усиления). Биты с параметрами речи, переданные кодирующим устройством речи, перераспределяются в соответствии с их субъективной важностью перед тем, как они передаются по сети. Перераспределенные биты затем сортируются с учетом их восприимчивости к ошибкам и делятся на три класса по их важности: A, B и C. Класс А является наиболее уязвимым, и в воздушном интерфейсе используется самое мощное канальное кодирование для битов класса А. Во время обычного телефонного разговора его участники говорят попеременно, так что в среднем каждое направление передачи занято около 50% времени. У AMR имеется три основных функции для эффективного использования прерывистой занятости: • Детектор речевой активности (VAD) на передающей стороне • Оценка фонового акустического шума на передающей стороне для того, чтобы передавать характеристические параметры приемной стороне • Передача комфортного шумового фона на приемную сторону, что достигается посредством фрейма Дескриптора тишины, который посылается через одинаковые промежутки времени • Генерация (воспроизведение) комфортного шума на приемной стороне в периоды, когда не принимаются нормальные речевые фреймы.

423

Система прерывистой передачи речи (DTX) имеет некоторые очевидные положительные стороны: в пользовательском терминале продлевается срок жизни батареи или же при заданной длительности работы может использоваться батарея с меньшей емкостью. Если смотреть с позиции сети, то уменьшается требующаяся скорость передачи битов, что ведет к снижению уровня помех, а, следовательно, к повышению пропускной способности. Спецификация AMR также содержит механизмы скрадывания ошибок. Замена фрейма имеет целью скрыть (ослабить) влияние речевых фреймов AMR. Заглушение выходного сигнала при потере нескольких фреймов производится для того, чтобы показать нарушение канала пользователю и избежать возможного возникновения раздражающих звуков в результате процедуры замены фреймов [2] [3]. Речевой кодек AMR может выдерживать вероятность появления ошибок фрейма (FER) для битов класса A до 1% без ухудшения качества речи. Для битов классов B и C допускается более высокая FER. Соответствующий коэффициент битовых ошибок (BER) для битов класса A будет около 10‾4. Скорость передачи для речевого соединения AMR может управляться с помощью сети радиодоступа в зависимости от нагрузки воздушного интерфейса и качества речевых соединений. При большой нагрузке, например, в периоды максимальной нагрузки, можно использовать более низкие скорости передачи битов AMR для повышения пропускной способности за счет некоторого снижения качества речи. Кроме того, если подвижный объект вышел из зоны обслуживания сотовой ячейки и использует максимальную мощность передачи, то может использоваться меньшая скорость передачи AMR для расширения зоны охвата сотовой ячейки. Зона уверенной работы в восходящем канале для речевого кодека AMR рассматривается в разделе 11.2.1. При использовании речевого кодека AMR возможно достижение компромисса между пропускной способностью, зоной охвата и качеством речи в соответствии с требованиями оператора. 2.3.1.2. Видеотелефонная связь

Видеотелефонная связь имеет требования по задержке схожие с речевым обслуживанием. Вследствие применения сжатия видеоинформации требования к BER здесь более строгие, чем для передачи речи. В UMTS определено, что для видеотелефонной связи по соединительным линиям с коммутацией каналов должны использоваться Рекомендации ITU Rec.H324M[4]. В настоящее время имеется два подходящих варианта для систем видеотелефонной связи с коммутацией каналов: ITUI Rec. H.323 и IETF SIP. Рекомендация ITU-T Rec. H.324

424

Первоначально Рекомендации Rec.H.324 предназначались для мультиме дийной связи по стандартной телефонной сети, т.е. PSTN. Указывается, что для соединений PSTN используется синхронный модем V.34. Позднее, с развитием Область применения Rec. H. 324 M Аппаратура ввода/вывода видео

Видеокодек H.323 или MPEG 4, простой профиль

Аппаратура ввода/вывода аудио

Речевой кодек G.7231 или AMR

Прикладная программа пользовательских данных Т.120 и др.

Управление системой Пользовательский интерфейс

Задержка в приемном тракте

Протокол передачи данных V.14, LAMP и др.

H.223 мультиплексирование/демультиплек сирование Уровень 0 Уровень 1 Уровень 2

Модем V.34 V.8/V8 bis для PSTN Соответствующий интерфейс для беспроводной сети

PSTN Беспроводная сеть с коммутацией пакетов (GSM, CDMA)

Управление системой Управление H.245 SHP/LAMP

Рис. 2.3. Область применения Rec. H.324

беспроводных сетей, в спецификацию введены добавления, касающиеся подвижной связи, с тем, чтобы сделать систему более устойчивой к ошибкам при передаче. Общий вид системы H.324 показан на рис.2.3. H.324 состоит из следующих обязательных элементов: H.223 для мультиплексирования и H.245 для управления. Элементами необязательными, но обычно используемыми, являются видеокодек G.723.1 и V.8bis. Позднее в систему в качестве необязательных элементов были добавлены MPEG-4 видео и AMR. Рекомендация определяет семь этапов вызова: установление соединения, только речь, обучение модема, инициализация, сообщение (собственно передача), окончание и очистка (разъединение). Уровень 0 мультиплексирования H.223 точно такой же, как уровень мультиплексирования H.324, тем самым обеспечивается совместимость со старыми терминалами H.324. При стандартизированной процедуре согласования терминал может приспосабливаться к преобладающим условиям радиолинии путем выбора определенного уровня устойчивости к ошибкам.

425

V.8bis содержит процедуры для идентификации и выбора общих режимов работы для оконечного оборудования канала передачи данных (DCE) и оконечного оборудования для передачи данных (DTE) по обычной коммутируемой телефонной сети и арендованным телефонным линиям (каналам) между двумя пунктами. Основные возможности элемента V.8bis: • Он позволяет выбирать необходимый режим связи либо вызывающей, либо отвечающей стацией. • Он позволяет терминалам автоматически определять общие рабочие режимы (приложения). • Он позволяет осуществлять автоматический выбор одного из множества терминалов, использующих общий телефонный канал. • Он обеспечивает удобное для пользователя переключение с обычной речевой телефонной связи на режим связи с использованием модема. Особенность V.8bis, связанная с обменом возможностями, позволяет производить обмен между терминалами сведениями о режимах связи, а также прикладными программами. Поэтому каждый терминал может устанавливать режимы работы, с помощью которых он будет осуществлять связь с удаленной станцией. Таким образом, обмен возможностями, производимый между станциями, обеспечивает, a priori, что выбранный режим для связи возможен. Таким образом, удается избежать попыток установления несовместимых режимов работы, что ускоряет осуществление соединения на прикладном уровне. Как и при процедуре выбора режима, обмен возможностями может выполняться либо при установлении вызова автоматически под управлением вызывающей или отвечающей станции, либо в процессе телефонного обмена. В последнем случае по завершении информационного обмена канал связи может конфигурироваться либо на возврат к речевой телефонной связи, либо на незамедлительное принятие одного из общих режимов связи. V.8bis построен таким образом, что, когда обмен возможностями происходит в телефонном режиме, и эти возможности ограничиваются стандартными функциями, перерыв речевой связи продолжается очень короткое время (менее 2 секунд), и он оказывается необременительным. Чтобы гарантировать бесшовную передачу данных между UMTS и PSTN, механизм управления вызовом системы UMTS должен брать в расчет сообщения V.8bis. Сообщения V.8bis должны интерпретироваться и преобразовываться в сообщения UMTS и наоборот. Одним из последних усовершенствований H.324 является рабочий режим, который позволяет использовать терминал H.324 на линиях ISDN. Этот режим работы определяется в Дополнении D к Рекомендации H.324 и называется H.324/1. Терминалы H.324/1 используют интерфейс пользователь-сеть ISDN серии 1.400 вместо модема V.34. Выходной сигнал мультиплексора H.223 непосредственно сопрягается с каждым битом цифрового канала в соответствии с

426

порядком, определенным H.223. Режимы работы определяются скоростями передачи, начиная от 56 Кбит/с и кончая 1920 Кбит/с, так что H.324/1 позволяет использовать несколько каналов со скоростью передачи 56 или 64 Кбит/с одновременно. H.324/1 обеспечивает прямую совместимость с терминалами H.320, терминалами H.324 в GSTN (при использовании модемов GSTN), терминалами H.324, работающими в ISDN, при замене пользователями интерфейсов ISDN серии 1.400 на модемы V.34 и с речевыми телефонами (как GSTN, так и ISDN). Терминалы H.324/1 поддерживают H.324/Дополнение F(=V.140), которые служат для установления связи между двумя мультипротокольными аудиовизуальными терминалами при передаче цифровых каналов со скоростями, кратными 64 или 56 Кбит/с [5]. Рекомендация ITU-T Rec. 323

В H.323 (см. рис. 2.4) логические каналы мультиплексируются на транспортном уровне по адресам порта назначения. Транспортный адрес представляет собой соединение адреса сети и порта, которое и определяет пункт назначения транспортного уровня, например, IP-адрес и порт UDR (протокол пользовательских дейтаграмм), пакеты передаются на транспортном уровне от адреса источника по адресу назначения. Например, каждый логический канал передачи данных, аудио, видеоинформации для H.245, T.120 и RTCP (протокол поточной передачи в реальном времени) посылается по разным транспортным адресам назначения. Соответственно и пакеты с различными типами информационного наполнения посылаются по различным транспортным адресам, исключая необходимость в отдельном уровне мультиплексирования/демультиплексирования в H.225.0. Если получатель соглашается на то, что протокол управления H.245 будет открывать логический аудио и/или видеоканал, то приемный терминал посылает по каналу управления указание о порте, где бы он хотел получать соответствующий битовый поток. Поток данных будет передаваться в этот порт, как и дейтаграммы UDP [6]. Следует отметить, что существующая в настоящее время спецификация GPRS не поддерживает более одного контекста PDR на один IP-адрес. Чтобы в полной мере воспользоваться возможностями UMTS, должен поддерживаться контекст на уровне порта. Это необходимо для того, чтобы определить QoS порта, т.е. пригоден ли выделенный канал доступа для передачи аудио и видеоинформации. H.225.0 использует RTP/RTCP (транспортный протокол реального времени/управляющий протокол реального времени) для пакетирования мультимедийного потока и синхронизации всех обслуживаемых LANs. Использование RTP/RTCP связано с использованием UDP/TCP/IP.

427

Предполагается, что ошибки в битах определяются на нижних уровнях, и пакеты, содержащие ошибки, не посылаются в H.225.0. Терминалы H.225 должны позволять осуществление передачи и приема аудио и видеоинформации на отдельные транспортные адреса при использовании отдельных пакетов RTP, чтобы давать номера последовательности фреймов в соответствии со спецификой мультимедиа и разделять трактовку QoS для каждой среды передачи. Область применения Rec. H. 323 Аппаратура ввода/вывода видео

Видеокодек H.261 или H.263

Речевой кодек G.711, G.722, G.723.1, G.728 G.729

Аппаратура ввода/вывода аудио

Задержка в приемном тракте

Уровень H.225.0

Пакетная сеть

Прикладная программа пользовательских данных Т.120 и др. Управление системой Управление H.245 Управление системой Пользовательский интерфейс

Управление вызовом Н.245.0 Управление RAS H.225.0

Рис. 2.4. Область применения Рекомендаций ITU Rec. H.323

Если в конференц-связи используются среды передачи аудио и видеоинформации, то они передаются как отдельные сеансы RTP; пакеты RTCP передаются для каждой среды при использовании двух разных пар портов UDP и/или групповых адресов. Прямая связь на уровне RTP между аудио и видеосеансами отсутствует, за исключением того случая, когда получатель, участвующий в обоих сеансах, должен использовать одно и то же отличительное имя в пакетах RTCP для обоих сеансов с тем, чтобы можно было связать эти сеансы. Несмотря на это разделение, может быть достигнуто синхронизированное воспроизведение аудио и видеоинформации источника использованием информации о согласовании по времени, содержащейся в пакетах RTCP для обоих сеансов.

428

Установление конференц-связи между двумя пунктами с помощью H.323 требует наличия двух соединений TCP между двумя терминалами: одно для установления вызова, а другое – для управления конференц-связью и обмена возможностями. Первоначальное соединение производится от вызывающего с заранее известным портом на стороне вызываемого. Это соединение переносит сообщения по установлению вызова, определенные в H.225.0, и обычно называется каналом Q.931. Приняв входящий вызов, вызываемый контролирует соединение TCP на динамическом порте; вызываемый сообщает этому порту о приеме сообщения. Затем вызываемый устанавливает второе соединение TCP с этим портом. Второе соединение переносит сообщения по управлению конференц-связью, определенные в H.245. Как только устанавливается канал H.245, первое соединение становится ненужным (в среде простой конференц-связи), и может быть разъединено с любого конечного пункта. Канал H.245 используется терминалами для обмена возможностями передачи аудио и видеоинформации и осуществления определения кто является ведущим, кто подчиненным. Оно далее используется для сигнализации об открытии логических каналов для аудио и видеоинформации, что приводит к организации сеансов RTP для мультимедийных потоков. Канал H.245 остается открытым на протяжении всей конференц-связи. Он используется для сигнализации о конце конференц-связи. Мультимедийная архитектура IETE (Комитета по инженерным проблемам Интернет)

Просматривающиеся в настоящее время перспективы развития видеотелефонной связи IP основываются главным образом на стандарте ITU-T H.323. Однако, он необязательно будет служить лучшим решением для использования в Интернет и в частности в беспроводных линиях из-за его весьма сложной управляющей сигнализации. В H.323 используется управляющая сигнализация H.245 и двоичное кодирование ASN.1/PER. Вместо этого, IETE, основной орган по определению стандартов для Интернет, использует текстовые протоколы сигнализации. В настоящее время эти простые стандарты IETE по конференцсвязи и проведенные эксперименты de facto привели к выработке представления, которое называется Мультимедийной архитектурой IETE (см. рис. 2.5), охватывающей несколько областей: • SIP (протокол инициализации сеансов): протокол сигнализации, подлежащий использованию вместо H.323/H.245 • SAP (протокол извещения о сеансах): Многоадресный протокол извещений (извещает о аудио/видео сеансах Интернет, например, о попконцертах, лекциях и т.д.) На нем основан действующий в настоящее время протокол Mbone(Многоадресной магистрали)

429

• SDP (протокол описания сеансов): Текстовый синтаксис для описания сеансов (вместо ASN.1/BER в H.323) • RTSP (потоковый протокол реального времени): Протокол для управления удаленными серверами (например, серверами VOD (предоставления видео по требованию) для воспроизведения элементов файла). Область применения мультимедийного терминала IETE Аппаратура ввода/вывода видео

Аппаратура ввода/вывода аудио

Видеокодек H.261, H.263, H.263+, MobiVideo

RTP- формирование. Задержка в приемном тракте Сообщения отправителя RTCP (необязательно)

RTP- формирование. Задержка в приемном тракте Сообщения отправителя RTCP (необязательно)

Речевой кодек G.711, G.722, G.723.1, G.728 G.729, EFR

TCP/IP драйвер

Прикладная программа пользовательских данных Т.120 и др.

Управление системой Пользовательский интерфейс

Паке тная сеть

Безопасность (необязательно) SIP SDP SAP RTCP (необязательно) RSVP (необязательно)

Рис. 2.5. Мультимедийная архитектура IETF

RTP используется для мультимедийного инкапсулирования (формирования пакета мультимедийных данных), а RTCP для управления передачей информации и синхронизации. Возможно, также совместное использование приложения множеством участников: по крайней мере разработаны совместно используемая рабочая область и текстовый редактор сети. Оба подхода основываются на надежной групповой адресации (передаче сообщений конкретным группам). SIP обеспечивает необходимые механизмы для протоколов, так что оконечные системы и уполномоченные серверы могут обеспечить такие услуги как: • Направленный вызов, переключение телефонного вызова при отсутствии ответа абонента

430

• Переключение телефонного вызова в случае занятости линии абонента • Безусловный направленный вызов (переключение телефонного вызова) • Другие услуги, связанные с трансляцией адреса (переадресацией) • Передача номера вызываемого и вызывающего, где номером может служить любая (желательно уникальная) схема наименования (присвоения имен) • Персональная мобильность, т.е. возможность вызова абонента по одному, независимому от местоположения адресу, даже в том случае, если пользователь меняет терминалы • Согласование и выбор типа терминала. Вызывающему абоненту может предоставляться выбор в отношении того, каким образом связаться с вызываемым абонентом: например, с помощью телефонного соединения через Интернет, по мобильному радиотелефону, через автоответчик и т.д.: • Согласование возможностей терминалов • Аутентификация вызывающего и вызываемого абонентов • Слепая и контролируемая передача вызова • Приглашение к многопунктовой конференц-связи (для территориально рассредоточенных пользователей). Имеются расширения SIP, позволяющие осуществлять независимую сигнализацию, например, для услуг с переключением на связь по телефонным линиям, конференц-связь между узлами и обеспечение соединений с устройствами управления многопунктовой связью (MCUs), а также иметь смешанные режимы работы и возможности перехода с одного на другой. SIP является адресно-нейтральным протоколом, где адреса выражаются как URLs (унифицированные указатели ресурсов) различных типов, например, в виде SIP, H.323 или телефонной связи (E.164). SIP не зависит от уровня пакетов и требует только дейтаграммного обслуживания с невысокой надежностью, поскольку он имеет собственный механизм обеспечения надежности [7]. На рис. 2.6 показан один из вариантов видеотелефонов.

431

Рис. 2.6. Вариант видеотелефона третьего поколения

2.3.2. Класс потокового взаимодействия Метод мультимедийного потока – это метод передачи данных в таком виде, что он может обрабатываться как устойчивый и непрерывный поток. Потоковые технологии становятся все более важными с развитием Интернета, так как большинство пользователей не имеют доступа с достаточно высокой скоростью для того, чтобы быстро перегружать большие мультимедийные файлы. При использовании потокового метода клиентский браузер (программа ускоренного просмотра) или интегрированный программный модуль (встраиваемое расширение) могут начать отображение данных до того, как передан весь файл. Чтобы заработал потоковый метод, сторона клиента, принимающего данные, должна обладать способностью собирать данные и посылать их в виде устойчивого потока по прикладной программе, которая производит обработку данных и их преобразование в звук или изображение. Эти потоковые приложения являются весьма асимметричными и поэтому способны выдерживать более длительную задержку, чем симметричные диалоговые системы. Это означает также, что они допускают более высокий джиттер (переменную задержку) при передаче. Джиттер легко сглаживается с помощью буферизации. Видеопродукция Интернет и участвующая в их создании мультимедийная индустрия, взятые вместе, четко подразделяются на две разные по своим задачам области: (1) Передача Web и (2) Обеспечение видеопотока по требованию. Провайдеры передачи Web обычно имеют дело с очень широкой аудиторией, подключающейся к мультимедийному серверу при выборе из большого числа серверов через дей-

432

ствующую сеть Интернет, которая в настоящее время является очень медленнодействующей. Услугами по требованию чаще пользуются большие корпорации, которые хотят записать видеоклипы или лекции в память сервера, подключенного к местной Интрасети (внутрикорпоративной сети) с более широкой полосой – эти записи по требованию редко когда используются одновременно более, чем несколькими сотнями людей. Оба эти применения используют в основе своей схожую технологию сжатия видеоданных, но ширина полосы частот для кодирования, уровень настройки при использовании сетевого протокола, робастность технологии серверов, необходимая серверам широковещательной передачи, отличается от технологии, используемой по требованию в меньших по своим масштабам системах. Это приводит к ситуации, когда несколько крупных компаний, разрабатывающих и реализующих продукцию потокового видео, приспособили свою продукцию для удовлетворения потребностей конечного пользователя в этих двух близких областях. По сути дела, они оптимизировали свою базовую продукцию различным образом: одна из них нацелена на рынок «28,8 КГц» – потока по Интернет, с большой зависимостью от изменений ширины полосы, а другая – на рынок Интрасети (внутрикорпоративной) со скоростями передачи 1007300 Кбит/с. В приемнике потоковые данные или видиоклип воспроизводятся подходящей независимой программой мультимедийной системы воспроизведения или интегрированным программным модулем браузера. Интегрируемые программные модули могут загружаться через Web, обычно бесплатно, или отсылаться в браузер. В большей мере это зависит от браузера и его используемой версии – у новых браузеров, как правило, имеются интегрированные программные модули для большинства распространенных систем воспроизведения потокового видео. В заключении можно отметить, что реализация системы воспроизведения у клиента подвижной системы, как представляется, приводит к построению модуля прикладного уровня, который позволяет обрабатывать потоки видео независимо (при независимом соединении и приведении в действие систем воспроизведения) или параллельно с применением браузера, когда услуга активизируется от браузера. Модуль может сопрягаться непосредственно с узловым интерфейсом протоколов сети с коммутацией пакетов для прикладных уровней, наиболее вероятными здесь будут протоколы UDP/IP или TCP/IP [8]. 2.3.3. Класс интерактивного взаимодействия Этот уровень применяется, когда конечный пользователь, человек или машина, в реальном времени запрашивает данные от удаленного оборудования (например, сервера). Примерами взаимодействия человека с удаленным оборудованием могут служить просмотр Web, поиск информации в базе данных, дос-

433

туп к серверу. Примерами взаимодействия машины с удаленным оборудованием могут быть опрос данных измерений и автоматические запросы, посылаемые в базу данных (телеметрические системы). Интерактивный трафик представляет собой другую классическую схему передачи данных, которая в общих чертах характеризуется формой запрос – ответ конечного пользователя. В месте назначения сообщения имеется объект, ожидающий сообщение (ответ) в течение определенного времени. Одним из ключевых атрибутов здесь служит задержка, связанная с подтверждением приема. Другой характеристикой является то, что содержимое пакетов должно быть передано прозрачным образом (при любой вероятности ошибок). 2.3.3.1. Услуги, связанные с местоопределением

Нетрудно прогнозировать, что услуги, связанные с местоопределением (позиционированием) и соответствующие приложения станут одним из новых измерений в UMTS. Услуги, связанные с местоопределением, предоставляются либо оператором, действующим на удалении, либо независимым провайдером услуг, которые используют имеющуюся информацию о месторасположении терминала. Услуга может быть двунаправленной типа «толкай» (push) (например, автоматическое распределение местной информации), либо типа «тяни» (pull) (например, определение места аварийных вызовов). Еще одной возможной услугой, связанной с местоопределением, может быть посылка вызовов по местному тарифу в определенный район, предоставление услуг по передаче для ограниченного числа абонентов (передача видео по требованию), а также поиск и отображение информации о месторасположении, например, о местах расположения ближайших заправочных станций, отелей, ресторанов и т.д. На рис. 2.7 приводится такой пример. В зависимости от вида услуги данные могут предоставляться интерактивно или в порядке сопровождающего сообщения. Например, перед тем, как отправиться за границу в незнакомый город кто-то захочет запросить загрузку в ночное время отдельных интересующих его мест в этом городе. Загружаемая информация обычно содержит карту и другие данные, подлежащие отображению в верхней части карты. Путем нажатия на графический символ, изображенный на карте, можно получить информацию из этого места. Информация, которая должна загружаться для предварительного ознакомления или интерактивно, может быть ограничена определенными критериями и личными интересами. Информация о местоположении может вводиться пользователем или определяться сетью или подвижной станцией. В версии-99 для UMTS указываются следующие методы позиционирования: • метод позиционирования, основанный на зоне действия ячейки • метод определения разницы по времени прихода – в паузах бездействия нисходящего канала (OTDOA-IPDL)

434

• методы GPS с использованием сетей.

Рис. 2.7. Вариант радиотелефона третьего поколения, показывающий услуги, связанные с местоопределением

Эти методы являются скорее дополнительными, чем конкурирующими, и оказываются пригодными для различных целей. Требуемое местоположение определяется в соответствии с требованиями, установленными рядом атрибутов, например, точность позиционирования по горизонтали и вертикали, время на ответ и приоритеты, а также безопасность. Наиболее важным элементом, очевидно, служит точность. Измерение местоположения представляет собой статистический процесс, и не все измерения для одного и того местоположения дадут одинаковый результат. Общая характеристика точности определения местоположения системой требует статистической обработки многих результатов по определению местоположений в зоне охвата UTRAN. Точность, приписываемая одному измерению, может значительно отличаться от статистических данных, характеризующих всю систему. В настоящее время для UMTS определено, что она должна обеспечивать данные о местонахождении подвижной станции с точностью до 50 м [9], [10]. 2.3.3.2. Компьютерные игры

Компьютерные игры в сети в интерактивном режиме представляют собой один из примеров применения, который может рассматриваться как относящийся к интерактивному классу. Однако, в зависимости от характера игры, т.е. на сколько активно ведется передача данных, она может относиться скорее к диалоговому классу, исходя из требований к максимальной сквозной задержке.

435

2.3.4. Класс вспомогательного взаимодействия Трафик данных прикладных процессов, таких как доставка электронной почты, SMS(служба передачи коротких сообщений), загрузка баз данных и прием данных о результатах измерений могут передаваться как бы с задержкой, поскольку такие применения не требуют немедленных действий. Задержка может составлять секунды, десятки секунд и даже минуты.

Рис. 2.8. Вариант радиотелефона третьего поколения с показом получения электронной почтовой открытки

Трафик с отложенной передачей – это одна из классических схем связи, которая в общих чертах характеризуется тем обстоятельством, что в месте назначения не ожидают поступления данных в определенное время. Таким образом, он менее критичен ко времени доставки. Другая особенность заключается в том, что нет необходимости содержимое пакетов передавать прозрачным образом. Просто передаваемые данные должны быть приняты без ошибок. Одним из примеров новых применений, которые постепенно получают все большее и большее распространение, служат электронные почтовые открытки (см. рис. 2.8). Не трудно предсказать, что как только в терминалах появятся встроенные фотокамеры и большие цветные дисплеи, так сразу произойдет скачок в применении электронных почтовых открыток.

2.4. Заключительные замечания В этой главе мы кратко рассмотрели UMTS с позиций предоставляемых услуг и применений. Перечень этот далеко не полный, но, представляется, что

436

он поможет читателям получить представление о большом разнообразии имеющихся услуг и увидеть, что нас ждет в недалеком будущем. UMTS обеспечивает высокие скорости передачи при соединениях как с коммутацией каналов, так и пакетов, эффективное управление каналом доступа, групповую адресацию и многие другие приложения, позволяющие находить новые применения экономически эффективным способом. Литература к главе 2: [1] 3GPP, Technical Specification Group Services and System Aspects, QoS Concept (3G TR 23.907 version 1.3.0). 1999. [2] 3GPP. Mandatory Speecli Codec Speech Processing Functions. AMR Speech Codec: General Description (3G TS 26.071 version 3.0.1). 1999. [3] 3GPP, Mandatory Speech Codec Speech Processing Functions. AMR Speech Codec: Frame Structure General Description (3G TS 26.101 version 1.4.0), 1999. [4] 3GPP, Technical Specification Group Services and System Aspects, Codec for Circuit Switched Multimedia Telephony Service: General Description (3G TS 26.110 version 3.0.1), 1999. [5] ITU-T H.324. Terminal for Low Bitrate Multimedia Communication, 1998. [6] ITU-T H.323v2. Packet Based Multimedia Communications Systems, 1998. [7] Handley, M..et al., SIP: Session Initiation Protocol, RFC2543, IETF, 1999. [8] Honko, H., Internet Video Prestudy, 1997. [9] 3GPP, Technical Specification Group (TSG) RAN, Working Group 2 (WG2). Stage 2 Functional Specification of Location Services in URAN (3G TR 25.923 version 1.4.0), 1999. [10] 3GPP, Technical Specification Group Services and System Aspects. Location Services (LCS). Service description, Stage I (3G TS 22.071 version 3.1.0), 1999.

437

3 Введение в WCDMA 3.1 Введение В данной главе рассматриваются принципы построения воздушного интерфейса WCDMA. Особое внимание обращается на те особенности, которые отличают WCDMA от GSM и IS – 95. Основные параметры WCDMA на физическом уровне представлены в разделе 3.2. В разделе 3.3 описывается концепция расширения и сжатия (свертки) спектра сигнала, за этим следует рассмотрение многолучевого радиоканала и приемника Rake в разделе 3.4. Остальными важными элементами воздушного интерфейса WCDMA, представленными в этой главе, являются управление мощностью, а также мягкая и полумягкая эстафетные передачи управления (хэндовер). Необходимость использования управления мощностью и его реализация описываются в разделе 3.5, а мягкого и полумягкого хэндовера – в разделе 3.6

3.2 Краткое рассмотрение основных параметров WCDMA В данном разделе мы представляем основные параметры системного проектирования WCDMA и даем краткое толкование большинства из них. Основные параметры, относящиеся к воздушному интерфейсу WCDMA, приводятся в таблице 3.1. Здесь мы освещаем некоторые вопросы, характеризующие WCDMA. • WCDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS – CDMA), т.е. биты информации пользователя передаются в широкой полосе частот путем умножения исходного потока данных пользователя на последовательности квазислучайных битов (называемых чипами), являющиеся кодами расширения CDMA. Для обеспечения очень высоких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) поддерживается использование переменного коэффициента расширения и мультикодовых комбинаций. Пример организации такой структуры показан на рис. 3.1.

438

• Скорость передачи, равная 3,84 Мчип/с, приводит к занятию полосы приблизительно в 5 МГц. Системы DS-CDMA с шириной полосы около 1 МГц, например, IS-95, обычно называют узкополосными системами CDMA. Присущая системам WCDMA большая ширина полосы на несущей обеспечивает высокие скорости передачи данных пользователя, а также создает определенные преимущества в работе, например в каналах с повышенной многолучевостью. Не нарушая полученной лицензии на работу системы, оператор может иметь несколько таких несущих с полосой 5 МГц для увеличения пропускной способности, возможно, в виде ячеек иерархической структуры. Такое построение показано на рис.3.1. Фактически такое разнесение несущих может быть реализовано и на 200 килогерцовой сетке приблизительно в полосе 4,4 и 5 МГц в зависимости от уровня интерференции несущих. • WCDMA поддерживает самые разные скорости передачи данных пользователя, другими словами, концепция получения ширины полосы по требованию (BoD) достаточно хорошо поддерживается. Каждому пользователю выделяются фреймы длительностью 10 мс, в течение каждого из которых скорость передачи данных пользователя остается постоянной. Однако пропускная способность для передачи данных у пользователя может меняться от фрейма к фрейму. На рис. 3.1 показан пример такой особенности. Быстрое выделение пропускной способности для радиосвязи будет обычно управляться сетью для достижения максимальной пропускной способности при передаче пакетированных данных. • WCDMA поддерживает два основных режима работы: частотное разделение дуплексных каналов (FDD) и временное разделение дуплексных каналов (TDD). В режиме FDD для восходящего и нисходящего каналов используются раздельные несущие с частотой 5 МГц, тогда как в режиме TDD только одна несущая 5 МГц используется для восходящего и нисходящего каналов с разделением прием-передача во времени. Восходящий канал – это канал от подвижной станции к базовой, а нисходящий – от базовой станции к подвижной. Режим TDD в значительной мере основан на концепциях режима FDD и был дополнительно введен, чтобы использовать базовую систему WCDMA также и для непарного (несимметричного) распределения спектра, выделенного ITU для систем IMT-2000. Подробно режим TDD описывается в главе 12 • WCDMA поддерживает работу асинхронных базовых станций, так что в отличие от синхронной системы IS-95 отсутствует необходимость в

439

глобальной привязке ко времени, например к GPS. Развертывание базовых станций внутри помещений и миниатюрных базовых станций (для пикосот) производится легче, когда не требуется получать сигнал GPS. • WCDMA использует когерентный прием для систем WCDMA в восходящем и нисходящем каналах на основе применения пилотсимволов или общих пилот-сигналов. Хотя когерентный прием уже используется в нисходящем канале в IS-95, его применение в восходящем канале является новым для систем CDMA общего пользования и приведет к увеличению общей зоны охвата и пропускной способности восходящего канала. • Воздушный интерфейс WCDMA задуман таким образом, что оператор сети может использовать перспективные концепции построения приемников CDMA, например многопользовательский прием и применение интеллектуальных адаптивных антенн как способ повышения пропускной способности и/или зоны охвата. В большинстве систем второго поколения отсутствуют возможности использования таких концепций построения приемника, и в результате они либо не могут применяться, либо могут применяться лишь с большими ограничениями и дают лишь незначительное улучшение эксплуатационных показателей. • WCDMA предназначена для использования вместе с GSM. Поэтому поддерживаются эстафетные передачи управления (хэндоверы) между GSM и WCDMA для того, чтобы иметь возможность использовать зону охвата GSM для внедрения WCDMA. Таблица 3.1. Основные параметры WCDMA Метод множественного доступа

DS-CDMA

Дуплексный разнос

Дуплекс с частотным разделением/ дуплекс с временным разделением

Синхронизация базовой станции

Асинхронная работа

Скорость передачи чипов

3,84 Мчип/с

Длительность фрейма

10 мс

Мультиплексирование при обслуживании

Множество услуг с различными требованиями по качеству обслуживания

Концепция многоскоростной передачи

Переменный коэффициент расширения и мультикоды

Прием

Когерентный с использованием пилот-символов и общего пилот-сигнала

Многопользовательский прием, интеллектуаль-

Поддерживается стандартом, необязательным в реализации

440

ные антенны

В остальных разделах этой главы мы коротко рассмотрим общие принципы работы CDMA. В последующих главах вышеупомянутые аспекты, отличающие стандарт WCDMA, будут представлены и разъяснены более подробно.

Основные принципы CDMA изложены также в литературе [1], [2], [3] и [4]. Рис.3.1. Распределение ширины полосы частот в WCDMA даюКоды с различным расширением, во временном-частотном-кодовом пространстве

Переменная скорость передачи Высокая скоЧастота основные операции при расширении На рис. 3.2 показаны и сжатии спекрость передачи тра системы DS-CDMA. МГ ВреСим-

Мощ-и сжатие 3.3 Расширение

10

ДанЧи

Расширение

Код расшиРасширенный сигнал = = данСжатие

Код расшиДанные = расширенный сигнал х Рис. 3.2. Расширение и сжатие в DS-CDMA

Предполагается, что здесь данные пользователя представляют собой битовую последовательность с двухпозиционной фазовой манипуляцией (BPSK), передаваемую со скоростью R, где биты данных пользователя имеют значения

441

±1. Операция расширения в этом примере – это умножение каждого бита данных пользователя на последовательность из 8 кодовых битов, называемых чипами. Мы предполагаем, что это относится также к модуляции расширения, использующей BPSK. Мы видим, что полученные в результате расширения данные передаются со скоростью 8× R и имеют такой же случайный (шумоподобный) вид, что и код расширения. В этом случае можно сказать, что мы использовали коэффициент расширения равный 8. Затем этот широкополосный сигнал передается по беспроводному каналу на приемный конец. При сжатии мы умножаем расширенные данные пользователя/последовательность чипов, бит за битом на те же самые 8 кодовых чипов, которые использовали во время расширения этих битов. Как показано на рисунке 3.2, исходная битовая последовательность пользователя отлично восстанавливается при условии, что мы имеем также точную синхронизацию расширенного сигнала пользователя и точную копию кода расширения (сжатия). Умножение скорости передачи сигналов на коэффициент 8 соответствует расширению (на коэффициент 8) занимаемого спектра частот расширенным сигналом данных пользователя. Благодаря этому достоинству системы CDMA чаще называют системами с расширенным спектром. Сжатие восстанавливает ширину полосы частот пропорционально R сигнала. Принцип действия корреляционного приемника для CDMA показан на рис. 3.3. Верхняя половина рисунка показывает прием полезного собственного сигнала. Как и на рис. 3.2, здесь мы видим операцию сжатия при идеально синхронизированном коде. Затем корреляционный приемник интегрирует (т.е. суммирует) получающиеся произведения (данные×код) для каждого бита пользователя. Полезный сигнал Полезный расширенный сигнал Код расширения Данные после расширения Данные после интеграции

Сигнал другого пользователя Другой расширенный сигнал Другие данные после сжатия Другой сигнал после интеграции

Рис. 3.3. Принцип действия корреляционного приемника CDMA

Нижняя половина рис. 3.3 демонстрирует влияние операции по сжатию, когда оно относится к сигналу CDMA другого пользователя, сигнал которого,

442

как полагают, был расширен с использованием другого кода расширения. Результат умножения сигнала помехи на собственный код и интеграция получающихся произведений приводят к тому, что значения сигнала помехи оказываются близкими к 0. Как можно видеть, амплитуда собственного сигнала увеличивается в среднем на коэффициент расширения 8 относительно амплитуды сигнала пользователя другой создающей помехи системы, т.е. корреляционный прием позволил увеличить полезный сигнал на коэффициент расширения, в данном случае в 8 раз, по сравнению с сигналом помехи, присутствующем в системе CDMA. Этот эффект называется «выигрышем в отношении сигнал/шум при обработке сигнала» и является фундаментальным показателем для всех систем CDMA и вообще для всех систем с расширенным спектром. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигнала – это то, что делает системы CDMA робастными в отношении внутренней интерференции, а это необходимо для повторного использования имеющихся несущих с частотой 5 МГц на географически близких расстояниях. Приведем пример с реальными параметрами WCDMA. Передача речи со скоростью 12,2 Кбит/с дает выигрыш при обработке равный 25 дБ = 10×log10(3,84e6/12,2e3). После сжатия необходимо, чтобы мощность сигнала, как правило, была на несколько децибел выше мощности помехи и шума. Необходимая плотность мощности по отношению к плотности мощности помехи в данной книге обозначается как Eb/N0, где Eb − энергия или плотность мощности на бит пользователя и N0 − плотность мощности помехи и шума. Для передачи речи Eb/N0 обычно составляет порядка 5,0 дБ, и необходимое отношение широкополосного сигнала к помехе будет поэтому 5,0 дБ минус выигрыш при обработке = −20,0 дБ. Другими словами, мощность сигнала может быть на 20 дБ ниже мощности помехи и теплового шума, а приемник WCDMA все еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущей C/I. Благодаря расширению и сжатию C/I в WCDMA может быть ниже, чем, например в GSM. Речевой трафик в GSM требует C/I = 9 − 12 дБ. Поскольку широкополосный сигнал может быть ниже уровня теплового шума, его прием затруднен без знания расширяющей последовательности. По этой причине системы с расширенным спектром впервые нашли военное применение, где широкополосный характер сигнала позволяет скрыть его под постоянно действующим тепловым шумом. Отметим, что в любой заданной ширине полосы частот канала (скорости передачи чипов) мы будем иметь больший выигрыш при обработке для более низких скоростей передачи данных пользователя, чем для более высоких. В частности, для скорости передачи данных пользователя 2 МГц выигрыш при обработке составляет менее 2 (=3,84Мчип/с ÷ 2Мбит/с=1,92, что соответствует

443

2,8 дБ), и робастность сигнала WCDMA по отношению к помехе явно компрометируется. Характеристики WCDMA при высоких скоростях передачи приводятся в разделе 11.4. Как базовые станции, так и подвижные станции, для режима WCDMA используют по существу этот тип корреляционного приемника. Однако из-за многолучевого распространения (и возможно, при множестве приемных антенн) необходимо использовать соответствующее множество корреляционных приемников для того, чтобы восстановить энергию от многих лучей и/или антенн. Такая совокупность корреляционных приемников называемая «пальцами», («тратами»), составляет то, что включает в себя понятие приемника Rake CDMA. Мы опишем работу приемника Rake CDMA. Более подробно в следующем разделе, но перед этим мы сделаем несколько заключительных замечаний относительно преобразования расширение/сжатие при использовании его в беспроводных системах. Важно понять, что само по себе расширение/сжатие не обеспечивает какого-либо улучшения сигнала для беспроводных применений, В самом деле, выигрыш в отношении сигнал/помеха при обработке получается за счет увеличенной ширины полосы частот при передаче (умноженной на величину выигрыша при обработке). Все преимущества WCDMA идут скорее «через заднюю дверь» мимо широкополосных качеств сигнала при рассмотрении на системном уровне, а не на уровне отдельного радиоканала: 1. Выигрыш в отношении сигнал/помеха в совокупности с широкополосным характером сигнала предполагает возможность полного повторного использования частоты, коэффициент повтора равен 1, в различных сотовых ячейках беспроводной системы (т.е. частота повторно используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться для получения высокой эффективности использования спектра. 2. Совместное использование многими пользователями одной и той же широкополосной несущей для их связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей системы усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности по сравнению с системами, где при планировании необходимо ориентироваться на помехи для худшего случая. 3. Однако, оба вышеуказанных преимущества требуют применения жесткого управления мощностью и мягкого хэндовера для того, чтобы избежать блокирования сигналом одного пользователя другим. Управление мощностью и мягкий хэндовер будут рассматриваться в этой главе далее.

444

4. При использовании широкополосного сигнала различные пути распространения беспроводного радиосигнала могут получать разрешение с более высокой точностью, чем сигналы с более узкой шириной полосы. Это ведет к получению более разнообразных возможностей борьбы с замираниями и, тем самым, к улучшению рабочих характеристик.

3.4 Многолучевые радиоканалы и прием Rake Распространение радиоволн в канале наземной подвижной связи характеризуется наличием большого числа отражений, дифракцией и затуханием энергии сигнала. Причиной всему этому являются естественные препятствия, например здания, холмы и т. д., а результатом оказывается многолучевое распространение. Многолучевое распространение ведет к двум последствиям, которые мы будем рассматривать в данном разделе. 1. Энергия сигнала (относящаяся, например к одному чипу сигнала CDMA) может поступать в приемник в четко различимые моменты времени. Поступающая энергия «вмазывается» в определенный профиль задержки при многолучевом распространении: см., например рис. 3.4. Интервал задержки в городских и пригородных районах обычно составляет от 1 до 2 мкс, хотя в некоторых случаях в холмистых районах наблюдались задержки до 20 мкс при достаточно высокой энергии сигнала. Длительность чипа при скорости передачи 3,84 Мчип/с равна 0,26 мкс. Если разница по времени многолучевых составляющих будет по крайней мере 0,26 мкс, то приемник WCDMA сможет разделить эти многолучевые компоненты и сложить их когерентно при многолучевом распространении. Задержку длительностью 0,26 мкс можно получить, если разница в протяженности лучей составит по крайней мере 78 м (скорость света ÷ скорость передачи чипов = 3,0·108 мс–1 ÷ 3,84 Мчип/с). При скорости передачи чипов около 1 Мчип/с разница в длинах лучей многолучевых составляющих должна быть около 300 м, что невозможно получить в небольших ячейках. Поэтому легко видеть, что WCDMA с тактовой частотой 5 МГц может обеспечить многолучевое разнесение в небольших ячейках, что невозможно в системе IS-95. 2. Кроме того, для определенного значения временной задержки обычно имеется множество лучей почти равной длины, по которым распространяется радиосигнал. Например, лучи с разницей по длине равной половине длины волны (при частоте 2 ГГц это приблизительно 7 см) поступают фактически одновременно по сравнению с лучами, имеющими разность хода 78 м и между которыми возникает задержка равная длительности чипа (при скорости передачи 3,84 Мчип/с). В ре-

445

зультате в приемнике, который перемещается даже на меньшие расстояния, имеет место подавление полезного сигнала, называемое быстрыми замираниями. Подавление полезного сигнала лучше всего представляется как сложение нескольких взвешенных векторов, которые получают фазовый сдвиг (обычно длина радиоволны по модулю) и затухание вдоль заданного направления в определенный момент времени. На рис. 3.5 показан примерный вид быстрого замирания, воспринимаемый по поступающей энергии сигнала при конкретном значении временной задержки при движении приемника. Мы видим, что мощность принимаемого сигнала может резко падать (на 20 – 30 дБ), когда происходит фазовое подавление за счет отражений при многолучевом распространении. В определенных геометрических условиях, вызывающих явления замирания и рассеяния, изме-

Рис. 3.4. Многолучевое распространение приводит к получению многолучевого профиля задержки

нения сигнала, обусловленные быстрыми замираниями, происходят на несколько порядков чаще, чем изменения среднего профиля задержки при многолучевом распространении. Статистика в отношении средней энергии принимаемого сигнала за короткий период обычно хорошо описывается рэлеевским распределением (см. для примера [5] и [6]). Эти перепады энергии, обусловленные замираниями, делают прием передаваемых битов данных без ошибок делом весьма затруднительным, поэтому в WCDMA необходимо принимать соответствующие контрмеры. Такие контрмеры по борьбе с замираниями приведены ниже. 1. Рассеянная энергия сигналов с задержкой складывается за счет использования множества каналов Rake (корреляционных приемников), настроенных на те значения задержки, с которыми поступают сигналы со значительной энергией. 2. Для смягчения проблемы, связанной с замиранием мощности сигнала, используются быстрое управление мощностью и разнесенный прием приемником Rake.

446

3. Используются протоколы мощного кодирования, перемежения и повторения передачи для увеличения избыточности и разнесения по времени сигнала, и тем самым оказывается помощь приемнику в восстановлении битов пользователя, подвергшихся воздействию замираний. Динамика распространения радиоволн обусловливает следующие принципы работы при приеме сигналов CDMA. 1. Определить позиции временной задержки сигналов, поступающих со значительной энергией и выделить для них корреляционные приемники, т.е. те тракты − каналы Rake, которые настроены на эти пики. Сетка измерений по длительности для получения профиля задержки при многолучевом распространении составляет величину порядка одного чипа (обычно в пределах 0,25 − 0,5 длительности чипа) со скоростью обновления порядка десятых долей миллисекунд. 2. В каждом корреляционном приемнике требуется проследить быстроизменяющиеся значения фазы и амплитуды, обусловленные процессом битовых замираний, и убрать их. Этот процесс слежения должен быть очень быстрым при скорости обновления порядка 1 мс или меньше. 3. Просуммировать демодулированные и отрегулированные по фазе символы во всех активных трактах и передать их в декодер для дальнейшей обработки. 1-трактовый рэлеевский канал с замираниями

Рис.3.5. Быстрые рэлеевские замирания, вызванные многолучевым распространением

447

На рис. 3.6 обозначены тракты приема 2 и 3 путем изображения символов модуляции (BPSK или QPSK), а также мгновенного состояния канала в виде взвешенного комплексного вектора. Для оказания содействия решению по тракту 2 WCDMA использует известные пилотные символы, которые применяются для зондирования канала и получения оценки состояния канала в данный момент времени (значения взвешенного вектора) для конкретного тракта. Затем принятый символ вращается в обратную сторону с тем, чтобы устранить вращение фазы, вызванное каналом. Такие канально компенсированные символы затем могут просто складываться для восстановления энергии во всех положениях, имеющих задержку. Такая обработка называется также сложением по максимальному отношению (MRC). Переданный символ

Принятый Принятый сигнал сс сососигнал ответствуюответствующей временвременщей ной задержзадержной кой кой

Видоизмененный сигнал с учетом оценки канала

Суммарныйсимвол

Тракт #1

Тракт #2 Тракт #3

Рис. 3.6. Принцип сложения по максимальному отношению в приемнике Rake CDMA

В соответствии с этими принципами на рис. 3.7 представлена блок-схема приемника Rake с тремя трактами. Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем

448

будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями. Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль задержки при многолучевом распространении используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника Rake с наибольшими пиковыми значениями. В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный фильтр), выполняется на ASICs (специализированных интегральных схемах), тогда как обработка на уровне символа (устройство оценки канала, фазовращатель, сумматор) реализуются с помощью DSP (процессора цифровой обработки сигналов). Хотя и существуют некоторые различия между приемниками Rake и WCDMA на сигВходной подвижной станции и нал с выхода КорреляВырав Фазов базовой станции, ниватор ращавсе основные УстГенепринципы работы, Тракт 1 Сумматор ройТракт 2 Тракт 3 Синхронизация по времени Распределение по трактам Согласованный фильтр

представленные здесь, одинаковы. Рис. 3.7 Блок-схема приемника Rake WCDMA И наконец, мы отмечаем, что множество приемных антенн может приспосабливаться так же, как множество лучей, принимаемых от одной антенны: просто путем использования дополнительных трактов Rake к антеннам мы можем принять всю энергию от множества лучей и антенн. С позиции приемников Rake по сути нет разницы у этих двух видов разнесенного приема.

449

3.5. Управление мощностью Достаточно точное и быстрое управление мощностью является, возможно, наиболее важным аспектом в WCDMA в особенности в восходящем канале. Без него одна подвижная станция с повышенным уровнем мощности может заблокировать всю ячейку. На рис. 3.8 представлена и сама проблема и ее решение в виде управления мощностью передачи по замкнутому контуру. Подвижные станции MS1 и MS2 работают на одной частоте, разделяемой на базовой станции только по их соответствующим кодам расширения. Может случиться так, что MS1 на краю ячейки испытывает потери на трассе, скажем на 70 дБ больше по сравнению с MS2, находящейся рядом с базовой станцией BS. При отсутствии механизма приведения мощности для MS1 и MS2 к одинаковому уровню на базовой станции, MS2 могла бы легко «перекричать» MS1 и тем самым заблокировать значительную часть ячейки, создавая так называемую проблему ближней − дальней зоны при CDMA. Оптимальной стратегией в смысле максимизации пропускной способности будет служить постоянное побитовое выравнивание принимаемой мощности всех подвижных станций. Поддерживать уровни принимаемой мощно-

Команды подвижным станциями по управлению мощностью

Рис. 3.8. Управление мощностью по замкнутому контуру в CDMA

Пока в открытом контуре не придуманы механизмы управления мощностью, которые могли бы производить грубую оценку потерь на трассе кроме как с помощью передачи сигнала-маяка по нисходящему каналу, но такой метод будет далеко не точным. Основная причина этого заключается в том, что быстрые замирания по существу не коррелированны в восходящем и нисходящем каналах вследствие большого частотного разделения полосы частот восхо-

450

дящего и нисходящего каналов в режиме WCDMA FDD. Управление мощностью в открытом контуре в WCDMA, однако, используется, но только для обеспечения грубой первоначальной установки мощности подвижной станции при инициировании соединения. Решением для последующего управления мощностью в WCDMA служит быстрое управление мощностью по замкнутому контуру, также показанное на рис.3.8. При управлении мощностью по замкнутому контуру в восходящем канале базовая станция производит частые оценки принятого отношения сигнал/помеха (SIR). Если измеренное SIR выше необходимого, то базовая станция дает команду подвижной станции понизить мощность; если оно слишком мало, она скомандует подвижной станции увеличить мощность. Цикл измерение − команда − реакция выполняется со скоростью 1500 раз в секунду (1,5 кГц) для каждой подвижной станции и, таким образом, действует быстрее, чем может произойти какое-либо существенное изменение потерь на трассе, а в действительности даже чаще, чем может быть скорость быстрых рэлеевских замираний при низких и средних скоростях передвижения подвижной станции. Таким образом, управление мощностью по замкнутому контуру позволяет предотвратить какой-либо дисбаланс мощности для всех восходящих каналов, принимаемых базовой станцией. Такой же метод управления мощностью по замкнутому контуру используется также и в нисходящем канале, хотя мотивация здесь другая: в нисходящем канале не существует проблемы ближней − дальней зоны благодаря сценарию связи «один со многими». Все сигналы в ячейке исходят от одной базовой станции и передаются подвижным станциям. Однако желательно иметь резервный дополнительный запас мощности для подвижных станций, находящихся на краю ячейки, поскольку они больше подвергаются помехам от другой ячейки. Кроме того, для нисходящего канала необходимо использовать метод усиления слабых сигналов, обусловленных рэлеевскими замираниями, за счет дополнительной мощности при низких скоростях, когда другие методы исправления ошибок, основанные на применении перемежения и кодов с исправлением ошибок, не действуют с достаточной эффективностью. На рис. 3.9 показано, как действует управление мощностью по замкнутому контуру в канале с замираниями с низкой скоростью перемещений. Команда по управлению мощностью по замкнутому контуру заставляет подвижную станцию использовать мощность обратно пропорциональную мощности принимаемого сигнала (или SIR). При условии, что у подвижной станции есть запас мощности, позволяющий повысить ее, остается лишь небольшое остаточное замирание, и канал становится по существу каналом без замираний, как это можно видеть на приемнике базовой станции. Хотя такое устранение замираний представляется весьма желательным для приемника, оно происходит за счет повышения средней передаваемой

451

мощности на передающем конце. Это означает, что подвижная станция, испытывающая глубокие замирания, т.е. использующая большую мощность передачи, будет создавать больше помех соседним ячейкам. Этот момент иллюстрируется на рис. 3.9. Выигрыш при быстром управлении мощностью более подробно рассматривается в разделе 9.2.1.1.

dB

Принимаемая мощ-

dB

Передаваемая мощ-

Канал Секунды, при скороРис. 3.9. Компенсация канала с замираниями с помощью управления мощностью по замкнутому контуру

Прежде чем отойти от вопроса управления мощностью по замкнутому контуру, мы должны упомянуть о близко связанном с ним контуре управления: управлении мощностью по внешнему контуру. С помощью управления мощностью по замкнутому контуру осуществляется регулирование необходимого SIR на базовой станции в соответствии с потребностями отдельного радиоканала и с постоянным качеством обслуживания, обычно определяемым определенной вероятностью появления ошибки по битам (BER) или вероятностью ошибки по принимаемым фреймам (FER). Почему может возникнуть необходимость в изменении заданной функции SIR? Необходимое SIR (существует требование пропорционального соотношения Eb/N0) для, скажем, FER = 1% зависит от скорости подвижной станции и профиля многолучевого распространения. Теперь, если произвести изменение заданной функции SIR на худший случай, т.е. высокие скорости подвижной станции, то придется допустить большие потери в пропускной способности на эти каналы, чем при низких скоростях. Таким образом, наилучшей стратегией будет поддерживать заданную функцию SIR около минимального значения достаточного для обеспечения необходимого качества. Заданная функция SIR будет меняться во времени, как показано на графике, представленном на рис. 3.10, поскольку изменяются скорость и условия рас-

452

пространения. Выигрыш от использования управления мощностью по внешнему контуру подробно рассматривается в разделе 9.2.1. Управление по замкнутому контуру реализуется таким образом, что базовая станция помечает каждый фрейм передаваемых данных пользователя в восходящем канале индикатором (указателем) надежности фрейма, так что CRC Информация о качестве фрейма Команды по регулированию заданной функУправление мощностью по внешЕсли качество меньше заданного,SIR повысить задан-

Подвижная станция стоит на

Быстрое управление мощностью Если SIR меньше SIR за-

Время

Рис. 3.10. Управление мощностью по внешнему контуру

(проверочная комбинация кода) проверяет результат при декодировании этого конкретного фрейма передаваемых данных пользователя. Если индикатор качества фрейма укажет контроллеру радиосети (RCN), что качество передачи ухудшается, то RCN в свою очередь дает команду базовой станции повысить значение заданной функции SIR на определенную величину. Причина, на основании которой управление по внешнему контуру замыкается в RNC, состоит в том, что эта функция должна выполняться после возможного комбинирования с мягким хэндовером. Мягкий хэндовер будет рассматриваться в следующем разделе.

3.6. Полумягкий и мягкий хэндоверы При полумягком хэндовере подвижная станция находится в зоне охвата ячейки, перекрывающей два соседних сектора базовой станции. Связь между подвижной станцией и базовой станцией поддерживается постоянно по двум каналам воздушного интерфейса: по одному для каждого сектора. Это требует использования двух отдельных кодов в направлении нисходящего канала с тем, чтобы подвижная станция могла различать сигналы. Эти два сигнала принима-

453

ются подвижной станцией с использованием обработки приемником Rake, очень близкой к обработке, принятой для приема многолучевых сигналов, за исключением того, что тракты должны генерировать соответствующие коды для каждого сектора с тем, чтобы можно было произвести необходимую операцию сжатия. Сектор Из обоих секторов к MS посылается оди-

Сектор

Рис. 3.11. Полумягкий хэндовер

В направлении восходящего канала на базовой станции происходит подобного же рода процесс: канал с кодом подвижной станции принимается в каждом секторе, затем направляется к тому же приемнику группового сигнала Rake, где обычным образом производится суммирование по максимальному отношению. При полумягком хэндовере активным будет только один контур управления мощностью на каждое направление. Полумягкий хэндовер при соединениях обычно происходит приблизительно в 5 – 15% случаев. На рис. 3.12 показан мягкий хэндовер. При мягком хэндовере подвижная станция находится в зоне охвата ячейки, перекрывающей два сектора, принадлежащих разным базовым станциям. Как и при полумягком хэндовере связь между подвижной станцией и базовой поддерживается постоянно по двум каналам воздушного интерфейса от каждой станции отдельно. Как и при полумягком хэндовере оба канала (сигнала) принимаются подвижной станцией с использованием обработки приемником Rake на основе суммирования по максимальному отношению. Если смотреть с позиций подвижной станции, то отличия между полумягким и мягким хэндоверами весьма незначительные. Однако в восходящем направлении мягкий хэндовер значительно отличается от полумягкого хэндовера: канал с кодом подвижной станции принимается от обеих базовых станций, но затем принятые данные направляются к RNC радиосети для суммирования. Это обычно делается с той целью, чтобы один и тот же показатель надежности фрейма, который обеспечивался для управления

454

мощностью по внешнему контуру использовался бы и для выбора лучшего из возможных двух фреймов в RNC. Выбор производится после каждого интервала перемежения, т.е. каждые 10 – 80 мс. Следует отметить, что при мягком хэндовере активными являются два контура управления мощностью на соединение – по одному на каждую базовую станцию. Управление мощностью при мягком хэндовере рассматривается в разделе 9.2.1.3. Мягкий хэндовер производится для 20 – 40% соединений. Для обслуживания соединений при мягком хэндовере система должна обеспечить следующие дополнительные ресурсы, что должно быть учтено на этапе планирования: • Дополнительные каналы приемника Rake на базовых станциях. • Дополнительные каналы передачи между базовой станцией и RNC. • Дополнительные «тракты» Rake в подвижных станциях. Отметим также, что мягкий и полумягкий хэндоверы могут иметь место в комбинации друг с другом. Почему необходимы именно эти специально предназначенные для CDMA хэндоверы? Они нужны по тем же причинам, что и управление мощностью по замкнутому контуру: без мягкого/полумягкого управления будут возникать сценарии ближней – дальней зоны для подвижной станции, проникающей из одной ячейки глубоко в другую – соседнюю ячейку, не имея управления мощностью от последней. Очень быстрые и жесткие хэндоверы могли бы позволить решить эту проблему; однако они могут производиться с определенной задержкой, во время которой может возникнуть проблема ближней – дальней зоны. Таким образом, как и быстрое управление мощностью, мягкие/полумягкие хэндоверы являются важным средством уменьшения помех в WCDMA. Мягкий и полумягкий хэндоверы более подробно описываются в разделе 9.3. От обеих BS к MS посылается одинаковый сигнал за исключением ко-

Суммирование при макроразнесении в

455

Рис. 3.12. Мягкий хэндовер

Кроме мягкого/полумягкого хэндоверов WCDMA обеспечивает и другие типы хэндоверов: • Жесткие хэндоверы при переходе с частоты на частоту, которые могут использоваться, например, для передачи подвижной станции с одной несущей частоты WCDMA на другую. Одним из приложений такого рода будут базовые станции с несколькими несущими, обеспечивающие высокую пропускную способность • Межсистемные жесткие хэндоверы, которые используются для перехода с системы WCDMA FDD на другую систему, например, WCDMA TDD или GSM. Литература к главе 3: [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Ojanpera, Т. and Prasad. R., Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications, Artech House,1998. Vilerbi. A., Principles of Spread Spectrum Communication, Addison-Weslcy, 1997. Cooper, G. and McGillcm. C., Modern Communications and Spread Spectrum, McGraw-Hill. 1998. Dixon, R.. Spread Spectrum Syssems with Commercial Applications, John Wilcy & Sons. 1994. Jakes, W., Microwave Mobile Communications, John Wiley & Sons. 1974. Saunders, S., Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, John Wiley & Sons. 1999.

456

4 Подготовка и принятие стандарта WCDMA 4.1. Введение На первом этапе работ по стандартизации систем третьего поколения в нескольких регионах проводился отбор лучших технологий множественного радиодоступа. В данной главе описывается процесс выбора, который осуществлялся в ETSI в основном в течение 1997 г., а также приводятся решения, принятые региональными организациями по стандартизации, в начале 1998 г. Представлены также и другие органы стандартизации, выполнявшие работу, связанную с WCDMA, а затем описывается и 3GPP, общий проект по стандартизации для создания глобального стандарта WCDMA.

4.2. Подготовительная работа в Европе В Европе выбору технологии третьего поколения предшествовал длительный период исследований. Начало исследовательской работе по основам построения систем третьего поколения было положено программой RACE I (исследование перспективных технологий в области связи в Европе) в 1988 г. За этой программой последовала программа RACE II по разработке CODIT (испытательной модели с кодовым разделением), основанной на CDMA, и ATDMA (усовершенствование мобильного доступа TDMA) для воздушных интерфейсов, выполнявшаяся в течение 1992-95 г.г. Кроме того, в ряде проектов, осуществлявшихся промышленностью в Европе, изучались предложения по построению широкополосных интерфейсов: см., например, [1]. Работы по Европейской исследовательской программе ACTS (усовершенствованные технологии и услуги в области связи) были начаты в конце 1995 г. для обеспечения исследований и разработок по подвижной связи. В рамках ACTS был запущен проект FRAMES (перспективная широкополосная радиосистема множественного доступа) [2] с задачей выработки предложения по системе радиодоступа к UMTS. Основными партнерами в промышленности, участвовавшими в проекте FRAMES, были компании Nokia, Siemens, Ericsson,

457

France Telecom и CSEM/Pro Telecom; в числе участников были также некоторые Европейские университеты. На основе результатов, полученных на этапе оценки первоначального предложения, по проекту FRAMES, была определена платформа гармонизированного множественного доступа, включающего в себя два режима: FMA 1, широкополосный TDMA [3] и FMA 2, широкополосный CDMA [4]. Предложения по проекту об использовании широкополосного CDMA и широкополосного TDMA были представлены в ETSI как варианты воздушных интерфейсов UMTS и в ITU для системы IMT-2000. На основе предложений, представленных в 1996 г. и в начале 1997 г., по построению воздушного интерфейса с территориальным радиодоступом к UMTS (UTRA), изложенных в промежуточном отчете, в ETSI в июне 1997 г. было сформировано пять групп по разработке концепций. Были организованы следующие группы: • Широкополосного CDMA (WCDMA) • Широкополосного TDMA (WTDMA) • TDMA/CDMA • OFDMA – (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) • ODMA – (множественный доступ с использованием открывающихся за счет переприема возможностей). Группы по разработке концепций, образованные в ETSI, будут представлены в следующих разделах. Оценка предложений производилась на основе требований, определенных в Рекомендациях Международного союза электросвязи по IMT-2000 (и требований ETSI, определенных в частности в UMTS 21.01 [5]), а также на принципах оценки и условиях, описанных в UMTS 30.06 [7]. 4.2.1. Широкополосный CDMA Группа по концепции WCDMA была создана для рассмотрения предложений по WCDMA, содержавшихся в проектах FRAMES/FMA 2, компаний Fujitsu, NEC и Panasonic, нескольких Европейских, Японских и Американских компаний, внесших вклад в разработки концепции WCDMA. Физический уровень восходящего канала WCDMA был принят в основном из проекта FRAME/FMA 2, тогда как решение по нисходящему каналу было видоизменено, следуя принципам, содержавшимся в других предложениях, представленных группе по концепции WCDMA. Основные характеристики системы: • Работа широкополосной CDMA с несущей (тактовой) частотой 5 МГц • Гибкость физического уровня, позволяющая объединить все скорости передачи данных на одной несущей

458

• Однократное повторное использование.

459

Усовершенствования включили в себя: • Разнесение передачи • Использование адаптивной антенны • Поддержка усовершенствования построения приемников. Концепция WDCMA получила широкое признание; в техническом отношении более всего подкупила гибкость физического уровня, позволяющая обеспечивать различные виды сервиса одновременно. Это весомое преимущество, особенно при использовании низких и средних скоростей передачи. В качестве недостатков WCDMA было признано то, что в не согласованной системе в режиме TDD при непрерывной работе на прием и передачу технология чистой WCDMA не позволяет улучшить защиту от помех при использовании беспроводных телефонов. 4.2.2. Широкополосный TDMA Группа по концепции WTDMA взяла на рассмотрение вариант без расширения спектра, предложенный в проекте FRAMES/FMA 1. Проект FRAMES/FMA 1 был фактически построен на концепции системы, основанной на TDMA со скоростью на несущей 1‚6 МГц для реализации широкополосного сервиса. Эта концепция была нацелена на получение высокой пропускной способности путем усреднения действия помех в выбранной полосе оператора за счет использования меняющейся загрузки и скачкообразной перестройки частоты. Основные характеристики системы: • Коррекция с помощью обучающей последовательности в пакетах TDMA • Усреднение помех с помощью скачкообразной перестройки частоты • Адаптация канала • Два основных типа пакетов, 1/16 и 1/64 длины для высокой и низкой скорости передачи соответственно • Небольшие возможности повторного использования. Усовершенствования включили в себя: • • • •

Подавление помех между ячейками Поддержка адаптивных антенн Работы в режиме TDD Менее сложные выравниватели для условий с большим разбросом задержки. Основным недостатком была признана небольшая дальность связи с учетом сервиса с малой скоростью передачи. Это обусловлено тем обстоятельством, что при работе на основе TDMA длительность слота составляет, как ми-

460

нимум, только 1/64 часть длительности временного окна, что приводит либо к очень высокой максимальной (пиковой) мощности, либо к низкому среднему уровню выходной мощности. Это означает, что для передачи на большие расстояния, например, речи, концепция WTDMA сама по себе не окажется конкурентоспособной, а потребует для поддержки дополнительно узкополосного варианта. 4.2.3. Широкополосная TDMA/CDMA Группе WTDMA/CDMA было задано направление по рассмотрению варианта с расширением спектра, предложенного в проекте FRAMES/FMA 1, приведшего к гибридной концепции CDMA/TDMA при разнесении несущих частот на 1‚6 МГц. Основные характеристики системы: • Пакетная структура TDMA со вставкой для оценки канала • Концепция CDMA, наложенная на структуру TDMA для получения дополнительной гибкости • Уменьшение помех внутри ячейки за счет приема многими пользователями во временном слоте на одной и той же несущей. • Небольшая кратность повторного использования, до 3. Усовершенствования включили в себя: • Скачкообразная перестройка частоты • Подавление помех между ячейками • Работа в режиме TDD • Динамическое распределение каналов. Данное предложение, особенно вопросы, связанные со сложностью приемника, вызвали оживленные дискуссии во время процесса выбора. 4.2.4. OFDMA Группа OFDMA создана для работы с технологией OFDMA (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов), начало которой положено с систем Telia, Sony и Lucent. Концепция системы была сформирована при обсуждении OFDMA на различных форумах, например, на Японском форуме по стандартизации ARIB. Основные особенности концепции: • Работа с медленной скачкообразной перестройкой частоты с TDMA и мультиплексированием с OFDM • В полосе 100 Кгц размещается слот сигнала OFDM как основной элемент ресурса

461

• Более высокие скорости, получаемые за счет выделения нескольких слотов, создающих широкополосный сигнал • Разнесение, обеспечивающее разделение информации по нескольким слотам на несущей. Использованные усовершенствования: • Разнесение передачи • Прием многими пользователями при подавлении помех • Решения с использованием адаптивных антенн Основным техническим недостатком концепции системы было признано направление передачи в восходящем канале, где возникающие изменения огибающей создают проблему для построения усилителя мощности. 4.2.5. ODMA Предложенный компанией Vodafone множественный доступ с использованием открывающихся за счет переприема возможностей (ODMA) представляет в основе своей протокол ретрансляции, а не чистый множественный доступ как таковой. Группа ODMA позднее слилась с группой WCDMA и WCDMA/TDMA, а концепция не рассматривалась в процессе выбора в качестве самостоятельной. Если говорить коротко, в режиме ODMA терминал, находящийся за пределами зоны обслуживания ячейки, будет использовать другой терминал как ретранслятор для передачи пакетов на базовую станцию. Было признано, что работа ODMA осуществима при работе TDD, где как прием , так и передача происходят в одной и той же полосе частот. Если бы возникло желание реализовать ODMA с FDD, то потребовались бы терминалы либо для приема в их нормальной полосе передачи, либо для последующей передачи в их нормальной полосе приема. Такое требование делает ODMA бесполезной для FDD с позиции реализации. 4.2.6. Выбор ETSI Все предложенные технологии по существу способны выполнить требования UMTS, хотя было трудно достигнуть консенсуса по таким вопросам, как пропускная способность системы, поскольку результаты моделирования могут значительно отличаться в зависимости от принятых допущений. Однако, вскоре стало очевидным в процессе выбора, что основными вариантами были WCDMA и TDMA/CDMA. Кроме того, такие вопросы, как глобальные возможности технологии, естественно принимались во внимание в тех случаях, когда очевидные технические заключения были весьма ограничены; в этом отноше-

462

нии результат выбора технологии ARIB в Японии можно считать поддержкой WCDMA. Окончательное решение по этим технологиям ETSI принял в январе 1998 г. [8], выбрав WCDMA в качестве стандарта для воздушного интерфейса UTRA (территориальный радиодоступ к UMTS) в парных частотных полосах, т.е. для FDD (частотное дуплексное разнесение каналов), и WTDMA/CDMA для работы с не парным выделением спектра, т.е. для работы TDD (временное дуплексное разделение каналов). Работа по стандартизации UTRA продолжались в ETSI до тех пор, пока не была переадресована (перепоручена) Партнерству по проекту в области технологий третьего поколения (3GPP). Техническая работа по UTRA была передана 3GPP в начале 1999 г.

RACE I RACE II - основополагающие - ATDMA исследования - CODIT 1988

1992

Группа ETSI Решение ETSI по концепци- – WCDMA для работы c ям FDD ACTS/FRAMES - FMA1:WTDMA - FMA2:WCDMA 1995

1997

1998

Рис. 4.1. Европейские программы исследований по системам третьего поколения и решение ETSI.

4.3. Подготовительная работа в Японии В Японии ARIB (Ассоциация представителей радиоэлектронной промышленности и деловых кругов) произвела оценку возможных вариантов систем третьего поколения, приняв к рассмотрению три различные технологии – технологии, основанные на WCDMA,WTDMA и OFDMA. Технология WCDMA в Японии очень близка к технологии, рассмотренной ETSI в Европе; действительно, члены ARIB представили в группу ETSI по концепции WCDMA информацию о своей технологии. Элементы проекта FRAMES/FMA2 передавались на рассмотрение ARIB. Другие рассмотренные технологии WTDMA и OFDMA также имеют много общего с теми вариантами, которые рассматривались ETSI в процессе выбора. Результатом процесса выбора ARIB в 1997 г. явилось приятие WCDMA с режимами работы как FDD, так и TDD. Так как технология WCDMA была выбрана в ARIB до того, как завершился процесс выбора в ETSI, то это придало ей дополнительный вес при выборе ее ETSI как глобальной технологической

463

альтернативs. После создания 3GPP для проведения работ по стандартизации технологии третьего поколения ARIC поделилась своими разработками по WCDMA с 3GPP точно так же, как в свое время поступил ETSI с UTRA. В Японии работа по спецификации высоких уровней возложена на TTC (Комитет по технологии телекоммуникаций), который также стал принимать участие в 3GPP.

4.4. Подготовительная работа в Корее В Корее Ассоциация по технологии телекоммуникаций (TTA) приняла метод разработки технологии CDMA третьего поколения, строящийся на работе по двум независимым направлениям. Предложения по воздушным интерфейсам TTA1 и TTA2 (позднее переименованные в глобальный CDMA1 и 2 соответственно) основывались на технологиях синхронного и асинхронного широкополосного CDMA соответственно. Технология TTA1 WCDMA похожа на технологию WCDMA в STSI,ARIB и TIPI, тогда как TTA2 опирается на cdma2000 в TR45.5 Некоторые технические решения в Корейской технологии, которые отличались от решений ETSI и ARIC, были представлены в ETSI и ARIB для рассмотрения на предмет стандартизации, которая бы привела к высокой степени общности решений ETSI, ARIB и TTA по WCDMA. Корейские работы по стандартизации позднее стали увязываться с проектами 3GPP и 3GPP2 по стандартизации WCDMA и cdma2000 соответственно.

4.5. Подготовительная работа в США В США имеется несколько технологий второго поколения, среди них широкое распространение получили цифровые системы, работающие по стандартам GSM-1900, US-TDMA (D-AMPS) или CDMA (IS-95). Для всех этих технологий намечен путь развития в направлении систем третьего поколения. Кроме того, от комитета по стандартизации TR46.1 поступило предложение о разработке технологии CDMA третьего поколения, не имеющее прямого отношения к системам второго поколения и названное WIMS W-CDMA 4.5.1. W-CDMA N/A Работа по стандартизации, связанная с GSM-1900, выполнялась в TIPI, так же как работа со стандартизацией GSM в ETSI, с подобными же обсуждениями, касающимися выбора технологии. В результате в ITU-R для IMT-2000 была представлена технология W-CDMA N/A (N/A означает Северо-Американская). Предложения содержали много общего с технологиями WCDMA,

464

представленными в ETSI и ARIB, поскольку участвовавшие в работе компании принимали также активное участие в процессах выбора технологии в ETSI и ARIB. 4.5.2. UWC-136 В Комитете по стандартизации TR45.3 состоялись дискуссии, касавшиеся эволюции технологии IS-136 (цифровой AMPS) к системам третьего поколения. Окончательный выбор был сделан в пользу объединенных технологий узкополосного и широкополосного TDMA, где узкополосная составляющая идентична концепции EDGE как части эволюции GSM в рассмотренных ETSI и TIPI. Широкополосной элемент для сервиса внутри помещений со скоростью до 2 Мбит/с был основан на той же самой концепции WCDMA, что и рассматривающаяся в ETSI. Выбор в TR45.3 технологии EDGE создает прямую связь технологий TDMA в рассматриваемых TR45.3, и ETSI. Ожидается, что разработка технологии, основанной на TDMA, ускорит создание общего элемента в воздушном интерфейсе в виде составляющей EDGE. Можно предвидеть, что работы по EDGE в ближайшем будущем войдут в 3GPP. 4.5.3. cdma2000 Предложение воздушного интерфейса cdma2000 Институту ITU стало возможным благодаря работе, проведенной в Комитете по стандартизации TR45.5 по эволюции системы IS-95 в направлении приведения ее к системам третьего поколения. Предложение cdma2000 основывается частично на принципах IS-95 в отношении синхронной работы сети, общих пилот-каналов и т.д., но этот широкополосный вариант предусматривает лишь трехкратное расширение полосы IS-95. Предложение ITU содержит другие варианты расширения полосы, а также вариант с множеством несущих для нисходящего канала. Предложение cdma2000 имеет много общего с предложением TTA из Кореи Институту ITU по Глобальной CDMA 1. Вариант cdma2000 с многими несущими более подробно рассматривается в Главе 13 как вариант, по которому в настоящее время проводятся работы по стандартизации в рамках 3GPP2. 4.5.4. TR46.1 Технология WIMS W-CDMA не основана на какой-либо работе, выведенной из существующей технологии второго поколения, это было новым предложением технологий третьего поколения без какой-либо прямой связи со стандартизацией систем второго поколения. Она основана на принципе постоянного

465

выигрыша в отношении сигнал-шум при обработке, когда используется большое число мультикодов, и тем самым обладает некоторыми существенными отличиями от технологии WCDMA, но также имеет с ней много общего, как отмечалось на различных форумах. 4.5.5. WP-CDMA WP-CDMA (широкополосная пакетная CDMA) была получена в результате слияния WCDMA N/A компании TIPI и WIMS W-CDMA комитета по стандартизации TR46.1 в США. Основные отличительные особенности предложения WIMS W-CDMA были в учете принципов W-CDMA N/A. Объединенные предложения были представлены в ITU-R для IMT-2000 в конце 1998 г., а для работы по 3GPP – в начале 1999 г. Самая существенная отличительная особенность WP-CDMA по сравнению с другими предложениями, основанными на WCDMA, состояла в обеспечении работы по общему каналу в пакетном режиме для направления восходящего канала. Но было также и несколько небольших различий.

4.6. Создание 3GPP Поскольку похожие технологии проходили через этап стандартизации в нескольких регионах мира, стало очевидным, что достижение одинаковых спецификаций для обеспечения в мире совместимости оборудования будет трудно осуществимо, если вести работу на параллельных курсах. Кроме того, обсуждение близких вопросов в нескольких местах естественно выглядело для участвовавших компаний как бессмысленная трата ресурсов. Поэтому появились предложения по созданию единого форума для стандартизации WCDMA с целью получения общих спецификаций WCDMA. В число организаций по стандартизации, вовлеченных в создание партнерства по проекту в области технологий третьего поколения (3GPP) [9], вошли ARIB (Япония), ETSI (Европа), TTA (Корея), TTS (Япония) и TIPI (США). Партнеры согласились объединить усилия для стандартизации UTRA (сокращение, которое теперь расшифровывается как Универсальный наземный радиодоступ в отличие от UTRA-Территориального UMTS, применяющегося в ETSI, который также участвует в 3GPP). Компании, например, такие, как производители аппаратуры и операторы, являются членами партнерской группы через соответствующую организацию по стандартизации, к которой они принадлежат. Несколько позже в 1999 г. CWTS (Китайская Группа по стандартизации беспроводных средств связи) также присоединилась к 3GPP и привнесла техно-

466

логию TD/SCDMA, третье поколение технологии CDMA на основе TDD, уже представлявшуюся ранее ITU-R. 3GPP включает в себя также партнеров, представляющих рынок: Ассоциацию GSM, Форум UMTS, Глобальную ассоциацию поставщиков подвижных станций, Форум IPv6 и Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC). В [9] указываются реквизиты всех участвующих организаций. 3GPP

ETSI

ARIB

TTA

T1P1

TTC

CWTS

Члены ETSI

Члены ARIB

Члены TTA

Члены T1P1

Члены TTC

Члены CWTS

Рис. 4.2. Организации-партнеры, участвующие в 3GPP.

Работа формально была открыта в конце 1998 г., но настоящая продуктивная работа началась в начале 1999 г. с разработки первой версии общей спецификации, названной Рабочей версией-99, до конца 1999 г. В 3GPP было создано четыре различные группы по техническим спецификациям (TSG): • TSG по сети радиодоступа • TSG по базовой сети • TSG по сервису и системным вопросам • TSG по терминалам. Из этих групп самое прямое отношение к технологии WCDMA имеет TSG по сети радиодоступа (RAN TSG), которая поделена на четыре различные рабочие группы, как показано на рис. 4.3. RAN TSG должна была разработать Рабочую версию-99 спецификаций воздушного интерфейса UTRA. Работа, проделанная рабочими группами RAN TSG в 3GPP, явилась основой для технического описания воздушного интерфейса UTRA, рассматриваемого в этой книге. Без такой глобальной программы в книге пришлось бы рассматривать лишь одну из региональных спецификаций с указанием схожести со спецификациями, принятыми в других регионах. Ссылки на литературу в данной книге взяты из томов со спецификациями из 3GPP. В первой половине 1999 г. данные, поступившие от различных организаций, были слиты в один стандарт, а остальная часть времени этого года была оставлена для детальной проработки первого полного отчета в рамках 3GPP – Рабочей версии-99 по UTRA.

467

Участвующие организации отдельно предприняли шаги для опубликования стандартов на основе спецификации, разработанной 3GPP. Так, например, спецификации в Рабочей версии-99 по UMTS, взятые из ETSI, идентичны спецификациям в Рабочей версии-99, созданным 3GPP. Самые последние спецификации могут быть получены из 3GPP [9]. Можно предвидеть, что в течение 2000 г. работа по дальнейшему совершенствованию GSM перейдет от ETSI и других форумов к 3GPP, включая работы по GPRS и EDGE. Группа технической спецификации сети радиодоступа

WG1

WG2

WG3

WG4

CWTS

Радио Уровень 1

Радио Уровень 2/3

Архитектура и интерфейсы

Характеристики радиосвязи и радиочастотные параметры

Координация деятельности с ITU

Рис. 4.3. Рабочие группы RAN TSG в 3GPP

4.7. Создание 3GPP2 Работа, проделанная Комитетом TR45.5 и компанией TTA, была объединена в рамках проекта 3GPP2, направленного на разработку cdma2000 с расширением спектра методов прямой последовательности (DS) и с режимом с множеством несущих (MC) варианта cdma2000 для третьего поколения. Эта деятельность осуществлялась параллельно с работами по проекту 3GPP с участием таких организаций, как ARIB, TTC и CWTC. С недавнего времени основное внимание уделяется работе над режимом MC, что обусловлено решениями, вытекающими из программы глобальной гармонизации.

4.8. Этап гармонизации Весной 1999 г. несколько компаний – операторов и изготовителей аппаратуры – провели серию совещаний с целью поиска дальнейшей гармонизации и сближения решений в отношении систем третьего поколения, основанных на CDMA-, WCDMA и cdma2000. В рамках проекта 3GPP концепции ETSI, ARIB,

468

TTA и TIPI сведены к одной спецификации, тогда как технология cdma2000 все еще стоит отдельно в TR45.5. В результате проведения совещаний и телефонных конференций операторы и изготовители согласились принять гармонизированный глобальный стандарт для технологии CDMA третьего поколения, включающий в себя три режима: с множеством несущих (MC), с расширением по методу прямой последовательности (DS) и дуплексный с временным разделением каналов (TTD). Режим MC основывается на варианте cdma2000 с множеством несущих, режим DS – на WCDMA (UTRA FDD) и режим TDD на – UTRA TDD. Соглашением определено поэтапное осуществление модульного подхода, при котором обе базовые сети можно было бы использовать со всеми альтернативными воздушными интерфейсами, представленными на рис. 1.4. в главе 1. Основными техническими последствиями таких действий по гармонизации явились изменение скорости передачи чипов для UTRA с режимами FDD и TDD от 4,096 Мчип/с до 3,84 Мчип/с и введение общего пилот-сигнала для UTRA FDD. Работа по проекту 3GPP2 должна была быть сосредоточена на режиме MC, а режим DS из cdma2000 должен быть изъят. Результатом явилось то, что единственным глобальным стандартом широкополосного CDMA с расширенным спектром (DS) является стандарт WCDMA.

4.9. Процесс работы над IMT2000 в ITU В ITU разрабатываются рекомендации для систем подвижной связи третьего поколения, по терминологии ITU называемых IMT2000 [10], в прошлом – FPLMTS. В ITU-R техническая группа TG8/1 работает над вопросами, имеющими отношение к радиосвязи, тогда как вопросами, не имеющими отношения к радиосвязи, занимается группа SG11 в ITU-T. Во время процесса подготовки представления варианта IMT-2000 техническая группа TG8/1 в ITU-R получила целый ряд предложений по вопросам радиосвязи. На втором этапе этого процесса были получены результаты произведенных оценок вносившими предложения сторонами, а также от других групп, изучавших эти технологии. В течение первой половины 1999 г. были разработаны рекомендации IMT.RKEY, которые описывали концепцию многорежимной IMT2000. Процесс работы над IMT2000 в ITU-R был завершен к концу 1999 г., когда были разработаны подробные спецификации (IMT-RSCP), и спецификации радиоинтерфейса были одобрены ITU-R [11]. Более полная реализация IMT2000 будет продолжена в региональных органах стандартизации. Рабочий процесс в ITU-R является важной внешней движущей силой и источником согласования по времени действий по IMT-2000 для региональных органов стандартизации. Требования, установленные ITU для технологии IMT-2000, отражены

469

в требованиях региональных органов стандартизации, например, в ETSI UMTS 21.01 [5], с тем, чтобы требования к IMT-2000 выполнялись, и контроль производился институтом ETSI. Взаимодействие ITU-R с региональными органами стандартизации в работе над IMT2000 отражено на рис. 4.5. Деятельность ITU-R над IMT-2000 с рабочими группами по технологиям TDMA и CDMA показана на рис. 4.4. UTRA FDD (WCDMA) и cdma2000 являIMT 2000 TDMA С общей несущей

CDMA

С множеством несущих

Прямое расширение 3,84 Мчип/с

С множеством несущих 3,6864 Мчип/с

TDD 3,84 Мчип/с 1,28 Мчип/с

Рис. 4.4. Разбиение IMT-2000 по группам в ITU-R

470

ITU – R

Региональные органы стандартизации

Запрос на варианты IMT – 2000

Этап разработки Представление предлагаемых вариантов

Контроль оценки

Этап оценки

Сравнение рабочих характеристик по минимуму

Представление результатов оценки

Этап достижения консенсуса IMT.RKEY Подробные спецификации IMT.RSPC

Реализация

Рис. 4.5. Взаимодействие ITU-R с региональными органами стандартизации

ются частью интерфейса CDMA, CDMA с расширением спектра методом прямой последовательности и CDMA с множеством несущих соответственно. UWC-136 и DECT являются частью интерфейса, основанного на TDMA в этой концепции, соответственно TDMA с одной несущей и TDMA с множеством несущих. Часть TDD в CDMA включает TDD из UTRA, предложенного 3GPP, и TD-SCDMA, предложенного из CWTS. Для части FDD в интерфейсе CDMA гармонизация уже завершена, а для CDMA TDD ожидается, что процесс гармонизации будет продолжаться в рамках 3GPP в течение 2000 г.

4.10. Действия после представления Рабочей версии-99 по проекту 3GPP По завершении разработки спецификаций Рабочей версии-99, работа будет сосредоточена на определении новых характеристик, а также на внесении необходимых поправок в Рабочую версию-99. Обычно необходимость в таких поправках возникает в процессе реализации и внесения изменений в испытательные процедуры, учитывающие самые последние изменения спецификаций. Как показал опыт, полученный на различных форумах, крупный шаг в совер-

471

шенствовании возможностей системы с внедрением многих новых характеристик требует поэтапной работы над спецификациями. В 2000 г. часть работы будет связана с определением расширений для соединения UTRA FDD с базовыми сетями, основанными на IS-41. Будет проводиться работа по cdma2000 для того, чтобы ее можно было подключать к базовым системам, основанным на GSM.Такой план развития позволит операторам иметь определенную степень гибкости при выборе ими технологии третьего поколения, при условии, что они не намереваются приступить к обслуживанию немедленно, поскольку Рабочая версия-99 еще не обеспечивает эти возможности. В отношении TDD ожидается дальнейшее сближение режима TDD в UTRA и режима TDD в CWTS (Китай). Предполагается, что этот процесс будет продолжаться и после завершения работы над Рабочей версией-99 в 3GPP. Планируется, что Рабочая версия-2000 по проекту 3GPP будет включать TDD с низкой скоростью передачи чипов (1‚28 Мчип/с). На форумах по стандартизации ожидаются некоторые сдвиги в роли 3GPP для будущего развития GSM. Работа по использованию различных технологий радиодоступа к различным базовым сетям потребует совместных усилий со стороны 3GPP и 3GPP2. Сотрудничество может иметь фору открытых семинаров по вопросам, относящимся к этой области, где требуется использование информации и опыта обеих организаций. Эти семинары, естественно, потребуют также привлечения тех компаний, которые участвуют в стандартизации по проектам 3GPP и 3GPP2.

Литература к главе 4: [1]

[2]

[3]

[4]

Pajukoski. K. and Savusalo, J., «Wideband CDMA Test System», Proc. IEEE Int. Conf. On Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97. Helsinki, Finland. I-4 September 1997. pp. 669-672. Nikula, E., Toskala, A., Dahlman, E., Girard, L. and Klein, A., «FRAMES Multiple Access for UMTS and IMT-2000», IEEE Personal Communications Magazine. April 1998. pp. 16-24. Klein, A., Pirhonen, R., Skold, J., and Suoranta, R., «FRAMES Multiple Access Mode I – Wideband TDMA with arid without Spreading», Proc. IEEE Int. Conf. on Реrsonаl Indoor and Mobile Radio Communications. PJMRC'97. Helsinki. Finland. 1-4 September 1997. pp. 37-41. Ovesjo, F., Dahlman, E., Ojanpera, Т., Toskala, A. and Klein, A., «FRAMES Multiple Access Mode 2 – Wideband CDMA», Proc. IEEE Int. Conf. on Per-

472

sonal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki. Finland, 1-4 September 1997. pp. 42-46. [5] Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Requirements for the UMTS Terrestrial Radio Access System (UTRA). ETSI Technical Report. UMTS 21.01 version 3.0.1. November 1997. [6] Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS. ETSI Technical Report. UMTS 30.03 version 3.1.0. November 1997. [7] Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS Terrestrial Radio Access System (UTRA) Concept Evaluation. ETSI Technical Report, UMTS 30.06 version 3.0.0. December 1997. [8] ETSI Press Release. SMG Tdoc 40/98. «Agreement Reached on Radio Interface for Third Generation Mobile System. UMTS». Paris. France. January 1998. [9] http://www.3GPP.org [10] http://www.itu.int/imt/ [11] JTU Press Release. 1TU/99-22, 'IMT-2000 Radio Interface Specifications Approved in 1TU Meeting in Helsinki'. 5 November 1999.

473

5 Архитектура сети радиодоступа 5.1. Архитектура системы В этой главе дается широкий обзор архитектуры системы UMTS, включая ознакомление с логическими элементами сети и интерфейсами. Система UMTS использует ту же хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения и даже в некоторых системах первого поколения. В списке литературы даются спецификации, определенные проектом 3GPP. Система UMTS состоит из ряда логических элементов сети, каждый из которых выполняет определенные функции. В стандартах элементы сети определяются на логическом уровне, и это очень часто приводит к похожей физической реализации, особенно в силу того, что имеется несколько открытых интерфейсов (чтобы интерфейс был «открытым», существует требование, чтобы он был определен на уровне такой детализации, что оборудование в конечных точках может быть поставлено разными изготовителями). Элементы сети могут группироваться на основе близости выполняемых функций или на основе подсети, к которой они принадлежат. По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (RAN, UMTS территориального уровня = UTRAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (CN), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. Чтобы завершить систему, определяются оборудование пользователя (UE), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu). Архитектура системы высокого уровня показана на рис. 5.1. С точки зрения спецификации и стандартизации, как UE, так и UTRAN содержат полностью новые протоколы, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение CN взято из GSM. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замечательное преимущество, как глобальный роуминг.

474

Uu

Iu

UE

UTRAN

CN

Рис. 5.1. Архитектура системы UMTS высокого уровня.

Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что возможно иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие, по крайней мере, одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети являются необязательными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, работающие либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями, и которые являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTS PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN эксплуатируется одним оператором и соединяется с другими PLMNs также, как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет и т.д. На рис. 5.2 показаны элементы PLMN и для того, чтобы проиллюстрировать внутренние соединения, – также и внешние сети. Архитектура UTRAN представлена в разделе 5.2. Краткие сведения о всех элементах приводятся ниже. UE состоит из двух частей: – Подвижное оборудование (ME) – радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu. – Модуль идентификации абонента UMTS (USIM), представляющий собой интеллектуальную плату, которая служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при пользовании терминалом.

475

Uu

Iu CS Узел В

RNC

USIM

Узел В

MSC/ VLR

Cu Iub

ME

GMSC

PLMN, PSTN, ISDN, etc.

HLR

Iur

PS Узел В

RNC

SGSN

GGSN

Internet

Узел В

UE

CN

UTRAN

Внешние сети

Рис. 5.2. Элементы сети в PLMN.

UTRAN также состоит из двух элементов: – Узел B преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Он также участвует в управлении радиоресурсами. (Отметим, что термин «Узел B» из соответствующих спецификаций 3GPP используется только в Главе 5. Более общий термин «Базовая станция» используется во всех остальных главах и означает то же самое) – Контроллер радиосети (RNC) владеет и управляет радиоресурсами в своей области (к ней подключены узлы B). RNС представляет собой точку доступа к сервису для всех услуг, которые UTRAN предоставляет CN, например, управление соединениями с UE. Основными элементами базовой сети GSM (есть другие элементы, не показанные на рис. 5.2, например, те, которые используются для обеспечения услугIN) являются следующие: – HLR (регистр домашнего местонахождения, по месту регистрации) – это база данных, помещаемая в домашнюю систему абонента, которая хранит в памяти основной экземпляр профиля обслуживания абонента. Профиль обслуживания содержит, например, информацию о предоставляемых ему услугах, запрещенных районов роуминга и дополнительную сервисную информацию, например, о возможности переключения телефонного вызова и номера телефона, на который производится переадресация. Профиль обслуживания создается, когда новый абонент прописывается в системе, и остается в памяти до тех пор, пока сохраняется эта прописка. Для маршрутизации входящих сообщений к UE (т.е. вызовов или коротких сообщений) HLR также записывает данные о местоположении UE на уровне MSC/VLR (узла по обеспечению услуг и/или SGSN), т. е. на уровне системы обслуживания.

476

– MSC/VLR – это коммутатор (MSC) и база данных (VLR), которые предоставляют услуги по текущему местоположению UE по коммутации каналов (CS). Функция MSC используется для коммутации сообщений CS, и функция VLR сохраняет экземпляр профиля обслуживания гостевого пользователя, а также более точную информацию о местоположении UE в системе обслуживания. Часть сети, к которой обеспечивается доступ через MSC/VLR, часто называют областью обслуживания CS. – GMSC (шлюзовой MSC) – это коммутатор в точке, где UMTS PLMN соединяются с внешними сетями CS. Все входящие и исходящие соединения CS проходят через GMSC. – Функции SGSN (узла по обеспечению услуг GPRS) подобны функциям MSC/VLR, но обычно используются для услуг с коммутацией пакетов (PS). Часть сети, к которой обеспечивается доступ через MSC/VLR, часто называют областью обслуживания CS. – GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS) функционально близок к GMSC, но связан с предоставлением услуг PS. Внешние сети можно разделить на две группы: – Сети CS. Они обеспечивают соединения с коммутацией каналов, как это имеет место в существующей в настоящее время телефонной связи. – Сети PS. Они обеспечивают соединения с коммутацией пакетов данных. Одним из примеров сети PS служит Интернет. Стандарты UMTS построены таким образом, что функции внутри элементов сети подробно не определяются. Вместо этого определены интерфейсы между логическими элементами сети. Определены следующие основные открытые интерфейсы: – Интерфейс Cu. Это электрический интерфейс между интеллектуальной платой (смарт-карточкой) USIM (модуля идентификации абонента сети UMTS) и ME. Интерфейс удовлетворяет формату стандарта для смарт-карточек. – Интерфейс Uu. Это радиоинтерфейс WCDMA, который служит предметом рассмотрения в данной книге. Интерфейс Uu – это интерфейс, через который UE получает доступ к стационарной части системы, и поэтому, возможно самый важный интерфейс в UMTS. Представляется, что изготовителей UE будет гораздо больше, чем изготовителей элементов стационарной сети. – Интерфейс Iu. Он соединяет UTRAN с CN и подробно рассматривается в разделе 5.4. Подобно соответствующим интерфейсам в GSM, A (для коммутации каналов) и Gb (для коммутации пакетов), открытый интерфейс Iu дает операторам UMTS возможность производить закупку

477

UTRAN и CN у разных производителей. Создание конкуренции в этой области явилось одним из факторов, обусловивших успех GSM. – Интерфейс Iur. Открытый интерфейс Iur позволяет осуществлять мягкий хэндовер между RNCs от различных производителей, и поэтому он дополняет открытый интерфейс Iu. Более подробно интерфейс Iur описывается в разделе 5.5.1. – Интерфейс Iub. Iub соединяет узел B и RNC. UMTS является первой коммерческой системой подвижной телефонной связи, где интерфейс контроллер-базовая станция стандартизован как полностью открытый интерфейс. Ожидается, что подобно другим открытым интерфейсам, открытый интерфейс Iub будет стимулировать конкуренцию между производителями оборудования в этой области. Вероятно, что на рынке появятся новые производители, сосредоточивающие усилия исключительно на изготовлении узлов B.

5.2. Архитектура UTRAN Архитектура UTRAN представлена на рис. 5.3. Uu

Iu CS Узел В

USIM

MSC/ VLR

RNC Узел В

RNS Cu

ME

Iub

Iur

Узел В

RNC Узел В

UE

SGSN

RNS UTRAN

CN

Iu PS Рис. 5.3. Архитектура UTRAN.

UTRAN включает в себя одну или несколько подсистем радиосети (RNS). RNS – это подсеть в UTRAN, состоящая из контроллера радиосети (RNC) и одного или нескольких узлов B. RNC могут соединяться друг с другом через интерфейс Iur. RNC и узлы B соединяются с помощью интерфейса Iub. Прежде чем перейти к краткому описанию элементов сети UTRAN (в этом разделе) и к более подробному описанию интерфейсов UTRAN (в последующих разделах), мы приводим основные характеристики UTRAN, которые в

478

свое время определили основные требования для построения архитектуры UTRAN, ее функций и протоколов. В кратком виде они могут быть представлены в следующих пунктах: – Поддержка UTRA и всех относящихся к нему функций. В частности, основное воздействие на построение UTRAN оказало требование обеспечения мягкого хэндовера (один терминал подключается к сети с участием двух или большего числа активных ячеек) и ориентированных на WCDMA алгоритмов управления радиоресурсами. – Максимизация унификации при обработке данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов при использовании уникального пакета протоколов воздушного интерфейса и при использовании одного и того же интерфейса для соединения UTRAN с областями обслуживания (доменами) как PS, так и CS базовой сети. – Максимизация, по возможности, общности с GSM. – Использование транспортного протокола ATM в качестве основного транспортного механизма в UTRAN. 5.2.1. Контроллер радиосети RNC (контроллер радиосети) представляет собой элемент, обеспечивающий управление радиоресурсами в UTRAN. Он сопрягается с CN (обычно с одним MSC и одним SGSN), а также реализует протокол RRC (управления радиоресурсами), который определяет сообщения и процедуры между подвижной станцией и UTRAN. Логически он соответствует BSC (контроллеру базовой станции) в GSM. 5.2.1.1. Логическая роль RNC

RNC, управляющий одним узлом B (т.е. завершающий интерфейс Iub в направлении к узлу B) обозначается как управляющий RNC (CRNC) узла B. Управляющий RNC отвечает за управление нагрузкой и перегрузкой в собственных ячейках, а также осуществляет управление доступом и выделение кодов для новых радиоканалов, которые будут устанавливаться в этих ячейках. Если одно соединение MS-UTRAN использует ресурсы более, чем одной RNS (см. рис. 5.4), то участвующие в этой операции RNCs играют две отдельные логические роли (в отношении этого соединения MS-UTRAN): – Обслуживающий RNC (SRNC). SRNC для одной подвижной станции – это RNC, который завершает процедуру как канала Iu для передачи данных пользователя, так и соответствующую сигнализацию RANAP к/от базовой сети (это соединение называется соединением RANAP). SRNC также завершает Сигнализацию управления радиоресурсами, т.е. протокол сигнализации между UE и UTRAN. Он осуществляет об-

479

работку на уровне L2 для данных к/от радиоинтерфейса. В SRNC выполняются основные операции по управлению радиоресурсами, например, наложение параметров канала-переносчика (B-канала) радиодоступа на параметры канала передачи воздушного интерфейса, по решению эстафетной передачи управления, по управлению мощностью во внешнем контуре. SRNC может также (но не всегда) служить в качестве CRNC какого-либо узла B, используемого MS для подключения к UTRAN. Одно UE, подключенное к UTRAN, имеет один и только один SRNC. – Дрейфовый (не постоянный) RNC (DRNC). DRNC –это любой RNC, отличный от SRNC, управляющий ячейками, используемыми подвижной станцией. В случае необходимости DRNC может осуществлять сложение при макроразнесении и разделении. DRNC не выполняет обработку данных пользователя на уровне L2, а маршрутизирует данные прозрачным образом между интерфейсами Iub и Iur за исключением того случая, когда UE использует общий или совмещенный канал передачи. Один комплект UE может иметь один или несколько DRNCs или не иметь их вовсе. Отметим, что один физический RNC обычно содержит в себе все функции CRNC, SRNC и DRNC. Iu

Iu

Узел В

Узел В

RNC

RNC

Узел В

UE

Iub

Узел В

Iur

Iub

Узел В

Iur

Узел В

RNC

RNC

Узел В

UE

Узел В

Рис. 5.4. Логическая роль RNC для одного соединения между UE и UTRAN. Сценарий справа показывает UE при мягком хэндовере между RNC (сложение производится в SRNC). Сценарий слева представляет один комплект UE, использующий ресурсы только одного узла B, управляемого DRNC.

5.2.2. Узел B (Базовая станция) Основная функция узла B состоит в осуществлении обработки на уровне L1 в воздушном интерфейсе (канальное кодирование и перемежение, адаптация

480

скорости, расширение спектра и т.д.). Кроме того, узел B выполняет одну из основных операций по управлению радиоресурсами – управление мощностью в внутреннем контуре. Логически он соответствует базовой станции в системе GSM. Загадочный термин «Узел B» был вначале принят в качестве временного термина в процессе стандартизации, но затем так и никогда не поменялся. Логическая модель узла B описана в разделе 5.5.2.

5.3. Общая модель протокола для наземных интерфейсов UTRAN 5.3.1. Общие сведения Структуры протоколов в наземных интерфейсах UTRAN построены в соответствии с одной и той же общей моделью протокола. Эта модель показана на рис. 5.5. Структура основана на том принципе, что уровни и плоскости являются логически независимыми друг от друга, и при необходимости, отдельные части структуры протоколов могут в будущем изменяться, тогда как прочие части остаются нетронутыми.

Уровень радиосети

Уровень транспортной сети

Плоскость управления

Плоскость пользователя

Прикладной протокол

Поток(и) данных

Плоскость пользователя транспортной сети

Плоскость управления транспортной сетью

Каналы – переносчики сигнализации

Каналы – переносчики сигнализации

ALCAP(s)

Физический уровень

481

Плоскость пользователя транспортной сети Каналы – переносчики данных

Рис. 5.5. Общая модель протокола для наземных интерфейсов UTRAN.

482

5.3.2. Горизонтальные уровни Структура протокола состоит из двух основных уровней: уровня радиосети и уровня транспортной сети. Все вопросы, относящиеся к UTRAN, видимы только для уровня радиосети, а уровень транспортной сети представляет стандартную технологию транспортирования (передачи), которая выбрана для использования в UTRAN, но без каких-либо специальных изменений для UTRAN. 5.3.3. Вертикальные плоскости 5.3.3.1. Плоскость управления

Плоскость управления используется для всей управляющей информации, ориентированной непосредственно на UMTS. Она включает в себя прикладной протокол (т.е. RANAP в Iu, RNSAP в Iur и NBAP в Iub) и B-канал сигнализации для передачи сообщений прикладного протокола. Помимо прочего, прикладной протокол используется для установления B -каналов к UE (т.е. B-канал радиодоступа в Iu и в последующем в Iur и Iub). В структуре с тремя плоскостями параметры B-канала в прикладном протоколе не привязаны непосредственно к технологии плоскости пользователя, а скорее являются общими параметрами B-канала. B-канал сигнализации для прикладного протокола может быть, а может не быть того же типа, что и B-канал сигнализации для ALCAP (пакета прикладных программ линии управления доступом). Он всегда устанавливается с помощью действий O&M (центра по эксплуатации и обслуживанию). 5.3.3.2. Плоскость пользователя

Вся информация, передаваемая и принимаемая пользователем, например, кодированная речь при речевом вызове или пакеты при соединении с Интернет, предаются через плоскость пользователя. Плоскость пользователя включает в себя поток(и) данных и B-канал(ы) данных для потоков данных. Каждый поток данных характеризуется одним или несколькими протоколами фреймов, указанных для этого интерфейса. 5.3.3.3. Плоскость управления транспортной сетью

Плоскость управления транспортной сетью используется для всего управления сигнализацией на транспортном уровне. Она не включает в себя никакой информации уровня радиосети. Она содержит протокол ALCAP, который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя. Она включает также B-канал сигнализации необходимый для ALCAP.

483

Плоскость управления транспортной сетью представляет собой плоскость, которая действует между плоскостью управления и плоскостью пользователя. Введение плоскости управления транспортного уровня позволяет прикладному протоколу в плоскости управления радиосетью быть полностью независимым от технологии, выбранной для B-канала данных в плоскости пользователя. Когда используется плоскость управления транспортной сетью, транспортные B-каналы для B-канала данных в плоскости пользователя устанавливаются следующим образом. Во-первых, имеется входное сигнализационное сообщение (транзакция) от прикладного протокола на плоскости управления, которое запускает установление B-канала данных с помощью протокола ALCAP, специально предназначенного для технологии плоскости пользователя. Независимость плоскости управления и плоскости пользователя предполагает, что имеет место входное сигнализационное сообщение ALCAP. Следует отметить, что ALCAP может и не использоваться для всех типов B-каналов данных. Если сигнализационное сообщение (транзакция) ALCAP отсутствует, то плоскость управления транспортной сетью вообще не требуется. Это тот случай, когда используются каналы для B-каналов с заранее заданной конфигурацией. Следует также отметить, что протокол ALCAP в плоскости управления транспортной сетью не используются для установления B-канала сигнализации для прикладного протокола или для ALCAP при работе в реальном масштабе времени. B-канал для ALCAP может быть или не быть того же типа, что и B-канал для прикладного протокола. Спецификации UMTS предполагают, что B-канал для ALCAP всегда устанавливается с помощью действий по эксплуатации и обслуживанию (O&M) и не определяют подробно этот момент. 5.3.3.4. Плоскость пользователя транспортной сети

B-канал(ы) в плоскости пользователя и B-канал(ы) сигнализации для прикладного протокола также принадлежат плоскости пользователя транспортной сети. Как описано в предыдущем разделе B-каналы данных в плоскости пользователя транспортной сети непосредственно управляются плоскостью управления транспортной сети при работе в реальном масштабе времени, но управляющие действия для установления B-каналов сигнализации для прикладного протокола считаются обеспеченными действиями по эксплуатации и обслуживанию (O&M).

5.4. Iu, интерфейс UTRAN-CN

484

Интерфейс Iu соединяет UTRAN c CN. Интерфейс Iu является открытым интерфейсом, который делит систему ориентированную на радиосвязь UTRAN и CN, которая оперирует коммутацией, маршрутизацией и управлением сервисом. Как можно видеть на рис. 5.3, интерфейс Iu может иметь два различных варианта – Iu CS (Iu с коммутацией каналов) для соединения UTRAN с базовой сетью (CN) с коммутацией каналов (CS) и Iu PS (Iu с коммутацией пакетов) для соединения UTRAN с базовой сетью с коммутацией пакетов (PS). Первоначальной идеей при стандартизации была идея разработать только один интерфейс Iu, но затем было признано, что полностью оптимизированные средства передачи (транспортный протокол) плоскости пользователя для услуг CS и PS могут быть получены, если разрешены различные технологии передачи. Следовательно, плоскость управления транспортной сетью будет разной. Одной из основных установок при проектировании все еще остается установка на то, что плоскость управления должна быть одной и той же для Iu CS и Iu PS, и различия должны быть минимальными. 5.4.1. Структура протокола для Iu CS Общая структура для Iu CS показана на рис. 5.6. Три плоскости в интерфейсе Iu используют общие средства передачи в режиме ATM, которые используются для всех плоскостей. Физический уровень представляет собой интерфейс с физической средой: волоконно-оптическими кабелями, радиоканалом или медным проводом. Реализация на физическом уровне может выбираться из большого ряда таких стандартных имеющихся на сегодняшний день технологий передачи, как, например, SONET, STMI или E1. 5.4.1.1. Пакет протоколов плоскости управления интерфейса Iu CS

Пакет протоколов плоскости управления состоит из RANAP, наложенного на протоколы широкополосной SS7 (системы сигнализации №7). Применяются уровни в части сигнализации при управлении соединениями (SCCP), в части передачи сообщений (MTP3-b) и SAAL-NNI (уровень адаптации сигнализации ATM для интерфейсов сеть-сеть). Уровень адаптации сигнализации ATM для интерфейсов сеть-сеть затем делится по функциям координации, зависящим от сервиса (SSCF), протокол, ориентированный на установление соединений в зависимости от сервиса (SSCOP), и уровень 5 адаптации ATM (AAL5). Уровни SSCF и SSCOP специально разработаны для передачи сигнализации в сетях ATM и обеспечивают такие функции, как управление соединениями для сигнализации. Уровень 5 адаптации ATM (AAL5) используется для сегментирования данных в ячейках ATM.

485

5.4.1.2. Пакет протоколов плоскости управления транспортной сетью для интерфейса Iu CS

Пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью состоит из протокола сигнализации для установления соединений AAL2 (Q.2630.1 и уровень адаптации Q.2150.1), наложенного на протоколы широкополосной SS7. Применяются протоколы широкополосной (BB) SS7, описанные выше, но без уровня SCCP.

Уровень радиосети

Уровень транспортной сети

Плоскость управления

Плоскость пользователя

RANAP

Протокол плоскости пользователя с интерфейсом lu

Плоскость пользователя транспортной сети

Плоскость управления транспортной сетью

Плоскость пользователя транспортной сети

Q.2630.1

Адапт. SS7 для ATM

SCCP

Q.2150.1

MTP3b

MTP3b

SSCF-NN1

SSCF-NN1

SSCOP

SSCOP

AAL5

AAL5

ATM Физический уровень

Рис. 5.6. Структура протокола Iu CS.

486

AAL2

5.4.1.3. Пакет протоколов плоскости пользователя для интерфейса Iu CS

Выделенное соединение AAL2 резервируется для каждого отдельного сервиса CS. Протокол плоскости пользователя с интерфейсом Iu, накладываемый непосредственно поверх AAL2, описывается более подробно в разделе 5.4.4. Уровень радиосети

Уровень транспортной сети

Плоскость управления

Плоскость пользователя

RANAP

Протокол плоскости пользователя с интерфейсом lu

Плоскость пользователя транспортной сети

Плоскость управления транспортной сетью

Плоскость пользователя транспортной сети

SCCP MTP3b M3UA

GTP – U

SSCF-NN1 SCTP SSCOP

UDP

IP

IP

AAL5

AAL5

ATM

ATM

Физический уровень

Физический уровень

Рис. 5.7. Структура протокола Iu PS.

5.4.2. Структура протокола для Iu PS

487

Структура протокола для Iu PS показана на рис.5.7. Снова как к плоскости пользователя, так и к плоскости управления прикладываются общая транспортная среда ATM. Физический уровень такой же, как определен для Iu CS. 5.4.2.1. Пакет протоколов плоскости управления для Iu PS

Пакет протоколов плоскости управления опять состоит из RANAP и того же самого B-канала для сигнализации на основе широкополосной SS7, что и описанный в разделе 5.4.1.1. Также в качестве варианта определяется B-канал сигнализации, основанный на IP. Для обоих вариантов обычно используется также уровень SCCP. B-канал сигнализации на основе IP состоит из M3UA (SS7 MTP3 – уровень адаптации пользователя), SCTP (простого протокола передачи управления), IP (интернет-протокола) и AAL5, общего для обоих вариантов. Уровень SCTP специально разработан для передачи сигнализации в Интернет. Конкретные уровни адаптации определяются для различных видов протоколов сигнализации, например, M3UA для сигнализации на основе SS7. 5.4.2.2. Пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью для Iu PS

Плоскость управления транспортной сетью не прикладывается к Iu PS. Осуществление туннелирования GPT требует только идентификатора для туннеля и адресов IP в обоих направлениях и все это уже включено в сообщение назначения RANAP RAB (широкополосный канал с радиодоступом). Одни и те же информационные элементы, которые используются в Iu CS для адресации и идентификации сигнализации AAL2, используются для данных плоскости пользователя в Iu CS. 5.4.2.3. Пакет протоколов плоскости пользователя для Iu PS

В плоскости пользователя с Iu PS мультиплексируются множественные потоки пакетированных данных на одном или на нескольких PVCs (предварительно определенные виртуальные соединения) уровня AAL5. GTP-4 (часть плоскости пользователя протокола туннелирования GPRS) представляют собой уровень мультиплексирования, который обеспечивает тождественность каждого (отдельного) потока пакетированных данных. Каждый поток использует передачу без установления соединений UDP (дейтаграммный протокол пользователя) и IP. 5.4.3. Протокол RANAP RANAP – это протокол сигнализации в Iu, который содержит всю информацию управления, определенную для уровня радиосети. Функции RANAP

488

реализуются с помощью различных элементарных процедур (EPs) RANAP. Каждая функция RANAP может потребовать выполнения одной или более EPs. Каждая EP состоит либо просто из сообщения с запросом (класс 2 EP), либо из пары соединений с запросом и ответом (класс 1 EP), либо из одного сообщения с запросом и одного и более ответных сообщений (класс 3 EP). Определены следующие функции RANAP: • Перемещение (переадресация). Эта функция оперирует как перемещением SRNS, так и жестким хэндовером, включая переход на другую систему к/от GSM: • перемещение SRNS: функции обслуживающего RNS переданы от одного RNS другому без изменения радиоресурсов или без прерывания потока данных пользователя. Предварительное условие для перемещения SRNS состоит в том, что все радиоканалы уже находятся в том DRNC, который намечен как объект, куда должно быть произведено перемещение. • жесткий хэндовер между RNS: используется для перемещения функций обслуживающего RNS от одного RNS на другой и для соответствующего изменения радиоресурсов с помощью хэндовера в интерфейсе Uu. Предварительным условием для жесткого хэндовера служит тот факт, что UE находится на предельной дальности и заданных ячеек. • Управление RAB (каналом-переносчиком радиодоступа). Эта функция объединяет в себе все операции с RAB: • установление RAB, включая возможность организации очереди на установление, • изменение характеристик имеющегося RAB, • очистка (сброс) имеющегося RAB, включая случай инициализации от RAN. • Освобождение Iu. Разъединяются все источники (канал сигнализации и плоскость U (пользователя) от Iu с данного момента, относящиеся к указанному UE. Включается также случай инициализации от RAN. • Сообщение о неуспешно переданных данных. Эта функция позволяет CN обновлять записи с информацией от UTRAN, если часть переданных данных оказалась неуспешно переданной в UE. • Общее управление идентификацией (ID). При выполнении этой функции посылается постоянный идентификатор UE от CN в UTRAN с тем, чтобы разрешить координацию поискового вызова, возможно, из двух различных областей CN. • Поисковый вызов. Он используется CN для поиска запрашиваемого UE для UE, завершающего запрос на обслуживание, например, на речевой вызов. Поисковое сообщение посылается от CN в UTRAN с общим идентификатором UE

489

(постоянный Id) и зоны поиска. UTRAN будет либо использовать имеющееся соединение для сигнализации, если оно существует, для передачи поискового вызова к UE, либо осуществлять широковещательную передачу поискового вызова в запрошенной зоне. • Управление слежением. CN может в интересах эксплуатации и обслуживания запросить UTRAN начать производить запись всех действий, связанных с конкретным соединением UE-UTRAN. • Передача сигнализации UE-CN. Эта функция обеспечивает прозрачную передачу сигнализационных сообщений UE-CN, которые не интерпретируются UTRAN, в трех случаях: • передача первого сообщения UE от UTRAN к UE: это может быть, например, ответ на поисковый вызов, запрос на вызов, направленный от UE, или просто регистрация в новой зоне. Это передача также инициирует соединение для сигнализации для интерфейса Iu. • прямая передача: используется для передачи всех последовательных сообщений сигнализации по сигнализационному соединению Iu как в восходящем, так и в нисходящем направлениях. • информационное вещание CN: позволяет CN вести повторяющуюся передачу информацию о системе для всех пользователей в зоне обслуживания. • Управление режимом обеспечения безопасности. Используется для включения и выключения режима шифрования или проверки целостности (сохранности). Когда включается режим шифрования, то соединения для сигнализации и для передачи данных в радиоинтерфейсе шифруются с использованием алгоритма с секретным ключом. Когда производится проверка целостности, то контрольная сумма, определяющая целостность, в дальнейшем засекречиваемая с помощью ключа шифрования, добавляется к некоторым или ко всем сообщениям для сигнализации в радиоинтерфейсе. Это гарантирует, что партнер по связи не изменился, и содержание информации не изменено. • Управление перегрузкой. Используется для управления нагрузкой в интерфейсе Iu с целью недопущения перегрузки, обусловленной, например, перегрузкой процессора в CN или UTRAN. Используется простой механизм, который позволяет ступенчато уменьшать и восстанавливать нагрузку по сигналам таймера. • Сброс. Используется для очистки стороны CN или стороны UTRAN интерфейса Iu при ошибочных ситуациях. Один конец Iu может показать другому концу, что он восстанавливается после повторного запуска, и другой конец может убрать все ранее установленные соединения. • Сообщение о местоположении. Эта функция позволяет CN получать информацию о местоположении данного UE. Она включает в себя две элементар-

490

ных процедуры: одну по управлению сообщениями о местоположении в RNC, а другую – по передаче фактического сообщения в CN.

491

5.4.4. Протокол Iu плоскости пользователя Протокол плоскости пользователя для интерфейса Iu представляет собой уровень радиосети плоскости пользователя с Iu. Он был определен с тем расчетом, чтобы он был как можно более независимым от области CN, для которой он используется. Назначение протокола плоскости пользователя состоит в том, чтобы передавать данные пользователя, относящиеся к RABs, через интерфейс Iu. Каждый RAB имеет собственный экземпляр протокола. Протокол выполняет либо полностью прозрачные операции, либо осуществляет формирование фреймов для сегментов данных пользователя и основную сигнализацию по управлению, используемую для инициализации и управления в реальном масштабе времени (в режиме online). Основываясь на этих позициях, протокол имеет два режима: • Прозрачный режим. В этом режиме работы протокол не выполняет никаких действий по управлению или формированию фреймов. Он примеряется для RABs, которым не требуются такие функции, но которые предполагают полностью прозрачный режим работы. • Режим поддержки заранее определенных объемов данных SDU.В этом режиме плоскость пользователя выполняет формирование фреймов из данных пользователя, разбиение на сегменты заранее определенного размера. Объемы SDU обычно соответствуют речевым фреймам AMR (адаптивного многоскоростного кодека) или размерам фреймов, полученных для скорости передачи вызова при передаче данных с коммутацией каналов. Кроме того, определяются процедуры управления инициализацией и скоростью передачи и определяются функции указания качества фрейма, например, на основе CRC радиоинтерфейса.

5.5 Внутренние интерфейсы UTRAN 5.5.1. Интерфейс RNC-RNC (интерфейс Iur) и сигнализация RNSAP Пакет протоколов интерфейса RNC-RNC (интерфейс Iur) показан на рис. 5.8. Хотя данный интерфейс первоначально предназначался для обеспечения мягкого хэндовера между RNC (показанного в правой части рис. 5.4), в процессе разработки стандарта были добавлены еще некоторые функции, и сейчас интерфейс Iur обеспечивает четыре четко обозначенные функции: 1. Поддержка основной мобильности пользователя в RNC 2. Поддержка трафика по выделенному каналу 3. Поддержка трафика по общему каналу 4. Поддержка управления глобальными ресурсами.

492

По этой причине сам протокол сигнализации Iur (RNSAP, часть приложения RNS) разделяется на четыре разных модуля (в виде совокупности процедур). Как правило, оказывается возможным реализовать только часть из четырех функций в соответствии с установками оператора. Уровень радиосети

Плоскость управления

Плоскость пользователя

RNSAP

Уровень транспортной сети

DCH FP

Плоскость пользователя транспортной сети

Плоскость управления транспортной сетью Q.2630.1

M3UA

SSCF-NNI SCTP SSCOP

Плоскость пользователя транспортной сети

Q.2150.1 ITUN MTP3-B

SCCP MTP3b

CCH FP

IP

SCTP SSCF-NNI

UDP

SSCOP

IP

AAL5

AAL5

AAL2

ATM Физический уровень

Рис. 5.8. Пакет протоколов для интерфейса Iur. Как и для интерфейса Iu, возможны два варианта для транспортирования сигнализации RNSAP: основанный на пакете SS7(SCCP и MTP3b) и новый на основе SCTP/IP.Определены два протокола для плоскости пользователя (DCH: выделенный канал; CCH: общий канал). 5.5.1.1. Iur1: поддержка основной мобильности пользователя в RNC

Данная функция требует основного модуля сигнализации RNSAP, описанного в [25.423]. Это первый кирпич, закладываемый в построение интерфей-

493

сов Iur, он обеспечивает функции, необходимые пользователю при его перемещении между двумя RNCs, но не обеспечивает пользователю совершение трафика передачи данных. Если этот модуль не реализован, то интрефейс Iur, как таковой, не существует и единственной возможностью для пользователя, подключенного к UTRAN через RNSI, воспользоваться ячейкой RNS2, будет временное отключение от UTRAN (сброс соединения RRC). Функции, обеспечиваемые основным модулем Iur, включают: • Поддержка перемещения (смены местоположения) SRNC • Поддержка обновления зоны регистрации в UTRAN и в ячейках между RNCs (при смене RNCs) • Поддержка пакетной передачи поискового вызова между RNC • Сообщение об ошибках протокола

Поскольку эти функции не затрагивают трафик передачи данных пользователя через Iur, то отпадает необходимость в плоскости пользователя и плоскости управления транспортной сетью. 5.5.1.2. Iur2: поддержка трафика по выделенному каналу

Эта функция требует наличия модуля выделенного канала сигнализации RNSAP и позволяет осуществлять передачу трафика по выделенному каналу между двумя RNCs. Если даже первоначальная потребность в этой функции заключалась в поддержке состояния мягкого хэндовера между RNC, то теперь она позволяет устанавливать SRNC (обслуживающий RNC) на все время, когда пользователь занимает выделенные каналы (выделенные ресурсы на узле B), обычно все время, в течение которого пользователь имеет активное соединение в сети с коммутацией каналов. Эта функция требует также фреймового протокола плоскости пользователя для выделенного канала плюс протокола плоскости управления транспортной сетью (Q.2630.1), используемых для установления транспортных соединений (соединений AAL2). Каждый выделенный канал передается по одному транспортному соединению за исключением назначенного DCH, используемого для получения неодинаковой защиты от ошибок в воздушном интерфейсе. Фреймовый протокол для выделенных каналов, сокращенно называемый DCH FP [25.427], определяет структуру фреймов данных, переносящих данные пользователя, и фреймов управления, используемых для обмена измерительной информацией и управляющей информацией. По этой причине фреймовый протокол определяет также простые сообщения и процедуры. Фреймы данных пользователя обычно маршрутизируются прозрачным образом через DRNC; так фреймовый протокол Iur используется также в Iub и называется протоколом Iur/Iub DCH FP. Функции, обеспечиваемые модулем DCH Iur: • Установление, видоизменение и сброс выделенного канала в DRNC вследствие жесткого или мягкого хэндовера по использованию выделенного канала • Установление и сброс выделенных транспортных соединений через Iur • Передача транспортных блоков DCH между SRNC и DRNC • Управление радиоканалами в DRNS с помощью процедур измерений в выделенном канале и процедур регулирования мощности.

494

495

5.5.1.3. Iur3: поддержка трафика по общему каналу

Эта функция позволяет осуществлять операции с потоками данных, передаваемых по общему и совместно используемому каналам через интерфейс Iur. Она требует применения модуля общего транспортного канала протокола RNSAP и фреймового протокола общего транспортного канала (сокращенно называемого CCH FP). Необходим также протокол сигнализации Q.2630.1 плоскости управления транспортной сетью, если для сигнализации используются соединения AAL2. Если данная функция не реализуется, то каждое обновление ячеек между RNC (при смене RNC) всегда будет запускать перемещение SRNC, т. е. обслуживающий RNC является всегда RNC, управляющий ячейкой, используемого канала. Определение преимуществ от использования этой функции вызвало продолжительные дебаты в соответствующем органе стандартизации. С одной стороны, эта функция позволяет реализовать полностью концепцию привязки RNC, избегая сложной процедуры перемещения SRNC (через CN); c другой стороны, она требует разбиения функций уровня управления средой доступа на два элемента сети, порождая неэффективность использования ресурсов и сложности интерфейса Iur. Дебаты не привели к соглашению сторон, и, таким образом, функция стандартом поддерживается, но не является существенной для работы системы. Функции, обеспечиваемые модулем общего транспортного канала через Iur: • Установление и сброс транспортного соединения через Iur для потоков данных по общему каналу • Разбиение уровня MAC на SRNC (MAC-d) и DRNC (MAC-c и MAC-sh).Реализация передачи данных по DL исходящему каналу осуществляется в DRNC • Управление потоком между MAC-d и MAC-sh.

5.5.1.4. Iur4: поддержка глобального управления ресурсами

Эта функция обеспечивает сигнализацию для поддержки расширения радиоресурсов и функций O&M через интерфейс Iur. Она реализуется с помощью глобального модуля протокола RNSAP и не требует никакого протокола плоскости пользователя, так как через интерфейс Iur передача данных пользователя не производится. Эта функция считается необязательной. Функции, обеспечиваемые глобальным модулем ресурсов: • Передачи данных измерений ячеек между двумя RNCs • Передача информации о синхронизации узла B между двумя RNC

496

5.5.2. Интерфейс RNC – узел B и сигнализация NBAP Пакет протоколов интерфейса RNC-узла B (интерфейс Iub) показан с типичным обозначением трех плоскостей на рис. 5.9 Уровень радиосети

Плоскость управления

Плоскость пользователя

Уровень транспортной сети

Плоскость пользователя транспортной сети

Плоскость управления транспортной сетью

USH FP

DSH FP PCH FP FACH FP RACH FP DCH FP

NBAP

Плоскость пользователя транспортной сети

Q.2630.1 Q.2150.2 SSCF-UNI

SSCF-UNI

SSCOP

SSCOP

AAL5

AAL5

AAL2

ATM Физический уровень

Рис. 5.9 Пакет протоколов интерфейса Iub. Он подобен протоколу интерфейса Iur c той существенной разницей, что в плоскостях радиосети и управления транспортной сетью пакет протоколов SS7 заменен более простым SAAL-UNI как каналапереносчика сигнализации. Отметим также, что вариант SCTP/IP здесь отсутствует.

Чтобы понять структуру интерфейса, необходимо кратко представить логическую модель узла B, показанную на рис. 5.10. Она состоит из общего порта управления (общего канала сигнализации) и ряда пунктов завершения трафика, каждый из которых управляется выделенным портом управления (выделенным

497

каналам сигнализации). Один пункт завершения трафика управляет несколькими подвижными станциями, имеющими выделенные ресурсы на узле B, и соответствующий трафик передается через выделенные порты передачи данных. Общие порты передачи данных вне пунктов завершения трафика используются для передачи трафика RACH, FACH и PCH.

RNC

Порт управления сигнализац ией

Порт ПД RACH через Iub

Порт ПД FACH через Iub

Порт ПД PCH через Iub

Порт ПД DSCH через Iub

Порт ПД DCH через Iub

Порт ПД DSCH через Iub

Порт управления связью

Пункт завершения трафика

Порт ПД DCH через Iub

Порт управления связью

Пункт завершения трафика

Узел В Ячейка

Ячейка

Ячейка

Ячейка

Ячейка

Рис. 5.10 Логическая модель узла B для FDD.

Отметим, что отсутствует связь между пунктом завершения трафика и ячейками, т. е. один пункт завершения трафика может управлять несколькими ячейками, а одна ячейка может управляться более, чем одним пунктом завершения трафика. Сигнализация интерфейса Iub (NBAP, часть приложения узла B) делится на два важных компонента: общая NBAP, которая определяет процедуры сигнализации по общему каналу сигнализации, и выделенная NBAP, используемая в выделенном канале сигнализации. Фреймовые протоколы плоскости пользователя с Iub определяют структуры фреймов и основные процедуры управления в сети для каждого типа транспортного канала (т. е. для каждого типа порта передачи данных в этой модели). Для динамического управления соединениями AAL2, используется сигнализация Q.2630.1. 5.5.2.1 Общая NBAP и логическая O&M

498

Общие процедуры NBAP (C-NBAP) используются для сигнализации, которая не относится к конкретному контексту UE, уже существующему на узле B, в частности, C-NBAP определяет все процедуры для логической функции O&M (эксплуатации и обслуживания) узла B, например, для установления конфигурации и управления устранением неисправностей. Основные функциями общей NBAP являются: • Установление первого RL (радиоканала) для одного UE и выбор пункта завершения трафика • Конфигурирование ячеек • Оперирование каналами RACH/FACH и PCH • Инициализация конкретных измерений и сообщение о результатах измерений в ячейке или на узле B • Управление устранением неисправностей

5.5.2.2. Выделенная NBAP

Когда RNC запрашивает первый радиоканал к одному из UE с помощью процедуры установления радиоканала C-NBAP, то узел назначает пункт завершения трафика для оперирования этим контекстом UE, и всякая последующая сигнализация, относящаяся к этой подвижной станции, состоит в обмене процедурами с выделенной NBAP (D-NBAP) через выделенный порт управления заданного пункта завершения трафика. Основными функциями выделенной NBAP являются: • Добавления, сброс и реконфигурация радиоканалов при взаимодействии с одним UE • Оперирование выделенными и совместно используемыми каналами • Управление полумягким объединением (сложением) • Инициализация и сообщение о конкретных применениях в радиоканале • Управление устранением неисправностей радиоканала.

Литература к главе 5: [1] [2] [3] [4] [5]

3GPP Technical Specification 25.401 UTRAN Overall Description. 3GPP Technical Specification 25.410 UTRAN Iu Interface: General Aspects and Principles. 3GPP Technical Specification 25.41 1 UTRAN Iu Interface: Layer I. 3GPP Technical Specification 25.412 UTRAN Iu Interface: Signalling Transport. 3GPP Technical Specification 25.413 UTRAN Iu Interface: RANAP Signalling.

499

[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]

3GPP Technical Specification 25.414 UTRAN Iu Interface: Data transport and Transport Signalling. 3GPP Technical Specification 25.4 15 UTRAN Iu Interface: CN-RAN User Plane Protocol. 3GPP Technical Specification 25.420 UTRAN Iur Interface: General Aspects and Principles. 3GPP Technical Specification 25.421 UTRAN Iur Interface: Layer 1. 3GPP Technical Specification 25.422 UTRAN Iur Interface: Signalling Transport. 3GPP Technical Specification 25.423 UTRAN Iur Interface: RNSAP Signalling. 3GPP Technical Specification 25.424 UTRAN Iur Interface: Data Transport and Transport Signalling for CCH Data Streams. 3GPP Technical Specification 25.425 UTRAN Iur Interface: User Plane Protocols for CCH Data Streams. 3GPP Technical Specification 25.426 UTRAN Iur and hib Interface Data Transport and Transport Signalling for DCH Data Streams. 3GPP Technical Specification 25.427 UTRAN Iur and Iub Interface User Plane Protocols for DCH Data Streams. 3GPP Technical Specification 25.430 UTRAN Iub Interface: General Aspects and Principles. 3GPPTechnical Specification 25.431 UTRAN Iub Interface: Layer 1. 3GPP Technical Specification 25.432 UTRAN Iub Interface: Signalling Transport. 3GPP Technical Specification 25.433 UTRAN Iuh Interface: NBAP Signalling. 3GPP Technical Specification 25.434 UTRAN Iub Interface: Data Transport and Transport Signalling for CCH Data Streams. 3GPP Technical Specification 25.435 UTRAN Iub Interface: User Plane Protocols for CCH Data Streams.

500

6 Физический уровень

6.1. Введение В этой главе описывается физический уровень WCDMA (UTRA FDD). Рассмотрение радиоинтерфейса на физическом уровне обычно являлось основной темой для обсуждений, когда происходило сравнение различных сотовых систем друг с другом. Рассмотрение на физическом уровне структур обычно непосредственно связано с вопросами достигаемой эффективности работы при анализе работы одного канала между оконечной стацией и базовой станцией. Для работы же всей системы громадное значение играют протоколы, применяемые на других уровнях, например, протоколы хэндовера. Естественно важно иметь низкие требования к отношению сигнал-помеха (SIR) для удовлетворительной работы канала при различных решениях в отношении кодирования и разнесения на физическом уровне, так как физический уровень определяет основные пределы пропускной способности. Характеристики физического уровня WCDMA подробно описываются в главе 11. Физический уровень оказывает большое влияние на сложность оборудования в отношении требующейся производительности оконечной и базовой станций. Так же, как и получение выигрыша на приемной стороне от использования разнесения, широкополосность WCDMA создает новые проблемы при его реализации. Поскольку системы третьего поколения являются широкополосными и с точки зрения сервиса, то физический уровень не может строиться вокруг только одного какого-либо сервиса, например, передачи речи; для внедрения будущих видов услуг необходимо иметь больше гибкости. Новые требования к системам третьего поколения и воздушному интерфейсу кратко изложены в разделе 1.4. В этой главе представлены решения для WCDMA на физическом уровне, удовлетворяющие этим требованиям. В данной главе для оборудования пользователя используется термин «терминал». В терминологии 3GPP часто используются термины: «оборудование пользователя (UE)» и «мобильное оборудование (ME)», разница здесь в том, что термин UE охватывает также модуль идентификации абонента (SIM), как показано в главе 5, в которой описывается архитектура сети UTRA. В этой главе используется также термин «базовая станция», хотя в части спецификаций 3GPP применяется термин «узел B», чтобы представлять части базовых станций, которые содержат релевантные части с позиций физического уровня. Спецификация физического уровня UTRA FDD содержится в литературе [1-5].

501

Эта глава поделена следующим образом. Во-первых, в разделе 6.2 описываются транспортные каналы, а также их наложение на различные физические каналы. Вопросы расширения спектра и модуляции для восходящего и нисходящего каналов представлены в разделе 6.3, а физические каналы для данных пользователя и данных управления описываются в разделах 6.4 и 6.5. В разделе 6.6 рассматриваются основные процедуры на физическом уровне, например, управление мощностью и измерение при хэндовере.

6.2. Транспортные каналы и их перенос на физические каналы В UTRA данные, получаемые на высоких уровнях, передаются по воздуху при использовании транспортных каналов, которые отображаются (переносятся) на физическом уровне различными физическими каналами. Требуется, чтобы физический уровень поддерживал транспортные каналы с переменной скоростью передачи для обеспечения услуг по предоставлению необходимой ширины полосы по требованию и позволял мультиплексировать несколько услуг в одном соединении. В данном разделе описан процесс переноса транспортных каналов на физические каналы и показывается, как учитываются эти два требования при переносе. Каждый транспортный канал сопровождается индикатором транспортного формата (TFI) в каждый момент времени, в котором ожидается поступление данных для конкретного транспортного канала от высоких уровней. Физический канал объединяет информацию о TFI от различных транспортных каналов в индикаторе комбинации транспортных форматов(TFCI). TFCI передается в физическом канале управления, чтобы информировать приемник о том, какие транспортные каналы являются активными для данного фрейма; исключение составляет слепой прием транспортного формата (BTFD), который будет рассматриваться вместе с выделенными нисходящими каналами. На рис. 6.1 два транспортных канала отображены в одном физическом канале, и для каждого транспортного блока обеспечивается также индикация рассогласования. Транспортные каналы могут иметь различное число блоков, и в любой момент времени не все транспортные каналы обязательно являются активными. Один физический канал управления и один или несколько физических каналов передачи данных образует один кодированный составной транспортный канал (CCTrCh). В заданном соединении может быть более одного CCTrCh, но в этом случае передается только один канал управления на физическом уровне. Интерфейс между более высокими уровнями и физическим уровнем менее подходит для реализации в терминале (оконечном оборудовании), посколь-

502

ку в основном все происходит в одном и том же оборудовании, так что сопряжение здесь скорее является инструментом для работы над спецификациями. В направлении сети разделение функций между физическим уровнем и высокими уровнями более важен, поскольку там интерфейс между физическим уровнем и более высокими уровнями представлен интерфейсом Iub между базовой станцией и контроллером радиосети (RNC), как описано в главе 5. В спецификациях 3GPP интерфейс между физическим уровнем и высокими уровнями описан в [6]. Имеется два типа транспортных каналов: выделенные каналы и общие каналы. Основное различие меду ними состоит в том, что общий канал представляет собой ресурс, который делится между всеми пользователями или между группой пользователей ячейки, тогда как ресурс выделенного канала, определяемый конкретным кодом на определенной частоте, назначается только для одного пользователя. В разделе 10.3 дается сравнение транспортных каналов по передаче пакетированных данных.

Транспортный канал 1

Транспортный блок

TFI

Транспортный блок

Транспортный канал 2 Транспортный Транспортный блок и индикация блок ошибки

Транспортный блок

TFI

Транспортный блок

Транспортный блок

TFI

Транспортный Транспортный блок и индикация блок ошибки

TFI

Транспортный блок

Высокие уровни Физический уровень

TFCI

Физический канал управления

Кодирование и мультиплексирвание

Декодирование TFCI

Физический канал передачи данных

Физический канал управления

Передатчик

Декодирование и демультиплексирование

Физический канал передачи данных

Приемник

Рис.6.1. Интерфейс между высокими уровнями и физическим уровнем.

503

6.2.1. Выделенный транспортный канал. Единственным выделенным транспортным каналом является выделенный канал, для которого используется термин DCH в 25-й серии спецификаций UTRA. Выделенный транспортный канал несет всю информацию, предназначенную для данного пользователя, поступающую с уровней выше физического уровня, включая данные для фактического сервиса, а также управляющую информацию высокого уровня. Содержимое информации, переносимой по DCH, является невидимым для физического уровня, так что управляющая информация высокого уровня и данные пользователя трактуются одинаково. Естественно параметры физического уровня, установленные UTRAN, могут различаться для управляющей информации и передаваемых данных. Известные каналы GSM: канал передачи трафика (TRCH) и совмещенный канал управления (ACCH) на физическом уровне не существуют. Выделенный транспортный канал переносит как данные сервиса, например, фреймы речи, так и управляющую информацию высокого уровня, например, команды на осуществление хэндовера или сообщения об изменениях от терминала. В WCDMA отдельный транспортный канал не требуется, так как обеспечивается переменная скорость передачи и мультиплексирование услуг. Выделенный транспортный канал характеризуется такими особенностями, как быстрое управление мощностью, быстрое изменение скорости передачи на пофреймовой основе, возможностью передачи в определенную часть ячейки или сектора при изменяющейся направленности в адаптивных антенных системах. Выделенный канал поддерживает мягкий хэндовер. 6.2.2. Общие транспортные каналы. В настоящее время имеется 6 типов различных общих транспортных каналов, определенных для UTRA, сведения о которых приводятся в следующих разделах. Есть некоторые отличия от систем второго поколения, например, передача пакетированных данных по общим каналам и совместное использование нисходящего канала для передачи пакетированных данных. Общие каналы не имеют мягкого хэндовера, но некоторые из них могут иметь быстрое управление мощностью. 6.2.2.1. Широковещательный канал.

Широковещательный канал (BCH) является транспортным каналом, который используется для передачи специальной информации для сети UTRA или

504

для данной ячейки. Наиболее распространенными данными, необходимыми в каждой сети, являются имеющиеся коды случайного доступа и слоты доступа в ячейке или типы методов разнесения передачи, используемые в других каналах для этой ячейки. Поскольку терминал не может зарегистрироваться в ячейке, не имея возможности декодирования широковещательного канала, то этот канал необходим для передачи с относительно высокой мощностью для того, чтобы достичь всех пользователей в соответствующей зоне обслуживания. С практической точки зрения, скорость передачи информации в широковещательном канале ограничивается способностью терминалов на низком уровне декодировать скорость передачи данных широковещательного канала, что приводит к использованию низкой и фиксированной скорости передачи данных широковещательного канала UTRA. 6.2.2.2. Прямой канал доступа.

Прямой канал доступа (FACH) представляет собой нисходящий транспортный канал, который переносит управляющую информацию к терминалам, относительно которых известно, что они находятся в данной ячейке. Это происходит, например, после того, как базовая станция получила сообщение (запрос) о возможности доступа. По каналу FACH возможно также передавать пакетированные данные. В ячейке может быть более одного FACH. Один из прямых каналов доступа должен иметь такую небольшую скорость, что он может быть принят всеми терминалами в зоне ячейки. Когда имеется несколько FACH, дополнительные каналы могут иметь также и более высокие скорости. В FACH не используется быстрое управление мощностью, так что в передаваемые сообщения необходимо включать информацию об идентификации сети, чтобы обеспечивать их правильный прием. 6.2.2.3. Канал вызова.

Канал вызова (PCH) – это нисходящий транспортный канал, который переносит данные, относящиеся к процедуре поискового вызова, т.е., когда сеть хочет инициировать связь с терминалом. Простейшим примером может служить речевой вызов терминала: сеть передает поисковое сообщение терминалу по каналу вызова ячеек, принадлежащих той зоне, где предполагается нахождение терминала. Одно и то же поисковое сообщение может передаваться в одной ячейке или в сотнях ячеек в зависимости от конфигурации системы. Терминалы должны быть способны получать информацию о поисковом вызове во всех ячейках зоны. Построение канала вызова влияет также на потребление терминалом питания в режиме дежурного приема. Чем реже терминал должен настраивать приемник для прослушивания возможного сообщения с поисковым вызовом, тем дольше прослужит его батарея в этом режиме.

505

6.2.2.4. Канал случайного доступа.

Канал случайного доступа (RACH) является восходящим транспортным каналом, предназначенным для передачи управляющей информации от терминала, например, запросов на установление соединения. Он может также использоваться для передачи небольших объемов пакетированных данных от терминала в сеть. Для правильной работы системы необходимо, чтобы канал случайного доступа мог приниматься во всей зоне обслуживания данной ячейки, что также означает, что скорости передачи данных должны быть достаточно низкими, по крайней мере, при начальном доступе к системе для других процедур управления. Зона обслуживания канала случайного доступа в сравнении с выделенным каналом представлена в разделе 11.2.2. 6.2.2.5. Общий восходящий пакетный канал.

Общий восходящий пакетный канал (CPCH) является расширением канала RACH, т.е. он предназначается для передачи пакетированных данных пользователя в восходящем направлении. Парным каналом, обеспечивающим передачу данных в нисходящем направлении, является FACH. На физическом уровне основные отличия от RACH состоят в использовании быстрого управления мощностью, механизма обнаружения столкновений на физическом уровне и процедуры мониторинга состояния CPCH. Передача в восходящем CPCH может продолжаться в течение нескольких фреймов в отличие от сообщения RACH, продолжающегося 1-2 фрейма. 6.2.2.6. Совмещенный нисходящий канал.

Совмещенный нисходящий канал (DSCH) представляет собой транспортный канал, предназначенный для передачи пользователю выделенных данных и/или управляющей информации; он может использоваться несколькими пользователями. Во многих отношениях он похож на прямой канал доступа, но совмещенный канал поддерживает использование процедур быстрого управления мощностью, а также переменную скорость передачи на пофреймовой основе. Нет необходимости в прослушивании DSCH во всей зоне ячейки, и для него могут использоваться различные методы разнесения антенн с совмещенным нисходящим DCH. 6.2.2.7. Необходимые транспортные каналы.

506

Общими транспортными каналами, необходимыми для работы сети, являются каналы RACH,FACH и PCH, тогда как использование DSCH и CPCH является необязательным, и вопрос может решаться сетью. 6.2.3. Перенос транспортных каналов на физические каналы. Различные транспортные каналы накладываются на физические каналы, хотя некоторые транспортные каналы переносятся идентичным или даже тем же самым физическим каналом. Помимо описанных ранее транспортных каналов, существуют каналы, переносящие только информацию, относящуюся к процедурам на физическом уровне. Канал синхронизации(SCH), общий пилот-канал (CPICH) и канал индикации данных (AICH) непосредственно не видимы для высоких уровней и являются обязательными с позиций функционирования системы для передачи от каждой базовой станции. Канал индикации статуса CPCH (CSICH) и канал индикации данных об обнаружении столкновений/назначении канала (CD/CAICH) необходимы, если используется CPCH. Транспортные каналы BCH FACH PCH RACH DCH

DSCH CPCH

Физические каналы Основной общий канал управления на физическом уровне (PCCPCH) Вспомогательный общий канал управления на физическом уровне (SCCPCH) Канал случайного доступа на физическом уровне (PRACH) Выделенный канал передачи данных на физическом уровне (DPDCH) Выделенный канал управления на физическом уровне (DPCCH) Нисходящий совмещенный канал на физическом уровне (PDSCH) Общий канал передачи пакетированных данных на физическом уровне (PCPCH) Канал синхронизации (SCH) Общий пилот-канал (CPICH) Индикация данных (AICH) Канал индикатора вызова (PICH) Канал индикации статуса (CSICH) Канал индикации данных о столкновениях при множественном доступе и о назначении канала (CD/CA – ICH)

Рис. 6.2. Наложение транспортного канала на физический канал.

507

Выделенный канал (DCH) накладывается на два физических канала. Выделенный канал передачи данных на физическом уровне (DPDCH) переносит информацию высоких уровней, включая данные пользователя, в то время как выделенный канал управления на физическом уровне (DPCCH) переносит необходимую управляющую информацию на физическом уровне. Скорость передачи данных DPCCH является постоянной, тогда как скорость передачи данных DPDCH может изменяться от фрейма к фрейму. 6.2.4. Структура фрейма транспортных каналов. В каналах UTRA используется структура радиофрейма с длительностью 10 мс. Фреймы системы по длительности больше. Число фреймов в системе (SFN) определяется 12-битовым числом, используемым в ряде процедур, охватывающих более одного фрейма. Примерами процедур на физическом уровне, которым требуется более 10 мс для правильного восполнения, могут служить, например, процедуры поискового вызова или случайного доступа.

6.3. Расширение спектра и модуляция. 6.3 1. Скремблирование. Концепция расширения спектра информационного сигнала приводится в главе 3. Помимо расширения спектра частью происходящего в передатчике процесса является операция скремблирования. Скремблирование накладывается поверх расширения спектра, так что оно не меняет ширину полосы сигнала, а просто позволяет сигналы от различных источников отделять друг от друга. При скремблировании не будет иметь значение, если фактическое расширение спектра произведено с одним и тем же кодом для нескольких передатчиков. На рис. 6.3 показаны порядок (последовательность) введения скорости передачи чипов в канале с расширением спектра и скремблирования в UTRA. Так как скорость передачи чипов уже достигнута при расширении спектра кодами канализации, то скремблирование не оказывает воздействия на скорость передачи символов. Концепция кодов раскрывается в следующем разделе.

508

Код формирования каналов

Код скремблирования

Данные

Скорость передачи бит

Скорость передачи чипов

Скорость передачи чипов

Рис. 6.3. Схема введения расширения спектра и скремблирования.

6.3 2 Коды формирования каналов Передачи от одного источника разделяются кодами формирования каналов (кодами канализации), т.е. нисходящими соединениями в одном секторе и выделенным физическим каналом в восходящей линии от одного терминала. Коды расширения спектра/формирования каналов UTRA основываются на методе коэффициента ортогонального расширения (OVSF), который впервые был предложен в [7]. Использование кодов OVSF позволяет изменять коэффициент расширения и поддерживать (сохранять) ортогональность между различными кодами расширения различной длины. Коды берутся с кодового дерева, которое показано на рис. 6.4. В том случае, если в соединении используется переменный коэффициент расширения, то правильное (надлежащее) использование кодового дерева также позволяет осуществлять сжатие в соответствии с наименьшим коэффициентом расширения. Это требует только того, чтобы коды формирования каналов использовались из ветви, указанной кодом, используемым для наименьшего коэффициента расширения. Имеются определенные ограничения в отношении того, какие коды формирования каналов можно использовать в дереве для передачи от одного источника. Другой физический канал может использовать определенный код в дереве, если ни один другой подлежащий передаче канал, использующий то же самое кодовое дерево, не использует код, который находится на лежащей ниже ветви, т.е. использует код с более высоким коэффициентом расширения, получаемым из подлежащего к использованию кода расширения. Нельзя также использовать код с меньшим коэффициентом расширения на пути к основанию

509

дерева. Ортогональные коды в нисходящем канале на каждой базовой станции управляются в сети контроллером радиосети (RNC). Функции и характеристики кодов скремблирования и формирования каналов в сжатом виде представлены в таблице 6.1. Их использование более полно будет описано в разделе 6.3.3. Определение для одного и того же кодового дерева означает, что для передачи одного источника, либо от терминала, либо от базовой станции, используется одно кодовое дерево с одним кодом скремблирования на вершине дерева. Это означает, что различные терминалы и различные базовые станции могут оперировать своими кодовыми деревьями независимо друг от друга; нет необходимости согласовывать использование ресурсов кодового дерева между различными базовыми станциями или терминалами. (с,с) с

с4,1 = (1,1,1,1) (с,-с) с2,1 = (1,1) с4,2 = (1,1,-1,-1) •••

с1,1 = (1) с4,3 = (1,-1,1,-1) с2,2 = (1,-1) с4,4 = (1,-1,-1,1)

Рис. 6.4. Начальная структура дерева кода канализации.

Таблица 6.1 Функции кодов формирования каналов и скремблирования

Использование

Код формирования каналов

Код скремблирования

Восходящий канал: разделение на физическом уровне данных (DPDCH) и каналов управления (DPCCH) от одного терминала Нисходящий канал: разделение нисходящих соединений с различными пользователями в одной

Восходящий канал: селекция терминала

510

Нисходящий канал: секторов (ячеек)

разделение

Длина

Количество кодов

Семейство кодов

Расширение полосы

ячейке 4-256 чипов (1,0-66,7 мкс) Восходящий канал: Нисходящий канал также 512 чипов (1) 10 мс = 38400 чипов или (2) 66,7 мкс = 256 чипов Вариант (2) может использоваться в перспективных приемниках базовых станций Нисходящий канал: 10 мс = 38400 чипов Количество кодов под одним ко- Восходящий канал: несколько дом скремблирования = коэффи- миллионов циенту расширения Нисходящий канал: 512 Коэффициент ортогонального пе- Длинный код 10 мс: код Голда ременного расширения Короткий код: расширенное S(2) семейство кодов Да, увеличивает ширину полосы Нет, не влияет на ширину полосы передачи передачи

6.3 3. Расширение спектра и модуляция в восходящем канале. 6.3 3 1. Модуляция в восходящем канале.

В направлении восходящего канала есть по сути два дополнительных критерия, ориентированных на терминалы, которые необходимо принимать во внимание при определении методов модуляции и расширения спектра. Модуляция в восходящем канале должна строиться так, чтобы максимизировалась эффективность усилителя терминала и/или минимизировались прослушиваемые помехи при передаче от терминала. Прерывистая передача в восходящем канале может создавать помехи звуковой частоты аудиоаппаратуре, находящейся вблизи терминала, например, средствам прослушивания. Этот вопрос полностью отличный от вопроса, связанного с помехами в воздушном интерфейсе. Помехи звуковой частоты досаждают пользователю, но не сказываются на таких характеристиках сети, как пропускная способность. В GSM нам известны случайные воспринимаемые слухом помехи в аудиоаппаратуре, незащищенной должным образом. Помехи от GSM имеют частоту 217 Гц, определяемые частотой передачи кадров GSM. Эта помеха попадает в полосу частот, которая может прослушиваться человеческим ухом. В системе CDMA подобные вопросы встают, когда используется прерывистая передача в восходящем канале, например, при передаче речи. Во время периодов молчания не требуется передавать информационные биты, идет передача информации только для поддержания канала, например, управление мощностью с частотой 1,5 кГц. При такой скорости передача пилот-сигнала и символов управления мощностью с временным мультиплексированием в направлении восходящего канала приведет к появлению воспринимаемых ухом помех в середине полосы частот речевой телефонной передачи. Поэтому в вос-

511

ходящем канале WCDMA два выделенных канала на физическом уровне не уплотнены по времени, а используется здесь I-Q/кодовое мультиплексирование. Непрерывная передача, получающаяся при использовании канала управления, уплотненного I-Q/кодом, показана на рис. 6.5. Теперь, когда пилотсигнал и сигнализация управления мощностью поддерживаются по отдельному непрерывному каналу, никакой пульсации передачи не происходит. Единственный мешающий импульс имеет место в моменты, когда канал передачи данных DPDCH включается и выключается, но такое переключение случается очень редко. Средние помехи другим пользователям и пропускная способность ячейки остаются такими же, как и при мультиплексировании. Кроме того, работа на канальном уровне является одинаковой в обеих схемах, если энергия, выделенная для пилот-сигнала и для сигнализации управлением мощности будет одинаковой.

Данные (DPDCH)

Период DTX

Данные пользователя (DPDCH)

Управляющая информация на физическом уровне (DPCCH)

Рис. 6.5. Параллельная передача DPDCH и DPCCH при наличии/отсутствии данных (в режиме прерывистой передачи) (DTX).

Для достижения возможно большей эффективности усилителя мощности передача с терминала должна иметь как можно более низкое значение пикфактора (отношение максимального значения к среднему, PAR), чтобы позволить терминалу работать с минимальными требованиями к потерям мощности, обеспечивая эффективное использование мощности усилителя, что в свою очередь прямо пропорционально времени непрерывной работы терминала. При использовании мультиплексирования I-Q/кодом, называемым также модуляцией QPSK в двойном квадратурном канале, уровни мощности DPDCH и DPCCH обычно являются разными, особенно по мере увеличения скоростей передачи, и приведут в крайних случаях к передаче типа BPSK, когда ветви передаются независимо. От такой ситуации можно уйти, используя операцию скремблирования с комплексными сопряженными назначениями после расширения спектра кодами канализации. Созвездие сигналов при мультиплексировании I-Q/кодом перед комплексным скремблированием показано на рис.6.6. Подобное созвездие получается после дескремблирования в приемнике после приема данных.

512

G = 0,5

G = 1,0

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Рис. 6.6. Созвездие сигналов при мультиплексировании I-Q/кодом перед комплексным скремблированием. G обозначает коэффициент относительной интенсивности ветвей DPCCH и DPDCH.

Передача двух параллельных каналов DPDCH и DPCCH ведет к мультикодовой передаче, что увеличивает отношение максимальной мощности к средней (пикфактор). На рис. 6.6 отношение максимального значения к среднему изменяется, когда изменяется G (относительные интенсивности DPDCH и DPCCH). При использовании решения с модуляцией при расширении спектра, показанном на рис. 6.7, эффективность усилителя мощности передатчика, остается в общем случае такой же, как для обычной сбалансированной передачи QPSK. Коды комплексного скремблирования образуются таким образом, что фазовые сдвиги последовательных чипов за период одного символа ограничиваются +900. Полный поворот на 1800 может произойти лишь между последовательными символами. Этот метод еще больше уменьшает отношение максимальной мощности к средней (пикфактор) передаваемого сигнала по сравнению с обычной передачей QPSK. Эффективность усилителя мощности остается постоянной независимо от соотношения мощности G между DPDCH и DPCCH. Это положение можно объяснить с помощью рис. 6.8, который показывает созвездие сигналов для канала управления с уплотнением I-Q/кодом при комплексном расширении спектра. В середине созвездия при G=0,5 возможными точками созвездий являются только окружности или только крестики за период одного символа. Их созвездие такое же как и для QPSK со сдвигом. Таким образом, измерения огибающей сигнала с комплексным расширением спектра очень похожи на передачу QPSK для всех значений G. Решение с I-Q/кодовым мультиплексированием при комплексном скремблировании приводит к требованиям в отношении потерь на выходе усилителя мощности, которые должны оставаться постоянными как функция разности между DPDCH и DPCCH.

513

Разность мощностей DPDCH и DPCCH была количественно определена в спецификациях физического уровня UTRA в виде 4-битовых слов, т.е. 16 различными значениями. В заданный момент времени величина усиления для DPDCH или DPCCH устанавливается на 1, и тогда для другого канала применяется значение между 0 и 1, чтобы отразить различие в мощности между каналами. Ограничение числа возможных значений 4-битовым представлением необходимо для того, чтобы сделать реализацию передатчика терминала достаточно простой. Различия в мощности могут отображаться 15 различными значениями между –23,5 дБ и 0,0 дБ и однобитовой комбинацией при отсутствии DPDCH, когда нет данных для передачи. UTRA столкнется с проблемами относительно эффективности усилителя по сравнению с GSM. В GSM используется модуляция GMSK (Гауссова манипуляция минимальным фазовым сдвигом), которая имеет постоянную огибающую и, таким образом, оптимизируется пикфактор. Будучи узкополосным, сигнал GSM может расширяться относительно больше во временной области. Это позволяет использовать усилитель с меньшей линейностью с большей эффективностью использования мощности. Узкополосный усилитель, кроме того, проще линеаризировать, если возникнет такая необходимость. На практике эффективность усилителя мощности WCDMA несколько ниже, чем у усилителя мощности GSM. С другой стороны,WCDMA использует в восходящем канале быстрое управление мощностью, что уменьшает необходимую среднюю мощность передачи в восходящем канале.

Код формирования каналов ср

Данные (DPDCH)

1

Управление (DPCCH)

Q

Код комплексного скремблирования

1 + jQ

*

Код формирования каналов ср

j

G

Рис.6.7. Мультиплексирование I-Q/кодом с комплексным скремблированием.

514

G = 0,5

G = 1,0

Х

Х Х Х

Х Х

Х Х

Рис. 6.8. Созвездие сигналов для канала управления, мультиплексированного I-Q/кодом при комплексном скремблировании. G обозначает относительный вес мощностей в DPCCH и DPDCH.

Вместо применения объединенного I-Q и кодового мультиплексирования с комплексным скремблированием будет возможным использовать чистое кодовое мультиплексирование. При кодовом мультиплексировании происходит мультикодовая передача с параллельными каналами управления и передачи данных. Такой подход увеличивает изменение огибающей передаваемого сигнала и устанавливает более высокие требования к линейности усилителя мощности. Особенно для низких скоростей передачи, как, например, при передаче речи, канал управления может иметь амплитуду, составляющую более 50% от амплитуды канала передачи данных, что приводит к большим изменениям огибающей, чем это имеет место в режиме с использованием комбинированного I-Q/кодового мультиплексирования. 6.3.3.2. Расширение спектра в восходящем канале

Для кода расширения спектра в восходящем канале DPCCH имеется дополнительное ограничение. Один и тот же код не может использоваться несколькими каналами даже в разных ветвях I или Q. Причина для такого ограничения заключается в том, что физические каналы с одинаковыми кодами передачи по ветвям I и Q, построенные по принципу QPSK в квадратурном канале не могут разделяться до того, как будет принят DPCCH и не будут получены оценки фазы канала. В направлении восходящего канала коэффициент расширения спектра в DPDCH может изменяться от фрейма к фрейму. Коды расширения спектра всегда берутся с ранее описанного кодового дерева. Поскольку код передачи, используемый для расширения спектра, всегда берется с одной и той же ветви ко-

515

дового дерева, при операции сжатия можно воспользоваться структурой кодового дерева и избежать буферизации на уровне чипа. Терминал обеспечивает информацию о скорости передачи данных или более точно об индикаторе комбинации транспортного формата (TFCI) в DPCCH, позволяя принимать эти данные с переменным коэффициентом расширения спектра в DPDCH. 6.3.3.3. Коды скремблирования в восходящем канале

Передачи от разных источников разделяются кодами скремблирования. В направлении восходящего канала имеются две возможности: короткий и длинный коды скремблирования. Длинные коды усекаются до длительности фрейма 10 мс, что дает 38400 чипов при скорости 3,84 Мчипов/с. Длина короткого кода скремблирования составляет 256 чипов. Длинные коды скремблирования применяются в том случае, если базовая станция использует приемник Rake. Приемник Rake описан в разделе 3.4. Если на базовой станции используются перспективные многопользовательские приемники или приемники с подавлением помех, то могут использоваться короткие коды скремблирования с тем, чтобы сделать реализацию структур перспективного приемника более простой. Алгоритмы многопользовательского приема на базовой станции приводятся в разделе 11.5.2. Оба семейства кодов скремблирования содержат миллионы кодов скремблирования, так что в направлении восходящего канала планирование кодов не требуется. Короткие коды скремблирования были выбраны из расширенного семейства кодов S2. Длинные коды – это коды Голда. Последовательность скремблирования с комплексными значениями образуется при использовании коротких кодов путем сложения двух кодов, а при использовании длинных кодов – из одной последовательности, где вторая последовательность представляет собой вариант первой с задержкой по времени. Код скремблирования с комплексными значениями может быть получен из двух кодов с действительными значениями c1 и c2, построенных на принципе децимации (прореживания), как Cscrambling= c1(w0 = jc2(2k)w1), K=0, 1, 2…, (6.1) где последовательности w0 и w1 заданы в виде последовательностей с чиповой скоростью: w0 = {1 1}, wl {1 –1}

516

(6.2)

Коэффициент децимации (прореживания) при использовании второго кода равен 2. Такой способ создания кодов скремблирования позволит уменьшить пересечения нуля в созвездии и еще больше уменьшить колебания амплитуды в процессе модуляции. 6.3.3.4. Расширение спектра и модуляция в общих восходящих каналах

Канал случайного доступа (RACH) содержит преамбулы, которые посылаются при использовании той же последовательности кодов скремблирования, которая используется при передаче по восходящему каналу, разница здесь состоит лишь в том, что требуется 4096 чипов от начала кодового периода и подругому ограничиваются передачи о состоянии модуляции. Процесс расширения спектра и скремблирования в RACH имеет характер BPSK, таким образом, используется только одна последовательность для расширения спектра и скремблирования, как в синфазной ветви, так и в квадратурной. Такой подход выбран для уменьшения сложности требующегося согласованного фильтра в приемниках базовых станций для приема RACH. Часть сообщения RACH для расширения спектра и модуляции, включая скремблирование, идентична подобной части для выделенного канала. Коды, предназначенные для использования при скремблировании RACH, передаются по BCH кодовой ячейки.

517

Для уменьшения отношения пикового значения к среднему используется дополнительная функция вращения в преамбуле RACH, которая задается как: b(k) = a(k)ej(π/4+π/2) , k = 0,1,2,…4095

(6.3)

где a(k) представляет собой двоичную преамбулу, а b(k) – получаемую преамбулу с комплексным значением с ограниченным переходом на 90° между чипами. Данная операция не оказывает влияния на автокорреляционные свойства. Преамбулы RACH имеют поверх модуляционную структуру, называемую сигнатурными последовательностями. Они были определены с учетом более высоких частот Доплера и погрешностей частоты. Последовательности генерировались 16 символами, которые дополнительно перемежались на протяжении преамбулы для того, чтобы избежать больших кросс-корреляций между последовательностями в случае больших погрешностей частоты, которые в противном случае могли бы значительно ухудшить корреляционные свойства сигнатурных последовательностей. Для использования в RACH было определено 16 сигнатурных последовательностей, но могут быть еще и множественные коды скремблирования, каждый из которых использует тот же самый набор сигнатур. Расширение спектра и модуляция для CPCH идентичны таковым для RACH. Это сделано для того, чтобы сделать как можно более общей реализацию терминала и базовой станции при поддержке CPCH. Процессы в RACH и CPCH будут описаны более подробно в связи с процедурами на физическом уровне. 6.3.4. Расширение спектра и модуляция в нисходящем канале 6.3.4.1. Модуляция в нисходящем канале

В направлении нисходящего канала была выбрана обычная модуляция QPSK с потоками данных управления и информационных данных при использовании временного мультиплексирования. Решение с временным мультиплексированием в восходящем канале не используется, поскольку при этом будут возникать акустические помехи во время прерывистой передачи (DTX). Акустические помехи, возникающие при DTX, отношения к нисходящему каналу не имеют, поскольку в общих каналах всегда поддерживается непрерывная передача. Кроме того, так как в нисходящем канале параллельно идет несколько кодовых передач, то к нему не будет иметь отношения оптимизация отношения пиковой величины к средней (PAR), подобная принятой для передачи с одним кодом (парой кодов). Кроме того, резервирование кода канализации только для DPCCH ведет к некоторому снижению использования кодовых ресурсов при одновременном ведении нескольких передач от одного источника. Поскольку все I и Q имеют одинаковую мощность, операция скремблирования не дает такой разницы в колебаниях огибающей, как это имеет место в

518

восходящем канале. Прерывистость передачи достигается включением и выключением режима передачи.

6.3.4.2. Расширение спектра в нисходящем канале

Расширение спектра в нисходящем канале, как и в восходящем канале, основано на использовании кодов канализации. Кодовое дерево для одного кода скремблирования совместно используется несколькими пользователями: обычно на один сектор обслуживания базовой станции используется только один код скремблирования и, таким образом, только одно кодовое дерево. Общие каналы и выделенные каналы пользуются одним и тем же ресурсом кодового дерева. Для физических каналов имеется одно исключение: канал синхронизации (SCH) не подпадает под воздействие кода скремблирования в нисходящем канале. Коды расширения для SCH рассматриваются в следующем разделе. В нисходящем канале коэффициент расширения спектра в выделенном канале не изменяется от фрейма к фрейму; от колебаний скорости передачи данных избавляются либо путем операции согласования скоростей, либо путем использования прерывистой передачи, когда передача на какую-то часть слота выключается. В случае мультикодовой передачи для одного пользователя параллельные каналы кодирования имеют различные коды канализации и находятся под воздействием того же кода скремблирования, что и все каналы кодирования, передаваемые от базовой станции. Коэффициент расширения спектра будет одинаковым для всех кодов при мультикодовой передаче. Каждый кодированный составной транспортный канал (CCTrCh) может иметь разный коэффициент расширения спектра, если даже принимается одним и тем же терминалом. Особым случаем в направлении нисходящего канала является нисходящий совместно используемый канал (DSCH), в котором может применяться переменный коэффициент расширения спектра на пофреймовой основе. В этом случае коды канализации, которые обеспечивают расширение спектра, назначаются из той же ветви кодового дерева для того, чтобы сделать более простой реализацию терминала. Указанное ограничение проиллюстрировано на рис. 6.9, где показаны коэффициент расширения спектра для максимальной скорости передачи данных и часть кодового дерева, которая может использоваться сетью для назначения кодов, если требуется более низкая скорость передачи. При такой пофреймовой операции DPCCH выделенного канала содержит информацию TFCI, которая информирует приемник об использованном коде расширения, а также о других параметрах транспортного формата для DSCH.

519

SF = 4 Наименьший коэффициент расширения спектра

SF = 8 SF = 16 SF = 32

Коды расширения спектра в поддереве

Рис. 6.9. Пример кодового дерева DSCH. 6.3.4.3. Скремблирование в нисходящем канале

При скремблировании в нисходящем канале используются длинные коды, те же самые коды Голда, что и в восходящем канале. Код скремблирования с комплексным значением образуется из одного кода при простом введении задержки между ветвями I и Q. Период кода усекается до 10мс; в направлении нисходящего канала никаких коротких кодов не используется. Ряд кодов скремблирования (основных) в нисходящем канале ограничивается 512 кодами, в противном случае процедура поиска ячейки, описанная в разделе, посвященном процедурам физического уровня, была бы слишком сложной. Коды скремблирования должны назначаться секторам при планировании сети. Так как число кодов скремблирования очень велико, планирование кодов скремблирования, являющееся обычным делом, может осуществляться автоматически программными средствами планирования сети. С позиций планирования ячеек представляется достаточным иметь 512 основных кодов скремблирования, поскольку могут использоваться дополнительные коды скремблирования при управлении лучом, как это применяется для выделенных каналов. Это позволяет увеличивать пропускную способность при использовании адаптивных антенн без дополнительного расходования основных кодов скремблирования и создания проблем при планировании кодов для нисходящего канала. Как и для восходящего канала, фактический кодовый период является очень большим при использовании генератора кода тридцать третьей степени, но берутся только 38400 чипов от начала. Ограничение кодового периода было

520

необходимо с позиции сети; терминалы испытывали бы большие трудности при определении правильной кодовой фазы, когда кодовый период растягивается на несколько фреймов и 512 различных кодов, из которых делается выбор. Могут применяться дополнительные коды скремблирования за исключением тех общих каналов, которые должны прослушиваться во всей ячейке и/или до первоначальной регистрации. На ячейку или сектор должен использоваться только один код скремблирования для поддержания ортогональности между различными кодированными нисходящими каналами. При использовании адаптивных антенн лучи обеспечивают дополнительное пространственное разнесение, и соблюдение ортогональности между различными кодовыми каналами становится менее важным. Однако во всех случаях наилучшей стратегией все еще остается стремление иметь по возможности большее число пользователей под одним кодом скремблирования для минимизации помех в нисходящем канале. Если необходимо ввести в ячейку дополнительный код скремблирования, то его должны использовать только те пользователи, которым не подходит основной код скремблирования. Ортогональность более всего ухудшается, если пользователи равномерно распределяются между двумя разными кодами скремблирования. 6.3.4.4 Расширение спектра и модуляция в канале синхронизации

Нисходящий канал синхронизации (SCH) является особым видом физического канала, который остается невидимым на уровнях выше физического. Он содержит два канала: основной и дополнительный SCHs. Эти каналы используются терминалом для нахождения ячейки и не находятся под основным кодом скремблирования, предусмотренным специально для ячейки. Терминал должен обладать способностью синхронизироваться с ячейкой до того, как будет знать код скремблирования в нисходящем канале. Главный SCH содержит кодовое слово из 256 чипов, при этом в каждой ячейке присутствует идентичное кодовое слово. Кодовое слово основного SCH передается без модуляции поверх него. Кодовое слово состоит из коротких 16чиповых последовательностей для того, чтобы оптимизировать необходимое на терминале аппаратное оборудование. При обнаружении этой последовательности обычно никакой предшествующей информации о синхронизации по времени нет, и, как правило, для приема требуется согласованный фильтр. Поэтому, чтобы уменьшить сложность терминала и потребляемую мощность, было важно оптимизировать эту последовательность синхронизации для упрощения реализации согласованного фильтра. Кодовые слова для дополнительного SCH представляют собой подобного рода последовательности, но они различаются от базовой станции к базовой станции, при этом используется всего 16 последовательностей. Эти 16 последовательностей используются для получения всего 64 различных кодовых слов,

521

которые определяют, к какой из 64 кодовых групп принадлежит базовая станция. Как и основной SCH, дополнительный SCH не находятся под кодом скремблирования, предусмотренным для базовой станции, но кодовые последовательности посылаются без скремблирования сверху. Кодовые слова SCH содержат модуляцию, чтобы показать использование разнесения при передаче в открытом контуре в BCH. Сам SCH может использовать разнесение антенн при передаче с временной коммутацией (TSTD) и является единственным каналом в UTRA FDD, использующим TSTD. 6.3.5 Характеристики передатчика Метод формирования импульсов, примененный к передаваемым импульсам, представляет собой фильтрацию по среднеквадратичному закону с коэффициентом избирательности 0,22. Один и тот же коэффициент избирательности действителен как для терминалов, так и для базовых станций. Имеется несколько других важных радиочастотных параметров, представляемых здесь, которые оказывают значительное влияние, как на реализацию, так и на поведение системы. Номинальное разнесение несущей составляет 5 МГц, но частота несущей в WCDMA может регулироваться растром 200 кГц. Центральная частота каждой несущей WCDMA указывается с точностью до 200 кГц. Цель регулировки состоит в обеспечении большей гибкости для разнесения каналов в полосе частот оператора. Коэффициент утечки по соседнему каналу (ACLR) определяет, какая часть передаваемой мощности может перетекать в первую или вторую соседнюю несущую. Концепция ACLR показана на рис. 6.10, где ACLR1 и ACLR2 соответствуют уровню мощности, проинтегрированному по первой и второй соседним несущим при 5 МГц-ном и 10 МГц-ном разнесении несущих соответственно. Никаких других значений разнесения несущих не определено. На стороне терминала значения ACLR для классов мощности 21 дБм и 24 дБм были установлены на величину 33 дБ и 43 дБ для ACLR1 и ACLR2 соответственно. На стороне базовой станции соответствующими значениями являются 45 дБ и 50 дБ. На первом этапе развертывания сети, вероятнее всего, большинство терминалов будет принадлежать к классу мощности 21 дБм, и соответственным образом следует планировать сеть. Чем выше требования к ACLR, тем от усилителя мощности требуется большая линейность и тем меньше будет эффективность усилителя. Терминал же должен обладать такими значениями ACLR, которые бы позволяли иметь эффективный по мощности усилитель. Влияние ACLR на работу системы рассматривается в разделе 8.5.

522

Мощность

Частота

fN

fN+

fN+2

Рис. 6.10. Коэффициент утечки по соседнему каналу для первой и второй соседних несущих.

Требования к точности установки частоты также напрямую связаны со стоимостью реализации, особенно на стороне терминала. Определено, что точность установки частоты терминала составляет ±0,5·10– 7. Синхронизация в полосе частот модулирующих сигналов определяется тем же самым источником временной синхронизации, что и радиочастота. Установка частоты для базовой станции должна быть более жесткой по сравнению с подвижной, поскольку несущая частота базовой станции является опорной частотой для точной установки частоты терминала. Терминал должен обладать способностью производить поиск во всей области частотной неопределенности, обусловленной погрешностью установки частоты базовой станции в дополнение к погрешности терминала и ошибками из-за движения терминала. При растре несущей равном 200 кГц менее точная установка частоты базовой станции может начать создавать проблемы. В 3GPP радиочастотные параметры терминалов определены в [8], а для базовых станций в [9].

6.4. Передача данных пользователя При передаче данных пользователя в системах второго поколения, например в первых версиях GSM, обычно в одно и то же время предоставлялась только одна услуга: либо передача речи, либо передача данных с низкой скоростью. С самого начала технологическая база потребовала, чтобы реализация на физическом уровне была определена до мельчайших подробностей, что не позволяло иметь реальной гибкости. Например, схемы прореживания в GSM были определены побитно, тогда как такое определение для всех возможных комбинаций обслуживания и скоростей передачи данных для UTRA просто не представляется возможным. Вместо этого определены алгоритмы получения таких схем. В технике обработки сигналов также сделан большой шаг вперед, так что

523

теперь больше нет необходимости иметь элементы оборудования, подобные прореживателям, как это было в начале разработки аппаратного оборудования GSM. 6.4.1 Восходящий выделенный канал Как описывалось ранее, в направлении восходящего канала используется I-Q/кодовое мультиплексирование для данных пользователя и информации управления на физическом уровне. Информация управления на физическом уровне переносится Выделенным каналом управления на физическом уровне (DPCCH) с постоянным коэффициентом расширения спектра равным 256. Информация на более высоком уровне, включая данные пользователя, переносится одним или несколькими Выделенными каналами передачи на физическом уровне (DPDCHs) с возможным значением коэффициента расширения спектра от 256 до 4. Передача по восходящей линии может вестись по одному или нескольким Выделенным каналам передачи на физическом уровне (DPDCH) с переменным коэффициентом расширения спектра и одному Выделенному каналу на физическом уровне(DPCCH) с постоянным коэффициентом расширения спектра. Скорость передачи данных в DPDCH может меняться от фрейма к фрейму. Обычно при обслуживании с переменной скоростью информация о скорости передачи в DPDCH передается по DPCCH. DPCCH передается постоянно, и информация о скорости передачи посылается вместе с Индикатором комбинации транспортного формата (TFCI), информацией DPCCH о скорости передачи данных в текущем кадре DPDCH. Если TFCI декодируется неправильно, то теряется весь фрейм данных. Поскольку TFCI указывает на транспортный формат того же фрейма, потеря TFCI не оказывает влияния на другие фреймы. Надежность TFCI выше, чем надежность обнаружения данных пользователя в DPDCH. Поэтому потеря TFCI происходит исключительно редко. На рис. 6.11 показана более подробно структура восходящего выделенного канала. В восходящем DPCCH используется слотовая структура, во фрейме радиосигнала длительностью 10 мс содержится 15 слотов. Длительность слота соответствует 2560 чипам или 666 мкс. Это фактически довольно близко к длительности пакета GSM, составляющей 577 мкс. В каждом слоте имеется 4 поля, предназначенных для пилотных бит, TFCI, бит управления мощностью передачи (TPC) и бит информации обратной связи (FBI). Пилотные биты используются для оценки канала в приемнике, а биты TPC переносят команды управления мощностью для управления мощностью в нисходящем канале. Биты FBI используются в том случае, если в нисходящем канале применяется разнесение передачи в замкнутом контуре. Использование бит FBI рассматривается в разделе, посвященном описанию процедуры на физическом уровне. Для восходя-

524

щего канала DPCCH имеется всего 6 слотовых структур. Различаются варианты с 0, 1 или 2 бит в качестве бит FBI и те же самые варианты с бит TFCI и без них. Биты пилотные и TPC присутствуют всегда, и их число изменяется таким образом, что слот DPCCH оказывается использованным полностью. Выгодно вести передачу по одному DPDCH как можно дольше с точки зрения эффективности работы усилителя терминала, так как мультикодовая передача повышает отношение пикового значения к среднему при передаче, что уменьшает эффективность работы усилителя мощности терминала. Максимальную скорость передачи данных пользователя с использованием одного кода получают исходя из максимальной скорости передачи данных в канале, составляющей 960 Кбит/с без канального кодирования и при коэффициенте расширения спектра 4. При канальном кодировании используемая на практике максимальная скорость передачи данных пользователя для одного кода составляет 400 – 500 Кбит/с. Когда требуются более высокие скорости передачи, используются параллельные кодовые каналы. Это позволяет использовать до шести кодов параллельно, увеличивая скорость передачи в канале при передаче данных до 5740 Кбит/с, что позволяет вести передачу данных пользователя со скоростью 2 Мбит/с и даже больше, если скорость кодирования составляет ½. Поэтому можно обеспечить передачу данных пользователя со скоростью 2 Мбит/с даже после повторения передачи. Достижимые скорости передачи данных при различных коэффициентах расширения спектра представлены в таблице 6.2. В приведенных скоростях предполагается использование кодирования со скоростью ½ и в них не включены последние [“хвостовые”] биты кодера или проверочной комбинации кода (CRC). Относительные издержки, обусловленные последними битами и битами CRC, имеют значение только при низких скоростях передачи 2560 чипов Данные

DPDCH DPCCH

Восходящий

Pilot

0

1

TFCI

2

FBI

TPC

3

14

DCH

10 мс Рис. 6.11. Структура выделенного восходящего канала.

525

Таблица 6.2 Скорость передачи данных в восходящем DPDCH

Коэффициент расширения спектра в DPDCH

Скорость передачи данных в DPDCH (Кбит/с)

Максимальная скорость передачи данных пользователя при скорости кодирования ½ (приблизительно)

256

15

7,5 Кбит/с

128

30

15 Кбит/с

64

60

30 Кбит/с

32

120

60 Кбит/с

16

240

120 Кбит/с

8

480

240 Кбит/с

4

960

480 Кбит/с

4, с 6 параллельными кодами

5740

2,3 Мбит/с

Необходимо, чтобы приемник восходящего канала на базовой станции выполнял следующие функции при приеме передачи от терминала: • Приемник начинает прием фрейма и осуществляет сжатие DPCCH и буферизацию DPDCH в соответствии с максимальной скоростью передачи, соответствующей наименьшему коэффициенту расширения спектра. • Для каждого слота – получает оценки канала от пилотных битов по DPCCH; – оценивает SNR от пилотных битов для каждого слота; – посылает команду TPC в нисходящем направлении в терминал для управления его мощностью передачи в восходящем канале; – декодирует бит TPC в каждом слоте и соответствующим образом регулирует мощность в нисходящем канале этого соединения. • Для каждого второго или четвертого слота – декодирует биты FBI [информации обратной связи], если они имеются, по двум или четырем слотам и регулирует фазы антенн для разнесенного приема, или фазы и амплитуды в зависимости от режима разнесения передачи • Для каждого фрейма длительностью 10 мс

526

– декодирует информациюTFCI из фрейма DPCCH для получения битовой скорости и параметров декодирования канала для DPCCH. • Для интервала времени передачи (TTI, период перемежения)10, 20, 40 или 80 мс – декодирует данные DPDCH.

527

Эти же функции действительны также и для нисходящего канала за исключением: • В нисходящем канале коэффициент расширения спектра выделенного канала является постоянным, как и в общих каналах. Единственное исключение составляет совмещенный нисходящий канал (DSCH), у которого коэффициент расширения спектра также является переменным. • Биты FBI не используются в нисходящем направлении. • Имеется общий пилот-канал помимо пилотных битов в DPCCH. Общий пилот-канал может использоваться в помощь при оценке канала. • В нисходящем канале передача может осуществляться с двух антенн в случае разнесения при передаче. Приемник производит оценку канала по пилот-сигналам, посылаемым с двух антенн, и затем принимает их в виде сжатых данных, переданных двумя различными антеннами. Общее влияние на увеличение сложности, однако, небольшое. 6.4.2. Мультиплексирование восходящего канала В направлении восходящего канала услуги мультиплексируются динамично, так что поток данных является непрерывным за исключением случая нулевой скорости передачи. Символы по DPDCH посылаются с равным уровнем мощности для всех услуг. На практике это означает, что в некоторых случаях необходимо служебное кодирование и мультиплексирование канала для регулирования относительных скоростей передачи символов для различных услуг для того, чтобы сбалансировать требования к уровню мощности для канальных символов. Для таких операций балансировки качества для различных услуг по одному DPDCH может использоваться функция согласования скоростей в цепи мультиплексирования, показанная на рис. 6.12. Для восходящего DPDCH постоянных позиций для различных услуг не существует, но фрейм заполнен в соответствии с результатом операции согласования скоростей и перемежения. Мультиплексирование в восходящем канале осуществляется с использованием 11 операций, как показано на рис. 6.12. После получения транспортного блока от высоких уровней выполняется первая операция присоединения CRC. Проверочная комбинация кода (CRC) используется для проверки ошибок в транспортных блоках на приемном конце. Длина вставляемой CRC имеет четыре разных значения: 0. 8, 12, 16 и 24 бита. Чем больше бит содержит CRC, тем меньше вероятность появления необнаруженной ошибки в транспортном блоке, поступающем в приемник. Физический уровень обеспечивает транспортный блок для высоких уровней, а также индикацию ошибок при проверке с помощью CRC.

528

Присоединение CRC DPDCH#1

Сцепление транспортного блока/сегментация кодового блока

DPDCH#2

DPDCH#N

… Перенос в физические каналы

Канальное кодирование

… Выравнивание фрейма радиоканала

Другие транспортные каналы

Первое перемежение (20, 40 или 80 мс)

Второе перемежение (10 мс)

… Сегментация физического канала

Сегментация фрейма радиоканала

Мультиплексирование транспортного канала

Согласование скоростей

Рис. 6.12. Мультиплексирование в восходящем канале и последовательность канального кодирования.

После присоединения CRC транспортные блоки либо сцепляются вместе, либо сегментируются на различные кодовые блоки. Это зависит от того, подходит ли транспортный блок к имеющемуся размеру кодового блока, как это определено для метода канального кодирования. Выигрышем от сочленения (concatenation) является улучшение рабочих характеристик с точки зрения уменьшения непроизводительных затрат на биты оконечной части кодера и в некоторых случаях благодаря лучшей характеристике канального кодирования из-за большего размера блока. С другой стороны сегментация кодовых блоков позволяет избежать слишком больших по размеру кодовых блоков, что также связано с вопросом сложности построения. Если транспортный блок с присоединенным CRC не подходит для максимального имеющегося кодового блока, он будет разделен на несколько кодовых блоков. Канальное кодирование производится на кодовых блоках после операции сочленения (concatenation) или сегментации. Для некоторых услуг или битовых классов канальное кодирование не применяется. Например, это имеет место для битов класса «c» AMR, которые посылаются без канального кодирования. В

529

этом случае ограничение на размер кодового блока отсутствует, поскольку никакого фактического кодирования на физическом уровне не выполняется. Функция выравнивания фрейма радиосигнала предназначена для того, чтобы поделить данные на равные блоки при их передаче более, чем в одном фрейме радиосигнала длительностью 10 мс. Это осуществляется путем дополнения необходимого числа битов в данные до получения блоков одинакового размера на фрейм. Первое перемежение или межфреймовое перемежение используется тогда, когда бюджет по задержке позволяет иметь перемежения длительностью более 10 мс. Длительность первого перемежения между уровнями определена величинами 20, 40 и 80 мс. Период перемежения строго соотносится с Интервалом времени передачи (TTI), который показывает, как часто поступают данные с высоких уровней на физический уровень. Начальные положения TTIs для различных транспортных каналов, мультиплексированных в одном соединении, выравниваются по времени. TTIs имеют общую начальную точку, т.е. TTI, составляющий 40 мс, проходит ее дважды при одном соединении; это же относится и к TTI равному 80 мс. Это необходимо для ограничения возможных комбинаций транспортных форматов с точки зрения сигнализации. Временные соотношения для различных TTIs иллюстрирует рис. 6.13. Если используется первое перемежение, сегментация фрейма позволит распределить данные, поступающие от первого перемежения по 2, 4 или 8 последовательным фреймам в соответствии с длиной перемежения. Скорость передачи данных

10 мс 10 мс TTI

20 мс TTI 40 мс TTI

80мс TTI Время

Начальный момент времени TTI

Рис.6.13. Соотношение начального момента времени TTI с различными TTIs в одном соединении.

530

Согласование скоростей передачи используется для того, чтобы согласовать число подлежащих передаче битов с числом битов, имеющихся в одном фрейме. Это достигается либо путем прореживания, либо путем повторения. В направлении восходящего канала повторение предпочтительнее, и по существу имеется только одна причина для использования прореживания, когда приходится сталкиваться с ограничениями, налагаемыми передатчиком терминала или приемником базовой станции. Вторая причина использования прореживания заключается в желании избежать мультикодовой передачи. При операции согласования скоростей передачи, показанной на рис. 6.12, необходимо учитывать число битов, поступающих из других транспортных каналов, являющихся активными в этом фрейме. Согласование скоростей в восходящем канале является динамичной операцией, которая меняется от фрейма к фрейму. Когда скорость передачи при обслуживании при самом малом TTI изменяется, как это показано на рис. 6.13, динамическое согласование скорости передачи обеспечивает регулирование скорости также и для других транспортных каналов с таким расчетом, чтобы использовать все символы во фрейме радиосигнала. Например, если используются два транспортных канала, и один имеет в данный момент нулевую скорость передачи, то согласование скоростей ведет к увеличению скорости передачи символов для обслуживания второго с таким расчетом, чтобы в восходящем канале использовались все символы, предполагая, что коэффициент расширения спектра будет оставаться тем же самым. На высоких уровнях обеспечивается полустатичный параметр, атрибут согласования скоростей, для управления согласованием относительных скоростей передачи между транспортными каналами. Он используется для вычисления величины согласования скоростей при мультиплексировании нескольких транспортных каналов для одного фрейма. Когда это правило определяется так, как указано, то с помощью атрибута согласования скоростей и TFCI приемник может проделать обратный расчет для использованных параметров согласования скоростей и выполнить обратную операцию. Регулируя атрибут согласования скоростей, можно точно согласовать качество передачи для различных услуг и удовлетворить требование в отношении равного или почти равного уровня мощности символа. Различные транспортные каналы мультиплексируются вместе с помощью операции мультиплексирования транспортных каналов. Это простое последовательное мультиплексирование по принципу фрейм за фреймом. Каждый транспортный канал для этого мультиплексирования предоставляет данные в виде блоков длительностью 10 мс. В том случае, когда используется более одного физического канала (код расширения спектра), применяется сегментация. При этой операции просто производится деление данных поровну по имеющимся кодам расширения спектра, поскольку в настоящее время не определено, в каких случаях коэффициенты расширения спектра будут различаться при муль-

531

тикодовой передаче. Использование последовательного мультиплексирования означает также, что при мультикодовой передаче могут применяться более низкие скорости за счет передачи меньшего числа кодов, чем при передаче с полной скоростью. Второе перемежение производит перемежение фреймов радиосигнала длительностью 10 мс, иногда называемое внутрифреймовым перемежением. Это перемежитель блоков с перестановкой колонок, применяемой к 30 колонкам перемежителя. Следует отметить, что второе перемежение применяется отдельно для каждого физического канала в том случае, если используется более одного кодового канала. С выхода второго перемежителя биты переносятся на физические каналы. Количество битов, передаваемых в физический канал на этом этапе, точно соответствует количеству битов, которое может передаваться при коэффициенте расширения спектра этого фрейма. И, как вариант, по физическому каналу передача отсутствует. 6.4.3. Передача данных пользователя по каналу случайного доступа Помимо передачи по выделенному восходящему каналу, данные пользователя могут посылаться по каналу случайного доступа (RACH), переносимый на физический канал случайного доступа (PRACH). Этот вариант предназначен для передачи пакетных данных с низкой скоростью, когда постоянное соединение не сохраняется. В сообщении RACH будет возможно вести передачу с ограниченным рядом скоростей передачи на основе предварительных согласований с сетью UTRA. Действия RACH не включают в себя управление мощностью; таким образом, установка уровня мощности, полученная с помощью процедуры вывода мощности на рабочий режим в PRACH, будет правильной лишь в течение короткого периода времени, самое большее в течение одного или двух фреймов в зависимости от среды. Отличительной особенностью PRACH являются преамбулы, которые посылаются перед началом передачи данных. Они используют коэффициент расширения спектра 256 и содержат сигнатурную последовательность из 16 символов, что в результате дает полную длину преамбулы равную 4096 чипам. Как только преамбула обнаруживается и подтверждается ее прием, по Каналу индикатора данных (AICH) передается часть сообщения длительностью 10 мс (или 20 мс). Коэффициент расширения спектра для части, содержащей сообщение, может изменяться от 256 до 32 в зависимости от потребности передачи, но для этого необходимо иметь предварительное согласование с сетью UTRA. Кроме того, длина сообщения 20 мс была определена с целью увеличения длительности; этот вопрос подробно рассматривается в разделе 11.2.2. Структура AICH описывается в части, посвященной сигнализации, тогда как процедура

532

RACH подробно рассматривается в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне. 6.4.4. Общий восходящий канал передачи пакетов Так же, как и для ранее рассмотренных методов передачи данных пользователя, для RACH было определено расширение. Основные отличия передачи в восходящем канале от передачи данных по RACH состоят в резервировании канала для нескольких фреймов и использовании быстрого управления мощностью, которое не требуется для RACH при посылке одного или двух фреймов. Общий восходящий канал передачи пакетов (CPCH) в нисходящем направлении имеет парный канал – DPCCH, обеспечивающий информацию для быстрого управления мощностью. Кроме того, сеть имеет вариант, позволяющий давать указание терминалам о посылке 8-слотовой преамбулы управления мощностью перед началом фактической передачи сообщения. В некоторых случаях это выгодно, так как позволяет сократить управление мощностью до начала фактической передачи данных. Сигнализация на высоком уровне в нисходящем направлении к терминалу, использующему восходящий канал CPCH, обеспечивается Прямым каналом доступа (FACH). Основная причина того, что для этого не используется DPDCH выделенного канала, состоит в том, что CPCH является быстро устанавливаемым и быстро сбрасываемым каналом, которым управляют подобно приему RACH на физическом уровне базовой станции. Содержимое DPDCH определяется протоколами сигнализации высокого уровня, которые помещаются в Контроллере радиосети (RNC). В том случае, когда RNC хочет послать сообщение сигнализации для терминала в качестве ответа на активизацию CPCH, например, сообщением ARQ (автоматического перезапроса данных), соединение CPCH к этому моменту может оказаться завершенным базовой станцией. Отличия действия восходящего CPCH от процедур RACH рассматриваются более подробно в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне. 6.4.5. Выделенный нисходящий канал Выделенный нисходящий канал передается по Выделенному нисходящему каналу передачи данных на физическом уровне (Нисходящему DPCH). В нисходящем DPCH применяется мультиплексирование по времени для управления информацией на физическом уровне и передачи данных пользователя. Как и для восходящего канала термины Выделенный канал передачи данных на физическом уровне (DPDCH) и Выделенный канал управления на физическом уровне (DPCCH) используются в спецификациях 3GPP для выделенных нисходящих каналов.

533

Коэффициент расширения спектра для наивысшей скорости передачи определяет код передачи с данного кодового дерева, подлежащий резервированию. Передача данных с переменной скоростью может быть осуществлена двумя способами: • При осуществлении TFCI позиции бит DPDCH во фрейме постоянны. Поскольку коэффициент расширения спектра также всегда является постоянным в Нисходящем DPCH, более низкие скорости реализуются при прерывистой передаче (DTX) путем включения/выключения передачи. Так как это производится в интервале слота, то получающаяся скорость переключений составляет 1500 Гц. Как и в восходящем канале, здесь приходится 15 слотов на фрейм радиосигнала длительностью 10 мс; этим определяется скорость переключений. Скорость передачи данных при наличии нескольких возможностей определяется с помощью слепого приема транспортного формата (DTFD), основанного на использовании направляющего транспортного канала или каналов, которые имеют различные позиции CRC для различных Комбинаций транспортного формата (TFCs). Для терминала возможность осуществления BTFD является обязательной только для сравнительно низких скоростей, например для речевого обслуживания с AMR. При высоких скоростях передачи выигрыш от отсутствия TFCI незначителен, а сложность BTFD начинает возрастать. • При наличии TFCI также оказывается возможным иметь гибкие позиции и какой режим работы следует использовать выбирает сеть. При использовании гибких позиций можно сохранять непрерывную передачу и осуществлять DTX только для повторения бит. В этом случае фрейм всегда заполнен, как и фрейм в направлении восходящего канала. На последовательность операции мультиплексирования в нисходящем канале, показанную на рис. 6.16, (раздел 6.4.6) DTX также оказывает влияние, при этом индикация DTX вставляется перед первым перемежением. В нисходящем канале коэффициенты расширения спектра находятся в пределах от 4 до 512 при некоторых ограничениях на использование коэффициента расширения спектра 512 при мягком хэндовере. Ограничения обусловлены операцией регулировки 256 чипов синхронизации при мягком хэндовере, но в любом случае не ожидается, что использование коэффициента расширения спектра 512 будет частым. Обычно такой коэффициент расширения спектра используется для обеспечения информации по управлению мощностью и пр., при обеспечении сервиса при минимальной активности нисходящего канала, как например, при загрузке файлов и т. д. Это также имеет место в CPCH, где информация об управлении мощностью при ограниченной длительности передачи

534

по восходящему каналу обеспечивается с помощью DPCCH при коэффициенте расширения спектра 512. В этом случае мягкий хэндовер также не требуется Модуляция приводит к некоторым различиям в скоростях передачи в восходящем и нисходящем каналах. В то время как восходящий канал DPDCH имеет символы BPSK, нисходящий DPDCH имеет символы QPSK. Хотя часть времени нисходящего DPDCH резервируется для DPCCH, особенно при высоких скоростях передачи данных, скорость передачи, которая согласуется с одним кодом в нисходящем DPDCH, почти в два раза выше, чем в восходящем DPDCH, при одинаковом коэффициенте расширения. Эти скорости передачи для нисходящего канала приводятся в таблице 6.3 при грубом определении скоростей передачи в битах, вычисленных на основе символов значений QPSK в нисходящем канале, зарезервированном для передачи данных.

Таблица 6.3. Скорость передачи символов и битов в выделенном нисходящем канале

Коэффициент расширения спектра

Скорость пеСкорость редачи симво- передачи лов в канале бит (Кбит/с) (Кбит/с)

Диапазон битовых скоростей в канале DPDCH (Кбит/с)

Максимальная скорость передачи данных пользователя при кодировании со скоростью 1/2

512

7.5

15

3–6

1 – 3 Кбит/с

256

15

30

12 – 24

6 – 12 Кбит/с

128

30

60

42 – 51

20 – 24 Кбит/с

64

60

120

90

45 Кбит/с

32

120

240

210

105 Кбит/с

16

240

480

432

215 Кбит/с

8

480

960

912

456 Кбит/с

4

960

1920

1872

936 Кбит/с

4 при 3 параллельных кодах

2880

5760

5616

2,3 Мбит/с

535

2560 чипов Слот

Нисходящий DPCH

DPCCH

DPDCH

DPCCH

TFCI

Данные

TPC

0

1

2

3

DPDCH Данные

…

DPCCH PILOT

14

10 мс Рис. 6.14. Мультиплексирование данных управления/передаваемых данных в выделенном нисходящем канале на физическом уровне (в нисходящем DPCH).

В нисходящем DPCH для улучшения работы может использоваться разнесение при передаче в открытом либо закрытом контуре. Использование такого усовершенствования не требуется со стороны сети, но обязательно для терминалов. Оно стало обязательным, когда почувствовали, что такого рода элементы имеют прямое отношение к таким вопросам, как планирование сети и пропускная способность системы, так что стала требоваться его реализация. Принцип разнесения при передаче в открытом контуре показан на рис. 6.15, где информация кодируется для передачи с двух антенн. Этот метод также указан в спецификациях 3GPP как блочное кодирование в пространстве и времени (пространственно-временное блочное кодирование), основанное на разнесении при передаче (STTD). Другой возможностью является использование разнесения при передаче с режимом обратной связи, где сигнал посылается с двух антенн на основании информации обратной связи от терминала. В режиме с обратной связью используются фазовые, а в некоторых случаях также и амплитудные сдвиги между антеннами. Разнесение при передаче с режимом обратной связи рассматривается в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне. 2 символа Антенна 1

S1

S2

Антенна 2

S1

S2 Антенный терминал

Кодер разнесения при передаче

-S1*

Декодер разнесения при передаче

-S2*

Рис. 6.15. Кодирование для разнесения при передаче в открытом контуре.

536

6.4.6. Мультиплексирование в нисходящем канале Последовательность операций при мультиплексировании в нисходящем канале во многом сходна с последовательностью операций в восходящем канале, но есть некоторые функции, которые выполняются по-другому. Как и в восходящем канале, перемежение применяется в двух местах, включая в себя как внутрифреймовое перемежение, так и межфреймовое. Кроме того, согласование скоростей позволяет уравновешивать необходимую энергию передачи символа в канале для различного качества обслуживания. Услуги также могут переноситься более, чем на один код, что является необходимым, если возможности одного кода оказываются превышенными либо в терминале, либо в базовой станции. Имеются различия в порядке, в котором выполняются функции согласования скоростей и сегментации. Использование постоянных или гибких позиций определяется точкой вставки индикации DTX. Биты индикации DTX не передаются через эфир, они просто вставляются для того, чтобы проинформировать передатчик о том, в каких положениях передача должна быть выключена. В них нет необходимости в восходящем канале, где согласование скоростей производилось более динамичным образом и всегда заполняла фрейм, когда было что передавать по DPDCH.

537

Присоединение CRC DPDCH#1

Сцепление транспортного блока/сегментация кодового блока

DPDCH#2

DPDCH#N

… Перенос в физические каналы

…

Канальное кодирование

Второе перемежение (10 мс) Согласование скоростей Вставка индикации DTX (только для постоянных позиций бит)

Другие транспортные каналы

… Сегментация физического канала Вставка индикации DTX (только для гибких позиций бит)

Первое перемежение (20, 40 или 80 мс)

Мультиплексирование транспортного канала

Сегментация фрейма радиоканала

Рис. 6.16. Последовательность мультиплексирования и канального кодирования в нисходящем канале.

Использование фиксированных позиций означает, что для данного транспортного канала всегда используются одни и те же символы. Если скорость передачи меньше максимальной, то для этих символов используются биты индикации DTX. Различные транспортные каналы не оказывают динамического влияния на значения согласуемых скоростей для другого канала, и все транспортные каналы могут использовать одновременно также и максимальную скорость. Использование постоянных позиций частично связано с возможным применением слепого обнаружения скорости передачи. Когда транспортный канал имеет одну позицию независимо от скорости передачи, канальное декодирование может быть выполнено за один «прогон» декодирования, и единственное, что необходимо проверять, так это то, какая позиция выходного блока согласуется с результатом проверки CRC. Естественно это требует, чтобы различные скорости передачи имели различное число символов. При гибких позициях ситуация будет другой, поскольку теперь канальные биты, использованные одной услугой, могут использоваться другой. Это

538

оказывается полезным, когда возможно иметь такую комбинацию транспортных каналов, когда не требуется, чтобы они могли работать с максимальной скоростью одновременно, а могли бы меняться, когда возникает потребность работать с полной скоростью. Это позволяет уменьшить число необходимых кодов расширения спектра в нисходящем канале. Концепция сравнения постоянных и гибких позиций в нисходящем канале иллюстрируется на рис. 6.17. Использование слепого детектирования скорости передачи в принципе также возможно при гибких позициях, но не требуется спецификациями. Если скорость передачи данных слишком высокая и число возможных скоростей не слишком большое, терминал может выполнить канальное декодирование для всех комбинаций и проверить, какой из вариантов дает правильный результат для CRC. Слот нисходящего DPCH Постоянные позиции: А и В при полной скорости

TFCI

Постоянные позиции: половинная А и полная В скорости

TFCI

Гибкие позиции: полная А и половинная В скорости

TFCI

Гибкие позиции: половинная А и полная В скорости

TFCI

TrCh A TrCh A

DTX

TrCh A TrCh A

TrCh B

TPC

TrCh B

PILOT

TPC

TrCh B

PILOT

TPC

TrCh B

PILOT

TPC

TrCh B

PILOT

Рис. 6.17. Гибкая и постоянная позиции слотов в транспортном нисходящем канале.

6.4.7. Совмещенный нисходящий канал Передача данных с максимальной скоростью для цикла с низкой активностью в нисходящем канале быстро приводит к тому, что коды передачи под одним кодом скремблирования начинают быстро расходоваться. Чтобы избежать этой проблемы существует два варианта: использовать либо дополнительные коды скремблирования, либо общие каналы. Подход с использованием дополнительных кодов скремблирования приводит к потере того преимущества, что передачи от одного источника являются ортогональными, и потому от него следует отказаться. Использование ресурса совмещенных каналов сохраняет вышеназванное преимущество и в то же время приводит к уменьшению расхода кодовых ресурсов в нисходящем канале. Поскольку такое совместное использование ресурсов не может дать 100% гарантий наличия ресурса физических

539

каналов в любой момент времени, его применение на практике ограничивается услугами по передаче пакетов. Так как в системе CDMA необходимо обеспечивать непрерывную информацию по управлению мощности и другую, было определено, что совмещенный нисходящий канал (DSCH) всегда используется вместе с выделенным нисходящим каналом (нисходящим DCH). Помимо информации об управлении мощностью DCH обеспечивает указание терминалу, когда тому следует декодировать DSCH и какой код расширения спектра из DSCH он должен сжимать. Для этого указания были определены два варианта: либо TFCI фрейм за фреймом, либо сигнализация высокого уровня, основанная на более продолжительном периоде назначения. Таким образом, скорость передачи данных в DSCH без кодирования представляет собой непосредственно скорость передачи бит в канале, указанную в таблице 6.3 для нисходящего DCH. Небольшое отличие от кодов расширения в нисходящем DCH заключается в том, что коэффициент расширения 512 в DSCH не поддерживается. DSCH позволяет также смешивать терминалы с различными возможностями по скоростям передачи под одной ветвью кодового ресурса, что делает конфигурацию управляемой при растущих возможностях терминалов. Кодовое дерево DSCH было показано на рис. 6.9 в разделе, связанном с вопросом о расширении спектра в нисходящем канале. В DSCH пользователю могут быть назначены различные скорости передачи данных, например 384 Кбит/с с коэффициентом расширения 8, а затем 192 Кбит/с с коэффициентом расширения 16. Определение кодового дерева для DSCH позволяет делить пропускную способность DSCH фрейм за фреймом, например, активным является один пользователь с высокой скоростью передачи данных или же активны несколько пользователей с низкой скоростью передачи данных, работающие параллельно. DSCH может быть также перенесен и на случай использования мультикодов: например, три кода передачи с коэффициентом расширения 4 обеспечивают DSCH возможность передачи со скоростью 2 Мбит/с. В направлении восходящего канала такого рода беспокойства по поводу использования кодовых ресурсов отсутствуют, но стоит вопрос, как управлять полным уровнем помех и в некоторых случаях как использовать ресурсы на стороне приемника. Так работа, близкая к работе DSCH, не указывается в восходящем канале в UTRA FDD. Физический канал, передающий DSCH, является совмещенным нисходящим каналом управления на физическом уровне (PDSCH). Временное соотношение между PDSCH и связанным с ним выделенным нисходящим каналом передачи на физическом уровне (DPCH) показано на рис 6.18. Фрейм PDSCH не может начаться раньше, чем через 3 слота после окончания фрейма связанного с ним выделенного канала. Это гарантирует, что требования к буферизации для приема DSCH не выше, чем другие требования к буферизации в приемнике.

540

6.4.8. Прямой канал доступа для передачи данных пользователя Прямой канал доступа (FACH) может использоваться для передачи (пакетов) данных пользователя. Канал обычно мультиплексируется каналом переда чи поискового вызова в том же физическом канале, но канал также может быть и отдельным. Основное отличие от выделенного и совмещенного каналов состоит в том, что FACH не позволяет использовать быстрое управление мощностью и в нем применяется медленное управление мощностью или же управление мощностью полностью отсутствует. Медленное управление мощностью возможно в том случае, когда между базовой станцией и терминалом передается большой поток данных и терминал обеспечивает обратную связь по качеству принимаемых пакетов. Этот тип управления мощностью не позволяет бороться с замираниями в канале за исключением медленно происходящих изменений в среде распространения. При менее частых передачах каналу FACH необходимо использовать более менее полный уровень мощности. Управление мощностью для FACH, как правило, совершается очень медленно, так как передачей данных по FACH управляет RNC, что подразумевает довольно большую задержку для любой информации обратной связи от базовой станции.

Нисходящий DPCH

10 мс фрейм DPCH Связанный фрейм PDSCH

PDSCH 46080 чипов

Минимальная задержка PDSCH Рис. 6.18. Временное отношение PDSCH и DPCH.

Содержит ли FACH пилот-символы или нет зависит от того, применяет ли он методы формирования луча. Обычно FACH не содержит пилот-символы, и приемник использует общий пилот-канал в качестве опорной фазы. Необходимо, чтобы FACH принимали все терминалы, в основном FACH не могут использоваться высокие скорости передачи данных. Если бы от FACH требовались более высокие скорости, то потребовался бы отдельный физический канал, где необходимо было бы учитывать только возможности в отношении максимальных скоростей передачи терминалов, выделенных этому каналу. Необходимая конфигурация стала бы довольно сложной при включении терми-

541

налов с разными возможностями. FACH имеет постоянный коэффициент расширения, и резервирование FACH для очень больших скоростей передачи данных не оптимизируется с точки зрения кодовых ресурсов, особенно если не все терминалы могут декодировать FACH с высокой скоростью передачи. Сообщением, передаваемым по FACH, обычно требуется внутренняя сигнализация, чтобы дать знать, кому из пользователей предназначаются данные. Чтобы прочесть такого рода информацию, терминал должен вначале декодировать сообщения, передаваемые по FACH. Непрерывное осуществление такого декодирования нежелательно ввиду лишнего потребления мощности, особенно при высоких скоростях в FACH. 6.4.9. Канальное кодирование для данных пользователя В UTRA определены два метода канального кодирования. Сверточное кодирование с половинной скоростью и скоростью 1/3 предназначено для использования с относительно небольшой скоростью передачи данных, эквивалентной скорости передачи данных, обеспечиваемой в настоящее время сотовыми системами второго поколения, хотя верхний предел определен не был. Для более высоких скоростей может применяться турбокодирование, которое обычно дает выигрыш в рабочих характеристиках, когда используются блоки достаточно больших размеров. По оценкам, для того, чтобы турбокодирование давало некоторый выигрыш по сравнению со сверточным кодированием, на TTI должно приходиться приблизительно 300 бит. Это зависит также от требующегося уровня обслуживания и рабочей среды. Сверточное кодирование основано на ограничении длины кода 9 при использовании «хвостовых» (оконечных) бит. Выбранный метод турбокодирования/декодирования является PCCC (параллельным каскадным сверточным кодом) с 8 состояниями. Основной мотивацией для использования турбокодирования для высоких скоростей передачи данных послужили эксплуатационные данные, тогда как для низких скоростей основная причина для того, чтобы не применять его, заключалась в желании допустить использование простого слепого определения скорости передачи при низких скоростях, как, например, в случае передачи речи. Слепое определение скорости при турбокодировании требует обычно детектирования всех скоростей передачи, в то время как при сверточном кодировании методы проб позволяют применять для определения того, какая скорость была использована, только однократное прохождение по Витерби. Это выполняется с помощью CRC и применения соответствующего метода перемежения. Турбокодирование имеет особый вид перемежения, которое построено с расчетом на большое разнообразие скоростей передачи. Максимальный размер блока при турбокодировании ограничен 5114 информационными битами, по-

542

скольку при большем их числе увеличиваются только требования к размерам памяти, но какого-либо существенного влияния на эффективность работы не наблюдается. При большем объеме данных на период перемежения используется несколько блоков по размеру равных 5114 битам или чуть меньших. Фактический размер блока немного меньше, так как в размер блока входят биты CRC и «хвостовые» биты. Сперва минимальный размер блока при турбокодировании был определен равным 320 битам, что соответствует 32 Кбит/с при длительности перемежения 10 мс или 4 Кбит/с при длительности перемежения 80 мс. Возможные пределы размеров блока были однако снижены до 40 бит, так как при переменной скорости соединений не желательно применять кодек «на лету», при уходе с максимальной скорости. Не может и транспортный канал изменять метод канального кодирования на пофреймовой основе. При турбокодировании может осуществляться передача со скоростями менее 40 бит/с, но в таком случае используется набивка фиктивными битами для заполнения перемежителя, минимальный размер которого рассчитан на 40 бит. При передаче речи для кодирования AMR используется схема неравномерной защиты от ошибок. Это означает, что три различных класса битов имеют различную защиту. Биты класса A, более всего влияющие на качество, имеют наиболее высокую защиту, тогда как биты класса C посылаются без канального кодирования. Это позволяет повысить отношение Eb/N0 примерно на 1 дБ по сравнению со схемой равномерной защиты. Методы кодирования, используемые в различных каналах, приведены в таблице 6.4. Хотя для FACH даны два варианта, доступ к ячейке, используемый в FACH, основан на сверточном кодировании, так как не все терминалы поддерживают турбокодирование. Таблица 6.4 Варианты канального кодирования для различных каналов

DCH

Турбокодирование или сверточное кодирование

CPCH

Турбокодирование или сверточное кодирование

DSCH

Турбокодирование или сверточное кодирование

FACH

Турбокодирование или сверточное кодирование

Другие каналы

общие Сверточное кодирование со скоростью 1/2

543

6.4.10. Кодирование информации TFCI Индикатор комбинации транспортного формата (TFCI) может передавать от 1 до 10 бит информации транспортного формата. Как и при нормальной работе имеется также и режим «разделения», когда кодовое слово TFCI посылается в виде двух различных кодовых слов и необязательно, чтобы каждая ячейка посылала оба кодовых слова. В этом случае оба кодовых слова могут передавать по 5 бит. Типичной операцией разделения будет, когда RNC для выделенного нисходящего канала будет отличаться от RNC для управления DSCH. Режим разделения пригоден только для нисходящего канала. Кодирование в обычном режиме производится с помощью кода Рида – Мюллера, прореженного с 32 бит до 30 бит, несущих до 10 бит информации. Кодирование TFCI показано на рис 6.19. Кодирование в режиме разделения осуществляется с применением биортогонального (16,5) блочного кода. Биты TFCI

(32,10) Код РидаМюллера второго порядка

Прореживание до (30,10) кода соответствующего 15 слотам

Преобразование к фрейму DPСCH

Рис. 6.19. Кодирование информации TFCI.

6.5. Сигнализация В интересах сигнализации между сетью и терминалами должно передаваться много различной информации. В последующих главах будут описаны методы, принятые для передачи сообщений сигнализации, вырабатываемых на уровнях выше физического, а также каналы управления на физическом уровне, необходимые для работы системы, но необязательно видимые при функционировании на высоких уровнях. 6.5.1 Общий пилот-канал (CPICH) Общий пилот-канал – это немодулированный кодовый канал, который скремблируется основным кодом скремблирования, определяемым ячейкой. Функция CPICH состоит в том, чтобы оказать помощь терминалу в оценке выделенного канала и обеспечить опорную оценку общих каналов, когда они не совмещаются с выделенными каналами или с методами использования адаптивных антенн. В UTRA имеются два типа общих пилот-каналов: основной и дополнительный. Разница состоит в том, что основной CPICH всегда находится под основным кодом скремблирования при назначении постоянного кода передачи и

544

имеется только один такой канал на ячейку или сектор. Дополнительный CPICH может иметь код канализации длиной 256 и может также находиться под дополнительным кодом скремблирования. Типичная область применения дополнительного CPICH будет связана с операциями с узконаправленными лучами антенн, предназначенными для обеспечения обслуживания в особых «горячих точках» или в местах с высокой плотностью трафика. Важной функцией основного общего пилот-канала являются измерения, осуществляемые в интересах хэндовера и выбора/повторного выбора ячеек. Использование уровня приема CPICH в терминале при измерениях, связанных с хэндовером, имеет следствием то обстоятельство, что путем регулирования уровня мощности CPICH может уравновешиваться нагрузка на ячейку в различных ячейках. Уменьшение мощности CPICH приводит к тому, что эстафетная передача управления частью терминалов передается на другие ячейки, тогда как ее увеличение добавляет число обслуживаемых терминалов в ячейке и обеспечивает в этой ячейке их начальный доступ к сети. CPICH не передает никакой информации высокого уровня и не является транспортным каналом, связанным с ним. В CPICH используется коэффициент расширения 256. Он может передаваться двумя антеннами при использовании на базовой станции методов разнесения при передаче. В этом случае передачи, ведущиеся с двух антенн, разделяются с помощью простой схемы модуляции в CPICH, называемой разнесенным CPICH. Разнесенный пилот-сигнал используется как в схемах разнесенной передачи в открытом контуре, так и в закрытом. 6.5.2. Канал синхронизации (SCH) Канал синхронизации(SCH) необходим для поиска ячеек. Он состоит из двух каналов: основного и дополнительного каналов синхронизации. В основном SCH используется последовательность расширения спектра из 256 чипов, одинаковая во всех ячейках. Последовательность, принятая для всей системы, более оптимизирована для реализации согласованных фильтров, как описано при рассмотрении вопросов расширения спектра и модуляции в SCH в разделе 6.3.4.4. Дополнительный SCH использует последовательности с возможностями различной комбинации кодовых слов, представляющих различные кодовые группы. Как только терминал определил дополнительный канал синхронизации, он получает синхронизацию фреймов и слотов, а также информацию о группе, к которой принадлежит ячейка. Используется 64 различных кодовых групп, на которые указывают 256-чиповые последовательности, посылаемые по дополнительным SCHs. Такой полный процесс поиска ячеек, при необходимости найти все группы, нужен естественно только при начальном поиске при включении питания терминала или при входе в зону обслуживания; в других

545

случаях терминал имеет больше информации о соседних ячейках, и не все шаги всегда являются необходимыми. Как и для CPICH, никакой транспортный канал не связан с SCH, так как кодовые слова передаются только с целью поиска ячеек. SCH мультиплексируется по времени с основным общим каналом управления на физическом уровне. Для SCH всегда выделяется 256 чипов из общего числа чипов, равного 2560, в каждом слоте. Основной и дополнительный SCH всегда действуют параллельно, как показано на рис. 6.20. Подробнее процедуры поиска ячеек рассматриваются в разделе 6.6. 6.5.3. Основной общий канал управления на физическом уровне (основной CCPCH)

Основной общий канал управления на физическом уровне (основной CCPCH) представляет собой физический канал передачи Широковещательного канала (BCH). Его демодулируют все терминалы в системе. В результате параметры в отношении, например, канального кодирования и кода расширения спектра гибкостью не обладают, поскольку их должны знать все терминалы, изготовленные после опубликования спецификаций, содержащихся в Рабочей версии – 99. Содержимое сообщений сигнализации оставляет место для гибкости, если только структуры новых сообщений являются такими, что они не приводят к нежелательному или непредсказуемому поведению терминалов, используемых в сети.

Основной SCH

0

1

…

14

256 чипов Вспомогательный SCH

… 2560 чипов 10 мс

Рис. 6.20. Принципы построения основного и дополнительного каналов синхронизации.

Основной CCPCH не содержит управляющей информации для Уровня 1, поскольку у него постоянная скорость передачи, и он не передает информацию

546

об управлении мощностью какому-либо терминалу. Пилот-символы не используются, так как необходимо, чтобы основной CCPH был доступен во всей зоне обслуживания ячейки, и не используются специальные методы управления антеннами, а он передается при одинаковой диаграмме направленности антенн как общий пилот-канал. Это позволяет использовать для оценки канала общий пилот-канал при когерентном детектировании вместе с основным CCPCH. Скорость передачи в канале составляет 30 Кбит/с при коэффициенте расширения спектра для постоянно назначенного кода передачи равного 256. Общая скорость передачи бит затем уменьшается, так как основной CCPCH чередуется с каналом синхронизации (SCH), уменьшая скорость передачи информационных бит системе без кодирования до 27 Кбит/с. Это видно на рис. 6.21, где показан период бездействия длительностью 256 чипов в основном CCPCH. В качестве канального кодирования в основном CCPCH применяется сверточное кодирование с половинной скоростью при перемежении длительностью 20 мс в двух последовательных фреймах. Важно сохранять скорость передачи данных в основном CCPCH низкой, так как на практике они будут передаваться с очень большой мощностью с базовой станции с тем, чтобы они дошли до всех терминалов, что оказывает непосредственное влияние на пропускную способность системы. Если декодировать основной CCPCH не удается, терминалы не могут войти в систему, если они не в состоянии получить информацию о таких важных параметрах системы, как коды случайного доступа и кодовые каналы, используемые для других общих каналов. 256 чипов

2304 чипа

Слот

Основной ССРСН

0

1

2

3

…

14

10 мс Рис. 6.21. Структура фрейма основного CCPCH.

В качестве способа улучшения работы в основном CCPCH может применяться разнесение при передаче в открытом контуре. В таком случае на использование разнесения при открытой передаче в основном CCPCH указывает модуляция дополнительного SCH. Это позволяет терминалам иметь информацию до начала попыток декодировать BCH при начальном поиске ячеек. 6.5.4. Дополнительный общий канал управления на физическом уровне (дополнительный CCPCH)

547

По дополнительному общему каналу управления на физическом уровне (дополнительному CCPCH) передаются два общих транспортных канала: прямой канал доступа (FACH) и поисковый канал (PCH). Эти два канала могут совместно использовать один дополнительный CCPCH или могут использовать различные физические каналы. Это означает, что при минимальной конфигурации каждая ячейка имеет, по крайней мере, один дополнительный CCPCH. В случае использования одного дополнительного CCPCH имеется меньше степеней свободы с точки зрения скоростей передачи данных и т.д., так как опять же всем терминалам в сети необходимо обладать способностью детектирования FACH и PCH. Поскольку в дополнительных CCPCH может быть более одного FACH и PCH, скорости передачи данных могут меняться в большей степени, так как терминалы, не способные демодулировать высокие скорости передачи, используют другой дополнительный CCPCH с более низкой скоростью передачи. Коэффициент расширения спектра, используемый в дополнительном CCPCH, является постоянным и определяется в соответствии с максимальной скоростью передачи. Скорость передачи данных может изменяться при использовании DTX или параметров согласования скорости, но код передачи сохраняется всегда в соответствии с максимальной скоростью передачи данных. Максимальная используемая скорость передачи данных естественно зависит от возможностей терминала. Как и в основном CCPCH, в качестве метода канального кодирования используется сверточный код с половинной скоростью (со скоростью ½) при передаче каналов, используемых для доступа к ячейкам, FACH и PCH. При использовании для передачи PCH период перемежения всегда будет равным 10 мс. Для передачи данных с использованием FACH может также применяться турбокодирование или сверточное кодирование со скоростью 1/3. Дополнительный CCPCH не содержит информации об управлении мощностью, а для другой информации управления на уровне 1 используются следующие комбинации: • Ни пилот-символов, ни информации о скорости (TFCI).Используется для PCH и FACH, когда не применяются адаптивные антенны и канал должен приниматься всеми терминалами. • Пилот-символы отсутствуют, но имеется информация о скорости с TFCI. Обычно применяется с FACH, когда желательно использовать FACH для передачи данных с переменным транспортным форматом и скоростью передачи. В этом случае перемежение скорости передачи реализуется с использованием DTX или повторения передачи. • Пилот-символы с информацией о скорости (TFCI) или без нее. Обычно для случая, когда используется восходящий канал для получения ин-

548

формации, принимаемой для обработки данных, используемых адаптивной антенной, и при использовании диаграмм направленности излучения антенн или лучей для конкретного пользователя. FACH и PCH могут мультиплексироваться в одном дополнительном CCPCH, так как индикаторы поискового вызова, используемые совместно с PCH, мультиплексируются в другом физическом канале, называемом каналом индикатора поискового вызова (PICH). Причиной мультиплексирования вместе этих двух каналов являются ограниченные ресурсы мощности базовой станции. Поскольку оба канала требуется передавать с полной скоростью для приема всеми терминалами, стремление избегать посылки их одновременно очевидно ведет к уменьшению изменений мощности на базовой станции. Чтобы сделать возможным такое мультиплексирование, необходимо завершать FACH и PCH в RNC. Для улучшения рабочих характеристик в дополнительном CCPCH также может применяться разнесение при передаче в открытом контуре. Улучшение работы при использовании такого метода вообще дает большой эффект для общих каналов, поскольку ни в основном, ни в дополнительном CCPCH быстрое управление мощностью не может применяться. Кроме того, поскольку они часто передаются с полной мощностью, чтобы дойти до края ячейки, уменьшение необходимого уровня передачи мощности повышает пропускную способность системы в нисходящем канале.

6.5.5. Канал случайного доступа (RACH) для передачи сигнализации Канал случайного доступа (RACH) обычно используется в целях сигнализации для регистрации терминала в сети после включения питания или для выполнения обновления данных о местоположении после перемещения из одной зоны в другую, или для сигнализации вызова. Структура RACH на физическом уровне для целей сигнализации такая же, как при использовании RACH для передачи данных пользователя, описанная при рассмотрении передачи данных пользователя. При использовании сигнализации основное отличие состоит в том, что требуется поддерживать скорость передачи на довольно низком уровне, в противном случае дальность сигнализации RACH будет служить ограничением для зоны обслуживания системы. Еще более важным моментом является то, что более низкие скорости передачи данных закладываются в основу планирования зоны обслуживания сети. Вопросы, связанные с дальностью действия PACH, более подробно рассматриваются в главе 11. Процедура RACH в деталях будет описана в процедурах, осуществляемых на физическом уровне.

549

RACH, который может использоваться при начальном доступе, имеет сравнительно низкий размер полезной нагрузки, поскольку необходимо, чтобы он использовался всеми терминалами. Способность поддерживать скорость передачи данных 16 Кбит/с по RACH является обязательным требованием для всех терминалов независимо от вида обслуживания, который они обеспечивают. 6.5.6. Канал индикатора данных (AICH) Вместе с каналом случайного доступа используется канал индикатора данных (AICH), чтобы показывать с базовой станции прием сигнатурной последовательности канала случайного доступа. AICH использует идентичную с RACH сигнатурную последовательность в одном из кодов передачи по нисходящему каналу от базовой станции, к которой принадлежит RACH. Как только базовая станция принимает преамбулу с попыткой осуществления случайного доступа, она возвращает эту же сигнатурную последовательность, которая использовалась в преамбуле, обратно по AICH. Поскольку структура AICH такая же, как и для преамбулы RACH, она также использует коэффициент расширения спектра 256- и 16-символьную сигнатурную последовательность. Может быть до 16 сигнатур, одновременно подтверждаемых AICH. Оба ряда сигнатур могут использоваться в AICH. Процедура для AICH и RACH описана в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне. Для приема AICH терминал должен получить опорную фазу от общего пилот-канал. Требуется, чтобы AICH принимали все терминалы, и его обычно передают при высоком уровне мощности без управления мощностью. AICH остается невидимым для более высоких уровней и управляется непосредственно базовой станцией на физическом уровне, так как работа через контроллер радиосети сделает реакцию на преамбулу RACH слишком медленной. Для приема преамбулы RACH и передачи ответа на терминал по AICH имеется всего несколько временных слотов. 4096 чипов

1024 чипа

Слот доступа

AICH

0

1

2

3

…

20 мс (два фрейма) Рис. 6.22. Структура слота доступа к AICH.

550

14

6.5.7. Канал индикатора поискового вызова PICH Канал поискового вызова (PCH) действует вместе с каналом индикатора поискового вызова (PICH) для того, чтобы обеспечить терминалы возможностью работы в «спящем» режиме. Индикаторы поискового вызова используют код передачи длиной 256. Индикаторы поискового вызова появляются один раз на слот в соответствующем физическом канале, канале индикатора поискового вызова (PICH). Каждый фрейм PICH содержит 288 бит, предназначенных для использования битом индикатора поискового вызова, и 12 бит остаются не использованными. В зависимости от коэффициента повторения индикатора поискового вызова может быть 18, 36, 72 или 144 индикаторов поискового вызова на кадр PICH. Как часто терминал должен прослушивать PICH, задается соответствующим параметром, и точное число определяется числом фреймов в системе SFN. Чтобы детектировать PICH, терминал должен получить опорную фазу от CPICH, и как для AICH, для PICH необходимо, чтобы его прослушивали все терминалы в ячейке, и, таким образом, необходимо его передавать с большим уровнем мощности и без управления мощностью. Структура фрейма PICH с различными коэффициентами повторения показана на рис. 6.23. 6.5.8. Физические каналы для процедуры доступа CPCH Для процедуры доступа CPCH определен ряд физических каналов, ориентированных на CPCH. Эти каналы не используются в качестве транспортных каналов, но передают информацию, необходимую при процедуре доступа CPCH. 512 – 4096 чипов PI

… 256 чипов

PICH

288 бит

12 свободных бит

10 мс Рис. 6.23. Структура PICH с различной частотой повторения PI.

Этими каналами являются: • Канал индикации статуса CPCH (CSICH). • Канал индикации данных о столкновениях в CPCH (CD-ICH).

551

• Канал индикации назначения канала CPCH (CA-ICH). • Канал получения данных о преамбуле доступа CPCH (AP-AICH). CSICH использует часть канала AICH, которая определена как использующаяся, как показано на рис. 6.22. Биты CSICH указывают на наличие каждого физического канала CPCH и используются, чтобы дать команду терминалу начинать доступ только по свободному каналу, но, с другой стороны, принимать команду о назначении канала по неиспользуемому каналу. CSICH использует ресурсы кода передачи совместно с AP-AICH. CD-ICH передает в терминал информацию об обнаружении столкновений. Когда используется канал CA-ICH, CD-ICH и CA-ICH посылаются в терминал параллельно. У каждого из двух каналов определено 16 различных битовых структур. AP-AICH идентичен AICH, используемому с RACH, и может совместно использовать один тот же код формирования каналов при совместном использовании ресурсов доступа с RACH. В этом случае CSICH использует также тот же код передачи, что и каналы CPCH и RACH AICH.

6.6. Процедуры на физическом уровне На физическом уровне систем CDMA имеется много процедур, существенно важных для работы системы. Примером могут служить процедуры быстрого управления мощностью и случайного доступа. Кроме того, важными процедурами на физическом уровне являются поисковый вызов, измерения при хэндовере и работа с разнесением при передаче. Эти процедуры естественно основаны на присущих CDMA свойствах физического уровня UTRA FDD.

6.6.1. Процедура быстрого управления мощностью в замкнутом контуре Процедура быстрого управления мощностью в замкнутом контуре обозначается в спецификациях UTRA как управление мощностью по внутреннему контуру. Оно, как известно, играет существенную роль в системах, основанных на CDMA, из-за проблемы ближней-дальней зоны в восходящем канале, проиллюстрированной в главе 3. Операции, связанные с быстрым управлением мощностью, действуют на основе: одна команда на слот, что приводит к частоте передачи команд 1500 Гц. Основной размер шага при этом равен 1 дБ. Кроме того, могут быть получены величины, кратные этому размеру шага, а также шагу меньшего размера. Эмулированный размер шага означает, что шаг, равный 1 дБ, используется, например, только в каждом втором слоте, тем самым эмулируя размер шага, равный 1/2 дБ. «Настоящие» размеры шагов менее 1 дБ

552

трудно реализовать вследствие сложности операции, поскольку трудно обеспечить достаточно высокую точность в большом динамическом диапазоне. Спецификации определяют относительную точность для шага управления мощностью 1 дБ, равную ± 0,5 дБ. Другим «настоящим» определенным шагом является шаг, равный 2 дБ. При быстром управлении мощностью имеется два особых случая: работа с мягким хэндовером и работа в сжатом режиме, что связано с измерениями при хэндовере. Мягкий хэндовер требует к сети особого внимания, так как здесь имеется несколько базовых станций, посылающих команды одному терминалу, тогда как в сжатом режиме терминалу периодически обеспечиваются перерывы в потоке команд. При мягком хэндовере основным вопросом для терминала является то, как реагировать на множество команд по управлению мощностью, исходящих от разных источников. Этот вопрос решен путем определения действий таким образом, что терминал суммирует (объединяет) команды, но также учитывает надежность каждого принятого решения по отдельной команде при решении вопроса о том, увеличивать или уменьшать мощность. При сжатом режиме для управления мощностью используется шаг большего размера в течение короткого промежутка времени после сжатия кадра. Это позволяет уровню мощности сходиться быстрее к правильному значению после перерыва в потоке управления. Необходимость применения этого метода в большей мере зависит от среды и он не подходит для низких скоростей передачи терминала или очень коротких по длительности интервалов передачи. Установка заданного SIR при управлении мощностью в замкнутом контуре производится с помощью управления мощностью во внешнем контуре, которое представляется в разделе 3.5 и подробно описывается в разделе 9.2.2. На стороне терминала достаточно строго определяется, что должно быть сделано внутри терминала в отношении операции по (быстрому) управлению мощностью. На стороне сети имеется гораздо больше свободы, чтобы решать то, как должна вести себя базовая станция после приема команды по управлению мощностью, а также на каком основании базовая станция должна давать команду терминалу об увеличении или уменьшении мощности. 6.6.2. Управление мощностью в открытом контуре В UTRA FDD имеется также управление мощностью в открытом контуре, которое применяется перед началом передачи по RACH или CPCH. Управление мощностью в открытом контуре не является очень точным, так как, используя оборудование терминала, трудно измерить мощность точно при большой динамике ее изменений. Сопоставление фактически принимаемой абсолютной мощности с абсолютной мощностью, которая должна передаваться, показывает на

553

большие отклонения из-за изменений свойств компонентов, а также влияния условий среды, в первую очередь – температуры. Кроме того, передача и прием ведутся на разных частотах, но основным источником неопределенности служит сам терминал (погрешность элементов внутри терминала). Точность управления мощностью в открытом контуре в соответствии с тем, как это определено, должна составлять ± 9 дБ в нормальных условиях. Управление мощностью в открытом контуре использовалось в ранних системах CDMA, например, в IS-95, и действовало параллельно с управлением мощностью в замкнутом контуре. Причиной для такого использования послужило то, что нужно было компенсировать такие воздействия, как воздействие поворота за угол или внезапное изменение окружающей среды. Поскольку быстрое управление мощностью в UTRA производится с удвоенной скоростью подачи команд, было сделано заключение, что возможности регулировки мощности в пределах 15 дБ позволяют не требовать, чтобы одновременно работало управление мощностью в открытом контуре. Кроме того, размер шага при быстром управлении мощностью может быть увеличен с 1 дБ до 2 дБ, что позволит производить регулировку в пределах 30 дБ во фрейме длительностью 10 мс. Использование управления мощностью в открытом контуре в активном режиме оказывает также некоторое влияние на качество канала. Большая неточность управления мощностью в открытом контуре может приводить к тому, что будут производиться регулировки, когда это совсем не требуется. Поскольку такое поведение зависит от погрешностей терминала и различных переменных окружающей среды, использование управления мощностью в открытом контуре затрудняет предсказание со стороны сети того, как будет терминал вести себя в различных условиях. 6.6.3. Процедура поискового вызова Работа канала поискового вызова (PCH) организована следующим образом. Терминалу, зарегистрированному сетью, назначается группа поискового вызова. Для группы поискового вызова имеются индикаторы поискового вызова (PI), которые периодически появляются в канале поискового вызова, когда появляются сообщения поискового вызова для какого-либо терминала, принадлежащего к этой группе поискового вызова. Как только PI детектируется [принимается], терминал декодирует следующий фрейм PCH, передаваемый по дополнительному CCPCH, чтобы увидеть предназначено ли для него сообщение поискового вызова. Терминалу может потребоваться также декодировать PCH в случае, если прием PI указывает на низкую надежность решения. Интервал поискового вызова показан на рис. 6.24.

554

PICH

Индикаторы поискового вызова

Сообщение поискового вызова

S-CCPCH

7680 чипов Рис. 6.24. Отношение PICH к PCH

Чем реже появляются PIs, тем реже терминалу нужно пробуждаться от сна и тем будет больше срок жизни батареи. Компромиссом, очевидно, будет служить время реакции на вызов, исходящий от сети. Бесконечный интервал индикатора поискового вызова не приводит к бесконечному сроку жизни батареи, поскольку имеются и другие задачи, которые выполняет терминал также и в режиме ожидания. 6.6.4. Процедура RACH Процедура случайного доступа в системе CDMA должна решать проблему ближней-дальней зоны, поскольку при начале передачи отсутствует точное знание о необходимой мощности передачи. Управление мощностью в открытом контуре отличается большой неопределенностью в отношении значений абсолютной мощности, получаемой в результате измерений принимаемой мощности и сопоставления их с величиной установки уровня передаваемой мощности, как уже отмечалось при описании открытого контура. В UTRA процедура RACH имеет следующие этапы: • Терминал декодирует BCH для определения имеющихся подканалов RACH и их кодов скремблирования и сигнатур. • Терминал выбирает случайным образом один из подканалов RACH из группы, которую ему позволяет использовать его класс доступа. Кроме того, также случайным образом выбирается сигнатура из имеющихся сигнатур. • Измеряется уровень мощности в нисходящем канале и устанавливается исходный уровень мощности RACH с соответствующим запасом, обусловленным неточностью открытого контура. • Вместе с выбранной сигнатурой передается преамбула RACH, длительностью 1 мс. • Терминал декодирует AICH, чтобы увидеть приняла ли базовая станция преамбулу.

555

• Если AICH не принят (не декодирован), терминал увеличивает мощность передачи преамбулы на величину шага, задаваемого базовой станцией, кратного 1 дБ. Преамбула повторно передается в следующем слоте доступа. • Когда от базовой станции принимается передача AICH, терминал передает часть, относящуюся к сообщению в передаче RACH, длительностью 10 мс или 20 мс. Процедура RACH показана на рис. 6.25, где терминал передает преамбулу, пока не получит подтверждение приема по AICH, и затем уже следует часть, относящаяся собственно к сообщению. АICH

RACH Преамбула RACH

Преамбула AICH

Сообщение RACH

Рис. 6.25. Вывод PRACH на режим и передача сообщения.

При передаче по PACH коэффициент расширения спектра и, таким образом, скорость передачи данных могут меняться; это указывается индикатором TFCI в DPCCH в PRACH. В качестве возможных определены коэффициенты расширения спектра от 256 до 32, таким образом, один фрейм в RACH может содержать до 1200 канальных символов, которые в зависимости от канального кодирования сводятся приблизительно к 600 или 400 битам. Для максимального числа бит достижимая дальность будет естественно меньше той, которая может обеспечиваться при более низких скоростях, особенно в силу того, что сообщения RACH не используют такие методы, как макроразнесение, принимаемое в выделенном канале. 6.6.5. Действие CPCH Действие общего нисходящего канала передачи пакетов (CPCH) довольно похоже на действие RACH. Основное различие заключается в обнаружении столкновений (CD) на Уровне 1 на основе структуры сигналов, схожей со структурой сигналов преамбулы RACH. Действие следует процедуре RACH,

556

пока терминал не обнаружит AICH. После этого преамбула CD с тем же самым уровнем мощности все еще передается обратно с другой сигнатурой, случайным образом выбранной из данного ряда. Затем ожидается, что базовая станция будет отправлять эту сигнатуру обратно к терминалу по каналу индикации данных о столкновениях (CD-ICH), и таким образом строить метод уменьшения вероятности столкновений на Уровне 1. После того, как правильная преамбула послана базовой станции в соответствии с процедурой обнаружения столкновений, терминал начинает передачу, которая может по времени составлять несколько фреймов. Более продолжительная передача свидетельствует о необходимости подключения механизма определения столкновений на физическом уровне. При действии RACH только одно сообщение RACH может быть утеряно в результате столкновения, тогда как при действии CPCH необнаруженное столкновение может привести к посылке нескольких фреймов и вызвать только дополнительные помехи. Быстрое управление мощностью в CHCH помогает уменьшить помехи, вызванные передачей данных, и одновременно показывает важность добавления обнаружения столкновений в RACH. Терминал, передающий данные на протяжении нескольких фреймов и следующий за потоком команд по управлению мощностью, предназначенных для другого терминала, будет создавать серьезную проблему в отношении помех в ячейке, особенно, если используются высокие скорости передачи данных. В начале передачи CPCH может посылаться преамбула управления мощностью по выбору до начала фактической передачи данных. Это позволяет управлению мощностью сходиться, поскольку в CPCH имеется задержка больше, чем в RACH между преамбулой с подтвержденным приемом и фактической передачей фрейма данных. 8-слотовая преамбула управления мощностью также использует размер шага 2 дБ для ускорения сходимости управления мощностью. Передаче CPCH необходимо иметь ограничение по максимальной длительности, поскольку CPCH не поддерживает ни мягкий хэндовер, ни сжатый режим, которые допускают межчастотные и межсистемные измерения. UTRAN устанавливает максимальную длительность передачи CPCH во время согласования обслуживания. Последним дополнением к действию CPCH являются функции контроля состояния и назначения канала. Канал индикации статуса CPCH (CSICH) представляет собой отдельный физический канал, передаваемый от базовой станции, который имеет биты индикатора, чтобы показывать состояние различных каналов CPCH. Это позволяет исключить ненужные попытки доступа, когда все каналы CPCH являются занятыми, тем самым повышается пропускная способность. Функция назначения канала (CA) – это опция системы в виде сообщения, которое может направить терминал на канал CPCH, отличный от использова-

557

ния при процедуре доступа. Сообщение CA передается параллельно с сообщением обнаружения столкновений. CPCH CD/CAICH CPCH APAICH

CPCH

Преамбула CPCH

CPCH API

CPCH CD

CPCH CAI

Сообщение CPCH

Рис. 6.26. Действие процедуры доступа CPCH.

6.6.6. Процедура поиска ячейки Процедура поиска ячейки или процедура синхронизации в асинхронной системе CDMA значительно отличается от процедуры, принятой в синхронной системе, например в IS-95. Так как ячейки в асинхронной системе UTRA CDMA используют различные коды скремблирования, а не просто различные фазовые сдвиги кодов, терминалы, использующие имеющуюся на сегодняшний день технологию, не позволяют производить поиск 512 кодов длительностью 10 мс без какого-либо предварительного знания. Необходимо производить слишком много сравнений, и пользователи будут воспринимать слишком большую задержку между включением питания до указания на терминале возможности получения обслуживания. Процедура поиска ячейки при использовании канала синхронизации включает по существу три операции, хотя с точки зрения выполнения требований стандарта не определено, какие операции следует выполнять и когда. Скорее стандарт будет устанавливать требования к эффективности работы в отношении максимальной длительности поиска в эталонных условиях испытаний. Основные операции при начальном поиске ячейки обычно следующие. 1. Терминал осуществляет поиск 256-чипового основного кода синхронизации, одинакового для всех ячеек. Поскольку основной код син-

558

хронизации одинаков для каждой ячейки, обнаруженный пик соответствует границе ячейки. 2. На основе пиков, обнаруженных для основного кода синхронизации, терминал осуществляет поиск наивысшего пика от кодового слова Дополнительного SCH. Имеется 64 возможности для кодового слова дополнительной синхронизации. Терминалу необходимо проверить все 15 позиций, так как граница фрейма не известна до обнаружения кодового слова Дополнительного SCH. 3. Как только обнаружено кодовое слово Дополнительного SCH, становится известной синхронизация кадра по времени. Терминал начинает поиск основных кодов скремблирования, которые принадлежат к этой конкретной кодовой группе. Каждая группа состоит из 8 основных кодов скремблирования. Их необходимо проверить для выбора только одной позиции, так как начальная точка уже известна. При установлении параметров сети для обеспечения ее оптимальной работы необходимо учитывать свойства схемы синхронизации. Для начала поиска ячейки это особого практического значения не имеет, но поиск заданной ячейки в связи с хэндовером может быть оптимизирован. По существу, поскольку имеется достаточно большое число кодовых групп, в ситуации практического планирования во многих случаях можно составить такой список соседних ячеек, что все ячейки в списке будут принадлежать различным кодовым группам. Таким образом, терминал может производить поиск заданной ячейки и полностью пропустить операцию 3, просто подтверждая обнаружение, без необходимости проведения сравнения различных основных кодов скремблирования для этой операции. Дальнейшие способы улучшения действий по поиску ячейки включают в себя возможность обеспечения информации по относительной синхронизации ячеек по времени. Этот вид информации, которая получается при измерениях, производимых терминалом для мягкого хэндовера, в любом случае может послужить улучшению действий особенно при операции 2. Чем точнее будет информация по относительной синхронизации по времени, тем меньше позиций слотов потребуется проверять для кодового слова Дополнительного SCH и тем больше будет вероятность правильного обнаружения.

559

6.6.7 Процедура разнесения при передаче Как уже упоминалось в связи с нисходящими каналами, UTRA использует два типа разнесения при передаче для улучшения передачи данных пользователя (подробнее вопрос рассматривается в главе 11). Эти методы классифицируются как методы для открытого контура и для закрытого контура. В данном разделе описывается процедура обратной связи для разнесения при передаче в закрытом контуре. Метод для открытого контура рассматривается в связи с рассмотрением выделенного нисходящего канала. Для разнесений при передаче в закрытом контуре базовая станция использует две антенны для передачи информации пользователей. Использование этих двух антенн основано на обратной связи от терминала, получаемой за счет передачи бит обратной связи (FB) в восходящем DPCCH. Само разнесение при передаче в закрытом контуре имеет два режима работы. В режиме 1 команды обратной связи от терминала управляют регулировками фазы, которые, как ожидается, максимизируют мощность, принимаемую терминалом. Так базовая станция сохраняет фазу с антенной 1 и затем регулирует фазу антенны 2 на основе плавного усреднения по двум последовательным командам обратной связи. При использовании этого метода к антенне 2 применяются 4 разные установки фазы. В режиме 2 помимо регулировки фазы регулируется еще и амплитуда. Используется та же скорость сигнализации, но теперь команда распространена на 4 бита в четырех слотах восходящего канала DPCCH, при этом 1 бит используется для регулировки амплитуды и три бита – для регулировки фазы. Это дает вместе восемь различных комбинаций для фазы и две – для амплитуды, таким образом, всего 16 комбинаций для передачи сигналов с базовой станции. Было определено, что значения амплитуд составляют 0,2 и 0,8, а значения фаз распределены естественным образом равномерно для фазовых сдвигов антенн, при этом фазовый сдвиг составляет от – 135° до +180°. В этом режиме последние три слота фрейма содержат только информацию о фазе, а информация об амплитуде берется из предыдущих четырех слотов. Это позволяет периоду передачи команд двигаться плавно по 15 слотам, как в режиме 1, где среднее значение на границе фрейма слегка корректируется путем усреднения команд от слота 13 и слота 0 во избежание прерывистости процесса регулировки. 6.6.8. Процедура измерений при хэндовере В UTRA FDD возможными хэндоверами являются: • Внутрирежимный хэндовер, который может быть мягким хэндовером, полумягким или жестким. Жесткий хэндовер может быть внутричастотным либо межчастотным.

560

• Межрежимный хэндовер – хэндовер для режима UTRA TDD. • Межсистемный хэндовер, который в Рабочей версии-99 означает только хэндовер для GSM. Хэндовер для GSM может иметь место в системе GSM, работающей на 900 МГц, 1800 МГц и 1900 МГц. Ожидается, что Рабочая версия-2000 рассмотрит дополнительные вопросы, связанные с жестким хэндовером на CDMA с множеством несущих, описанной в главе 13. Основное, что связывает хэндовер с физическим уровнем, это вопрос о том, что необходимо измерять в качестве критерия для совершения хэндовера и как получать данные измерений. 6.6.8.1. Внутрирежимный хэндовер

Внутрирежимный хэндовер в UTRA FDD основывается на измерении отношения Ec/N0 , выполняемого с общего пилот-канала (CPICH). Величины, определенные как подлежащие измерению терминалом из CPICH, следующие: • Принимаемая мощность кода сигнала (RSCP), представляющая собой принимаемую мощность на один код после сжатия спектра, определенная по пилот-символам. • Принимаемый индикатор силы сигнала (RSSI), представляющий собой общую принимаемую мощность в ширине полосы частот канала. • Отношение Ec/N0, представляющее собой принимаемую мощность кода сигнала, поделенную на полную принимаемую мощность в ширине полосы частот канала, которое определяется как RSCP/RSSI. Могут быть и другие величины, используемые как базис для принятия решений о хэндовере в UTRAN, поскольку фактические решения относительно алгоритма хэндовера не принимались, так как они относятся к вопросу реализации. Одним из таких параметров, упоминавшихся в процессе дискуссий по стандартизации, было SIR выделенного канала, дающее информацию об ортогональности ячейки и измеряемое во всяком случае для целей управления мощностью. Дополнительной существенной информацией для целей мягкого хэндовера может служить информация об относительной синхронизации по времени в ячейках. Как и в асинхронной сети, существует необходимость регулирования сигналов синхронизации передачи при мягком хэндовере для того, чтобы сделать возможным когерентное сложение в приемнике Rake; в противном случае передачи от различных базовых станций было бы трудно объединять, и в первую очередь операция управления мощностью при мягком хэндовере страдала бы от дополнительной задержки. Измерение временной синхронизации при операции мягкого хэндовера показано на рис. 6.27. Новая базовая станция регу-

561

лирует временную синхронизацию в нисходящем канале ступенями по 256 чипов на основе информации, которую она получает от RNC. CPIC CPIC

Обслуживающая

Измерение разницы в синхронизации

RNC

Заданная ячейка Индикация для регулирования син-

Рис. 6. 27. Измерение временной синхронизации для мягкого хэндовера.

Когда ячейки находятся в окне длительностью 10 мс, относительную синхронизацию можно найти из фазы основного кода скремблирования, так как используемый кодовый период составляет 10 мс. Если неопределенность синхронизации больше, то необходимо, чтобы терминал декодировал номер фрейма системы (SFN) из Основного CCPCH. Эта операция всегда требует времени и может подвергаться воздействию помех, что также требует, чтобы для FSN была проведена проверка CRC. Окно 10 мс неуместно, когда информация о синхронизации обеспечивается в списке соседних ячеек. В этом случае следует учитывать только разницу фаз кодов скремблирования, если только базовые станции не синхронизируются до уровня чипа. При жестком хэндовере с переходом с частоты на частоту такая точная синхронизация до уровня чипа не требуется. Получение других измерений является несколько более сложным делом, так как терминал должен производить измерения на другой частоте. Это обычно делается с помощью сжатого режима, который описывается в этой главе дальше. 6.6.8.2. Межрежимный хэндовер

По запросу от UTRAN двухрежимные терминалы FDD – TDD, действующие в FDD, измеряют уровень мощности от ячеек TDD, имеющихся в этой зоне.Для измерения могут использоваться пакеты данных TDD CCPCH, передаваемые дважды за время фрейма TDD длительностью 10 мс, так как есть гарантия , что они всегда имеются в нисходящем канале. Ячейки TDD в этой зоне обслуживания синхронизируются, таким образом, определение одного слота с опорной мидамбулой (обучающей последовательностью) означает, что другие ячейки TDD имеют приблизительно ту же синхронизацию для их пакета с опорной мощностью. UTRA FDD более подробно рассматривается в главе 12.

562

6.6.8.3. Межсистемный хэндовер

При хэндовере UTRA – GSM по сути справедливы те же требования, что и для хэндовера GSM – GSM. Обычно терминал принимает Канал синхронизации GSM (GSM SCH) во время передачи сжатых фреймов в UTRA FDD, что позволяет получать данные измерений для других частот. В GSM 1800 установлены специальные требования к сжатому режиму, и требуется, чтобы сжатый режим также был определен для восходящего канала. Это было необходимо, чтобы производить измерения TDD. Другие системы будут рассматриваться в рабочей версии-2000 с упором на CDMA с множеством несущих (режим MC). Основная проблема для режима FDD состоит в измерении уровня принимаемого пилот-канала от нисходящего канала с режимом MC. Хэндовер между UTRA FDD (также называемым режимом DS) и режимом MC – это всегда жесткий хэндовер, например, хэндовер на GSM. Необходимость в использовании сжатого режима зависит от возможностей терминала, а также от места расположения частотной полосы диапазона, используемой в режиме MC. Вообще говоря, эти же принципы справедливы как с позиций измерений, так и с позиций межчастотного хэндовера FDD-FDD, если терминалу через UTRAN обеспечивается достаточная информация о параметрах системы с режимом MC. Предполагается, что процедуры измерений, предусмотренные в рабочей версии-99, подобные измерениям в сжатом режиме, могут использоваться для обеспечения измерений также и от режима MC. 6.6.9. Процедура измерений в сжатом режиме Сжатый режим, часто называемый слотированным (тактированным) режимом, используется при измерениях от другой частоты в системе CDMA без полного терминала с приемником с двойным режимом приема. Сжатый режим означает, что передача и прием на короткое время задерживаются (порядка несколько секунд), чтобы произвести измерения на других частотах. Цель состоит в том, чтобы не потерять данные, но сжать передачу данных во временной области. Сжатие фрейма может быть достигнуто с использованием трех разных методов: • Снижение скорости передачи данных от высоких уровней, так как на высоких уровнях имеется знание плана распределения сжатого режима для терминала. • Повышение скорости передачи данных путем изменения коэффициента расширения спектра. Например, использование коэффици-

563

ента расширения спектра 64 вместо коэффициента расширения 128 удваивает число имеющихся символов и позволяет легко получить желаемый коэффициент сжатия на фрейм. • Уменьшение скорости передачи символов путем прореживания на физическом уровне для операции мультиплексирования. На практике она ограничивается до довольно коротких длин интервалов передачи (TGL), так как это сокращение имеет некоторые практические ограничения. Преимущество состоит, очевидно, в сокращении имеющегося коэффициента расширения спектра и в невыставлении новых требований для использования кода передачи. Сжатые фреймы обычно обеспечиваются в нисходящем канале, но в некоторых случаях также и в восходящем, как показано на рис. 6.28.

DPDCH

Nt - 1

Nt + 1

Данные

Данные

UL DPCCH

PL

TFCI

T P C

FBI

… PL

T0

T P C

T0

Nt - 1

T TF Данные P Данные PL C CI

TFCI FBI

Nt + 1

…

T PL TF Данные P C CI

Данные

PL

DL

Рис. 6.28. Сжатые фреймы в восходящем и нисходящем каналах.

Определенные длины TGL составляют 3, 4, 7, 10 и 14 слотов. Длины TGL 3, 4 и 7 могут быть получены методами с использованием одного и двух фреймов. Для длин TGL 10 и 14 может применяться только метод двух фреймов. Пример метода с использованием двух фреймов показан на рис. 6.29, где незанятые слоты делятся между двумя фреймами. Это позволяет минимизировать воздействие на один фрейм и сохранить, например, необходимое приращение мощности передачи меньшее, чем для метода одного фрейма.

564

Мощность

TGL 10 мс

Граница фрейма

Рис. 6.29. Сжатый режим с использованием метода двух фреймов.

Случай, когда в UTRA всегда необходимы сжатые фреймы в восходящем канале, связан с измерениями в GSM 1800, где непосредственная близость полосы частот нисходящего канала GSM 1800 к полосе частот восходящего канала UTRA FDD 1920 МГц и выше, не позволяет вести одновременную передачу и прием. Использование сжатого режима в восходящем канале при измерениях в GSM 900 или при межчасотном хэндовере в UTRA зависит от возможностей терминала. Для поддержания непрерывной работы восходящего канала необходимо, чтобы терминал имел средства параллельного получения дополнительной частоты при сохранении имеющейся. На практике это означает использование дополнительных генераторов частоты, а также некоторых других дублирующих элементов, что ведет к потреблению терминалом дополнительной мощности. Использование сжатого режима неизбежно влияет на работу линии, как показано в [10] для сжатого режима в восходящем канале и в [11] – для нисходящего канала. Рабочие характеристики канала существенно не ухудшаются, если терминал не находится на краю ячейки, так как имеется запас для компенсации кратковременного сбоя в работе при быстром управлении мощностью. Влияние более всего проявляется на краю ячейки; разница в работе [действии] восходящего канала между сжатым и несжатым режимами очень небольшая при запасе до 4 дБ. При запасе 0 дБ разница по сравнению с нормальной передачей составляет от 2 до 4 дБ в зависимости от интервала передачи с использованием сжатых фреймов. Запас в 0 дБ соответствует работе терминала при полной мощности на краю ячейки при отсутствии возможности осуществления (мягкого) хэндовера и при отсутствии резерва на осуществление быстрого управления мощностью. Использование мягкого хэндовера (или хэндовера вообще) позволяет улучшить ситуацию, поскольку низкие значения запаса по мощности менее вероятны, так как обычно при планировании задается некоторое перекрытие зоны обслуживания ячеек и запас в 0 дБ может иметь место только при выходе из зоны обслуживания.

565

Фактически время, имеющееся для производства выборок на другой частоте уменьшается по сравнению вышеприведенными значениями, что обусловлено временем, затрачиваемым оборудованием при переключении на другую частоту; таким образом, очень короткие временные интервалы, равные 1 или 2 слотам, были исключены, поскольку фактически для измерений не остается времени. Минимальное значение, используемое в спецификациях, составляет 3, что оставляет очень небольшое временное окно для проведения измерений и которое должно рассматриваться на предмет использования лишь в особых случаях.

6.6.10. Другие измерения На базовой станции необходимо производить другие измерения, чтобы дать RNC достаточно информации о состоянии восходящего канала и использовании ресурсов мощности передачи базовой станции. Для базовой станции для поддержания сигнализации RNC определены: • RSSI для получения информации о нагрузке в восходящем канале. • SIR в восходящем канале для DPCCH. • Общая мощность передачи на одной несущей в передатчике базовой станции, дающая информацию о имеющихся ресурсах мощности базовой станции. • Код передачи – один код на один терминал. Он используется, например, при уравновешивании радиоканалов при мягком хэндовере. • Оценка вероятности блочной ошибки (BLER) и вероятности битовой ошибки (BER) для различных физических каналов. Измерение BLER также должно поддерживаться терминалами. Основное назначение измерение BLER терминалом состоит в обеспечении обратной связи при операции управления мощностью во внешнем контуре при установке заданного SIR при быстром управлении мощностью. Поддержка функций определения местоположения требует проведения измерений на физическом уровне. Для этой цели был определен второй тип измерений синхронизации по времени, который дает разницу в синхронизации основных кодов скремблирования различных ячеек при разрешении с точностью до 1 /4 чипа для повышения точности определения местоположения. Теоретически возможная точность позиционирования может быть оценена на том основании, что один чип соответствует приблизительно 70 м по расстоянию. В сотовой сети, очевидно, имеются и другие факторы, влияющие на точность по-

566

зиционирования. Чтобы уменьшить воздействие проблемы ближней-дальней зоны для терминала, находящегося вблизи базовой станции, в спецификации включен также метод введения периодов бездействия для передачи на базовой станции. Это позволяет производить измерение синхронизации с базовой станции, в противном случае эти сигналы были бы слишком слабыми из-за непосредственной близости к обслуживающей базовой станции. Литература к главе 6: [1]

3GPP Technical Specification 25.211, Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD). [2] 3GPP Technical Specification 25.212, Multiplexing and Channel Coding (FDD). [3] 3GPP Technical Specification 25.213, Spreading and Modulation (FDD). [4] 3GPP Technical Specification 25.214, Physical Layer Procedures (FDD). [5] 3GPP Technical Specification 25.215, Physical Layer – Measurements (FDD). [6] 3GPP Technical Specification 25.302, Services Provided by the Physical Layer. [7] Adachi, F., Sawahashi, M. and Okawa, K., «Tree-structured Generation of Orthogonal Spreading Codes with Different Lengths for Forward Link of DSCDMA Mobile», Electronics Letters 1997, Vol. 33, No. 1, pp. 27-28. [8] 3GPP Technical Specification 25.101, UE Radio Transmission and Reception (FDD). [9] 3GPP Technical Specification 25.104, UTRA (BS) FDD; Radio Transmission and Reception. [10] Toskala, A., Lehtinen, O. and Kinnunen, P., «UTRA GSM Handover from Physical Layer Perspective», Proc. ACTS Summit 1999, Sorrento, Italy, June 1999. [11] Gustafsson, M., Jamal, K. and Dahlman, E., «Compressed Mode Techniques for Inter-Frequency Measurements in a Wide-band DS-CDMA System», Proc. IEEE Int. Conf. on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki, Finland, 1-4 September 1997, Vol. 1 pp. 231-235.

567

7 Протоколы радиоинтерфейса 7.1. Введение Протоколы радиоинтерфейса необходимы для установления, реконфигурации и разъединения обслуживания (включая обслуживание FDD/TDD UTRA) с использованием B-канала, сервисные возможности которого рассматривались в главе 2 Уровни протоколов выше физического уровня относятся к канальному уровню (уровень 2) и сетевому уровню (уровень 3). В радиоинтерфейсе FDD UTRA уровень 2 разбивается на подуровни. В плоскости управления уровень 2 содержит два подуровня: протоколы уровня управления доступом к среде (MAC) и протоколы управления радиоканалом (RLC). В плоскости пользователя дополнительно к MAC и RLC существует еще два дополнительных подуровня протоколов, зависящих от вида обслуживания: протоколы сходимости пакетных данных (PDCP) и протоколы управления широковещательной/многоадресной передачей (BMC). Уровень 3 состоит из одного вида протоколов, названного протоколами управления радиоресурсами (RRC), которые относятся к плоскости управления. Другие протоколы сетевого уровня такие, как управление вызовом, управление мобильностью, передачи коротких сообщений и т.д., являются прозрачными для UTRAN и не описываются в этой книге. В данной главе, прежде всего, рассматривается общая архитектура протоколов радиоинтерфейса перед тем, как перейти к более детальному описанию каждого из видов протоколов. Для каждого вида протоколов дается логическая архитектура и основные функции. В разделе, посвященном MAC, также поясняются логические каналы (услуги, предоставляемые MAC) и устанавливаются соответствия между логическими и транспортными каналами. Для MAC и RLC приводится пример модели уровня для описания того, что происходит при прохождении пакета данных через эти протоколы. В разделе, посвященном RRC, описываются возможности сервиса RRC наряду с главными функциями (RRC) и процедурами сигнализации.

7.2. Архитектура протоколов

568

Общая архитектура протоколов радиоинтерфейса [11] показана на рис. 7.1. Этот рисунок содержит лишь протоколы, которые визуализировались в UTRAN.

Управление

Плоскость управления

В-каналы управления

Плоскость пользователя

В-каналы пользователя

PDCP

L3

ВМС

RLC

L2

Логические каналы MAC Транспортные каналы Физический уровень

L1

Рис. 7.1. Архитектура протоколов радиоинтерфейса UTRA FDD.

Физический уровень предоставляет услуги уровню MAC через транспортные каналы [2], которые устанавливают, каким образом и с какими характеристиками передаются данные (транспортные каналы рассматривались в главе 6). Уровень MAC, в свою очередь, предоставляет услуги уровню RLC с помощью логических каналов. Логические каналы устанавливают, какой вид данных передается. Логические каналы описываются в разделе 7.3. Уровень RLC предоставляет услуги более высоким уровням через точки доступа к услугам (SAPs), которые описывают, как на уровне RLC обрабатываются пакеты данных, и используется ли, например, автоматический перезапрос данных (ARQ). В плоскости управления услуги RLC используются уровнем RRC для передачи сигнализации. В плоскости пользователя услуги RLC используются либо на уровне протоколов PDCP или BMC, определяющих обслуживание, либо другими функциями высокого уровня в плоскости-u (например, речевой кодек). Услуги RLC обеспечиваются широкополосными Bканалами сигнализации в плоскости управления и широкополосными Bканалами в плоскости пользователя для услуг, в которых не используются протоколы PDCP или BMC. Протоколы RLC могут работать в трех режимах: прозрачном, без подтверждения приема и с подтверждением приема. Они будут рассмотрены далее в разделе 7.4.

569

Протоколы сходимости пакетных данных (PDCP) используются только для услуг в домене PS. Его основная функция – сжатие заголовка. Услуги, предоставляемые PDCP, называются широкополосными B-каналами. Протоколы управления широковещательной/многоадресной передачей (BMC) используется для передачи через радиоинтерфейс сообщений, исходящих из широковещательного центра ячейки. В версии-99 спецификаций 3GPP единственной определенной широковещательной услугой является широковещательная услуга ячейки SMS (службы передачи коротких сообщений), которая идет из GSM. Услуга, предоставляемая BMC, также называется широкополосным B-каналом. Уровень RRC предоставляет услуги более высокого уровня (уровня декомпозиции без доступа) через точки доступа к услугам, которые используются протоколами более высокого уровня на стороне UE и протоколами Iu RANAP на стороне UTRAN. Вся сигнализация более высокого уровня (управление мощностью, управление вызовом, управление сеансом и т.д.) формируется в сообщения RRC для передачи через радиоинтерфейс. Интерфейсы управления между RRC и протоколами более низкого уровня используются уровнем RRC для создания содержания объектов протоколов более низкого уровня, включая параметры для физических, транспортных и логических каналов. Одни и те же интерфейсы управления используются уровнем RRC, например, для подачи команды более низким уровням на выполнение определенных видов измерений и более низкими уровнями для сообщения RRC результатов измерений и допущенных ошибок.

7.3. Протоколы управления доступом к среде На уровне управления доступом к среде (MAC) [5] логические каналы преобразуются в транспортные каналы. Уровень MAC также отвечает за выбор соответствующего транспортного формата (TF) для каждого транспортного канала, который зависит от мгновенной скорости (ей) источника логических каналов. Транспортный формат выбирается с учетом совокупности комбинаций транспортного формата, которая определяется управлением доступом для каждого соединения. 7.3.1. Архитектура уровня MAC На рис. 7.2 показана логическая архитектура уровня MAC. Уровень MAC состоит из трех логических объектов: • MAC-b манипулирует широковещательным каналом (BCH). В каждом UE есть один объект MAC-b, и один MAC-b – в UTRAN (расположенный в узле B) для каждой ячейки.

570

BCCH

PCCH BSSH CCCH CTCH

DCCH DTCH CTCH

Логические каналы

Управление МАС МАС-d

МАС-b

МАС-c/sh

BCH

PCH FACH RACH CPCH BSCH

DSH DSH

Транспортные каналы

Рис. 7.2. Архитектура уровня MAC.

• MAC-c/sh манипулирует общими и совмещенными каналами – каналом поискового вызова (PCH), прямым каналом доступа (FACH), каналом случайного доступа (RACH), общим восходящим каналом передачи пакетов (CPCH) и совмещенным нисходящим каналом (DSCH). Есть один MAC-c/sh объект в каждом UE, который использует совмещенные каналы и один MAC-c/sh в UTRAN (находящийся в управляющем RNC) для каждой ячейки. Отметим, что логический канал BCCH может быть преобразован либо в BCH, либо в транспортный канал FACH. Так как формат заголовка MAC для BCCH зависит от используемого транспортного канала, на рисунке приведены два примера BCCH. Для PCCH заголовок MAC отсутствует, таким образом, единственная функция уровня MAC – направление данных, принятых от PCCH в PCH в момент времени, определенный RRC. • MAC-d отвечает за управление выделенными каналами (DCH), назначенными UE в подсоединенном режиме. Существует один объект MAC-d в UE и один объект MAC-d в UTRAN (в обслуживающем RNC) для каждого UE. 7.3.2. Функции уровня управления доступом к среде (MAC) Функции уровня MAC включают: • Преобразование логических каналов в соответствующие транспортные каналы. • Выбор подходящего транспортного формата (из совокупности комбинаций транспортного формата) для каждого транспортного канала, который зависит от мгновенной скорости источника.

571

• Установление приоритетов между потоками данных одного UE. Это достигается путем выбора транспортных форматов с «высокой битовой скоростью» и «низкой битовой скоростью» для различных потоков данных. • Установление приоритетного соединения между UEs путем динамического планирования. Функция динамического планирования может быть применена для общих и совмещенных нисходящих транспортных каналов FACH и DSCH. Для выделенных транспортных каналов неявно включается эквивалент функции динамического планирования как часть функции реконфигурации подуровня RRC. • Идентификация UEs в общих транспортных каналах. Когда общий транспортный канал (RACH, FACH или CPCH) передает данные из выделенных логических каналов (DCCH, DTCH), тогда идентификация UE (временный идентификатор сотовой радиосети – C-RNTI) или временный идентификатор радиосети UTRAN (U-RNTI) включается в заголовок MAC. • Мультиплексирование/демультиплексирование блоков протокольных данных более высокого уровня (PDUs) в/из транспортных блоков, доставляемых к/от физического уровня по общим транспортным каналам. MAC осуществляет уплотнение услуг для общих транспортных каналов (RACH/FACH/CPCH ). Это необходимо, поскольку не может быть сделано на физическом уровне. • Мультиплексирование/демультиплексирование блоков PDUs более высокого уровня в/из совокупностей транспортных блоков, доставляемых к/от физического уровня по выделенным транспортным каналам. MAC допускает уплотнение услуг также для выделенных транспортных каналов. Хотя уплотнение на физическом уровне делает возможным уплотнение любого вида услуг, включая услуги с различным качеством параметров обслуживания, уплотнение MAC возможно только для услуг с одними и теми же параметрами QoS. Уплотнение на физическом уровне описывается в главе 6. • Контроль объема трафика. MAC принимает RLC PDUs вместе с информацией о состоянии объема данных в буфере передачи RLC. MAC сравнивает объем данных, соответствующий транспортному каналу с пределами, установленными RRC. Если объем данных слишком велик или слишком мал, MAC передает в RRC сообщение об измерении объема трафика. RRC может также запросить MAC о периодической передаче этих измерений. RRC использует эти сообщения для инициализации реконфигурации широкополосных радиоканалов и/или транспортных каналов.

572

• Динамическая коммутация вида транспортного канала. Осуществление коммутации между общими и выделенными транспортными каналами базируется на принятии решения о коммутации, принимаемого RRC.

573

• Шифрование. Если логический канал использует прозрачный режим RLC, шифрование выполняется в подуровне MAC(объект MAC-d). Шифрование – это операция XOR – Булева логическая функция «Исключающее ИЛИ» (используется также в GSM и GPRS), где результаты XORed получаются с помощью маски шифрования, формируемой алгоритмом шифрования. При шифровании в MAC входной сигнал, изменяющийся во времени (COUNT) для алгоритма шифрования, наращивается с той же самой цикличностью, что и номер фрейма системы (SFN), т.е. один раз каждые 10 мс. Каждый логический канал шифруется по отдельности. Подробно шифрование описывается в спецификации SGPP TS 33.102 [10]. • Выбор класса обслуживания доступа (ASC) для передачи RACH. Ресурсы PRACH (т.е. слоты доступа и сигнатуры преамбулы для FDD) можно разделить между различными классами обслуживания доступа для того, чтобы обеспечивать различные приоритеты использования RACH. Максимальное число ASCs равно 8. MAC указывает на класс ASC, связанный с PDU для физического уровня. 7.3.3 Логические каналы Услуги по передаче данных на уровне MAC обеспечиваются по логическим каналам. Определено множество логических каналов для различных видов услуг по передаче данных, предоставляемых MAC. Каждый тип логического канала определяется видом передаваемой информации. Общая классификация логических каналов делится на две группы: каналы управления, которые используются для передачи информации в плоскости управления, и каналы передачи трафика для передачи информации в плоскости пользователя. Каналы управления подразделяются на: • Широковещательный канал управления (BCCH). Нисходящий канал для информации об управлении широковещательной системой. • Канал управления поисковым вызовом ( PCCH). Нисходящий канал, который передает информацию поискового вызова. • Выделенный канал управления (DCCH). Двусторонний двухпунктовый канал, который передает выделенную информацию управления между UE и сетью. Этот канал устанавливается во время процедуры установления соединения RRC. • Общий канал управления (CCCH). Двунаправленный канал для передачи информации между сетью и UEs (абонентскими устройствами). Этот логический канал всегда преобразуется в транспортные каналы RACH/FACH. Требуется длинный идентификатор UE UTRAN (URNTI) для того, чтобы можно было направлять восходящие сообщения

574

на правильный обслуживающий контроллер радиосети (RNC), если даже RNC, принимающий сообщения, не является обслуживающим RNC этого UE. Каналы передачи трафика подразделяются на: • Выделенный информационный канал (DTCH). DTCH – это канал между двумя пунктами, выделенный какому-то абонентскому оборудованию (UE) для передачи информации пользователя. DTCH может быть восходящим и нисходящим. • Общий информационный канал передачи трафика (CTCH). Однонаправленный канал от одной точки ко многим точкам для передачи выделенной информации пользователя для всех или группы определенных устройств UEs. 7.3.4. Взаимосвязи между логическими и транспортными каналами На рис. 7.3 показаны взаимосвязи между логическими и транспортными каналами. Восходящее направление

Нисходящее направление Логические каналы

Транспортные каналы

Рис. 7.3. Взаимосвязи между логическими и транспортными каналами в восходящем и нисходящем направлениях.

Между логическими и транспортными каналами существуют следующие взаимосвязи: • PCCH подключается к PCH. • BCCH подключается к BCH и может быть также подключен к FACH. • DCCH и DTCH могут быть подключены либо к RACH и FACH, к CPCH и FACH, к RACH и DSCH, к DCH и DSCH, либо к DCH и DCH. • CCCH подключается к RACH и FACH. • CTCH подключается к FACH.

575

7.3.5. Пример потока данных, передаваемого на уровне MAC Для иллюстрации работы на уровне MAC в блок-схеме 7.4 показаны функции MAC, когда данные обрабатываются на этом уровне. Для того, чтобы рисунок был доступен для чтения, выбирается передающий объект со стороны сети, а транспортные каналы RACH и CPCH в восходящем направлении опускаются. В правой части рисунка описывается построение блока протокольных данных MAC PDU в том случае, когда пакет, принимаемый от логического канала DCCH или DTCH, обрабатывается функциями MAC, которые показаны в левой части рисунка. В этом примере MAC PDU направляется к транспортному каналу FACH. Пакет данных, поступающий из логического канала DCCH/DTCH, прежде всего, запускает выбор типа транспортного канала на уровне MAC. В этом примере выбирается транспортный канал FACH. На следующем этапе мультиплексное устройство добавляет поле C/T, указывающее на пример логического канала, где подготавливаются данные. Для общих транспортных каналов, таких как FACH, всегда требуется это поле. Для выделенных транспортных каналов (DCH) оно необходимо только, если в нескольких примерах логических каналов устанавливается конфигурация для использования одного и того же транспортного канала. Поле C/T имеет 4 бита, которые допускают наличие до 15 одновременных логических каналов на транспортный канал (значение «1111» для поля C/T резервируется для будущего использования). Дескриптер (селектор) приоритетов для FACH и DACH устанавливается в MAC-d, и используется MAC-c/sh при планировании передачи данных транспортным каналам. Приоритет для FACH может быть установлен на UE; для DSCH (совмещенного нисходящего канала), он может быть установлен на PDU. Функция управления потоком необходима для ограничения буферизации между MAC-d и MAC-c/sh (которые могут размещаться даже в различных RNCs). После приема данных от MAC-d объект MAC-c/sh вначале добавляет тип идентификации UE (2 бита), фактическую идентификацию UE (C-RNTI 16 бит или U-RNTI 32 бита) и поле типа заданного канала (TCTF, в этом примере 2 бита), которое необходимо для разделения типов логического канала, использующих транспортный канал (для FACH возможными видами логического канала могли бы быть BCCH, CCCH, CTCH или DCCH (DTCH). Теперь MAC PDU готово, и задачей для функции управления планированием/приоритетом является возможность принятия решения о точной синхронизации, когда PDU передается на Уровень 1 через транспортный канал FACH (с указанием использования транспортного формата). 7.4. Протоколы управления радиоканалом

576

CTCH

CCCH

BCCH

PCCH

Протоколы управления радиоканалом [6] обеспечивают услуги сегментации и повторной передачи для передачи данных пользователя и управления. В каждый момент времени RLC конфигурируется для работы в одном из трех режимов: прозрачный режим (Tr), неподтвержденный режим (UM) или режим работы с подтверждением приема (AM). Услуга, которую RLC обеспечивает в плоскости управления, называется Радиоканалом сигнализации (SRB). В плоскости пользователя услуга, которую обеспечивает RLC, называется Широкополосным радиоканалом (RB), если только протоколы PDCP и BMC не используются этой услугой; в противном случае услуга RB обеспечивается PDCP или BMC.

DCCH

DCCH/DTCH

DTCH

МАС SDU

Выбор типа транспортного канала Мультиплексиро-

(совмещен- МульМультип- вание ный канал) типлеклексироУстанов- Усталение Управлениеновление потоком Шифро-

C/T МАС SDP

Выбор комбинации транспортного формата на нисходящей линии

c/sh Управление потоком Ty –UE pc - ld

Добавление к идентификатору UE и собственно идентификатор типа UE

C/T МАС SDU

–UL C/T МАС SDU TCTF Ty pc - ld

Мультиплексирование TCTF Управление распределением (приорететами)

Выбор DL TF

Назначение кода DL

Транспортный блок PCH

FACH

FACH

DSCH

DCH FASH

Рис. 7.4. Объект MAC на стороне UTRAN (левая часть рисунка) и построение MAC PDU в том случае, когда данные, принимаемые от DACH или DCCH, преобразуются в FACH (правая часть рисунка).

577

7.4.1. Архитектура уровня управления радиоканалом (RLC) На рис. 7.5 показана архитектура уровня RLC. Показаны все три типа элементов RLC и их связь с RLC-SAPs (точками доступа к услугам управления радиоканалом) и с логическими каналами (MACSAPs). Отметим, что элементы RLC, работающие в прозрачном и неподтвержденном режимах, определяются как однонаправленные, тогда как элементы режима работы с подтверждением приема описываются как двунаправленные. Tr - точка

Управление RLS

Про-

Про-

AM - точка доступа к

UM - точка доступа к

услугам

услугам

Элемент режима работы с под-

зрач-

зрач-

тверждением

Непод- Неподтвертвержден- жден-

Рис. 7.5. Архитектура уровня RLC.

Для всех режимов RLC обнаружение ошибок с помощью CRC (проверочной комбинации кода) осуществляется на физическом уровне, и результат проверки CRC доставляется в RLC вместе с фактическими данными. В прозрачном режиме никакие дополнительные затраты на протоколы не вводятся в данные более высокого уровня. Блоки протокольных данных (PDUs) с ошибками можно отбросить или пометить как блоки с ошибками. Передача может быть типа потока, в котором данные более высокого уровня не сегментируются, хотя в особых случаях может быть выполнена передача с ограниченной сегментацией/возможностью компоновки. В том случае, когда используется сегментация/компоновка, ее следует оговаривать в процедуре установления широкополосного B-канала. Классы обслуживания по качеству для UMTS, включая классы потокового взаимодействия, представлены в главе 2. В неподтвержденном режиме никакие протоколы повторной передачи не используются, и доставка данных не гарантируется. Принимаемые данные с ошибками либо маркируются, либо отбрасываются в зависимости от конфигурации. На стороне отправителя применяется отбрасывание, основанное на таймере, без применения явной функции сигнализации таким образом, что RLC SDUs, которые не передаются в пределах определенного временного интервала, просто удаляются из буфера передачи. Структура PDU включает порядковые номера для того, чтобы можно было соблюдать целостность блоков протокольных данных (PDUs) более высокого уровня. Сегментация и сочленение обеспе-

578

чиваются с помощью полей заголовков, добавляемых к данным. Объект RLC в неподтвержденном режиме определяется как однонаправленный, потому что никакой связи не требуется между восходящим и нисходящим каналами. Например, неподтвержденный режим используется для определенных процедур сигнализации RRC. Примерами услуг пользователей, в которых может использоваться неподтвержденный режим RLC, являются широковещательная услуга ячейки (см. раздел 7.6) и передача речи через IP (VoIP = речь через сетевой интерфейс). В режиме работы с подтверждением приема для исправления ошибок используется механизм автоматического перезапроса данных (ARQ). Характеристику зависимости качества от задержки RLC можно контролировать с помощью RRC через конфигурацию числа повторений передачи, обеспечиваемых RLC. В том случае, когда RLC не может доставлять данные правильно (достигнуто максимальное число ретрансляций или превышено время передачи), верхний уровень оповещается, и SDU (служебный блок данных) RLC отбрасывается. Кроме того, равноправный элемент информируется об операции отбрасывания SDU путем передачи команды «Переместите приемное окно» (в сообщении STATUS) с тем, чтобы приемник также переместил все AMD PDUs, относящиеся к отброшенному RLC SDU. Элемент RLC в режиме работы с подтверждением приема является двунаправленным и может вкрапливать передачу запросов и ответов о состоянии линии в противоположном направлении в данные пользователя. RLC может конфигурироваться для последовательной доставки или для внеочередной. При последовательной доставке поддерживается порядок PDUs более высокого уровня, тогда как при внеочередной доставке PDUs более высокого уровня передаются, как только они полностью приняты. Помимо доставки PDUs могут осуществляться процедуры управления состоянием и сбросом между равноправными элементами RLC. Процедуры управления могут даже использовать отдельный логический канал. Таким образом, один объект AM RLC может использовать либо один, либо два логических канала. Режим работы с подтверждением приема является нормальным режимом RLC для услуг типа передачи пакетов, таких, как например, просмотр информации в Internet и загрузка электронной почты (по линии связи). 7.4.2. Функции RLC Функциями уровня RLC являются: • Сегментация и компоновка. Эта функция предусматривает сегментацию/компоновку PDUs более высокого уровня с переменной длиной в меньшие блоки полезной нагрузки (PUs) RLC. Один RLC PDU передает один PU. Размер RLC PDU устанавливается в соответствии с наименьшей возможной битовой скоростью для обслуживания с использо-

579

•

• •

• •

•

• •

• •

ванием элемента RLC. Таким образом, для услуг с переменной скоростью необходимо, чтобы передавалось несколько RLC PDUs в течение одного временного интервала передачи с использованием любой битовой скорости, кроме самой низкой. Конкатенция – сочленение. Если содержимое RLC SDU не заполняет целое RLC PUs, то первый сегмент последующего RLC BDU может быть помещен в RLC PU при сочленении с последним сегментом предыдущего RLC SDU. Заполнение. В том случае, когда сочленение не приемлемо, и оставшиеся для передачи данные не заполняют весь RLC PDU данного размера, остаток поля данных замещается битами заполнения. Передача данных пользователя. RLC поддерживает передачу данных с подтверждением приема, неподтвержденную передачу и прозрачную передачу данных. Передача данных пользователя контролируется значением параметра качества обслуживания. Исправление ошибок. Эта функция обеспечивает исправление ошибок путем повторной передачи в режиме с подтверждением приема. Последовательная доставка PDUs более высокого уровня. Эта функция сохраняет на более высоком уровне порядок доставки PDUs, которые представлялись для передачи с помощью RLC, при использовании услуги передачи данных с подтверждением приема. Если эта функция не используется, то обеспечивается внеочередная доставка. Обнаружение дублирования. Эта функция позволяет обнаружить дублированные PDUs, принимаемые RLC, и гарантирует, что полученное PDU более высокого уровня доставляется только один раз на более высокий уровень. Управление потоком. Эта функция позволяет приемнику RLC управлять скоростью, с которой равноправные элементы передачи RLC могут передавать информацию. Проверка порядкового номера (режим передачи неподтвержденных данных). Эта функция гарантирует целостность скомпонованных PDUs и обеспечивает обнаружение искаженных SDUs RLC путем проверки порядкового номера в PDUs RLC, когда они компонуются в SDU RLC. Искаженные SDU RLC отбрасываются. Обнаружение и исправление ошибок протокола. Эта функция обнаруживает и исправляет ошибки при исполнении протоколов RLC. Шифрование. Оно выполняется на уровне RLC для подтвержденного и неподтвержденного режимов RLC. Используется тот же алгоритм шифрования, что и для шифрования на уровне MAC, при этом единственным различием является входной параметр, изменяющийся во времени (COUNT) для алгоритма, который для RLC увеличивается вместе

580

с ростом номеров RLC/PDU. Для повторной передачи используется тот же параметр шифрования COUNT, что и для исходной передачи, (что приводит к одной и той же маске шифрования); такого не было бы, если бы шифрование осуществлялось на уровне MAC. Подобная маска важна для повторной передачи, например, для автоматического перезапроса (ARQ) гибридного типа II, являющейся функцией, которая вероятно будет включена в версию-2000 стандарта 3GPP. Подробные сведения о шифровании описываются в спецификации 3GPP TS.33.102 [10]. • Функция перевода в состояние временной приостановки возобновления вызова для передачи данных. Приостановка необходима во время процедуры управления режимом безопасности, так что одни и те же шифровальные ключи всегда используются равноправными объектами. RRC командует процедурами приостановки и возобновления вызовов через интерфейс управления. 7.4.3 Пример передачи потока данных на уровне RLC В этом разделе показано, как пакеты данных передаются на уровне RLC. На рис. 7.6 приведена упрощенная блок-схема объекта AM-RLC. На рисунке показано только, как можно построить AMD PDU. На нем не показано, как строятся отдельные PDUs управления между объектами RLC (status,reset). Пакеты данных (RLC SDUs), принятые от более высоких уровней через AM-SAP, делятся на сегменты и/или объединяются в блоки с полезной информацией (PU) фиксированной длины. Длина PU – это полустатическое значение, решение о котором принимается при выборе B-канала, и поэтому она может изменяться только через процедуру реконфигурации (RRC) B-канала. В целях сочленения или заполнения биты, переносящие информацию о длине и расширении, вводятся в начало последнего PU, куда включаются данные из SDU. Если в одно PDU входит несколько SDUs, они подключаются покаскадно, и индикаторы соответствующей длины помещаются в начале PU. Далее PUs размещаются в передающем буфере, который в этом примере также участвует в управлении повторной передачей. RLC AMD PDU конструируются путем взятия одного PU из передающего буфера, добавления заголовка для него и, если данные в PU не заполняют весь RLC AMD PDU, то добавляется поле заполнения (PAD) или сообщение о возможном статусе. Сообщение о вложенном статусе может поступать либо с приемной стороны (если равноправный элемент запросил сообщение о состоянии), либо с передающей стороны для указания на отброс RLC SDU. Заголовок содержит порядковый номер (SN) RLC SDU (12 бит для AM-RLC), бит опроса P (который используется для запроса статуса от равноправного элемента) и не-

581

обязательный указатель длины (7 или 15 бит), который применяется, если в RLC PDU имеет место сочленение SDUs, наполнение или PDU с вложенным статусом. Далее RLC PDU шифруется, исключая два первых октета блока протокольных данных AM-RLC, который включает порядковый номер (SN) PDU и бит опроса (P). Порядковый номер PDU – это параметр на входе в алгоритм шифрования (формирующий младшие биты параметра COUNT), и его должен считывать равноправный элемент, чтобы выполнить расшифровку. Подробные сведения о процессе шифрования описываются в спецификации 3GPP TS 33.102. Режим работы с подтверждением приема - точка доступа к услугам Передающая сторона

Приемная сторона

Сегментация/

Компоновка

Буфер передачи

Буфер приема

Принятые

Заголовок RLC

Заголовок RLC

PAD/ status

18

18

Шифрование

PAD/ статус Дешифрование

алгоритм

алгоритм Зашифрованная часть RLC PDU

Зашифрованная часть RLC PDU

Рис. 7.6. Упрощенная блок-схема элемента RLC AM.

После этого PDU готов для передачи на уровень MAC через логический канал. На рис. 7.6 дополнительные логические каналы обозначаются пунктирными линиями, что указывает на то, что один объект RLC может конфигурироваться для передачи PDUs управления и PDUs передачи данных, используя различные логические каналы. Однако отметим, что на рис. 7.6 не показано, как строятся отдельные PDUs управления. Приемная сторона объекта AM принимает RLC AMD PDUs через один из логических каналов от подуровня MAC. Ошибки проверяются с помощью проверочной комбинации кода (CRC) (на физическом уровне), которая вычисляется по всему PDU RLC. Фактическая проверка CRC выполняется на физическом уровне, и объект RLC принимает результат этой проверки CRC вместе с

582

данными. После расшифровки вся информация о заголовке и о возможном вложенном статусе может быть извлечена из RLC PDU. Если принятый PDU был управляющим сообщением или если информация о статусе была вложена в AMD PDU, тогда управляющая информация (сообщение STATUS) доставляется на передающую сторону, которая будет проверять свой буфер повторной передачи относительно принимаемой информации о статусе. Номер PDU из заголовка RLC необходим для расшифровки, а также при накоплении расшифрованного PU в приемном буфере. Когда все PUs, принадлежащие полному SDU, оказываются в приемном буфере, SDU снова собирается. После этого (не показано на рисунке) выполняются проверки последовательной доставки и обнаружения дублирования перед тем, как доставить RLC SDU на более высокий уровень.

7.5 Протокол сходимости пакетных данных (PDCP) PDCP [7] имеется только в плоскости пользователя и только для услуг, получаемых из домена коммутации пактов (PS). PDCP содержит способы сжатия, которые необходимы для получения лучшей спектральной эффективности для услуг, которые требуют, чтобы пакеты передавались по радио. Для стандартов 3GPP версии-99 определяется способ сжатия заголовка, для которого можно использовать несколько алгоритмов сжатия заголовка. В качестве примера того, почему важно осуществлять сжатие заголовка, показывается, что размер комбинированных заголовков RTP/UDP/IP равен, самое меньшее, 40 битам для IPv4 и 60 битам для IPv6, в то время как полезная информация, например, для услуги по передаче речи IP, может быть порядка 20 байт или меньше. 7.5.1 Архитектура на уровне PDCP На рис 7.7 показан пример архитектуры на уровне PDCP. PDCP SAPs B-каналы Управление PDCP

Элемент PDCP Алгоритм

Элемент PDCP Алгоритм элемен- Алгоритм элемен-

Алгоритм та сжатия заголов- та сжатия заголов-

элемента

элемента Нумерация

Нумерация

PDU

PDU

Элемент PDCP Алгоритм элемента сжатия за-

сжатия за- сжатия за-

RLС - точки доступа к услугам PМ - точка доступа к

АМ - точка доступа к

Tr - точка доступа к

услугам

услугам

услугам

583

Рис. 7.7. Архитектура на уровне PDCP.

Возможность уплотнения каналов на уровне PDCP не является частью версии-99 3GPP, но она планируется для включения в версию-2000. Возможность мультиплексирования показана на рис. 7.7 с двумя точками доступа к услугам (SAPs) PDCP (обозначена пунктирными линиями), которую обеспечивает один элемент PDCP, использующий AM RLC. Каждый элемент PDCP использует нулевой, один или несколько типов алгоритма сжатия заголовка с целым рядом конфигурируемых параметров. Некоторые элементы PDCP могут использовать одни и те же типы алгоритмов. Типы алгоритмов и их параметры оговариваются во время процедур установления или реконфигурирования радиоканалов-переносчиков RRC и указываются в PDCP через точку доступа к услуге управления PDCP. 7.5.2. Функции PDCP Основными функциями PDCP являются: • Сжатие избыточной информации управления протоколами (например, заголовки TCP/IP и RTP/UDP/IP) на передающем элементе и возвращение в исходное состояние на приемном элементе. Способ сжатия заголовка зависит от конкретного сетевого уровня, транспортного уровня или комбинации протоколов высокого уровня, например, TCP/IP и RTP/UDP/IP. Единственный способ сжатия, который упоминается в спецификации PDCP версии-99, – RFC 2507 [13]. • Передача пользовательских данных. Это означает, что PDCP принимает PDCP SDU из среды без доступа и передает его (SDU) соответствующему объекту RLC и наоборот. • Поддержка переадресации SRNS (обслуживающего RNS) без потерь (передача PDCP SDUs и соответствующей порядковой нумерации). Применяется только, когда PDCP использует режим работы RLC с подтверждением приема и с последовательной доставкой. • Мультиплексирование различных B-каналов в один объект RLC не является частью версии-99 3GPP, но будет, вполне вероятно, включено в версию-2000 этого стандарта.

7.6. Протокол управления широковещательной / многоадресной передачей Другие протоколы Уровня 2 – протоколы управления широковещательной/многоадресной передачей (BMC) [8] – также существуют только в плоскости пользователя. Эти протоколы предназначаются для адаптации широковещательных и многоадресных услуг, поступающих из широковещательного до-

584

мена на радиоинтерфейс. В версии-99 этого стандарта единственными услугами, использующими эти протоколы, являются широковещательные услуги ячейки SMS (службы передачи коротких сообщений). Эти услуги обеспечиваются непосредственно из GSM. Они используют управление радиоканалом в неподтвержденном режиме UM RLC, применяющим логический канал CTCH, который преобразуется в транспортный канал FACH. Каждое сообщение широковещательного режима службы передачи коротких сообщений (SMS CB) предназначается для географической зоны, и RNC преобразует эту зону в ячейки.

585

7.6.1. Архитектура на уровне BMC (протокола управления широковещательной/многоадресной передачей) BMC- точка доступа к услугам

Управление ВМС

Элемент ВМС

RLS UM - точка доступа к услугам

Рис. 7.8. Архитектура на уровне управления широковещательной/многоадресной передачей.

7.6.2. Функции BMC Основными функциями протокола BMC являются: • Накопление широковещательных сообщений в ячейках. BMC в RNC запоминает широковещательные сообщения в ячейке, принимаемые через интерфейс CBC-RNC для запланированной передачи. • Контроль объема трафика и контроль ресурсов для CBS (широковещательной службы в сотовых системах). На стороне UTRAN протокол BMC вычисляет требуемую скорость передачи для широковещательной услуги ячеек, основанной на сообщениях, принимаемых через интерфейс CBC-RNC, и запрашивает соответствующие ресурсы CTCH/FACH от RRC. • Распределение сообщений BMC. BMC принимает запланированную информацию вместе с каждым широковещательным сообщением для ячеек через интерфейс CBC-RNC. На основании этой запланированной информации протокол BMC на стороне UTRAN вырабатывает запланированные сообщения и распределяет соответственно последовательности сообщений BMC. На стороне UE BMC вычисляет планируемые сообщения и указывает параметры распределения в RRC, которые используются в RRC для конфигурирования более низких уровней для прерывистого приема CBS. • Передача сообщений BMC в UE. Эта функция помогает передавать сообщения BMC (планируемые сообщения и широковещательные сообщения для ячеек в соответствии с планом). • Доставка широковещательных сообщений ячеек на более высокий уровень. Эта функция UE помогает доставлять принятые неискаженные широковещательные сообщения ячейки на более высокий уровень. В том случае, когда сообщения SMS CB передаются в ячейку первый раз, в ячейке должна назначаться соответствующая пропускная способность. Дол-

586

жен конфигурироваться CTCH, а используемый транспортный канал должен указываться всем UEs через широковещательную передачу информации системе (RRC) BCH. Пропускная способность, назначенная для SMS CB, зависит от ячейки и может изменяться во времени для того, чтобы позволить эффективно использовать радиоресурсы.

7.7. Протоколы управления радиоресурсами (RRC) Большую часть сигнализации управления между UE и UTRAN составляют сообщения об управлении радиоресурсами (RRC) [3, 9]. Сообщения RRC передают все параметры, требующиеся для установления, видоизменения и разъединения элементов протоколов уровней 2 и 1. Сообщения RRC содержат в своей полезной информации всю сигнализацию для более высоких уровней (MM – управление мобильностью, CM – управление соединением, SM – управление сессией (сеансом связи) и т.д.), а управление мобильностью пользовательского оборудования в подсоединенном режиме осуществляется сигнализацией RRC (измерения, хэндоверы, обновление ячеек и т.д.). 7.7.1. Логическая архитектура на уровне управления радиоресурсами (RRC) На рис. 7.9 показана логическая архитектура на уровне RRC. Уровень RRC можно описать с помощью трех функциональных элементов:

• Выделенный функциональный элемент управления (DCFE) управляет всеми функциями и сигнализацией, относящимися к конкретному UE. В SRNC (обслуживающем RNC) существует один элемент DCFE для каждого UE, имеющего соединение RRC с этим RNC. DCFE использует в большинстве случаев режим работы с подтверждением приема RLC (AM-SAP), но некоторые сообщения передаются при использовании неподтвержденного режима SAP (например, разъединение RRC) или прозрачного SAP (например, обновление ячейки, запрос на повторное установление соединения RRC). DCFE может использовать услуги от трех или, в необязательном варианте, четырех B-каналов сигнализации; остальные сведения приводятся в разделе 7.7.3.4. • Функциональный элемент управления вызовом и оповещением (PNFE) оперирует передачей коротких сообщений для поиска UE(s) в нерабочем режиме. Имеется, самое меньшее, один PNFE в RNC для каждой ячейки, управляемой этим RNC. PNFE использует логический канал PCCH обычно через прозрачный SAP управления радиоканалом (RLC). В этом примере архитектура PNFE в RNC, когда принимается сообще-

587

ние поискового вызова от Iu интерфейса, требует сверки с DCFE независимо от того, имеет UE уже это соединение RRC (соединение сигнализации с другим доменом CN) или нет; если же DCFE имеет уже это соединение, то сообщение поискового вызова передается (с помощью DCFE), используя существующее соединение RRC. • Функциональный элемент широковещательного управления (BCFE) оперирует широковещательной передачей информации о системе. Имеется, самое меньшее, один BCFE для каждой ячейки в RNC. BCFE использует логические каналы либо BCCH, либо FACH обычно через прозрачный SAP.

Маршрутизация сообщений ВМС-ctrl SAP PDCP-ctrl SAP RLC-ctrl SAP MAC-ctrl SAP LI-ctrl SAP

RLS SAP AM SAP

AM SAP

AM SAP

UM SAP

Tr SAP

Рис. 7.9. Архитектура уровня RRC.

Четвертый элемент – «маршрутизация сообщений» – можно смоделировать на уровне RRC для оперирования маршрутизацией сообщений более высокого уровня, но в спецификации этот элемент описывается, как находящийся на верхнем уровне RRC, хотя и представляющий собой часть среды доступа. С помощью этой функции сообщения NAS направляются в назначенный домен CN в RNC к назначенному интерфейсному элементу Iu, а на стороне UE – к назначенному элементу протокола более высокого уровня. Каждое сообщение более высокого уровня вкладывается в сообщения прямой передачи RRC (определяются три типа сообщений прямой передачи: начальная прямая передача (восходящий канал), восходящая прямая передача и нисходящая прямая передача). 7.7.2. Режимы обслуживания RRC (управления радиоресурсами) Существует два основных режима работы UE – нерабочий режим и подсоединенный режим. Подсоединенный режим можно в дальнейшем разделить

588

на состояния обслуживания, которые определяют, какой вид физических каналов использует UE. На рис. 7.10 показаны основные состояния обслуживания RRC в подсоединенном режиме. На нем также показаны переходы между нерабочим и подсоединенным режимами и возможными переходами внутри подсоединенного режима.

Ячейка DCH Нерабочий режим

Подсоединенный режим Ячейка PCH

Ячейка FACH Ячейка РCH URA

Рис. 7.10. Режимы UE и состояния RRC в подсоединенном режиме.

В нерабочем режиме [4] после включения UE подготавливается (либо автоматически, либо вручную) для установления связи с PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). UE отыскивает подходящую ячейку выбранной PLMN, выбирает эту ячейку для обеспечения имеющихся услуг и настраивается на ее канал управления. Этот выбор называют «остановкой в ячейке». Процедура поиска ячейки, описанная в главе 6, является частью этого процесса «остановки в ячейке». После «остановки в ячейке» в нерабочем режиме UE может принимать информацию о системе и широковещательные сообщения ячейки. UE остается в нерабочем режиме до тех пор, пока оно не передаст запрос на установление соединения RRC (раздел 7.7.3.4). В нерабочем режиме UE распознается элементами рабочей среды без доступа, как, например IMSI, TMSI и P-TMSI. Кроме того, UTRAN не имеет своей собственной информации об индивидуальных UEs в нерабочем режиме и может адресоваться только, например, всем UEs в ячейке или всем UEs, прослушивающим поисковый вызов. В состоянии Cell_DCH оборудованию UE выделяется физический канал, и UE опознается своим обслуживающим RNC на уровне ячейки или активного ряда. UE выполняет измерения и передает сообщения об измерениях в соответствии с информацией об управлении измерениями, принятыми от RNC. В этом состоянии может также использоваться DSCH, и UEs с определенными возможностями могут также просматривать канал FACH для информационных сообщений о системе. В состоянии Cell_FACH выделенный физический канал для UE не назначается, но вместо него используются каналы RACH и FACH для передачи и сообщений сигнализации и небольших объемов данных плоскости пользователей.

589

В этом состоянии UE также может прослушивать широковещательный канал (BCH) для получения информации о системе. Канал CPCH может также использоваться при обучении, осуществляемом UTRAN. В этом состоянии UE выполняет повторные выборы ячеек, и после повторного выбора всегда передает сообщение в RNC об обновлении ячейки. Для идентификации C-RNTI в заголовке MAC PDU отделяет UEs в ячейке друг от друга. Когда UE выполняет повторный выбор ячейки, оно использует U-RNTI при передаче сообщения об обновлении ячейки, так что UTRAN может направлять сообщение об обновлении ячейки в текущий обслуживающий RNC абонентского оборудования (UE) даже, если первый RNC, принимающий сообщение, не будет текущим SRNC. U-RNTI – это часть сообщения RRC, его нет в заголовке MAC. Если новая ячейка принадлежит системе с другим радиодоступом, таким, как для GPRS, UE вводит нерабочий режим и получает доступ к другой системе в соответствии с процедурой доступа к этой системе. В состоянии Cell_PCH UE все еще известен на уровне ячейки в CRNC, но на него можно выйти только через канал поискового вызова (PCH). В этом состоянии расход питания батареи UE меньше, чем в состоянии Cell-FACH, поскольку контроль за каналом вызова включает функциональные возможности прерывистого приема (DRX). UE также прослушивает информацию о системе в BCH. UE, поддерживающий широковещательную службу в сотовых системах (CBS), также способен принимать сообщения BMC в этом состоянии. Если UE выполняет повторный выбор ячейки, оно перемещается автономно в состояние Cell_FACH для выполнения процедуры обновления ячейки, после чего оно повторно вводит состояние Cell-PCH, если не осуществляются никакие другие действия во время процедуры обновления ячейки. Если выбирается новая ячейка из другой системы радиодоступа, состояние UTRAN изменяется на нерабочий режим, и доступ к другой системе выполняется в соответствии со спецификациями той системы. Состояние URA_PCH очень похоже на Cell_PCH за исключением того, что UE не исполняет операцию Cell Update (обновление ячейки) после каждого повторного выбора ячейки, а вместо этого считывает элементы зоны регистрации (URA) UTRAN из широковещательного канала, и только, если URA изменяется (после повторного вызова ячейки), UE передает данные о своем местоположении в SRNC (обслуживающий RNC). Это достигается с помощью процедуры обновления URA, которая аналогична процедуре обновления ячейки (UE вводит состояние Cell_FACH для исполнения процедуры и последующего возврата в состояние URA_PCH). Одна ячейка может принадлежать к одной или многим зонам регистрации (URAs), и если только UE не может найти свой последний идентификатор URAs в ячейке, то тогда ему требуется исполнить процедуру обновления URA. Наличие такого перекрытия для URA необходимо для того, чтобы избежать влияний, связанных с попеременным переключением

590

возможной конфигурации сети, где базовые станции в географическом плане размещенные одна за другой, управляются разными RNCs. UE покидает подсоединенный режим и возвращается в нерабочий режим, когда соединение RRC освобождается или происходит нарушение соединения RRC. 7.7.2.1. Улучшенная модель состояний многорежимных (многомодовых) терминалов

Нерабочий режим Остановка в ячейке Остановка в GSM/GPRS ячейке UTRAN Нерабочий режим передачи пакетов GPRS

На рис. 7.11 показаны возможные переходы состояний многорежимного терминала, в этом примере взят терминал с режимами UTRA FDD –GSM/GPRS. С помощью терминалов этого типа можно осуществлять межсистемный хэндовер между UTRA FDD и GSM и межсистемный повторный выбор ячеек с переходом из режима UTRA FDD на режим GPRS. Фактические процедуры сигнализации, которые обозначены сплошными линиями на рис. 7.11, описываются в разделе 7.7.3. Подсоединенный режим UTRAN Повторный выбор ячейки между системами

Режим передачи пакетов GPRS

Хэндовер между системами

Подсоединенный режим GSM

Рис. 7.11. Состояния управления радиоресурсами абонентского оборудования (UE RRC) для терминала с двумя режимами работы UTRA FDD – GSM/GPRS.

7.7.3. Функции управления радиоресурсами (RRC) и процедуры сигнализации Так как уровень RRC оперирует основной частью сигнализации управления между UEs и UTRAN, он имеет длинный перечень функций, которые следует выполнять. Большая часть этих функций – это часть алгоритмов RRM (управления использованием радиоресурсов), которые описываются в главах 9 и 10, но поскольку информация передается в сообщениях на уровне RRC, в спецификациях перечисляются функции как часть протокола RRC. Основными функциями RRC являются: • Широковещательная передача информации о системе.

591

• Передача поисковых сообщений. • Начальный выбор ячейки и повторный выбор в нерабочем режиме. • Установление, поддержание и освобождение соединения RRC между UE и UTRAN. • Управление широкополосными B-радиоканалами, транспортными и физическими каналами. • Управление функциями обеспечения безопасности (шифрование и защита целостности). • Защита целостности сообщений сигнализации. • Представление информации UE об измерениях и управление ими. • Функции обеспечения мобильности соединений RRC. • Поддержка переадресации SRNS (обслуживающих подсистему радиосвязи). • Управление мощностью во внешнем контуре в нисходящем канале. • Управление мощностью в открытом контуре. • Функции, связанные с широковещательным обслуживанием ячеек. Эти функции и связанные с ними процедуры сигнализации более подробно описываются в следующих разделах. 7.7.3.1. Широковещательная передача информации о системе

Широковещательная передача информации о системе исходит от базовой сети, от RNC и от узлов Bs. Сообщения с информацией о системе передаются по логическому каналу BCCH, который может переноситься на транспортный канал BCH или FACH. Сообщение с информацией о системе содержит информационные блоки системы (SIBs), которые группируют вместе информационные элементы системы одного и того же характера. Динамические (т.е. часто изменяющиеся) параметры группируются в различные SIBs из более статичных параметров. Одно информационное сообщение о системе может передавать либо несколько SIBs, либо только часть одного SIB в зависимости от размера передаваемых SIBs. Одно информационное сообщение о системе будет всегда приспосабливаться к размеру транспортного блока BCH или FACH. Если требуется заполнение, то оно вводится на уровне RRC. Информационные блоки системы организуются как дерево (рис. 7.12). Главный информационный блок дает справочные данные для ряда информационных блоков в ячейке, включая информацию планирования для тех же информационных блоков системы. Главный информационный блок регулярно передается по BCH, и его планирование является статистическим. Помимо информации планирования для других SIBs, главный информационный блок содержит только информацию о поддерживаемых типах PLMN (это может быть GSM и/или ANSI-41) и информацию об идентификации PLMN. Информацион-

592

ные блоки системы содержат всю другую фактическую информацию системы. Некоторые информационные блоки системы могут содержать также справочные данные для других информационных блоков, включая информацию о планировании для этих блоков.

Главный информационный блок

Информационные блоки системы 1 Информационные блоки системы 2 Информационные блоки системы 3 Информационные блоки системы 13.1 Информационные блоки системы 13

. .

Информационные блоки системы 13.4 Информационные блоки системы 16

Рис. 7.12. Общая структура информационных блоков системы в версии-99 3GPP.

Блоки SIBs, содержащие часто изменяющиеся параметры, считываются регулярно абонентским оборудованием (UE) при каждом случае повторения, который описывается с помощью информации о планировании в главном информационном блоке или в других блоках SIBs. Для других блоков SIBs (с более статичными параметрами) главный информационный блок или «родительский» SIB содержит как часть информации о планировании «признак значения», который UE сравнивает с самым последним считанным признаком «значений» этого информационного блока системы. UE должен повторно считать признак значения, если только он изменился после последнего считывания рассматриваемого блока SIB. Таким образом, с помощью прослушивания главного информационного блока абонентское оборудование (UE) может заметить, изменился ли какой-либо из информационных блоков системы (более «статичного» характера). UTRAN также может информировать об изменении в информации о системе с помощью сообщений поискового вызова, передаваемых по транспортному каналу PCH (см. раздел 7.7.3.2) или с помощью сообщения индикатора изменений в информационной системе, передаваемому по каналу FACH. С помощью этих двух сообщений можно получать всю информацию, необходимую блокам UEs об изменениях в информации о системе (все UEs в состояниях Cell_FACH, Cell_PCH и URA_PCH). Число информационных блоков системы в версии-99 3GPP равно одному главному информационному блоку плюс 16 SIBs. Один из SIBs (# 14) содержит лишь информацию, относящуюся к TDD, другой (# 13) выделяется для инфор-

593

мации об ANSI-41 и третий (# 15) − для информации об услугах для определения местоположения (LCS).

594

7.7.3.2. Поисковый вызов

На уровне RRC можно передавать широковещательную информацию поискового вызова по каналу PCCH от сети к отдельным UEs в ячейке. Процедура поискового вызова может использоваться для трех целей: • В базовой сети для установления исходящего вызова или сеанса. В этом случае запрос начать поисковый вызов поступает из базовой сети через интерфейс Iu. • Для изменения состояния UE из Cell-PCH илиURA-PCH и Cell-FACH. Это можно сделать, например, путем передачи пакетных данных в нисходящем канале. • Для указания на изменение в информационной системе. В этом случае PNC передает сообщение поискового вызова без адресации поискового вызова, но с информацией, описывающей новый «признак значения» для главного информационного блока. Этот тип поискового вызова нацелен на все UEs в ячейке. 7.7.3.3. Начальный выбор ячейки и повторный выбор в нерабочем режиме

Самая подходящая ячейка выбирается на основании измерений, проводимых в нерабочем режиме, и критериев выбора ячейки. Процедура поиска ячейки, описанная в главе 6, − это часть процесса выбора ячейки. 7.7.3.4 Установление, поддержание и освобождение соединения RRC

Установление соединения RRC и радиоканала сигнализации (SRB) между UE и UTRAN (RNC) начинается с запроса от более высоких уровней на стороне UE. В случае вызова со стороны сети установлению предшествует сообщение о поисковом вызове RRC. Между одним UE и UTRAN всегда может быть либо нулевое, (соединение отсутствует), либо одно соединение RRC. Если же между UE и узлом CN имеется более, чем одно соединение сигнализации, они все «делят» (совместно используют) одно и то же соединение RRC. «Поддержание» соединения RRC относится к процедуре повторного установления соединения RRC, которая может использоваться для повторного соединения после нарушения радиоканала. Таймеры используются для управления временем, которое отводится для того, чтобы UE могло вернуться в «зону обслуживания» и выполнить процедуру повторного установления соединения. Теперь мы можем внимательнее рассмотреть процедуру установления соединения RRC, которая показана на рис. 7.13. Нет необходимости переходить на операцию по разрешению конфликтов, как, например, в GSM [12], потому что идентификатор UE, используемый при запросе на соединение и сообщений об установлении соединения − это уникальный элемент UE (для базовой сети

595

на основе GSM, это P-TMSI+RAI, TMSI+LAI или IMSI). В процедуре установления соединения RRC этот начальный идентификатор UE используется только с целью обеспечения уникальности и отбрасывается после окончания процедур. Таким образом, когда эти элементы UE требуются позднее для сигнализации на более высоком уровне, они должны передаваться повторно (в сообщениях на более высоком уровне). Сообщение об установлении соединения (Connection Setup) RRC может включать назначение выделенного физического канала для UE (переместиться в состояние Cell_DCH), или он может подать команду UE на использование общих каналов (переместиться в состояние Cell_FACH). В последнем случае для UE назначается временный элемент радиосети (U-RNTI и, возможно, C-RNTI, который используется как элемент UE в общих транспортных каналах. На рис 7.13 наименования каналов указывают либо на логический канал, либо на логический/транспортный канал, используемый для каждого сообщения.

Нерабочий режим

запрос на соединение RRC установление соединения RRC Подсоединенный режим завершение установления соединение RRC

Рис 7.13. Процедура установления соединения RRC.

Процедура установления соединения RRC создает три (в необязательном варианте – четыре) B-канала сигнализации (SABs), обозначенные элементами радиоканала (RB) # 0 … # 3. Позднее SRBs могут быть созданы, реконфигурированы и даже удалены с помощью обычных процедур управления RB. SABs используются для сигнализации RRC в соответствии со следующими правилами: • RB # 0 используется для всех сообщений, передаваемых по DCCH и RLC-UM.

596

• RB # 1 используется для всех сообщений, передаваемых по DCCH и RLC-AM за исключением сообщений с указанием «Прямая передача» (Direct Transfer)/ • RB # 2 используется для сообщений «прямая передача» (с использованием DCCH и RLC-AM), которые передают сигнализацию на более высоком уровне. Причиной резервирования выделенного радиоканала сигнализации для прямой передачи является обеспечение приоритета сигнализации UE-UTRAN над сигнализацией UE-CN за счет использования услуг RLC (нет необходимости в дополнительных функциональных возможностях RRC). • RB # 3 является необязательным вариантом, и, если он существует, он также используется для сообщений прямой передачи (с использованием DCCH и RLC-AM). С помощью двух SRBs, передающих сигнализацию более высокого уровня, UTRAN может управлять приоритетами при сигнализации, при этом RB # 3 используется для сигнализации «Нет уровня доступа» (NAS) для слоя «низкого приоритета» и RB # 2 – для «высокого приоритета». Уровень приоритета указывается в RRC фактическим сообщением NAS, которое передается по радио. Примером сигнализации с низким приоритетом может служить SMS (служба передачи коротких сообщений). • Для сообщений RRC, использующих RLC в прозрачном режиме (например, обновление ячейки, запрос на повторное установление соединения RRC), спецификация только утверждает, что может использоваться любое число радиоканалов (RB) свыше 3. Специальной функцией, необходимой на уровне RRC для этих сообщений, является заполнение, потому что размер сообщения должен быть равен размеру транспортного блока. 7.7.3.5. Управление B-каналами. Транспортные и физические каналы

По запросу от более высоких уровней RRC выполняет установление, реконфигурацию и освобождение радиоканалов. При установлении и реконфигурации UTRAN (RNC) выполняет управление доступом и выбирает параметры, описывающие обработку широкополосных радиоканалов на Уровнях 2 и 1. SRBs обычно устанавливается во время процедуры установления соединения RRC (раздел 7.7.3.4), но могут также управляться с помощью обычных процедур, принятых для B-каналов. Параметры транспортных и физических каналов включены в процедуры широкополосных радиоканалов, но могут также конфигурироваться отдельно с помощью выделенных процедур для транспортного и физического каналов.

597

Они необходимы, например, если в сети происходит временная перегрузка или при переключении состояний UE между Cell_DCH и Cell_FACH.

598

7.7.3.6. Управление функциями обеспечения безопасности

Процедуры управления режимом обеспечения безопасности RRC используются для того, чтобы приступить к шифрованию и защите целостности передачи UE и UTRAN и запустить процесс изменения ключей шифрования и защиты целостности передачи во время установления соединения. Ключ шифрования определяет домен CN; таким образом, в типовой конфигурации сети (смотрите главу 5) два ключа шифрования можно использовать одновременно для одного UE: один для услуг в домене PS (коммутации пакетов), а другой – для услуг в домене CS (коммутации каналов). Для сигнализации (которая использует общие широкополосные B-радиоканалы для обоих доменов CN) используется более новый из этих двух ключей. Шифрование выполняется на уровне RLC для услуг, использующих RLC в неподтвержденном и подтвержденном режимах, и на уровне MAC для услуг, использующих RLC в прозрачном режиме. Защита целостности передачи ( см. следующий раздел) используется только для сигнализации; таким образом, только один ключ защиты целостности передачи используется на одно соединение RRC. Перед началом процедуры управления режимом обеспечения безопасности все элементы RLC в режиме AM или UM переводятся в состояние ожидания. После того, как процедура завершена, элементы RLC возобновляются. Это необходимо для того, чтобы гарантировать, что равноправные злементы всегда используют одни и те же параметры для шифрования и защиты целостности передачи. Для элементов RLC в прозрачном режиме включается время активаций для указания на то, когда должны использоваться новые параметры. 7.7.3.7. Защита целостности передачи сигнализации

На уровне RRC вводится контрольная сумма целостности передачи из 32 бит, называемая кодом аутентификации сообщений (MAC-I), в большинство RRC PDUs. Она вычисляется с использованием алгоритма проверки целостности передачи UMTS (UIA), который использует секретный ключ целостности IK как один входной параметр. Ключ генерируется вместе с ключом шифрования во время процедуры аутентификации [11]. На рис. 7.14 показано, как вычисляется MAC-I при использовании алгоритма целостности передачи [15]. Помимо IK другими параметрами, используемыми как ввод в алгоритм, являются: COUNT-I, зависящий от времени, который наращивается на 1 для каждого сообщения с защитой безопасности; случайное число FRESH, вырабатываемое с помощью RNC; бит направления (восходящий/нисходящий каналы) и фактически сообщение сигнализации. Кроме того, идентификатор B-канала сигнализации должен оказывать влияние на вычисление MAC-I, но как это будет реализовываться, находится все еще в процессе обсуждения. Одним из воз-

599

можных способов является включение его в параметр «Сообщение» (MESSAGE). Только несколько сообщений RRC не могут иметь защиту целостности; примером является запрос на соединение RRC, поскольку алгоритмы и параметры все еще не оговорены, когда сообщение передается. Контрольная сумма целостности передачи используется принимающим элементом RRC для контроля источника и целостности передачи сообщений. Принимающий элемент также вычисляет MAC-I и сравнивает его с MAC, принятым с помощью сообщения сигнализации. Сообщения, принимаемые с непрерывными или пропущенными кодами удостоверения подлинности сообщений, отбрасываются. Так как вся сигнализация на более высоком уровне передается в сообщениях прямой передачи RRC, все сообщения на более высоком уровне также автоматически получают защиту целостности передачи. Направление

COUNT - 1 Сообщение IK

FRESH f9

MAC - 1

Рис. 7.14. Вычисление кода удостоверения подлинности сообщения MAC-I. 7.7.3.8. Сообщение об измерениях UE и управление

Измерения, выполняемые UE, управляются на уровне RRC в зависимости от того, что измерять, когда измерять и как сообщать об измерениях, включая и радиоинтерфейс UTRA, и другие системы. На уровне RRC также осуществляются сообщения об измерениях от UE в UTRAN (RNC). Управление измерениями

Процедура управления измерениями (и сообщения) построена достаточно гибко. RNC может начать, остановить или видоизменить целый ряд параллельных измерений в UE, и каждым из этих измерений (включая то, как о них сообщается) можно управлять независимо друг от друга. Также можно подать команду UE о выполнении дополнительных измерений, о которых сообщения не даются отдельно, а вместе с некоторыми другими измерениями. Для UEs в нерабочем режиме информация об управлении измерениями передается в ин-

600

формацию о системе по BCH (информационный блок системы типа 11). Для UEs в состояниях Cell_FACH, Cell_PCH или URA_PCH информация управления измерениями вводится в информационный блок системы типа 12 также передаваемый по BCH. В состоянии Cell-_DCH используется выделенное сообщение об управлении измерениями (Measurement Control). Информация об управлении измерениями включает: – Идентификационный номер измерений: справочный номер, который используется UTRAN при модификации измерения, и UE в сообщении об измерениях. – Команда об измерении: может устанавливаться, видоизменяться или отметяться. – Тип измерения: один из семи типов из заранее определенного перечня, где каждый тип описывает, что UE измеряет. Семь типов измерений определяются как: – внутричастотные измерения: измерения на нисходящих физических каналах на той же самой частоте, что и частота активного ряда – межчастотные измерения: измерения на нисходящих физических каналах на частотах, которые отличаются от частоты активного ряда – межсистемыне измерения: измерения на нисходящих физических каналах, принадлежащих системе радиодоступа, отличающейся от UTRAN, например, GSM – измерение объема трафика: измерения объема трафика на восходящем канале, например, полезная нагрузка буфера RLC для каждого B-канала – измерения качества: измерения параметров качества, например, вероятности появления ошибок по блокам в нисходящем транспортном канале или вероятность появления ошибок по битам в нисходящем физическом канале. – внутренние измерения: измерения передаваемой мощности UE или месторасположения UE – измерения для услуг по определению местоположения (I.CS) [14]. – Объекты измерений: Объекты измерений UE и соответствующая информация об объектах. Для измерений при хэндовере это – информация о ячейке, необходимая UE для выполнения измерений в ячейках на определенной внутренней частоте, между частотами или между системами. При измерениях объема трафика этот параметр содержит идентификатор транспортного канала.

601

Нерабочий режим

Информация о системе (SIB 11)

Ячейка_FACH Ячейка_PCH Ячейка URA_PCH

Информация о системе (SIB 12) Ячейка_DCH

Управление измерениями

Рис. 7.15. Процедуры управления измерениями в различных состояниях UE.

– – –

–

–

Величина измерения: величина, которую измеряет UE. Величины для сообщений об измерениях: величины, которые UE включает в сообщения. Критерии для сообщений об измерениях: критерии, которые инициируют сообщения об измерениях такие, как периодические сообщения или сообщения, запускаемые событиями. Режим сообщений: он определяет, передает ли UE сообщение об измерениях, используя передачу данных RLC в режиме с подтверждением приема или без подтверждения приема. Достоверность измерений: этот параметр определяет как следует рассматривать конкретное измерение при переключении состояний RLC. Либо измерение блокируется при изменении состояния, либо оно может возобновляться и продолжаться после того, как будет завершено изменение состояния.

Сообщения об измерениях

Процедура сообщения об измерениях начинается на стороне UE, когда удовлетворяются критерии на посылку сообщения. UE передает информацию «сообщение об измерениях» (Measurement Report), включая идентификационный номер измерения и результаты измерений.

602

Сообщение об измерениях

Рис. 7.16. Процедура сообщения об измерениях.

Информация «сообщение об измерениях» используется в состояниях Cell_DCH и Cell_FACH. В состоянии Cell-FACH оно используется только для сообщения об измерениях объема трафика. Для того, чтобы принимать информацию об измерениях, необходимую для установления непосредственного макроразнесения при установлении выделенного физического канала UTRAN, может также запрашивать UE о приложении сообщений об измерениях, связанных с радиоканалом (внутричастотном), к следующим сообщениям, когда они передаются по каналу RACH: – Сообщение «запрос на соединение RRC», передаваемое для установления соединения RRC. – Сообщение «запрос на повторное соединение RRC», передаваемое для повторного установления соединения RRC. – Сообщение «прямая передача», передаваемое по восходящему каналу для установления соединения сигнализации (соединение сигнализации состоит из соединения RRC и соединения Iu). – Сообщение «Обновление ячейки», передаваемое в ответ на поисковый вызов, посланный UTRAN. – Сообщение «сообщение об измерениях», передаваемое для оценки величины нагрузки в восходящем канале. 7.7.3.9. Функции мобильности соединения RRC

«Мобильность соединения» RRC означает отслеживание местоположения UE (на уровне ячейки и активного ряда), пока UE находится в режиме подсоединения к UTRAN. Для этого определен ряд процедур RRC. Когда для UE назначаются выделенные каналы, обычным способом для выполнения управления мобильностью является использование процедур «обновление активного ряда» и «жесткий хэндовер». Когда UE использует только общие каналы (RACH/FACH/PCH), находясь в режиме подсоединения к UTRAN, используются специальные процедуры для отслеживания месторасположения UE либо на уровне ячейки, либо на уровне зоны регистрации UTRAN (URA).

603

Процедуры RRC, связанные с мобильностью UE, включают: – Обновление активного ряда для перестройки активного ряда UE, установленного при нахождении в состоянии Cell_DCH. – Жесткий хэндовер для осуществления жесткого хэндовера между частотами и без смены частот при нахождении в состоянии Cell_DCH. – Хэндовер между системами: между UTRAN и другой системой радиодоступа (например, GSM). – Повторный выбор ячейки между системами: между UTRAN и другой системой радиодоступа (например, GPRS). – Обновление ячейки для сообщения о местоположении UE в RNC при нахождении в состоянии Cell_FACH. – Обновление URA для сообщения о местоположении UE в RNC при нахождении в состоянии URA_PCH. Эти процедуры описываются в следующих разделах. Обновление активного ряда (рис.7.17)

Цель процедуры обновления активного ряда заключается в перестроении активного ряда для взаимодействия между UE и UTRAN при нахождении UE в состоянии Cell_DCH. Процедура может иметь одну из следующих трех функций: добавление радиоканала, удаление радиоканала или комбинированное добавление и удаление радиоканала. Алгоритм с мягким хэндовером и его характеристика рассматриваются в разделе 9.3.1.

Обновление активного ряда Завершение обновления активного ряда

Рис.7.17. Процедура обновления активного ряда. Жесткий хэндовер

Процедура жесткого хэндовера может использоваться для изменения радиочастоты соединения между UE и UTRAN или для изменения ячейки на той же самой частоте, когда не существует никакого сетевого обеспечения макроразнесения. Она может также использоваться для изменения режима между FDD и TDD. Эта процедура используется только в состоянии Cell_DCH. Никаких выделенных сообщений сигнализации не определяется для жесткого хэндовера, но функциональные возможности могут выполняться как часть следующих процедур RRC: реконфигурация физического канала, установление B-

604

канала, реконфигурация B-канала, освобождение B-канала и реконфигурация транспортного канала. Хэндовер между системами от UTRAN

Эта процедура используется для хэндовера от UTRAN, к другой системе радиодоступа, когда используются услуги только из домена CS (коммутации каналов). В этом случае заданная система – это система GSM (рис.7.18), но спецификации также поддерживают жесткий хэндовер на cdma2000. Эта процедура может использоваться в состояниях Cell_DCH и Cell_FACH. UE принимает параметры соседней ячейки GSM [12] либо из информации о системе, либо в сообщении управления измерением. Эти параметры необходимы для того, чтобы позволить измерить подходящие ячейки GSM. Основываясь на сообщении об измерениях от UE, включая измерения GSM, RNC принимает решение о хэндовере. После того, как зарезервированы ресурсы от BSS GSM, контроллер RNC передает сообщение «команда на хэндовер между системами», которая переносит дополнительную команду хэндовер на GSM. В этот момент протокол GSM RR в UE начинает действовать и передает сообщение «доступ к хэндоверу на GSM» в BSC GSM. После успешного завершения процедура хэндовера BSS GSM инициализирует освобождение ресурса из UTRAN, в результате чего будет освобождено радиосоединение и удалена вся контекстовая информация для рассматриваемого UE.

Информация о системе или Управление измерениями Сообщение об измерениях Резервирование ресурсов Команда на подтверждение резервирования ресурсов и хэндовер Команда на межсистемный хэндовер (команда на хэндовер на GSM) Доступ к хэндоверу

Рис. 7.18. Процедура межсистемного хэндовера от UTRAN к GSM. Межсистемный хэндовер к UTRAN

Эта процедура используется для хэндовера от системы, не являющейся UTRAN, к UTRAN. В этом примере другой системой снова является GSM

605

(рис.7.19). UE, работающий в дуальном режиме, принимает параметры соседней ячейки UTRAN на сообщения «информация о системе GSM». Параметры, требуемые для измерения ячеек UTRA FDD, включают центральную частоту нисходящего канала или номер канала на номинальной радиочастоте UTRA (UARFCN), ширину полосы нисходящего канала (допускается только 5 МГц в версии-99 3GPP, хотя в будущем могут появиться и другие величины полосы), код скремблирования в нисходящем канале или группа кодов скремблирования для CPICH (основного общего пилот-канала) и опорная разность по времени для ячейки UTRA (синхронизация между текущей ячейкой GSM и ячейкой UMTS, которая должна измеряться).

Информация о системе Сообщение об измерениях Резервирование ресурсов Подтверждение резервирования ресурсов и команда на хэндовер Команда на хэндовер между системами Команда на хэндовер от UMTS к UTRAN Хэндовер на UTRAN завершен

Рис.7.19. Процедура межсистемного хэндовера от GSM к UTRAN.

После принятия сообщения подвижной станции об измерениях от GSM, включая измерения UTRA, и после принятия решения о хэндовере, BSC GSM начинает резервирование ресурсов от UTRAN RNC. На следующем этапе BSC GSM передает команду на межсистемный хэндовер GSM (будет добавлена к [12]), включая добавленное сообщение UMTS «команда на хэндовер к UTRAN», которое содержит всю информацию, необходимую для установления соединения с ячейкой UTRA. Сообщение о хэндовере GSM (команда на межсистемный хэндовер) должно подгоняться к одному 23-х октетному PDM (блоку протокольных данных) на уровне канала передачи данных. Так как величина информации, которая может быть включена в команду на хэндовер к UTRAN, велика, то включается механизм предварительной конфигурации. Под предварительной конфигурацией понимают то, что только справочные номера для предопределенного ряда параметров UTRA включаются в сообщение. UE завершает процедуру сообщением «хэндовер к UTRAN завершен» в RNC. После ус-

606

пешного завершения процедуры хэндовера RNC начинает освобождение ресурсов из BSS GSM. Повторный выбор межсистемной ячейки от UTRAN

Процедура повторного выбора межсистемной ячейки от UTRAN используется для передачи соединения между UE и UTRAN другой системе радиодоступа такой, как, например, GSM/GPRS. Эта процедура может начинаться в состояниях Cell_FACH, Cell_PCH или URA_PCH. Она управляется, главным образом, UE, но до какой-то степени также и UTRAN. Повторный выбор межсистемных ячеек к UTRAN

Процедура повторного выбора межсистемных ячеек к UTRAN используется для передачи соединения между UE и другой системой радиодоступа, как, например, GSM/GPRS, к UTRAN. Эта процедура контролируется, главным образом, UE, но до какой-то степени также другой системой радиодоступа. UE начинает процедуру установления соединения RRC к UTRAN с вызова команды «повторный выбор межсистемных ячеек» и освобождает все ресурсы, специально предусмотренные для другой системы радиодоступа. Обновление ячейки

Процедура «обновление ячейки» может использоваться в состояниях Cell_FACH и Cell_PCH. Она может запускаться по нескольким причинам, включая повторный выбор ячейки, истечение времени периодического обновления таймера ячейки, инициализацию передачи данных в восходящем канале или поисковый вызов, исходящий из UTRAN. Сообщение подтверждение обновления ячейки может включать новые временные идентификаторы радиосети (RNTIs) для UE. В этом случае оно посылается в ответ на сообщение «повторное назначение RNTIs завершено» так, что RNC (контроллер радиосети) узнает о том, что используются новые идентификаторы. Сообщение подтверждение обновления ячейки может также включать новые параметры физического канала для общих физических каналов со случайным доступом (PRACH), основного CPICH или дополнительного CCPCH. В этом случае UE отвечает на сообщение о завершении реконфигурации физического канала после того, как он реконфигурирует свой физический уровень. Обновление URA

Процедура обновления зоны регистрации UTRAN (URA) используется в состоянии URA_PCH. Она может запускаться либо после повторного выбора

607

ячейки, если новая ячейка не содержит идентификатор URA, за которым следует UE, либо по истечению времени таймера периодического обновления URA.

Обновление ячейки Завершение обновления ячейки Повторное назначение RNTI завершено Реконфигурация физического канала завершена

Рис. 7.20. Процедура обновления ячейки

Зоны регистрации UTRAN могут быть иерархическими для того, чтобы избежать чрезмерно сложной сигнализации. Это означает, что несколько идентификаторов URA могут передаваться в режиме широковещания в одной ячейке и что различные UEs в одной ячейке могут располагаться в различных URAs. UE в состоянии URA_PCH всегда имеют одну и только одну действительную зону URA. Если ячейка передает несколько URAs, RNC назначает одну URA для UE в сообщении «подтверждение обновления URA». Подтверждение обновления URA может включать новые идентификаторы RNTIs для UE. В этом случае он отвечает сообщением «повторное назначение RNTI завершено», так, что RNC узнает о том, что используются новые идентификаторы.

Обновление URA Подтверждение обновления URA Повторное назначение RNTI завершено

Рис.7.21. Процедура обновления URA.

7.7.3.10. Поддержка перераспределения обслуживающей подсистемы радиосети (SRNS)

608

В процедуре перераспределения RNC (смотри главу 5) уровень управления радиоресурсами (RRC) SRNC (обслуживающего контроллера радиосети) составляет специальное сообщение RRC – информацию инициализации RRC. Это сообщение делает «особым» то, что это сообщение предназначено не для UE, а для нового SRNC. Следовательно, это сообщение не передается по эфиру, а переносится со старого SRNC на новый через базовую сеть. Информация инициализации содержит информацию о состоянии RRC и все требуемые параметры протоколов (RRC, RLC, MAC, PDCP, PHY), которые необходимы для установления контекста UE в новом SRNC. Кроме того, ожидаемые номера последовательности PDCP (которые обычно хранятся локально в UE и UTRAN) должны передаваться между UE и UTRAN в любом из сообщений RRC, которые передаются во время переадресации SRNC. 7.7.3.11. Управление мощностью во внешнем контуре в нисходящем канале

Процедура управления мощностью во внешнем контуре в нисходящем канале поддерживает функцию управления мощностью во внешнем контуре в нисходящем канале, выполняемую в UE. Управление мощностью во внешнем контуре означает установление заданного значения SIR в каждом CCTrCH, используемом для управления мощностью во внутреннем контуре в нисходящем канале. Фактические заданные значения SIR не передаются от UTRAN в UE, но с помощью сообщения «управление внешним контуром в нисходящем канале» контроллер радиосети (RNC) может сделать так, что UE не будет увеличивать свое заданное значение SIR в нисходящем канале сверх установленного значения. Тоже самое сообщение может также использоваться для устранения этого ограничения. Все сообщения RRC, которые можно использовать для добавления или реконфигурации нисходящих транспортных каналов(например, установление B-канала/реконфигурация/разъединение, реконфигурация транспортного канала) включают параметр «заданное качество» (значение качества BLER), который используется для установления требования, предъявляемого к качеству для каждого нисходящего транспортного канала по отдельности. Алгоритм управления мощностью во внешнем контуре и его характеристика рассматриваются в разделе 9.2. 7.7.3.12. Управление мощностью в открытом контуре

До передачи PRACH (см. главу 6) UE оценивает мощность для первой преамбулы в виде: начальная мощность в преамбуле = мощность передачи в основном нисходящем канале CPICH – CPICH_RSCP +

609

помехи UL + постоянное значение Значение для CPIC_RSCP измеряется с помощью UE, все другие параметры получают из информации о системе. Если физический уровень конфигурируется для передачи PRACH, UE непрерывно пересчитывает преамбулы начальной мощности, когда любой из шировещательных параметров, используемый в вышеупомянутой формуле, изменяется. Далее новая преамбула начальной мощности повторно представляется на физический уровень. 7.7.3.13. Функции, связанные с широковещательными услугами ячейки (CBS)

Ниже перечисляются следующие функции уровня RRC, связанные с CBS: – Начальная конфигурация уровня BMC – Распределение радиоресурсов для CBS, на практике это назначение плана переноса логического канала CTCH на транспортный канал FACH и далее на физический канал S_CCPCH – Конфигурация Уровней 1 и 2 для прерывистого приема CBS в UE. Литература к главе 7: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

3G TS 25.301 Radio Interface Protocol Architecture. 3G TS 25.302 Services Provided by the Physical Layer. 3G TS 25.303 UE Functions and Interlayer Procedures in Connected Mode. 3G TS 25.304 UE Procedures in Idle Mode 3G TS 25.321 MAC Protocol Specification. 3G TS 25.322 RLC Protocol Specification. 3G TS 25.323 PDCP Protocol Specification. 3G TS 25.324 Broadcast/Multicast Control Protocol (BMC) Specification. 3G TS 25.331 RRC Protocol Specification. 3G TS 24.008 Mobile Radio Interface Layer 3 Specification. Core Network Protocols –Stage 3. 3G TS 33.102 3G Security; Security Architecture. GSM 04.18 Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Mobile Radio Interface Layer 3 Specification, Radio Resource Control Protocol. IETF RFC 2507 IP Header Compression. 3G TS 25.305 Stage 2 Functional Specification of Location Services in UTRAN. 3G TS 33.105 3G Security; Cryptographic Algorithm Requirements.

610

8 Планирование радиосети

8.1. Введение В этой главе рассматривается планирование радиосети WCDMA , включая емкость, территориальное покрытие и их оптимизация на сети. На рис. 8.1 показан процесс планирования радиосети WCDMA . Входные данные - требования к зоне обслуживания - требования к емкости - требования к качеству - геофизический тип зоны распространения р/волн

Измеряемые характеристики сети

Размах (Раздел 8.2) Планирование емкости и зоны обслуживания (Раздел 8.3)

Выходные данные - приблизительное число базовых станций и обслуживаемых ими участков (сайтов) - конфигурации базовых станций

- достигаемая эффективность сети

- выбор сайтов распределения зоны обслуживания на участки - конфигурация базовых станций - специальные параметры ячейки для алгоритмов RRM - анализ емкости и зоны обслуживания - качество анализа обслуживания

- оптимизация

Согласование (уточнение) параметров RRM

Рис. 8.1. Процесс планирования радиосети WCDMA.

На этапе определения размаха системы оцениваются приблизительное число зон (сайтов) размещения базовых станций, возможности базовых станций и их конфигурация и другие элементы сети с учетом требований оператора и распространения радиоволн в этой зоне. При определении размаха сети следует выполнять требования оператора к зоне обслуживания, емкости и качеству обслуживания. Емкость и качество обслуживания тесно связаны в сетях WCDMA , и поэтому оба параметра должны учитываться одновременно при выборе размеров таких сетей. Задание размаха (размеров сетей) WCDMA рассматривается в разделе 8.2.

611

В разделе 8.3 дается детальное планирование емкости и зоны обслуживания, описываются используемые методики планирования WCDMA. При детальном планировании требуются учет реального распространения радиоволн и оценка оператором трафика в каждой зоне. Расположение базовых станций и параметры сети выбираются по методике планирования и/или самим проектировщиком. После завершения детального планирования можно проанализировать емкость и зону обслуживания для каждой ячейки. В разделе 8.3 рассматривается один пример проведения детального планирования с анализом емкости и зоны обслуживания. Во время работы сети можно производить измерения ее параметров, а результаты этих измерений можно использовать для визуализации и оптимизации работы сети. Процесс планирования и оптимизации можно также автоматизировать с помощью программируемых средств и элементов сети. Оптимизация рассматривается в разделе 8.3. Радиопомехи по соседним каналам нужно учитывать при проектировании любых широкополосных систем, где нет возможности иметь большие защитные полосы. В разделе 8.4 анализируется влияние радиопомех между сетями разных операторов, и приводятся решения по планированию сети.

8.2. Определение территории размаха Определение размаха радиосети WCDMA – это процесс, с помощью которого производится оценка возможных конфигураций и количества сетевого оборудования на основании требований оператора, связанных со следующими параметрами. Территория: – зоны обслуживания – информация о типах зон – условия распространения. Емкость: – располагаемый спектр частот – прогнозирование роста числа абонентов – информация об интенсивности трафика. Качество обслуживания: – вероятностное расположение зон (вероятная зона обслуживания) – вероятность блокировки – прямое соединение конечного пользователя. В оценку размаха входят анализ ресурса радиолинии и зоны обслуживания, оценка емкости и, в конечном итоге, оценка количества сайтов и аппаратных средств базовых станций, контроллеров радиосети (RNC), оборудования для различных интерфейсов и элементов базовой сети (т.е. базовых элементов сети с коммутацией каналов и элементов сети с коммутацией пакетов).

612

613

8.2.1. Ресурсы радиоканала и эффективность зоны обслуживания В этом разделе представлен ресурс канала радиосвязи WCDMA в восходящем направлении. Существует несколько специальных параметров WCDMA в ресурсе канала радиосвязи, которые не используются в системе радиодоступа, основанном на TDMA, как, например, GSM. Самыми важными являются следующие. – Запас помехозащищенности: Этот параметр необходим в ресурсе радиолинии, потому что нагрузка ячейки, коэффициент нагрузки, влияет на зону обслуживания: смотрите раздел 8.2.2. Чем большая нагрузка допустима в системе, тем больший запас помехозащищенности необходим в восходящем канале и тем меньше зона обслуживания. Для случаев с ограниченной зоной обслуживания допускается меньший запас помехозащищенности, тогда как в случаях с ограниченной емкостью размер ячейки ограничивается допустимыми потерями на трассе в ресурсе радиолинии, и максимальная емкость воздушного интерфейса сайта базовой станции не используется. Типичными значениями запаса помехозащищенности в случаях с ограниченной зоной обслуживания являются 1,0 – 3,0 дБ, которые соответствуют 20 – 50 %-ной нагрузке. – Запас на быстрые замирания (= резерв на управление мощностью): Для обеспечения адекватного быстрого управления мощностью в замкнутом контуре необходим какой-то резерв мощности передачи MS. Это особенно относится к медленно перемещающимся подвижным пользователям, где быстрое управление мощностью помогает эффективно компенсировать быстрые замирания. Резерв по управлению мощностью изучался в [1]. Характеристика быстрого управления мощностью рассматривается в разделе 9.2.1. Типичными значениями для запаса на

614

быстрые замирания являются 2,0 – 5,0 дБ для медленно перемещающихся подвижных пользователей. – Выигрыш при мягком хэндовере: Хэндоверы – мягкий или жесткий – дают выигрыш при медленных замираниях (= логнормальных замираниях) за счет уменьшения требуемого запаса на логнормальные замирания. Это объясняется тем, что медленные замирания для разных базовых станций слабо коррелированны, и с помощью хэндовера MS может выбрать лучшую базовую станцию. Мягкий хэндовер дает дополнительный выигрыш при использовании макроразнесения в борьбе с быстрыми замираниями за счет уменьшения требуемого отношения Eb/N0 по сравнению с отдельной линией радиосвязи благодаря единению макроразнесений. Полный выигрыш от мягкого хэндовера предположительно находится в интервале между 2,0 и 3,0 дБ в нижеприведенных примерах, включая выигрыш от медленных и быстрых замираний. Хэндоверы рассматриваются в разделе 9.3, а выигрыш от макроразнесения для зоны обслуживания – в разделе 11.2.1.4. Другие параметры в ресурсе линии радиосвязи рассматриваются в главе 7 в [2]. Ниже приводятся три примера анализа ресурсов радиолинии для типичных услуг UMTS: услуга по передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с использованием речевого кодека AMR, данных, передаваемых в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с, и данных, передаваемых в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с в городской макросотовой среде при запланированном повышении помех в восходящем канале на 3 дБ. Запас помехозащищенности в 3 дБ резервируется для компенсации увеличения помех в восходящем канале. В таблицах 8.1 и 8.2 используются значения, которые рассматривались в ресурсах линии для приемников и передатчиков. Таблица 8.1. Принятые значения для MS. Максимальная передаваемая мощность

Речевой терминал 21 дБм

Оконечное устройство ввода данных 24 дБм

Коэффициенты усиления антенны

0 дБн

2 дБн

Потери из-за влияния тела

3 дБ

0 дБ

Таблица 8.2. Принятые значения для BS. Коэффициент шума Коэффициент усиления антенны

5.0 дБ 18 дБн (3-х секторная базовая станция)

Требование к Eb/N0

Речь: 5,0 дБ

615

Данные в реальном времени при скорости передачи 144 Кбит/с: 1,5 дБ Данные в нереальном времени при скорости передачи 384 Кбит/с: 1,0 дБ Потери в фидере (кабеле)

2,0 дБ

Ресурс линии радиосвязи в таблице 8.3 анализируется для передачи речи со скоростью 12,2 Кбит/с для пользователей находящихся в машине, включая потери 8,0 дБ внутри машины. В этом случае никакого запаса на быстрые замирания не резервируется, поскольку при скорости 120 км/час быстрое управление мощностью не позволяет компенсировать замирания. Полагаем, что требуемое Eb/N0 равно 5,0 дБ. Требование Eb/N0 зависит от битовой скорости вида обслуживания, профиля многолучевости, скорости перемещения MS, алгоритмов приемника и структуры антенны BS. Для низких скоростей MS требование к Eb/N0 является низким, но, с другой стороны, требуется запас на быстрые замирания. Как правило, низкие скорости MS являются огранивающим фактором в определении размеров зоны обслуживания из-за требуемого запаса на быстрые замирания. В таблице 8.4 приведен анализ ресурса линии для обслуживания передачи данных в реальном времени со скоростью передачи 144 Кбит/с, при 80% вероятности обеспечения нахождения абонента внутри здания. Основное различие данных в табл. 8.4 по отношению к табл. 8.3 состоит в разных выигрышах в отношении сигнал/шум при обработке сигналов, более высокой мощности передачи MS и более низких требованиях к Eb/N0. К тому же, запас 4,0 дБ резервируется для быстрого управления мощностью, чтобы можно было компенсировать замирания при скорости движения 3 км/час. Здесь допускаются средние потери на проникновение в здание, равные 15 дБ. В таблице 8.5 приводится анализ ресурса радиолинии для обслуживания передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с вне помещения. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов ниже, чем в предыдущих таблицах из-за более высокой скорости передачи. Кроме того, требование Eb/N0 ниже, чем при более низких скоростях передачи. Влияние битовой скорости на требование Eb/N0 отмечается в разделе 11.2.1.1. Этот ресурс радиолинии рассматривается при допущении, что мягкий хэндовер отсутствует. Таблица 8.3. Исходный ресурс радиолинии для передачи речи с помощью кодека AMR со скоростью передачи 12,2 Кбит/с (120 км/час, пользователи в машинах, канал типа А для транспортного средства, при мягком хэндовере). Телефонная услуга (передача речи) со скоростью 12,2 Кбит/с (120 км/час, в автомобиле) Передатчик MS Максимальная мощность передачи MS [Вт] То же, но в дБм Коэффициент усиления антенны MS [дБн] Потери влияния тела человека, [дБ]

0,125 21,0 0,0 3,0

616

a b c

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм] Приемник (BS) Интенсивность теплового шума [дБм/Гц] Коэффициент шума приемника BS [дБ] Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц] Мощность шума в приемнике [дБм] Запас помехозащищенности[дБ] Мощность помех в приемнике [дБм] Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм) Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ] Требуемое Eb/N 0 [дБ] Чувствительность приемника [дБ] Коэффициент усиления антенны BS[дБн] Потери в кабеле на BS [дБ] Запас на быстрое замирание (дБ) Максимальные потери на трассе [дБ]

18,0

-174,0 5,0 -169,0 -103,2 3,0 -103,2 -100,2 25,0 5,0 -120,2 18,0 2,0 0,0 154,2

Вероятность попадания в зону обслуживания [%] Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ] Коэффициент экспоненты модели распространения Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ] Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка Потери в машине [дБ] Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]

95 7,0 3,52 7,3 3,0 8,0 141,9

d=a+b-c

e f g=e+f h=g+10*log(3840000) i j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10)) k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10)) l=10*log(3840/12.2) m n=m+l+k 0 p q r=d–n+o–p-q

s t u v=r-s+t-u

Таблица 8.4. Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с (3 км/час, пользователь внутри здания обслуживается BS, находится вне здания, канал типа А для транспортного средства, при наличии мягкого хэндовера). Передача данных в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с Передатчик MS Максимальная мощность передачи MS [Вт] То же, но в дБм Коэффициент усиления антенны MS [дБн] Потери влияния тела человека, [дБ] Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм] Приемник (BS) Интенсивность теплового шума [дБм/Гц] Коэффициент шума приемника BS [дБ] Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц] Мощность шума в приемнике [дБм]

0,25 24,0 2,0 0,0 26,0

-174,0 5,0 -169,0 -103,2

617

a b c d=a+b-c

e f g=e+f h=g+10*log(3840000)

Запас помехозащищенности [дБ] Мощность помех в приемнике [дБм] Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм) Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ] Требуемое Eb/N 0 [дБ] Чувствительность приемника [дБ] Коэффициент усиления антенны BS[дБн] Потери в кабеле на BS [дБ] Запас на быстрое замирание (дБ) Максимальные потери на трассе [дБ]

3,0 -103,2 -100,2 14,3 1,5 -113,0 18,0 2,0 4,0 151,0

Вероятность попадания в зону обслуживания [%] Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ] Коэффициент экспоненты модели распространения Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ] Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка Потери в машине [дБ] Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]

80 12,0 3,52 4,2 2,0 15,0

133,8

i * ^ j=10 log(10 ((h+i)/10)^ * 10 (h/10)) k=10 log(10^(h/10)+ 10^(j/10)) * l=10 log(3840/144) m n=m+l+k 0 p q r=d–n+o–p-q

s t u

v=r-s+t-u

Таблица 8.5. Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с (3 км/час, пользователь вне помещения, транспортное средство, канал типа А, без мягкого хэндовера). Передача данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с без мягкого хэндовера Передатчик MS Максимальная мощность передачи MS [Вт] То же, но в дБм Коэффициент усиления антенны MS [дБн] Потери влияния тела человека, [дБ] Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм] Приемник (BS) Интенсивность теплового шума [дБм/Гц] Коэффициент шума приемника BS [дБ] Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц] Мощность шума в приемнике [дБм]

0,25 24,0 2,0 0,0 26,0

-174,0 5,0 -169,0 -103,2

618

a b c d=a+b-c

e f g=e+f h=g+10*log(3840000)

Запас помехозащищенности [дБ] Мощность помех в приемнике [дБм] Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм) Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ] Требуемое Eb/N 0 [дБ] Чувствительность приемника [дБ] Коэффициент усиления антенны BS[дБн] Потери в кабеле на BS [дБ] Запас на быстрые замирания (дБ) Максимальные потери на трассе [дБ]

3,0 -103,2 -100,2 10,0 1,0 -109,20 18,0 2,0 4,0 147,2

Вероятность попадания в зону обслуживания [%] Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ] Коэффициент экспоненты модели распространения Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ] Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка Потери в машине [дБ] Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]

95 7,0 3,52 7,3 0,0 0,0 139,9

i j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10)) k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10)) l=10*log(3840/12/2) m n=m+l+k 0 p q r=d–n+o–p-q

s t u v=r-s+t-u

Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта на узел в км2/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика. Исходя из вышеуказанных ресурсов радиолинии, расстояние до границ ячейки R можно легко вычислить по известной модели распространения, например, модели Окумура-Хата или модели Уолфиш-Икегами. Модель распространения описывает усредненный вариант распространения сигналов в указанной среде, и она позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах. В качестве примера мы можем взять модель распространения ОкумураХата для городской макроячейки с высотой антенны BS 30 м, высотой антенны MS 1,5 м и частоты несущей 1950 МГц [6]: L = 137,4 + 35,2 log10(R) , (8.1) где L − потери на трассе в дБ и R − расстояние в км. Для пригородных зон мы допускаем использование дополнительного коэффициента коррекции зоны 8 дБ и получаем потери на трассе в виде: L = 129,4 + 35,2 log10(R) (8.2) Согласно уравнению (8.2) расстояние до границ ячейки при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с потерями на трассе 141,9 дБ в пригородной зоне, показанны в таблице 8.3, составит 23 км. Расстояние до границ ячейки при скорости передачи 144 Кбит/с внутри помещения составит 1,4 км. Определив расстояние до ячейки R, можно затем получить размеры участка (сайта), которые являются

619

также функцией конфигурации разбиения на секторы. Для ячейки гексагональной формы, охватываемой ненаправленной антенной, зона обслуживания может быть аппроксимирована как 2,6R2. 8.2.2. Коэффициенты нагрузки и эффективность спектра Вторым этапом определения размаха является оценка величины поддерживаемого трафика на участке (сайте) BS. Когда повторное использование частоты системы WCDMA равно 1, система, как правило, ограничивается по помехам воздушным интерфейсом, и, таким образом, должны быть вычислены величина помех и емкость ячейки. 8.2.2.1. Коэффициент нагрузки в восходящем канале

Теоретическая спектральная эффективность ячейки WCDMA может быть вычислена из уравнения нагрузки, вывод которого показан ниже. Прежде всего, определим Eb/N0 энергию на пользовательский бит, поделенную на спектральную плотность шума: Eb/N0=

Мощность сигнала пользователя j Полная принимаемая мощность (исключая собственный сигнал)

Выигрыш в отношении сиг- .

нал/шум Это можно записать в виде:

W

⋅

(8.3)

Pj

, (8.4) υ j R j I total − P j где W − скорость передачи чипов, Pj − мощность принимаемого сигнала от j пользователя,ν j − коэффициент активности j пользователя, Rj − битовая скороcть j пользователя и Itotal. − полная принимаемая широкополосная мощность, включающая мощность теплового шума на BS. После решения уравне1 ния для Pj, получаем Pj = ⋅ I total (8.5) W (Eb/N0)j =

1+

(E

W

N 0)R j υ j Мы определяем Pj = Lj⋅Itotal и получаем коэффициент нагрузки Lj одного соединения 1 (8.6) Lj = W 1+ (E b N 0 )⋅ R j ⋅ υ j Полные принимаемые помехи, включая тепловой шум PN, можно записать в виде суммы принимаемых мощностей от всех N пользователей в одной и той же ячейке b

620

N

Itotal – PN =

∑Pj= j

N

∑L

j

j

(8.7)

I total

Увеличение помех определяется как отношение полной принимаемой широкополосной мощности к мощности помех Увеличение помех = I total (8.8) PN и, используя уравнение (8.7), можно получить I total = 1 PN 1− N

Увеличение помех =

∑L j

=

1 , 1 − ηUL

(8.9)

j

где мы определили коэффициент нагрузки ηUL как N

η UL = ∑ L j

(8.10)

j =1

Когда ηUL становится близким к 1, соответствующее увеличение помех приближается к ∞, и, система реализует свою нагрузочную емкость. Кроме того, в коэффициенте нагрузки помехи от других ячеек должны учитываться путем вычисления отношения помех от другой ячейки к помехам в собственной ячейке, i: помехи от другой ячейки

i=

(8.11)

помехи в собственной ячейке

Далее коэффициент нагрузки в восходящем канале можно записать в виде 1 . (8.12) W j =1 j =1 ( E b N 0) ⋅ R j ⋅υ j Уравнение нагрузки позволяет прогнозировать величину превышения помехами теплового шума. Превышение уровня равно − 10 log10(1-ηUL). Запас на помехи в ресурсе линии должен быть равен максимальному принятому превышению помех. Требуемое отношение Eb/N0 можно получить исходя из моделирования на уровне канала и данных измерений. Оно включает влияние управления мощностью в замкнутом контуре и мягкого хэндовера. Влияние мягкого хэндовера измеряется как выигрыш от объединения макроразнесений по сравнению с величиной Eb/N0 для отдельной линии. Отношение помех от другой ячейки к помехам собственной (обслуживающей) ячейки i является функцией среды ячейки или развязки ячеек (например, макро/микро, городской/пригородный) и диаграммы направленности антенны (например, всенаправленной, 3-х или 6-и секторной [4]). Параметры поясняются дальше в таблице 8.6. N

N

ηUL = (1 + i ) ⋅ ∑ L j = (1 + j ) ⋅ ∑

621

Уравнение нагрузки обычно используется для составления полуаналитического прогнозирования средней емкости ячейки WCDMA без моделирования пропускной способности на уровне системы. Это уравнение нагрузки можно использовать с целью прогнозирования емкости и планирования превышения помех в процессе определения размаха. Таблица 8.6. Параметры, используемые при вычислении коэффициента нагрузки в восходящем канале. Определение

Рекомендуемые значения

N

Число пользователей на ячейку

υj

Коэффициент активного пользователя

0,67 для речи, предполагаемая 50 % речевая активность и дополнительные затраты на DРССН при DТХ 1,0 для передачи данных

на физическом уровне

Eb/N0 Энергия сигнала на бит, поделенная на спектральную плотность шума, которая должна отвечать заданному качеству обслуживания (например, вероятность появления ошибки в битах). Шум включает и тепловой шум, и помехи.

Зависят от обслуживания, битовой скорости, канала с многолучевым замиранием, разнесения антенн при приеме, скорости MS и т.д.

W

Скорость передачи чипов WCDMA

3,84 Мчип/с

Rj

Битовая скорость j пользователя

Зависит от обслуживания

i

Отношение уровней радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной ячейке, определенное приемником BS

Макроячейка с ненаправленной антенной: 55 %

Для классической сети с передачей только речи, где все N пользователи в ячейке имеют низкую битовую скорость R, можно отметить, что W >> 1 ⋅ ⋅ Eb N 0 R υ

(8.13)

и вышеуказанное уравнение нагрузки в восходящем канале можно аппроксимировать и упростить до ηUL =

E b N 0 ⋅ N ⋅υ ⋅ (1 + i ) W R

(8.14)

На рис. 8.2 показан пример увеличения шума в восходящем канале от скорости передачи данных с требуемым допущением Eb/N0 = 1,5 дБ и i = 0,65. Увеличение шума на 3 дБ соответствует 50 % коэффициенту нагрузки, и на 6,0 дБ − 75 % коэффициенту нагрузки. Вместо показа числа пользователей N мы показываем полную пропускную способность на ячейку для всех одновременно обслуживаемых пользователей. В этом примере пропускная способность 860 Кбит/с может обеспечиваться при увеличении шума на 3,0 дБ, а 1300 Кбит/с при увеличении шума на 6,0 дБ.

622

Увеличение шума (помех) [дБ]

Пропускная способность [Кбит/c] Рис. 8.2. Увеличение шума в восходящем канале как функция полной пропускной способности в восходящем канале. 8.2.2.2. Коэффициент нагрузки в нисходящем канале

Коэффициент нагрузки в нисходящем канале ηDL можно определить, основываясь на аналогичном принципе, как и для восходящего канала, хотя параметры будут несколько различными [5]:

(E b N 0 ) ⋅ − + , η DL = ∑υ j 1 α j ij W

[(

N

) ]

(8.15) Rj где 10 log10(1 − ηDL) равно превышению шума над уровнем теплового шума, обусловленному помехами в режиме множественного доступа. Эти параметры поясняются ниже в таблице 8.7. По сравнению с уравнением нагрузки в восходящем канале наиболее существенным новым параметром является αj, который представляет собой коэффициент ортогональности в нисходящем канале. WCDMA использует ортогональные коды в нисходящем канале для разделения пользователей; ортогональность сохраняется и без какого-либо многолучевого распространения, когда сигнал BS принимается MS. Однако, если имеет место большой разброс задержки в радиоканале, MS будет воспринимать часть сигнала BS как помеху от множественного пользования. Ортогональность, равная 1, соответствует идеальным ортогональным пользователям. Обычно, ортогональность в многолучевых каналах составляет от 0,4 до 0,9. В нисходящем канале отношение радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной ячейке i зависит от расположения пользователя и поэтому является различным для каждого j пользователя. При моделировании радиопомех в нисходящем канале влияние передачи с мягким хэндовером может моделироваться как наличие дополнительных соj =1

623

единений в ячейке. Затраты на мягкий хэндовер определяются как полное число соединений, поделенных на общее число пользователей минус 1. В то же самое время следует учитывать выигрыш при мягком хэндовере по сравнению с Eb/N0 для отдельной радиолинии. Этот выигрыш, названный выигрышем от объединения при макроразнесениях, можно вывести из анализа моделирования на уровне линия/система и измерить как уменьшение требуемого отношения Eb/N0 для каждого пользователя. Влияние разнесения антенн при передаче должно быть включено в требуемое отношение Eb/N0. Выигрыш от разнесения при передаче рассматривается в разделе 11.3.2. Коэффициент нагрузки в нисходящем канале ηUL очень похож на коэффициент нагрузки в восходящем канале ηDL в том смысле, что при приближении к 1 система достигает своей полной пропускной способности, и увеличение помех по сравнению с тепловым шумом стремится к ∞. Таблица 8.7. Параметры, используемые при вычислении коэффициента нагрузки в нисходящем канале. N υj Eb/N0

W Rj αj ij

α

i

Определения Рекомендуемые значения для задания размеров Число соединений на ячейку = число пользователей на ячейку x (1 + затраты на мягкий хэндовер) Коэффициент активности на физическом уровне 0,67 для речи, предполагается 50 % речевая активность и затраты на DРССН при DТХ 1,0 для передачи данных Зависят от обслуживания, битовой скорости, канала Энергия сигнала на бит, поделенная на спекс многолучевым замиранием, разнесения антенн при тральную плотность шума, необходимую для удовлетворения заранее определенного качества передаче, скорости MS и т.д. обслуживания (например, вероятность появления ошибки в битах). В понятие шума входят и тепловой шум, и радиопомехи. Скорость передачи чипов WCDMA 3,84 Мчип/с Битовая скорость j пользователя Зависит от обслуживания Ортогональность j пользователя Зависит от многолучевого распространения 1: полностью ортогональный однолучевой канал 0: без ортогональности Отношение мощности BS другой ячейки к мощ- Каждый пользователь видит разное ij, зависящее от ности BS собственной ячейки, принимаемой j его расположения в ячейке и логарифмически нормального затенения пользователем Средний коэффициент ортогональности в ячейке ITU А-канал подвижного средства ∼ 60 % ITU А-канал пешехода ∼ 90 % Среднее отношение мощности BS другой ячейки Макроячейка с ненаправленными антеннами: 55 %. к мощности собственной ячейки, принимаемое пользователем. Радиопомехи от собственной ячейки здесь являются широкополосными.

Примечание: собственная ячейка определяется как наилучшая ячейка обслуживания. Если пользователь пользуется мягким хэндовером, все другие базовые станции в активном семействе пользователей считаются как часть «другой ячейки».

Для задания размеров в нисходящем канале важно оценить полную требуемую величину мощности передачи BS. Она должна быть основана на усред-

624

ненной мощности передачи для пользователя, а не на максимальной мощности передачи на краю ячейки, показанной в ресурсе радиолинии. Минимальная требуемая мощность передачи для каждого пользователя определяется средним затуханием между передатчиком и мобильным приемником, т.е. L , и чувствительностью приемника MS в условиях отсутствия радиопомех при множественном доступе (внутри или между ячейками). Тогда влияние увеличения помех, обусловленное радиопомехами, добавляется к этой минимальной мощности, и полная мощность представляет собой мощность передачи, необходимую для пользователя при «среднем» расположении в ячейке. Математически полная мощность передачи может быть представлена следующим уравнением: N (E b N 0 ) N rf W L ∑υ j j =1 W Rj BS_TxP = , (8.16) 1 − η DL где Nrf − спектральная плотность шума во входном каскаде приемника MS. Значение Nrf можно получить из Nrf = − 108,2 дБм + NF, (8.17) где − 108,2 дБм − уровень теплового шума при скорости 3,84 Мчип/с и NF − коэффициент шума приемника MS при типичных значениях 5 − 9 дБ. Коэффициент нагрузки можно аппроксимировать его средним значением в ячейке, т.е., N

η DL = ∑υ j ⋅

(E

b

N0

) ⋅ [(1 − α ) + i ] j

(8.18). W Rj Нагрузка воздушного интерфейса в обоих каналах − в восходящем и нисходящем − влияет на зону обслуживания, однако, влияние не будет строго одинаковым. Ниже описывается это различие между кривыми нагрузки в восходящем и нисходящем каналах. Максимальные потери на трассе, т.е. зона обслуживания как функция нагрузки показана на рис. 8.3 для обоих каналов. Предполагают, что сайт ячейки состоит из 3-х секторов, и пропускные способности показаны на сектор на несущую 5 МГц. Восходящий канал вычисляется для передачи данных со скоростью 144 Кбит/с, и ресурс радиолинии показан в таблице 8.14. Считается, что отношение уровней радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной i равно 0,65. В нисходящем канале считается, что ортогональность равна 0,6 и Eb/N0 = 5,5 дБ, что дает полную пропускную способность 820 Кбит/с/ячейка. Никакого разнесения при передаче не допускается при этом отношении Eb/N0. Мощность передачи BS предполагается равной 10 Вт, и дополнительно учитываются потери в кабеле. Влияние общих нисходящих каналов включают в вычисления для нисходящего канала, т.е. для общих нисходящих каналов выделяется часть от 10 Вт. Максимальная пропускная j =1

625

Максимальные потери на трассе [дБ]

способность в восходящем 1730 Кбит/с/ячейка.

канале

в

этом

примере

составляет

Нисходящий канал 10 Вт Восходящий канал 144 Кбит/с / терминал 125 мВт Зона обслуживания в восходящем канале ограничена

Емкость нисходящего канала ограничена

Нагрузка [Кбит/c] Рис. 8.3. Пример зависимости зоны обслуживания от полнойпропускной способности в нисходящем и восходящем каналах в макроячейках.

В нисходящем канале зона обслуживания зависит от нагрузки больше, чем в восходящем канале согласно рис. 8.3. Это происходит, потому что в нисходящем канале максимальная мощность передачи остается одинаковой − те же 10 Вт независимо от числа пользователей и совместно используется пользователями в нисходящем канале, тогда как в восходящем канале каждый дополнительный пользователь имеет свой собственный усилитель мощности. Поэтому даже при низкой нагрузке в нисходящем канале зона обслуживания уменьшается с увеличением числа пользователей. Отметим, что при вышеуказанных допущениях зона обслуживания восходящим каналом для нагрузки ниже 650 Кбит/с жестко ограничивается, тогда как в нисходящем канале ограничивается пропускная способность. Поэтому в главе 11 рассматривается в основном зона обслуживания в восходящем канале, а пропускная способность − в нисходящем канале. Представленные выше пропускные способности зависят от окружающей среды и приведены только в качестве примеров. Зависимость между пропускной способностью и зоной обслуживания будет сохраняться независимо от сделанных допущений. Влияние окружающей среды на пропускные способности рассматривается в разделе 11.3.1.2. Необходимо помнить о том, что в сетях 3-го поколения трафик в восходящем и нисходящем каналах может быть асимметричным, и нагрузка в этих каналах может быть различной.

626

Максимальные потери на трассе [дБ]

На рис. 8.3 считается, что максимальная мощность в BS равна 10 Вт. На сколько можно увеличить зону обслуживания и пропускную способность в нисходящем канале, если использовать большую мощность, например, 20 Вт. На рис. 8.4 показано различие между зоной обслуживания и пропускной способностью в нисходящем канале при выходных мощностях BS 10 Вт и 20 Вт. Если мы увеличим мощность в нисходящем канале на 3 дБ, то мы сможем допустить на 3,0 дБ более высокие максимальные потери на трассе независимо от нагрузки. Увеличение емкости меньше, чем увеличение зоны обслуживания, исходя из кривой нагрузки. Если мы теперь зафиксируем потери на трассе в нисходящем канале при 153 дБ, которые являются максимальными потерями на трассе в восходящем канале при запасе на радиопомехи (интерференцию) 3 дБ, то емкость по нисходящим каналам может увеличиться только на 10 % (0,4 дБ) от 680 Кбит/с до 750 Кбит/с. Увеличение мощности передачи в нисходящем канале − неэффективный способ увеличения пропускной способности в нисходящем канале, потому что имеющаяся мощность не влияет на максимальную пропускную способность. Мощность в нисходящем канале 10 Вт Мощность в нисходящем канале 20 Вт

Примечание: Выигрыш в пропускной способности зависит от макси- Выигрыш для зоны обслужимальных потерь на трассе вания – 3 дБ Емкость на 10% выше (0,4) дБ

Нагрузка [Кбит/c] Рис. 8.4. Влияние выходной мощности BS на полную пропускную способность и зону обслуживания в нисходящем канале.

Допустим, что мы имеем мощность передачи в нисходящем канале 20 Вт. Разделение мощности в нисходящем канале между двумя частотами позволит увеличить пропускную способность в нисходящем канале от 750 Кбит/с до 2х680 Кбит/с = 1360 Кбит/с, т. е. на 80 %. Разделение мощности в нисходящем канале между двумя несущими − эффективный способ увеличения пропускной способности без каких-либо излишних вложений в усилители мощности. Способ разбиения мощности требует, чтобы распределение частот оператором позволяло использовать две несущих на BS.

627

8.2.2.3. Спектральная эффективность WCDMA

Спектральную эффективность WCDMA можно определить либо по числу одновременных вызовов при заданных битовых скоростях, либо, что более подходит к системам 3-го поколения, с помощью агрегированной полной пропускной способности на физическом уровне, поддерживаемой в каждой ячейке на несущую 5 МГц, которая измеряется в Кбит/с/ячейка/несущая. Спектральная эффективность − это функция среды радиосвязи, мобильности и расположения пользователей, услуг и качества обслуживания, а также условий распространения. Колебания эффективности могут быть очень большими (например, 50 − 100 %). Поэтому большая часть моделей систем, в которых сделана попытка предложить какое-то определение средней спектральной эффективности WCDMA, отражают только результаты для каких-то заранее выбранных условий ячейки и поведения пользователей. Для территории обслуживания при смешанном трафике пропускная способность может вычисляться строго в соответствии с уравнениями (8.12) и (8.15). Обычное правило преобразования пропускной способности речевого канала в пропускную способность канала передачи данных может базироваться на индивидуальных коэффициентах нагрузки для каждой из услуг. 8.2.3. Мягкая пропускная способность 8.2.3.1. Пропускная способность в эрлангах

При задании размеров площади обслуживания в разделе 8.2 вычислялось число каналов на ячейку. Основываясь на этих цифрах, мы можем рассчитать максимальную плотность трафика, которая может быть обеспечена с заданной вероятностью блокировки. Плотность трафика можно измерять в эрлангах, и она определяется ([6], стр. 270) как Интенсивность поступления вызовов (вызовы/с) Плотность трафика (в эрлангах) =

(8.19)

Скорость обслуживания вызовов Если пропускная способность блокируется жестко, т.е. ограничивается величиной аппаратного оборудования, то пропускную способность в эрлангах можно получить из В-модели Эрланга [6]. Если максимальная пропускная способность ограничивается величиной помех в воздушном интерфейсе, она, по определению, является мягкой пропускной способностью, так как никакого единственного фиксированного значения для максимальной пропускной способности не существует. Для системы, ограниченной мягкой пропускной способностью, пропускная способностью в эрлангах не может быть вычислена из модели B

628

Эрланга В, потому что она дала бы слишком пессимистические результаты. Полный объединенный резерв каналов больше, чем среднее число каналов на ячейку, поскольку смежные ячейки разделяют часть одних и тех же помех, и поэтому больший трафик может быть обслужен с одной и той же вероятностью блокировки. Мягкую пропускную способность можно пояснить следующим образом. Чем меньше помех поступает от соседних ячеек, тем больше каналов оказывается в средней ячейке, как показано на рис. 8.5.

Одинаково нагруженные ячейки

Чем меньше помех в соседних ячейках, тем выше пропускная способность в средней ячейке

Рис. 8.5. Разделение помех между ячейками в WCDMA.

При небольшом числе каналов на ячейку, т.е. для пользователей передачи данных в реальном времени с высокой скоростью передачи, средняя нагрузка должна быть очень низкой для того, чтобы гарантировать низкую вероятность блокировки. Так как средняя нагрузка низкая, то в соседних ячейках обычно образуется дополнительная пропускная способность. Эту пропускную способность можно занять из соседних ячеек, поэтому разделение помех дает мягкую пропускную способность. Мягкая пропускная способность важна для пользователей передачи данных в реальном времени с высокой скоростью передачи, например, для видеосоединений. Она может быть также получена в GSM, если пропускная способность воздушного интерфейса ограничивается величиной помех, а не числом временных интервалов (слотов). Это предполагает в GSM низкий коэффициент повторного использования частот при комбинированной нагрузке. В нижеприведенных вычислениях для мягкой пропускной способности предполагают, что число абонентов одно и тоже во всех ячейках, но соединения начинаются и кончаются независимо. Кроме того, интервал поступления вызовов следует распределению Пуассона. Этот подход можно использовать при определении общей площади обслуживания, когда вычисляются пропускные способности в эрлангах. В WCDMA имеется дополнительная мягкая пропускная способность, кроме того, число пользователей в соседних ячейках меньше.

629

Ниже на нескольких примерах показано различие между жесткой и мягкой блокировками в восходящем канале. Мягкая пропускная способность WCDMA определяется в этом разделе как увеличение пропускной способности в эрлангах при мягкой блокировке по сравнению с пропускной способностью при жесткой блокировке с одним и тем же максимальным числом каналов на ячейку в среднем как при мягкой, так и при жесткой блокировках: Пропускная способность в эрлангах при мягкой блокировке Мягкая пропускная способность

−

= Пропускная способность в эрлангах при жесткой блокировке

1

(8.20)

В разделе 9.5 приводится стратегия управления доступом, основанная на широкополосной мощности. Такая стратегия управления доступом дает мягкую блокировку и мягкую пропускную способность. Мягкую пропускную способность в восходящем канале можно аппроксимировать, основываясь на полных уровнях помех на BS. В эти полные помехи входят как помехи от собственной ячейки, так − и от других ячеек. Поэтому полный объединенный резерв каналов можно получить путем умножения числа каналов на ячейку в равнонагруженных ячейках на 1 + i, что дает пропускную способность отдельной изолированной ячейки, поскольку помехи от других ячеек + помехи от собственной ячейки

помехи от других ячеек +1=

i+1= помехи от собственной ячейки

(8.21) =

помехи от собственной ячейки

пропускная способность изолированной ячейки = пропускная способность множества ячеек

Далее основная модель “B” Эрланга применяется к большему, объединенному резерву (пулу) каналов (= пулу помех). Полученная пропускная способность в эрлангах затем делится поровну между ячейками. Процедура для оценки мягкой пропускной способности приводится в сжатом виде ниже. 1. Вычислить число каналов на ячейку N в случае одинаковой нагрузки, основываясь на коэффициенте нагрузки в восходящем канале, уравнение (8.12). 2. Умножить полученное число каналов на 1 + i для получения полного пула каналов в случае с мягкой блокировкой.

630

3. Вычислить максимальный предлагаемый трафик, исходя из модели “B” Эрланга. 4. Разделить пропускную способность в Эрлангах на 1 + i. 8.2.3.2. Примеры мягкой пропускной способности в восходящем канале

Приводится несколько числовых примеров определения мягкой пропускной способности, сделанные допущения показаны в таблице 8.8. Таблица 8.8. Допущения при вычислениях мягкой пропускной способности. Битовые скорости

Речь: 12,2 Кбит/с Данные в реальном времени: 16 − 144 Кбит/с Речь: 67 % Данные : 100 % Речь: 4 дБ Данные: 16 − 32 Кбит/с: 3 дБ Данные 64 Кбит/с: 2 дБ Данные 144 Кбит/с: 1,5 дБ 0,55 3 дБ (= 50% коэффициент нагрузки) 2%

Речевая активность Eb/N0

i Увеличение помех Вероятность блокировки

Пропускные способности, полученные для обоих каналов, основываясь на уравнении (8.12) и нагрузке в эрлангах на ячейку, показаны в таблице 8.9. Эффективность транкинга магистральной сети, показанная в таблице 8.9, определяется как пропускная способность при жесткой блокировке, поделенная на число каналов. Чем ниже эффективность транкинга, чем ниже средняя нагрузка, тем большую пропускную способность можно занять из соседних ячеек и тем большую мягкую пропускную способность мы имеем. Таблица 8.9. Вычисления мягкой пропускной способности в восходящем канале Битовая скорость

Каналы на

Пропускная способность

(Кбит/с)

ячейку

при жесткой блокировке

Эффективность транкинга

Пропускная способность

12,2

60,5

50,8 Erl

84 %

53,5 Erl

5%

16

39,0

30,1 Erl

77 %

32,3 Erl

7%

32

19,7

12,9 Erl

65 %

14,4 Erl

12 %

64

12,5

7,0 Erl

56 %

8,2 Erl

17 %

144

6,4

2,5 Erl

39 %

3,2 Erl

28 %

при мягкой блокировке

Мягкая пропускная способность

Мы отмечаем, что мягкая пропускная способность для более высоких битовых скоростей больше, чем для более низких битовых скоростей. Эта зависимость показана на рис. 8.6. Мягкая пропускная способность 30% 20% 10%

631

Рис. 8.6. Мягкая пропускная способность как функция битовой скорости для соединений в реальном времени.

Следует отметить, что величина мягкой пропускной способности зависит также от среды распространения и от планирования сети, которые влияют на величину i. Мягкую пропускную способность можно получить только в том случае, когда алгоритмы управления радиоресурсами могут использовать более высокую пропускную способность в одной ячейке, если соседние ячейки имеют более низкую нагрузку. Этого можно достигнуть, если алгоритмы управления радиоресурсами основываются на широкополосных помехах, а не на пропускной способности или числе соединений. Аналогичная мягкая пропускная способность также имеется в нисходящем канале WCDMA, а также в GSM, если применяются алгоритмы управления радиоресурсами, основанные на помехах.

8.3. Планирование пропускной способности и зоны обслуживания 8.3.1. Итерационное прогнозирование пропускной способности и зоны обслуживания В этом разделе приводится подробное планирование пропускной способности и размеров зоны обслуживания. На этапе подробного планирования необходимы реальные данные о распространении радиоволн в рассматриваемой зоне наряду с расчетной плотностью и трафиком пользователей. Кроме того, необходима информация о существующих участках BS для того, чтобы использовать вложения в существующие участки. В результате подробного планирования пропускной способности и зоны обслуживания получаем данные о расположении, конфигурации и параметрах базовых станций. Так как в WCDMA все пользователи совместно используют одни и те же ресурсы помех в воздушном интерфейсе, они не могут анализироваться независимо. Каждый пользователь влияет на других и заставляет их мощности передачи изменяться. Эти изменения вызывают, в свою очередь, снова изменения и т.д. Поэтому весь процесс прогнозирования должен выполняться итерационно

632

до тех пор, пока мощности передачи не стабилизируются. Кроме того, используемые скорости передвижения, профили многолучевых каналов, битовые скорости и виды обслуживания играют более важную роль, чем в системах 2-го поколения с TDMA/FDMA. К тому же, в WCDMA включаются быстрое управление мощностью в обоих − в восходящем и нисходящем − каналах, мягкий/полумягкий хэндовер и ортогональные нисходящие каналы, которые также влияют на работу системы. Главное различие в прогнозировании зоны обслуживания между WCDMA и TDMA/FDMA заключается в том, что оценка помех является решающим фактором на этапе прогнозирования зоны обслуживания в WCDMA. В текущих используемых в настоящее время процессах планирования GSM чувствительность BS считается, как правило, постоянной, и порог зоны обслуживания один и тот же для каждой BS. В случае WCDMA чувствительность BS зависит от числа пользователей и используемых битовых скоростей во всех ячейках, т.е. это специфика ячейки и обслуживания. Также заметим, что в сетях 3-го поколения нисходящий канал можно нагружать больше, чем восходящий, либо наоборот.

633

8.3.2. Методика планирования В системах 2-го поколения детальное планирование касается, в основном, планирования зоны обслуживания. В системах же 3-го поколения необходимо иметь более детализированное полное планирование помех и анализ пропускной способности, чем это достигается простой оптимизацией зоны обслуживания. Методика планирования должна помочь проектировщику оптимизировать конфигурации BS, выбрать антенны и задать их направленность, определить даже места расположения участков для того, чтобы удовлетворить требования к качеству обслуживания, к пропускной способности и по обеспечению видов услуг при минимальных затратах. Для достижения оптимального результата эта методика должна предполагать знание алгоритмов распределения радиоресурсов с тем, чтобы выполнять операции и принимать решения, как это делается в реальной сети. Вероятность обеспечения зоны обслуживания в восходящем и нисходящем каналах определяется для конкретного обслуживания путем проверки возможности осуществления обслуживания в каждом местоположении, предусмотренном планом. Подробное описание методики планирования можно найти в [7]. Этап фактического детального планирования не отличается очень сильно от планирования в системах 2-го поколения. В этой методике планирования закладываются данные об участках и секторах. Основное различие − в важности уровня трафика. В предлагаемых детализированных способах анализа (смотрите следующие разделы) используются дискретные MS при анализе WCDMA. Плотность MS в различных ячейках должна базироваться на фактической информации о трафике. Активные «горячие» участки должны определяться как входные данные для точного анализа. Одним из источников информации, касающихся плотности пользователей, будут данные, полученные от операторов сети 2-го поколения или позднее 3-го поколения. Методика планирования, описанная здесь, отличается от динамической модели, представленной в разделе 10.6.2. Методикой (средством) планирования является статическая модель (имитатор), которая основывается на средних условиях, и выборке данных сети. В динамическую модель входят модели трафика и мобильности, которые делают возможным разработку и проверку алгоритмов управления радиоресурсами в реальном времени (RRM). Динамические модели можно использовать для изучения характеристики алгоритмов RRM в реальных условиях, а результаты этих моделирований можно использовать как ввод в эту методику планирования сети. Например, с использованием этой динамической модели может быть проверено на практике действие алгоритмов хэндовера при измеренных ошибках и задержках, а результаты введены в методику планирования сети. Проверка алгоритмов RRM требует точного моделирования работы линии WCDMA, и поэтому в динамической модели использу-

634

ется разрешение по времени, соответствующее частоте управления мощностью 1,5 КГц. Такая высокая точность делает методику динамического моделирования сложной, а моделирование – все еще медленным (при использовании имеющихся в настоящее время быстродействующих рабочих станций) для целей планирования сети на практике. Точная динамическая методика моделирования может использоваться для проверки и разработки более простого моделирования работы в методике планирования сети. Когда будет получено достаточное количество результатов из крупномасштабных сетей WCDMA, то эти результаты (данные) будут использоваться для калибровки (уточнения) методики планирования сети. 8.3.2.1. Итерации в восходящем и нисходящем каналах

Цель итерации в восходящем канале − назначать мощности передачи моделируемым мобильным станциям так, чтобы уровни помех и значения чувствительности базовых станций сопрягались. Уровень чувствительности BS корректируется вычисленным уровнем помех в восходящем канале (увеличение помех) и поэтому зависит от состояния ячейки. Влияние нагрузки в восходящем канале на чувствительность учитывается членом − 10⋅log10(1 − ηUL), где ηUL задается уравнением (8.12). При итерации в восходящем канале мощности передачи MS вычисляются, основываясь на уровне чувствительности наилучшего сервера, обслуживании, скорости движения и потерь на линии. Далее мощности передачи сравниваются с максимальной допустимой мощностью передачи MS, и у MS, превышающих этот предел, передача прерывается. Затем помехи переоцениваются и назначаются новые значения нагрузки и чувствительности для каждой BS. Если коэффициент нагрузки в восходящем канале выше установленного предела, MSs хаотично перемещаются из ячейки с высокой нагрузкой на другую несущую (если позволяет спектр), или их обслуживание прекращается. Цель итерации в нисходящем канале − назначать правильные мощности передачи BS каждой мобильной станции до тех пор, пока принимаемый сигнал на MS отвечает требуемому отношению Eb/N0. 8.3.2.2. Моделирование работы на уровне канала

При определении площади (размаха) и планировании радиосети необходимо сделать упрощающие предположения, касающиеся канала с многолучевым распространением, передатчика и приемника. В традиционной модели должно использоваться среднее принимаемое Eb/N0, гарантирующее требуемое качество обслуживания как основную величину, которая включает учет влияния профиля задержки мощности. В системах, использующих быстрое управление мощностью, среднего принимаемого Eb/N0 недостаточно для того, чтобы

635

охарактеризовать влияние радиоканала на работу сети. Кроме того, распределение мощности передачи должно учитываться при моделировании работы на уровне радиоканала в оценках на уровне сети. Соответствующий способ приводится в [1] для восходящего канала WCDMA. Было показано, что из-за быстрого управления мощностью в условиях многолучевого замирания помимо требования к среднему принимаемому Eb/N0, необходимо учитывать увеличение средней мощности передачи при оценках помех. Увеличение мощности подробно рассматривается в разделе 9.2.1.2. Более того, запас на управление мощностью должен включаться в оценку ресурса радиолинии для того, чтобы управление мощностью соответствовало быстрым замираниям на краю ячейки. Множественные радиолинии учитываются в модели при оценке выигрышей при мягком хэндовере в средней принимаемой и передаваемой мощностях, а также в требуемом резерве управления мощностью. При моделировании мощности передачи корректируются коэффициентом активности речи, выигрышем при мягком хэндовере и средним увеличением мощности для каждой MS.

Y – координата (в м)

8.3.3. Пример В этом примере на рис. 8.7 показано планирование для района Espoo, Финляндия, размером ≈ 12 х 12 км2. Использовалась методика планирования сети, описанная в разделе 8.3.2.

Х – координата (в м) Рис. 8.7. Сценарий сети. Размеры района 12 х 12 км, он обслуживается 19 сайтами, в каждом из них трехсекторные ячейки.

636

Было установлено, что существуют необходимые вероятности обслуживания оператором в зоне охвата для услуг со скоростью передачи 8 Кбит/с, 64 Кбит/с и 384 Кбит/с соответственно 95 %, 80 % и 50 % или лучше. Этап планирования начинался с оценки ресурса радиолинии и выбора схемы расположения сайтов. На следующем этапе планирования были оптимизированы доминирующие районы для каждой ячейки. В этом контексте доминирование связано только с условиями распространения. Наклон антенны, азимут и расположение участков могут регулироваться для получения зон с четко выраженным распространением радиоволн в этих ячейках. Оптимизация района доминирования важна для определения помех, зоны мягкого хэндовера и управления вероятностью осуществления мягкого хэндовера. Улучшенные мягкий/полумягкий хэндовер и характеристика помех автоматически ведут к улучшенной пропускной способности сети. План состоит из 19 макроучастков (сайтов), каждый с тремя секторами, и средняя зона сайта равна 7,6 км2. В городской зоне нагрузка в восходящем канале была ограничена до 75 %, что соответствовало увеличению помех на 6 дБ. В случае превышения нагрузки у необходимого числа мобильных станций из сильно нагруженных ячеек случайным образом прерывалась связь (или они перемещались на другую несущую). В таблице 8.10 показано распределение пользователей в моделях, а другие, использованные параметры при моделировании, приводятся в таблице 8.11. Таблица 8.10. Распределение пользователей. Услуга в Кбит/с

Пользователей на указанную услугу

8 Кбит/с

1735

64 Кбит/с

250

384 Кбит/с

15

Таблица 8.11. Параметры, используемые в модели. Предел нагрузки в восходящем канале

75 %

Максимальная мощность передачи BS

20 Вт (43 дБм)

Максимальная мощность передачи MS

300 мВт (= 25 дБм)

Динамический диапазон управления мощностью MS

70 дБ

Корреляция медленных (логарифмически нормальных) замираний между базовыми станциями

50 %

Стандартное допустимое отклонение для медленных замираний

6 дБ

Профиль многолучевого канала

ITU А-канал подвижного средства

Скорости MS

3 км/ч и 50 км/ч

Коэффициент шума MS/BS

7 дБ / 5 дБ

Интервал сложения при мягком хэндовере

− 6 дБ

637

(продолжение табл.8.11) Мощность испытательного канала

30 дБм

Усредненная мощность для других общих каналов

30 дБм

Ортогональность в нисходящем канале

0,5

Коэффициент использования для передачи речи (данных)

50 % / (100 %)

Антенны BS: сектор/усиление

65°/17 дБн

Антенны MS для передачи речи данных

Ненаправленные/ 1,5 дБн

Во всех трех случаях моделирования интерес представляли пропускная способность ячейки в Кбит/с и вероятность обслуживания в зоне по каждой услуге. Далее были собраны результаты моделирования вероятности и нагрузки при мягком хэндовере. В таблицах 8.12 и 8.13 показаны результаты моделирования для пропускной способности ячейки и вероятностей обслуживания в зонах, ячейках, сайтах. Максимальная нагрузка в восходящем канале была установлена не выше 75 % согласно таблице 8.11. Заметим, что в таблице 8.12 в нескольких ячейках нагрузка ниже 75 % и соответственно пропускная способность также ниже, чем достигаемое максимальное значение. Причиной этому является то, что не было достаточного предлагаемого трафика в этом сайте для того, чтобы полностью загрузить ячейки. Нагрузка в ячейке 5 составляла 75 %. Ячейка 5 расположена в нижнем правом углу на рис. 8.7, и нет никаких других ячеек, близких к ячейке 5. Поэтому эта ячейка может взять на себя больше трафика, чем другие ячейки. Например, ячейки 2 и 3 находятся в середине зоны, и нет достаточного трафика для того, чтобы полностью загрузить ячейки. Таблица 8.12. Пропускная способность, нагрузка и затраты на мягкий хэндовер (SHO). UL = восходящий канала, DL = нисходящий канал. Основная нагрузка: скорость MS 3 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1805 Идентификатор ячейки Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка 3 Ячейка 4 Ячейка 5 Ячейка 6 Среднее значение (по всем ячейкам)

Пропускная способность UL

Пропускная способность DL

Нагрузка UL

Затраты на SHO

(Кбит/с) 728,00 208,70 231,20 721,60 1508,80 762,67 519,20

(Кбит/с) 720,00 216,00 192,00 760,00 1132,52 800,00 508,85

0,50 0,26 0,24 0,43 0,75 0,53 0,37

0,34 0,50 0,35 0,17 0,22 0,30 0,39

Основная нагрузка: скорость MS 50 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1777 Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка 3 Ячейка 4 Ячейка 5 Ячейка 6 Среднее значение (по всем ячейкам)

672,00 208,70 226,67 721,60 1101,60 772,68 531,04

710,67 216,00 192,00 760,00 629,14 800,00 506,62

638

0,58 0,33 0,29 0,50 0,74 0,60 0,45

0,29 0,50 0,35 0,12 0,29 0,27 0,39

(продолжение табл.8.12) Основная нагрузка: скорость MS 50 км/ч и 3 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1802 Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка 3 Ячейка 4 Ячейка 5 Ячейка 6 Среднее значение (по всем ячейкам)

728,00 208,70 240,00 730,55 1162,52 772,68 525,04

720,00 216,00 200,00 760,00 780,00 800,00 513,63

0,51 0,29 0.25 0,44 0,67 0,55 0,40

0,34 0,50 0,33 0,20 0,33 0,32 0,39

В таблице 8.13 показано, что скорость MS оказывает влияние как на пропускную способность, так и на вероятность обслуживания в зоне. Когда мобильные станции передвигаются со скоростью 50 км/ч, то меньшее количество их можно обслужить, пропускная способность ниже, а полученная нагрузка выше, чем, когда мобильные станции передвигаются со скоростью 3 км/ч. Если значения пропускной способности нормализуются в соответствии с одним и тем же значением нагрузки, различие между случаями со скоростью 3 км/ч и 50 км/ч будет больше 20 %. Лучшую пропускную способность при более медленно двигающихся MS можно объяснить лучшим отношением Eb/N0. Быстрое управление мощностью может корректировать сигнал с замираниями, и требуемое значение Eb/N0 уменьшается. Более низкое заданное значение уменьшает общий уровень помех, и в сети может быть обслужено большее число пользователей. При сравнении обслуживания вероятности в зоне можно отметить, что быстро перемещающиеся MS получают качество обслуживания более высокое, чем медленно перемещающиеся, потому что для последних нужен резерв мощности передачи MS для обеспечения быстрого управления мощностью. Смотрите раздел 8.2.1. Влияние скорости может быть особенно заметно, если используемые битовые скорости высоки, потому что при низких скоростях передачи зона обслуживания больше из-за большего выигрыша в отношении сигнал/шум при обработке сигналов. Зона обслуживания проверяется в этой методике планирования путем использования проверочной MS после сходимости итераций в восходящем канале. Отмечается, что эта проверочная MS не влияет на нагрузку в сети. Таблица 8.13. Результаты оценки вероятности обслуживания в зоне. Основная нагрузка:

Скорость контрольной MS:

скорость MS 3 км/ч

3 км/ч

50 км/ч

8 Кбит/ч

96,6 %

97,7 %

64 Кбит/с

84,6 %

88,9 %

384 Кбит/с

66,9 %

71,4 %

639

(продолжение табл.8.13) Основная нагрузка:

Скорость контрольной MS:

скорость MS 50 км/ч

3 км/ч

50 км/ч

8 Кбит/с

95,5 %

97,1 %

64 Кбит/с

82,4 %

87,2 %

384 Кбит/с

63,0 %

67,2 %

Основная нагрузка:

Скорость контрольной MS:

скорость MS 3 км/ч и 50 км/ч

3 км/ч

50 км/ч

8 Кбит/с

96,0 %

97,5 %

64 Кбит/с

83,9 %

88,3 %

384 Кбит/с

65,7 %

70,2 %

Анализ вероятности обслуживания в зоне в нисходящем канале отличается от анализа в восходящем канале. В восходящем канале ограничивающим фактором является максимальная мощность передачи MS. В нисходящем канале ограничения зависят от используемых алгоритмов управления радиоресурсом. Одним из ограничений в нисходящем канале является полная мощность передачи BS. Кроме того, может использоваться другое ограничение: лимит мощности на радиолинию. На рис. 8.8 показан пример анализа зоны обслуживания в нисходящем канале для передачи речи. Можно увидеть, что, если ограничение мощности на радиолинию выбирается правильно, то вероятность попадания в зону обслуживания в нисходящем канале может быть установлена на то же самое значение, что и в восходящем канале. Таким образом, зоны обслуживания в восходящем и нисходящем каналах можно сбалансировать. Требуемыми мощностями на линию на рис. 8.8 являются средние мощности, и они не включают запас на быстрые замирания. Этот пример демонстрирует влияние профиля пользователя, т. е. используемого обслуживания и скорости MS, на работу сети. Показано, что более низкая скорость MS обеспечивает лучшую пропускную способность: число обслуживаемых MS и пропускная способность ячейки выше в случае со скоростью 3 км/ч, чем со скоростью 50 км/ч. При сравнении с вероятностью обслуживания в зоне влияние скорости MS различно. Более высокая скорость уменьшает запас на быстрые замирания и, таким образом, увеличивает вероятность обслуживания в зоне, когда скорость MS увеличивается. Было показано, что представленная методика планирования сети применима поскольку учитывает зависимости между пропускной способностью и зоной обслуживания в WCDMA. Кроме того, можно определить зоны обслуживания с различными битовыми скоростями для выбранных сайтов BS, и можно установить параметры для алгоритмов RRM.

640

Вероятность %

Кумулятивное распределение требуемой мощности на канал/линию

---- Заданная вероятность обслуживания зоны

Вероятность %

Требуемая Тх мощность (дБм), 384 Кбит/с, 50 км/ч

---- Заданная вероятность обслуживания зоны

Требуемая Тх мощность (дБм), 384 Кбит/с, 50 км/ч

Рис. 8.8. Пример анализа зоны обслуживания в нисходящем канале. Для передачи речи (8 Кбит/с, 50 км/ч) предел для радиолинии был установлен на 25 дБм для того, чтобы достигнуть 95 % вероятности обслуживания в зоне. В случае требования обеспечения скорости 384 Кбит/с и 71 % вероятности обслуживания в зоне предел для радиолинии составил бы 35 дБм.

8.3.4. Оптимизация сети Оптимизация сети − процесс улучшения качества всей сети, воспринимаемый мобильными абонентами, и гарантии того, что ресурсы сети используются эффективно. В оптимизацию входят анализ сети и улучшения конфигурации, и работы сети. Переход от подробного анализа пропускной способности и зоны обслуживания, показанный на рис. 8.1, к работе и оптимизации сети проходит плавно. Статистические данные от основных рабочих индикаторов для действующей сети подаются в средство анализа состояния сети, а параметры управления радиоресурсами можно регулировать для улучшения качества работы. В главе 9 описываются алгоритмы управления радиоресурсами. Примером параметра оптимизации является оптимизация зоны мягкого хэндовера. Средство анализа состояния сети может быть неотъемлемой частью методики планирования радиосети, представленная в разделе 8.3.2. Рост трафика в сети требует непрерывного взаимодействия методики планирования и действующей сети. Анализируется возможность имеющейся сети поддерживать рост прогнозируемого трафика, и план радиосети можно в дальнейшем совершенствовать, основываясь на фактических данных измерений.

641

Первый этап процесса оптимизации − это определение основных показателей работы. Они состоят из измерений в системе управления сетью и данных эксплуатационных измерений или любой другой информации, которую можно использовать для определения качества обслуживания сети. С помощью системы управления сетью можно анализировать прошлую, настоящую и прогнозируемую будущую работу сети. Характеристику алгоритмов управления радиоресурсами и их параметры можно анализировать, используя основные рабочие показатели. В алгоритмы управления радиоресурсами входят хэндоверы, управление мощностью, планирование передачи пакетов, управление доступом и нагрузкой. Анализ качества сети рассчитывается для того, чтобы дать оператору представление о качестве и характеристиках работы сети. Анализ качества и обобщение результатов заключается в планировании эксплуатационных измерений и измерений системы управления сетью. После того, как были установлены критерии качества обслуживания и проанализированы данные, можно составлять отчет-обзор. Для систем 2-го поколения качество обслуживания, например, заключалось в регистрации статистики несостоявшихся (потерянных) вызовов, анализа причин несостоявшихся вызовов, статистики хэндовера и измерения успешных попыток установления вызовов. Для систем 3-го поколения с большим разнообразием услуг следует разработать новые определения качества обслуживания для анализа качества. Автоматическая оптимизация будет важна в сетях 3-го поколения, поскольку существует больше услуг и битовых скоростей, чем в сетях 2-го поколения, а оптимизация вручную потребует слишком много времени на ее выполнение. Автоматическое управление будет обеспечивать быстрый отклик на изменение условий трафика в сети. Следует отметить, что в начале развертывания сетей 3-го поколения смогут автоматически регулироваться лишь только некоторые параметры, и поэтому процесс оптимизации сетей 2-го поколения должен все еще поддерживаться.

8.4. Совместное планирование с GSM Использование существующих сайтов BS имеет важное значение для ускорения развертывания WCDMA, совместного использования сайтов и эффективного использования затрат на передачи в существующей системе 2-го поколения. Осуществимость совместного использования сайтов зависит от соответствующей зоны обслуживания существующей сети по сравнению с WCDMA. В этом разделе мы сравниваем соответствующую зону обслуживания существующей GSM900 в восходящем канале и услуги по передаче речи с полной скоростью в GSM1800, а также услуги по передаче в WCDMA речи и данных со скоростями 144 Кбит/с и 384 Кбит/с. В таблице 8.14 показаны сделанные допу-

642

щения и результаты сравнения зоны обслуживания. Максимальные потери на трассе WCDMA при скорости 144 Кбит/с на 3 дБ больше, чем в таблице 8.4. Различие появляется из-за меньшего запаса помехозащищенности, более низкого коэффициента шума в приемнике BS и из-за отсутствия потерь в кабеле. Следует также отметить, что выигрыш от мягкого хэндовера входит в запас на быстрые замирания в таблице 8.14, и класс мощности MS считается здесь равным 21 дБм. Таблица 8.14. Типичные максимальные потери на трассе в существующей GSM и WCDMA

Мощность передачи MS

GSM900 /

GSM1800/

WCDMA /

WCDMA /

WCDMA /

речь

речь

речь

144 Кбит/с

384 Кбит/с

33 дБм

30 дБм

21 дБм

21 дБм

21 дБм

− 110 дБм

− 110 дБм

− 124 дБм

− 117 дБм

− 113 дБм

2

1,0 дБ

0,0 дБ

2,0 дБ

2,0 дБ

2.0 дБ

3

2,0 дБ

2,0 дБ

2,0 дБ

2,0 дБ

2,0 дБ

Коэффициент усиления антенны BS4

16,0 дБн

18,0 дБн

18,0 дБн

18,0 дБн

18,0 дБн

Потери на присутствие человека 5

3,0 дБ

3,0 дБ

3,0 дБ

−

−

Коэффициент усиления антенны MS6

0,0 дБн

0,0 дБн

0,0 дБн

2,0 дБн

2,0 дБн

Относительный выигрыш от более низкой частоты по сравнению с частотой UMTS7

11,0 дБ

1,0 дБ

−

−

−

164,0 дБ

154,0 дБ

156,0 дБ

154,0 дБ

150,0 дБ

Чувствительность приемника 1 Запас помехозащищенности

Запас на быстрые замирания

Максимальные потери на трассе

Таблица 8.14 показывает, что максимальные потери на трассе при передаче данных со скоростью 144 Кбит/с те же, что и при передаче речи в GSM1800. Поэтому может обеспечиваться передача данных WCDMA со скоростью 144 Кбит/с, когда используются участки GSM1800, с одной и той же вероятностью обслуживания в зоне, как при передаче речи в GSM1800. Если участ1

Чувствительность WCDMA допускает коэффициент шума BS 4,0 дБ и Eb/N0 = 5,0 дБ для передачи речи со скоростью 12,2 Кбит/с, = 1,5 дБ для − 144 Кбит/с и = 1,0 дБ − для 384 Кбит/с для передачи данных. Чувствительность GSM считается равной − 110 дБм с разнесением антенн при приеме. 2 Запас помехозащищенности WCDMA соответствует 37 %-й нагрузке для полной пропускной способности: смотрите рис. 8.2. Запас помехозащищенности 1,0 дБ резервируется для GSM900, потому что небольшая величина спектра в900 МГц не допускает большие коэффициенты повторного использования. 3 Запас на быстрые замирания для WCDMA включает усиление из-за макроразнесения для компенсации быстрых замираний. 4 Усиление антенны допускает трехсекторную конфигурацию в GSM и WCDMA. 5 Потерями на присутствие человека считаются потери, когда терминал расположен близко к голове пользователя 6 Усиление антенны, равное 2,0 дБн, допускается для терминала данных. 7 Затухание в 900 МГц считается на 11,0 дБ ниже, чем в полосе UMTS, и на 1,0 дБ ниже в полосе GSM1800, чем в полосе UMTS.

643

ки GSM900 используются для WCDMA и требуется полная зона обслуживания со скоростью 144 Кбит/с, то в WCDMA необходимо улучшение зоны обслуживания на 10 дБ. Это сравнение предполагает, что участки GSM900 планируются как участки с ограниченной зоной обслуживания. Однако, в густо населенных районах ячейки GSM900 обычно бывают меньше для того, чтобы обеспечить достаточную пропускную способность. В разделе 11.2 анализируется зона обслуживания в восходящем канале и приводится целый ряд решений для улучшения зоны обслуживания WCDMA с целью согласования с плотностью участков (сайтов) GSM. Если используются высокомощные терминалы с мощностью передачи 24 дБм, зона обслуживания будет на 3 дБ лучше, чем при выходной мощности 21 дБм. Зона обслуживания WCDMA в нисходящем канале рассматривается в разделе 11.2.3, и показано, что она будет лучше, чем зона обслуживания в восходящем канале. Поэтому можно обеспечить полную зону обслуживания в нисходящем канале даже для битовых скоростей выше, чем 144 или 384 Кбит/с, используя участки GSM1800. Любое сравнение зоны обслуживания WCDMA и GSM зависит от точных значений чувствительности приемника и от параметров системы таких, как, например, параметры хэндовера и скачкообразной перестройки частоты. Они представлены в таблице 8.14 в качестве примера анализа. Также отметим, что цель этого эксперимента − сравнить зону обслуживания систем BS GSM, которые развертывались до сих пор, с зоной обслуживания WCDMA на начальном этапе развертывания в период 2001 − 2002 годов.

8.5. Помехи от соседних операторов 8.5.1. Введение В этом разделе изучается влияние помех от соседних каналов в WCDMA между двумя операторами на соседних частотах. Помехи от соседних каналов должны быть рассмотрены, потому что они влияют на все широкополосные системы, где невозможны большие защитные полосы, и WCDMA − не исключение. Если соседние частоты изолируются в частотной области большими защитными полосами, то расходуется спектр вследствие использования большой

644

ширины полосы системы. Жесткие требования к форме спектра передатчика и высокие требования к избирательности приемника в MS и BS будут гарантировать низкие помехи от соседних каналов. Однако, эти требования оказывают большое влияние, особенно на реализацию портативных MS WCDMA. В этом разделе коэффициент защиты от помех по соседнему каналу (ACIR) определяется как отношение мощности передачи к мощности, измеренной после фильтра приемника в соседнем канале. Обе мощности − передаваемая и принимаемая − измеряются с помощью фильтра, который имеет характеристику синусквадратичного фильтра с коэффициентом избирательности 0,22 и шириной полосы, равной скорости передачи чипов [8]. Помехи по соседнему каналу вызываются неидеальностью характеристик передатчика и несовершенством фильтрации приемника. В обоих − восходящем и нисходящем − каналах характеристики по соседним каналам ограничивается характеристиками MS. В восходящем канале основной источник помех по соседним каналам − это не линейный усилитель мощности в MS, который дает просачивание мощности в соседние каналы. В нисходящем канале ограничивающим фактором для помех по соседним каналам является избирательность приемника на терминале WCDMA. Требование к характеристикам по соседним каналам показаны в таблице 8.15 и применяются к обоим каналам − восходящему и нисходящему. Таблица 8.15. Требования к характеристике по соседним каналам [8]. Разнесение по частоте

Требуемое затухание

Соседняя несущая (разнесение − 5 МГц)

33 дБ

Вторя соседняя несущая (разнесение − 10 МГц)

43 дБ

Сложная ситуация по помехам, где помехи от соседнего канала могут влиять на работу сети, показана на рис. 8.9. Макроячейка оператора 1

Макроячейка оператора 1 Микроячейка оператора 2 Сигнал Помехи по соседним каналам

MS оператора 1: высокая мощность передачи

645

MS

Рис. 8.9. Помехи по соседним каналам в восходящем канале макроячейки от MS для BS микроячейки.

Предполагается, что существует большая макроячейка оператора 1, и имеются небольшие микроячейки оператора 2. На рис. 8.9 в микроячейке оператор 2 MS оператора 1 ведет передачу с большой мощностью на удаленную BS макроячейки, и в то же самое время располагается очень близко к одной из BS микроячеек оператора 2. В дальнейшем следует допускать, что эти макро и микроячейки находятся на соседних частотах. Часть передачи MS просачивается на соседнюю несущую и, вероятно, вызывает помехи при приеме в микроячейке. В следующих разделах анализируется влияние помех по соседним каналам в этой ситуации по помехам с помощью анализа для наихудшего случая при моделировании системы. Будет показано, что анализ для наихудшего случая дает очень плохой результат, но также будет показано, что ситуация для наихудшего случая крайне маловероятна в реальных сетях. Поэтому моделирование также используется для изучения этой ситуации по помехам. И, наконец, делается вывод относительно помех по соседним каналам, и рассматриваются последствия для планирования сети. 8.5.2. Анализ для наихудшего случая в восходящем канале

646

В этом разделе приводится ситуация по помехам по соседним каналам для наихудшего случая. Помехи по соседним каналам для наихудшего случая имеют место тогда, когда MS передает на полной мощности, располагаясь близко к BS, которая осуществляет прием на соседней несущей. Здесь допускаются минимальные потери на взаимосвязь равные 50 дБ. Минимальные потери на взаимосвязь определяются как минимальные потери на трассе между антеннами MS и BS. Другие допущения в этих вычислениях для наихудшего случая показаны в таблице 8.16, а полученные результаты − в таблице 8.17. Таблица 8.16. Допущения, принятые в анализе помех по соседним каналам для наихудшего случая в восходящем канале. Минимальные потери на связь между MS и микроячейкой на рис. 8.9 Мощность передачи MS

50 дБ Максимальная мощность 21 дБм

Коэффициент шума BS микроячейки

5 дБ

Таблица 8.17. Результаты вычислений для наихудшего случая в восходящем канале. Уровень теплового шума при скорости 3,84 Мчип/с

− 108,2 дБм

Уровень теплового шума в приемнике BS микроячейки

− 108,2 дБм + 5 дБ = − 103,2 дБм

Помехи по соседнему каналу

21 дБм − 50 дБ − 33 дБ (ACIR) = − 62 дБм

Повышение шума, обусловленное помехами по соседнему каналу

− 62 дБм − (− 103,2 дБм) = 41,2 дБ

Помехи по соседнему каналу в приемнике BS для микроячейки равны 62 дБм, что на 41 дБ выше уровня теплового шума в приемнике. Такое большое превышение уровня помех будет заметно влиять на зону обслуживания микроячейки в восходящем канале. Однако, маловероятно, что будет иметь место такая обстановка для наихудшего случая. Она потребует, чтобы в это же самое

647

время соблюдались следующие условия: − MS оператора 1 ведет передачу при полной мощности 21 дБм. − MS оператора 1 располагается очень близко к антенне BS микроячейки оператора 2. Минимальные потери на взаимодействие в 50 дБ появляются, если только антенна BS расположена очень низко и MS может оказаться вблизи антенны. − MS оператора 1 ведет передачу на соседней несущей. Если существует одна несущая между передачей и приемом, мощность помех от соседнего канала затухает на 10 дБ больше, чем на соседней несущей согласно таблице 8.16. − Коэффициент шума BS микроячейки, включая потери в кабеле, составляет только 5 дБ. Если чувствительность не достаточно высокая, BS менее чувствительна также и к помехам по соседнему каналу. Даже, если существуют повышенные помехи в приемнике BS, это необязательно приведет к каким-либо несостоявшимся вызовам в микроячейке. Однако, это должно привести к уменьшенной зоне обслуживания, хотя проблемы не должны быть, если микроячейка не ограничена по зоне обслуживания. Так как рассмотренная выше обстановка для наихудшего случая маловероятна, в разделе 8.5.4 используется способ моделирования для изучения практического воздействия помех по соседним каналам на работу радиосети WCDMA. 8.5.3. Блокировка (задержка в обслуживании) в нисходящем канале Необходимо отметить, что MS оператора 1 принимает помехи по соседним каналам в нисходящем канале от BS оператора 2 микроячейки, и его связь будет, вероятно, прервана прежде, чем пользователь сможет оказаться очень близко к BS оператора 2. Это происходит, потому что чувствительность приемника MS невысокая, и MS принимает помехи от BS микроячейки на соседней несущей. Блокировка соединений в нисходящем канале может даже считаться желательной. Предпочтительнее отбросить одно соединение в нисходящем канале, чем допустить, чтобы MS создавала помехи все соединениям одной ячейки в восходящем канале. Потеря (отказ) соединения в нисходящем канале зависит от максимальной мощности, которая может быть назначена одному соединению от BS макроячейки для компенсации возросших помех при приеме в MS. Если MS испытывает помехи по соседнему каналу в нисходящем канале от близлежащей BS, она может избежать этих помех с помощью межчастотного хэндовера и перейти на другую несущую оператора WCDMA. Межчастотные хэндоверы можно использовать для того, чтобы избежать проблем, связанных с помехами по соседним каналам в нисходящем канале.

648

Эта блокировка (задержка в обслуживании) не происходит там, где существуют помехи системы UTRA между FDD и TDD, и поэтому могут возникнуть более трудные ситуации с помехами в восходящем канале между FDD и TDD, чем в полосе FDD. 8.5.4. Моделирования в восходящем канале

В этом разделе изучается влияние помех по соседним каналам от MS макроячейки на BS с помощью модели системы, которая была представлена в [9]. В разделе 8.5.2 был проведен анализ для обстановки с такими помехами для наихудшего случая несмотря на то, что возникновение такой обстановки маловероятно. При моделировании влияние помех от соседнего канала можно проанализировать в более реальной обстановке. В модель системы были включены макроячейки и микроячейки и все MS, подсоединенные к ячейкам. Минимальные затухания взаимосвязи в этих моделях составляли 53 дБ, являясь очень низким значением, и происходили только, если MS могла оказаться очень близко к антенне BS. Таблица 8.18. Важные параметры моделирования для моделей помех по соседним каналам. Для получения сведений по другим параметрам смотрите [10]. Параметр

Значение

Минимальные потери на связь

53 дБ

Расстояние BS от макроячейки к макроячейке

1000 м

Расстояние BS от микроячейки к микроячейке

180 м

Максимальная мощность MS

21 дБм

Максимальное допустимое повышение шума в микроячейке

20 дБ

Максимальное допустимое повышение шума в макроячейке

6 дБ

649

Номинальное разнесение каналов WCDMA составляет 5 МГц при скорости передачи чипов 3,84 Мчип/с. В этих моделях использовали старую скорость передачи чипов 4,096 Мчип/с. Скорость передачи чипов 3,84 Мчип/с улучшает характеристику соседнего канала на 0,5 − 0,7 дБ по сравнению с результатами, показанными в этом разделе [11]. В восходящем канале считается, что все каналы являются каналами информационного обмена для передачи данных со скоростью 8 Кбит/с, и никакая нагрузка, обусловленная каналами управления, не учитывается. В нисходящем канале моделируются общие каналы управления, и их мощность добавляется к мощности передачи BS. Коэффициент ортогональности был равен 0,4. В этих моделях максимальное допустимое увеличение шума в восходящем канале составило 20 дБ в микроячейках и 6 дБ в макроячейках. Повышение шума − это увеличение уровня широкополосных помех над тепловым шумом при приеме BS. Для больших макроячеек допускается меньшее повышение шума, потому что большее повышение шума уменьшает зону обслуживания. В этих моделях итерационно была выбрана максимальная нагрузка так, что предопределенные максимальные значения повышения шума не превышались, если даже наблюдались помехи по соседнему каналу. Этот подход соответствует случаю, где такие алгоритмы управления радиоресурсом в реальном времени, как управление доступом, управление нагрузкой и распределение пакетов, поддерживают нагрузку в восходящем канале в запланированных пределах, и на зону обслуживания не влияют помехи по соседним каналам. Влияние помех по соседним каналам можно рассматривать как уменьшенную пропускную способность в восходящем канале. 8.5.5. Результаты моделирования

В этих моделях зона обслуживания микро- и макроячеек поддерживалось в запланированных пределах даже, если существовали помехи по соседнем каналам, и наблюдалось уменьшение максимальной пропускной способности. На рис. 8.10 показаны потери в пропускной способности. Пропускная способность не чувствительна к помехам по соседним каналам, если затухание между соседними несущими (ACIR) выше 20 дБ. Минимальное требование для ACIR − 33 дБ, см. таблицу 8.15. При значении 33 дБ

650

потери в пропускной способности в микроячейках явно ниже 1 %, а в макроячейке ниже 2 %. Пропускная способность макроячейки более чувствительна к помехам по соседним каналам, чем микроячейки. Моделирования показывают, что пропускная способность микроячейки остается хорошей, тогда как работа макроячейки больше повергается помехам по соседнему каналу. Это обусловлено тем фактом, что число пользователей, мешающих макроячеек так мало, что помехи по соседнему каналу, вырабатываемые ими, пренебрежимо малы. С другой стороны, число пользователей микроячеек очень велико, следовательно, они создают большие помехи по соседним каналам базовым станциям (BS) макроячейки. 8.5.6. Планирование сети при наличии помех по соседнему каналу

Потери в пропускной способности

В этом разделе приводится несколько решений по планированию сети, которые позволяют удостовериться в том, что помехи по соседним каналам не влияют на работу сети WCDMA. Выбор местоположения антенны BS и диаграмм направленности антенны влияет на минимальные потери на связь между MS и BS. Если эти потери на связь велики, то помех по соседним каналам можно избежать. На практике антенна BS не должна располагаться так низко, чтобы MS могла легко приблизиться к антенне. Можно также уменьшить чувствительность приемника BS, т.е. увеличить коэффициент шума в высокочастотных элементах BS. Этот способ называют загрублением чувствительности, и его можно использовать для того, чтобы приемник BS был менее чувствителен к помехам по соседним каналам. В то же самое время приемник BS также становится менее чувствительным к полезному сигналу, и размеры по дальности ячейки уменьшаются. Поэтому этот способ подходит только для небольших ячеек, где зона обслуживания в восходящем канале не является проблемой.

0,1 0,08 0,06 0,04

потери в микроячейке

потери в макроячейке

полные потери 0,02

0

20 22

24

26

28

30 32

651 ACIR[дБ]

34 36

38 40

Рис. 8.10. Потери в пропускной способности в восходящем канале, обусловленные помехами по соседним каналам для сценария микроячейка = макроячейки.

Если операторы, использующие соседние полосы частоты, располагают свои станции рядом либо в одних и тех же сайтах, либо используют одни и те же мачты, то проблем с помехами от соседнего канала можно избежать, поскольку уровни принимаемой мощности от MS для BS обеих операторов очень близки. Так как больших различий в мощности не существует, затухание в 33 дБ от соседнего канала достаточно для того, чтобы предотвратить проблемы, связанные с помехами по соседним каналам. Кроме того, в нисходящем канале уровни мощности, принимаемые от обеих BS, равны в подвижных станциях обоих операторов. Отметим, что совместное расположение решает проблемы, связанные с помехами по соседним каналам, в режиме UTRA FDD, тогда как совместное расположение с использованием режима работы UTRA TDD может вызвать трудные ситуации с помехами. Они анализируются в разделе 12.3. Номинальный разнос несущих WCDMA равен 5,0 МГц, но он может регулироваться с использованием сдвига (шага) 200 КГц в соответствии с требованиями, предъявляемыми к помехам по соседним каналам. Используя больший разнос несущих, можно уменьшить помехи по соседним каналам. Если оператор имеет две несущих на одной и той же базовой станции, то разнос несущих между ними может быть уменьшен до 4,0 МГц, потому что проблемы, связанные с помехами по соседним каналам полностью исчезают, если две несущие используют одни и те же антенны BS. В этом случае можно резервировать больший разнос несущих для операторов, как показано на рис. 8.11.

652

Низкий уровень помех

Оператор 1

Оператор 2

Рис. 8.11. Выбор разноса несущих в полосе частот оператора и между операторами.

Меры, принимаемые при планировании сети во избежание помех по соседним каналам, приводятся ниже: − выбор месторасположения антенн BS; − загрубление чувствительности приемника BS; − совместное расположение базовых станций разных операторов; − регулировка (сдвиг) разнесенных несущих; − хэндоверы с переходом с частоты на частоту. Литература к главе 8: [1]

[2] [3] [4]

[5]

[6]

Sipilä, K., Laiho-Steffens, J., Jäsberg, M. and Wacker, A., «Modelling the Impact of the Fast Power Control on the WCDMA Uplink», Proceedings of VTC'99. Houston, Texas, May 1999, pp. 1266-1270. Ojanperä, T. and Prasad, R., Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications, Artech House, 1998. Saunders, S., Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, John Wiley & Sons, 1999. Wacker, A., Laiho-Steffens, J., Sipilä, K. and Heiska, K., «The Impact of the Base Station Sectorisation on WCDMA Radio Network Performance», Proceedings of VTC’99, Houston, Texas, May 1999, pp. 261I-2615. Sipiiä, K., Honkasalo, Z., Laiho-Steffens, J. and Wacker, A., «Estimation of Capacity and Required Transmission Power of WCDMA Downlink Based on a Downlink Pole Equation», to appear in Proceedings of VTC2000, Spring 2000. Lee, J. and Miller, L., CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House, 1998.

653

[7]

Wacker, A., Laiho-Steffens, J., Sipilä. K. and Jäsberg, M., «Static Simulator for Studying WCDMA Radio Network Planning Issues», Proceedings of VTC'99, Houston, Texas, May 1999, pp. 2436-2440.

[8]

3GPP Technical Specification 25.101, UE Radio Transmission and Reception (FDD). [9] Hämäläinen, S., Holma, H. and Toskala, A., «Capacity Evaluation of a Cellular CDMA Uplink with Multiuser Detection», Proceedings of ISSSTA'96, Mainz, Germany, September 1996. pp. 339-343. [10] 3GPP Technical Report 25.942, RF System Scenarios. [11] 3GPP TSG RAN WG4 Tdoc 99/329, Impact of OHG Harmonisation Recommendation on UTRA/FDD, June 1999.

654

9 Управление радиоресурсами

9.1. Управление радиоресурсами на основе учета помеховой обстановки Управление радиоресурсами (RRM) обеспечивает использование ресурсов воздушных интерфейсов. RRM необходимо для того, чтобы гарантировать качество обслуживания (QoS), поддерживать запланированную зону охвата и обеспечивать высокую пропускную способность. RRM может подразделяться на следующие функции: эстафетную передачу управления – хэндовер, управление мощностью, управление нагрузкой и планирование распределения пакетов. Управление мощностью необходимо для того, чтобы поддерживать влияние помех в воздушном интерфейсе на минимальном уровне и обеспечивать требуемое качество обслуживания. В разделе 9.2 описывается управление мощностью в WCDMA. Эстафетная передача управления необходима в сотовых системах для управления мобильностью пользователя, когда он или она перемещаются из зоны охвата одной ячейки в другую. Вопросы, связанные с передачей управления, рассматриваются в разделе 9.3. В сетях третьего поколения требуются также другие алгоритмы управления радиоресурсами, а именно, управление доступом, управление нагрузкой и планирование передачи (распределения) пакетов, для того, чтобы гарантировать качество обслуживания и максимизировать пропускную способность системы, комбинируя различными битовыми скоростями, услугами и требованиями, предъявляемыми к качеству. В разделе 9.5 представлено управление доступом, а в разделе 9.6 – управление нагрузкой. В главе 10 описывается планирование распределения пакетов WCDMA. Алгоритмы управления радиоресурсами могут быть ориентированы на количество обслуживаемого аппаратного оборудования в сети или на уровни помех в воздушном интерфейсе. Жесткая блокировка сети определяется как случай, когда аппаратное оборудование ограничивает пропускную способность еще до того, как воздушный интерфейс станет перегруженным. Мягкая блокировка определяется, как случай, когда нагрузка воздушного интерфейса оценивается как превышающая запланированный предел. Различие между жесткой и мягкой блокировками анализируется в разделе 8.2.3. Показано, что RRM, основанное на мягкой блокировке, дает более высокую пропускную способность, чем основанное на жесткой блокировке. Если применяется RRM, основанное на мягкой блокировке, то необходимо измерять нагрузку воздушного интерфейса. Измерение нагрузки воздушного интерфейса рассматривается в разделе 9.4. В сетях IS-95 RRM обычно базируется на имеющихся объемах оборудования (же-

655

сткая блокировка), но этот метод не подходит к воздушному интерфейсу WCDMA третьего поколения, где должны поддерживаться одновременно различные битовые скорости. На рис. 9.1 показаны типичные места применения алгоритмов RRM в сети WCDMA. Мобильная станция

Управление мощностью

Базовая станция

Управление нагрузкой

Управление нагрузкой Управление эстафетной передачей управления (хэндовер) Управление доступом Планирование пакетов

Рис.9.1. Типичные места применения алгоритмов RRM в сети WCDMA.

9.2. Управление мощностью В разделе 3.5 в сжатом виде показано управление мощностью. В этой главе рассматривается насколько важных аспектов управления мощностью в WCDMA. Некоторые из них отсутствуют в существующих системах второго поколения, как, например, GSM и IS-95, и являются новыми в системах третьего поколения, и поэтому требуют особого внимания. В разделе 9.2.1 представлено быстрое управление мощностью, а в разделе 9.2.2 анализируется управление мощностью внешнего контура. При управлении мощностью внешнего контура ставится цель достижения быстрого управления мощностью при обеспечении требуемого качества. В следующих разделах показана потребность в быстром управлении мощностью и управлении мощностью внешнего контура с использованием результатов моделирования. Два особых аспекта быстрого управления мощностью подробно даны в разделе 9.2.1: взаимодействие между быстрым управлением мощностью и разнесением и быстрым управлением мощностью при мягкой передаче управления. В разделе 9.2.2 рассмотрено управление мощностью внешнего контура. Необходимо оценить качество приема для того, чтобы настраивать приемник на быстрое управление мощностью. Даны оценка качества и введены алгоритмы управления мощностью внешнего контура. Сети третьего поколения должны обеспечивать высококачественное обслуживание и совме-

656

щать несколько видов услуг в одном соединении. Эти требования касаются также и внешнего контура. И, наконец, рассматриваются различия между алгоритмами внешнего контура на восходящей и нисходящей линиях связи. 9.2.1. Быстрое управление мощностью В сети WCDMA быстрое управление мощностью с частотой 1‚5 КГц обеспечивается как на восходящей, так и на нисходящей линиях связи. В GSM используется только медленное управление мощностью (частота ≈ 2 Гц). В IS-95 быстрое управление мощностью с частотой 800 Гц обеспечивается только на восходящем канале. 9.2.1.1. Выигрыш от быстрого управления мощностью

В этом разделе приводятся примеры выгод от быстрого управления мощностью. Моделируется обслуживание – передача речи при скорости передачи 8 Кбит/c , FER=1% и перемежении со сдвигом 10 мс. Моделирование выполняется для режимов с быстрым управлением мощностью и без него с шагом в 1 дБ. Медленное управление модностью предполагает, что средняя мощность поддерживается на желаемом уровне и что медленное управление мощностью могло бы идеально компенсировать влияние потерь в тракте передачи и мертвых зон приема, тогда как быстрое управление мощностью может компенсировать лишь потери от быстрых замираний. На базовой станции предполагается разнесение при приеме по двум ветвям. Определенный ITU канал А транспортного средства – это канал передачи с пятью трактами и с соответствующей разрешающей способностью для WCDMA, а определенный ITU канал A мобильного пользователя – это канал с двумя трактами, где второй тракт очень слабый. В табл. 9.1 приведено требуемое отношение Eb/N0 при быстром управлении мощностью и без него, а в табл. 9.2 – требуемые средние мощности передачи. Таблица 9.1 Требуемые значения E1/N0 при быстром управлении мощностью и без него. Медленное управление мощностью (2 Гц)

Быстрое управление мощностью (1.5 КГц)

Выигрыш от быстрого управления мощностью

ITU, А, пешеход 3 км/ч

11,3 дБ

5,5 дБ

5,8 дБ

ITU, транспортное средство 3 км/ч

8,5 дБ

6,7 дБ

1,8 дБ

ITU, транспортное средство 50 км/ч

6,8 дБ

7,3 дБ

-0,5 дБ

Быстрое управление мощностью дает явный выигрыш, что можно увидеть из табл. 9.1 и 9.2. Выигрыш от быстрого управления мощностью больше:

657

• для низких скоростей передвижения, чем для высоких; • в требуемом E1/N0 , чем в мощностях передачи; • для тех случаев, где имеются только небольшие задержки из-за многолучевости, как в ITU канале A для пешехода. Зависимость между быстрым управлением мощностью и разнесением рассматривается в разделе 9.1.1.2. Таблица 9.2

Требуемые относительные мощности передачи при быстром управлении мощностью и без него. Медленное управление мощностью (2 Гц)

Быстрое управление мощностью (1,5 КГц)

Выигрыш от быстрого управления мощностью

ITU, А, пешеход 3 км/ч

11,3 дБ

7,7 дБ

3,6 дБ

ITU, транспортное средство 3 км/ч

8,5 дБ

7,5 дБ

1,0 дБ

ITU, транспортное средство 50 км/ч

6,8 дБ

7,6 дБ

-0,8дБ

В табл. 9.1 и 9.2 отрицательные выигрыши при скорости 50 км/ч указывают на то, что идеальное медленное управление мощностью дало бы лучшую характеристику, чем реальное быстрое управление мощностью. Отрицательные выигрыши обусловлены неточностями в оценке SIR, ошибками канала управления мощностью и задержкой в контуре управления мощностью. Заметим, что выигрыш от быстрого управления мощностью, показанный в табл. 9.1, можно использовать для оценки требуемого запаса регулирования на быстрые замирания в ресурсе линии связи, описанные в разделе 8.2.1. Запас на быстрые замирания необходимо предусматривать для мощности передачи мобильной станции для поддержания адекватного быстрого управления мощностью в замкнутом контуре. Максимальная дальность связи в сотовой ячейке достигается в случае, когда мобильная станция ведет передачу с полной постоянной мощностью, т.е. без выигрыша от быстрого управления мощностью. 9.2.1.2. Управление мощностью и разнесение

В этом разделе анализируется важность разнесения каналов связи наряду с быстрым управлением мощностью. При небольшой скорости передвижения быстрое управление мощностью может компенсировать замирания в канале и поддерживать уровень принимаемой мощности достаточно постоянным. Основными источниками ошибок в сигналах принимаемых мощностей являются неточная оценка SIR, ошибки сигнализации и задержки в контуре управления мощностью. Компенсация замираний вызывает пики в мощности сигналов передачи. Принимаемая и передаваемая мощности показаны в виде функции времени на рис. 9.2 и 9.3 для скорости перемещения 3 км/ч. Эти результаты моделирования включают реалистическую оценку SIR и сигнализацию управления мощностью. Используется размер шага управления мощностью, равный 1‚0дБ.

658

На рис. 9.2 предполагается очень небольшое разнесение, тогда как на рис. 9.3 при моделировании допускается большее разнесение. Изменения в передаваемой мощности больше на рис. 9.2, чем на рис. 9.3. Это обусловлено различием в величине разнесения. Разнесение можно получить, например, при разнесении из-за многолучевости, разнесении в приемной антенне, разнесении в передающей антенне или макроразнесение. Передаваемая мощность

Принимаемая мощность

Секунды

Рис.9.2. Передаваемая и принимаемая мощности в канале с двумя трактами и рэлеевским замиранием при скорости 3 км/ч (средние мощности в ветвях разнесения 0 дБ-10 дБ). Передаваемая мощность

Принимаемая мощность

Секунды

659

Рис. 9.3. Передаваемая и принимаемая мощности в канале с тремя трактами (одинаковые средние мощности в ветвях разнесения и с рэлеевским замиранием при скорости 3 км/ч).

При меньшем разнесении наблюдается больше изменений в передаваемой мощности, однако, при этом средняя передаваемая мощность становится выше. Здесь предполагается, что мощность поднимается до отношения средней мощности передачи в канале без замираний, когда уровень принимаемой мощности одинаков в обоих каналах (с замираниями и без замираний) при быстром управлении мощностью. Увеличение мощности отображено на рис. 9.4. Канал без замираний

Принимаемая мощность

Канал с замираниями

Передаваемая Увеличение мощности Средняя передаваемая мощность

Рис. 9.4. Увеличение мощности в канале с замираниями при быстром управлении мощностью.

Увеличение мощности [дБ]

На рис. 9.5 представлены теоретические результаты расчета увеличения мощности для двухлучевых каналов как с разнесением при приеме, так и без него в виде функции разностей средней мощности для двух многолучевых компонент. Без разнесения антенн

С разнесением антенн

Разность мощностей между двумя многолучевыми компонентами [дБ]

Рис. 9.5. Теоретическое увеличение мощности в виде функции разности мощностей между многолучевыми компонентами в двухлечевом канале с рэлеевскими замираниями.

Чем сильнее второй многолучевый компонент, т.е., чем больше разнесение, вызванное многолучевостью, тем меньше увеличение мощности. Разнесе-

660

ние антенн также снижает требуемое увеличение мощности. Если два многолучевых компонента имеют одну и ту же среднюю мощность, увеличение мощности составляет 3 дБ к случаю без разнесения антенн. Мы получаем то же самое увеличение мощности также и в однолучевом канале с разнесением антенн. На практике, управление мощностью происходит не идеально, поэтому приходится прибегать к моделированию уровней канала для нахождения фактического увеличения мощности. Результаты, полученные для увеличения уровней мощности в восходящем канале, приводятся в таблице 9.3. Таблица 9.3. Моделирование увеличения мощности. Многолучевый ITU канал A подвижного пользователя с разнесением антенн. Скорость подвижной станции

Среднее увеличение мощности

3 км/ч

2,1 дБ

10 км/ч

2,0 дБ

20 км/ч

1,6 дБ

50км/ч

0,8 дБ

140 км/ч

0,2 дБ

Моделирование выполнялось для различных скоростей передвижения пользователя в двухлучевом ITU канале A со средними мощностями многолучевых компонентов 0,0 дБ и –12,5 дБ. Во время моделирования принимаемые и передаваемые мощности оценивались последовательно слот за слотом. Теоретическое значение для увеличения мощности в этом многолучевом ITU канале A для пользователя согласно рис. 9.5. составляет 2,3 дБ в условиях разнесения антенн. Из таблицы 9.3следует, что по результатам моделирования увеличение мощности при движении со скоростью 3 км/час и 10 км/час соответственно равно 2,1 дБ и 2,0 дБ, что очень близко к теоретическому значению 2,3 дБ. При высоких скоростях передвижения (>100 км/час) наблюдается лишь очень небольшое увеличение мощности, поскольку быстрое управление мощностью не может компенсировать замирания. При высоких скоростях передвижения быстрое управление мощностью сопровождается быстрыми замираниями, и для получения требуемого качества, как будет показано в таблице 9.4, необходим более высокий уровень принимаемой мощности. При высоких скоростях передвижения разнесение помогает поддерживать уровень принимаемой мощности постоянным; поэтому для обеспечения того же самого качества обслуживания можно иметь более низкий уровень средней принимаемой мощности. В [1] можно найти дополнительную информацию о моделировании управления мощностью в восходящем канале.

661

Почему является важным увеличение мощности для работы системы WCDMA? В нисходящем канале пропускная способность воздушного интерфейса непосредственно определяется требуемой мощностью передачи, поскольку она определяет действие помехи. Таким образом, для максимизации пропускной способности в нисходящем канале мощность передачи, необходимую для каждого канала следует минимизировать. В нисходящем канале уровень принимаемой мощности подвижной станцией не влияет на пропускную способность. В восходящем канале мощности передачи определяют величину помех на соседние ячейки, и принимаемые мощности определяют величину помех для других пользователей в одной и той же ячейке. Например, если бы была только одна ячейка WCDMA в одной зоне, пропускная способность этой ячейки в восходящем канале максимизировалось бы при минимизации требуемых принимаемых мощностей, и увеличение мощности не влияло бы на пропускную способность в восходящем канале. Однако, мы заинтересованы в сотовых сетях, где при проектировании схем с разнесением в восходящем канале следует учитывать и передаваемую, и принимаемую мощности. Чем меньше развязка с соседней ячейкой в сети, тем больше внимания следует уделять мощности передачи. Влияние принимаемой и передаваемой мощностей на уровни помех в сети показано на рис. 9.6.

Помехи другим ячейкам Мощность передачи в восходя-

Мощность передачи в нисходящем кана-

Рис. 9.6. Влияние принимаемой и передаваемой мощностей на уровни помех. 9.2.1.3. Управление мощностью при мягкой эстафетной передаче управления

Быстрое управление мощностью при мягкой эстафетной передаче управления (хэндовере) имеет два главных результата, которые отличаются от случая с одной линией: меньший дрейф мощности базовой станции в нисходящем ка-

662

нале и более надежный прием команд по управлению мощностью в восходящем канале в подвижной станции. Эти аспекты проиллюстрированы на рис. 9.7 и описывается более подробно в этом разделе. Решение в отношении улучшения качества сигнализации по управлению мощностью также приводится в этом разделе. Значение дрейфа мощности в нисходящем канале Подвижная станция (MS) передает общую команду для управления мощностями передачи в нисходящем канале; она принимается всеми базовыми станциями, находящимися в активном состоянии. Базовые станции обнаруживают команду независимо, поскольку команды управления мощностью не могут объединяться в RNC (контроллере радиосети) из-за того, что это вызывает слишком большую задержку и осложнит сигнализацию в сети. Из-за ошибок сигнализации в воздушном интерфейсе базовые станции могут принять эту команду на управление мощностью по-разному. Может оказаться, что одна из базовых станций понижает свою мощность передачи для этой MS, в то время, как другая базовая станция увеличивает свою мощность передачи. Это приводит к ситуации, где мощности в нисходящем канале начинают дрейфовать по отдельности. Здесь такое положение называют дрейфом мощности.

Изменение мощности Оценка надежности

RNC: управление изменением мощности

Две базовые станции: Обслуживают команду РС на управление мощностью в нисходящем канале от под-

MS: проверяют надежность команды РС в восходящем канале

Рис. 9.7. Бы строе управление мощностью при мягком хэндовере.

Дрейф мощности не желателен, потому что он может значительно ухудшить характеристику мягкой эстафетной передачи управления в нисходящем канале. Его можно контролировать через RNC. Самым простым способом является установление относительно точных пределов для динамики управления мощностью в нисходящем канале. Эти ограничения мощности применяются к конкретным мощностям передачи MS. Конечно, чем меньше допускаемая динамика управления мощностью, тем меньше максимальный дрейф мощности. С

663

другой стороны, большая динамика управления мощностью, как правило, улучшает характеристику управления мощностью, как показано в табл. 9.2. Ниже приводится другой способ уменьшения дрейфа мощности. RNC может принимать информацию от базовых станций, касающуюся уровней мощности передачи соединений при мягком хэндовере. Эти уровни усредняются по целому ряду команд на управление мощностью, например, в пределах 500 мс или, что эквивалентно в пределах 750 команд на управление мощностью. Основываясь на этих измерениях, RNC может передать базовым станциям опорное значение для мощностей передачи в нисходящих каналах. Базовые станции с мягким хэндовером используют эти исходные значения при управлении мощностью в своих нисходящих каналах для этого соединения с целью уменьшения дрейфа мощности. Смысл состоит в том, что периодически выполняется небольшая коррекция относительно опорной мощности. Величина коррекции пропорциональна разности между фактической передаваемой мощностью и опорной мощностью. Этот способ позволяет уменьшить величину дрейфа мощности. Дрейф мощности может иметь место, если только в нисходящем канале происходит быстрое управление мощностью. В IS-95 используется только медленное управление мощностью в нисходящем канале; и никакой способ управления дрейфом мощности в нисходящем канале не требуется. Надежность команд на управление мощностью в восходящем канале Все базовые станции в активном состоянии передают независимую команду на управление мощностью подвижной станции для управления мощностью передачи в восходящем канале. Достаточно, если одна из базовых станций в активном состоянии принимает правильно сигнал по восходящему каналу. Поэтому подвижная станция может понижать свою мощность передачи, если одна из базовых станций передает команду на понижение мощности. В MS при мягком хэндовере к информационным битам может применяться суммирование по максимальному отношению, потому что одни и те же данные передаются ото всех базовых станций при мягком хэндовере, но не биты управления мощностью, так как они содержат различную информацию от каждой из базовых станций. Следовательно, надежность битов управления мощностью не настолько эффективна, как для информационных битов, и в MS используется пороговое значение для проверки надежности команд на управление мощностью. Очень ненадежные команды на управление мощностью следует отбрасывать, потому что они искажаются помехами. Улучшенное качество сигнализации управления мощностью Качество сигнализации при управлении мощностью может быть улучшено путем установления более высокой мощности для выделенного физического канала управления (DPCCH), чем для выделенного физического канала переда-

664

чи данных (DPDCH) в нисходящем канале, если MS работает при мягкой эстафетной передаче управления. Этот сдвиг мощности между DPCCH и DPDCH может быть различным для различных полей DPCCH: битов управления мощностью, пилот-битов и TFCI (бит идентификатора). Сдвиг мощности показан на рис. 9.8.

Поле передачи данных 2

Пилот - сигнал

Поле передачи данных 1

TFCI

Сдвиг мощности

Сигнализация РС

1 слот = 0,667 мс

Рис. 9.8. Сдвиг мощности для улучшения качества сигнализации по нисходящему каналу.

Уменьшение мощности передачи MS для речевого соединения со сдвигом мощности в нисходящем канале показано на рис. 9.7. и 9.8. Горизонтальная ось показывает различие в затухании от MS до двух базовых станций при мягкой эстафетной передаче управления, при этом 0 дБ показывают, что затухание одно и то же для обеих базовых станций с мягкой эстафетной передачей управления. В этом примере мощность на 3 дБ еще использовалась для пилот-сигнала и для сигнализации управления мощностью. Уменьшение мощности передачи составляет 0,4 –0,6 дБ при изменении сдвигов мощности. Это уменьшение получается за счет улучшенного качества сигнализации управления мощностью. 9.2.2. Управление мощностью внешнего контура Управление мощностью внешнего контура необходимо для поддержания качества связи на требуемом уровне путем достижения цели быстрого управления мощностью. Внешний контур нацелен на обеспечение требуемого качества: не хуже, не лучше. Слишком высокое качество потребует лишней затраты пропускной способности. Внешний контур необходим и в восходящем, и в нисходящем каналах, потому что происходит быстрое управление мощностью и в восходящем, и в нисходящем каналах. В следующих разделах описывается ряд аспектов этого контура управления; они применимы к обоим каналам. В IS-95 управление мощностью внешнего контура используется только в восходящем канале, потому что быстрое управление мощностью в нисходящем канале отсутствует.

665

Уменьшение мощности передачи [дБ] Относительные потери на трассе к базовой станции BS1 по сравнению с базовой станцией BS2 [дБ]

Рис. 9.9. Выигрыш в мощности передачи в восходящем канале за счет использования сдвигов управления мощности.

На рис. 9.10 показано управление мощностью внешнего контура в восходящем канале. Качество восходящего канала наблюдается после объединения сигналов с макроразнесением в RNC, и заданное SIR передается базовым станциям. Частота быстрого управления мощностью равна 1,5 КГц, а частота управления мощностью внешнего контура, обычно, 10 – 100 Гц.

Быстрое управление мощностью

Принимаемые данные

ОбъедиУправление мощностью внешнего контура

SIR (отношение сигнал/шум) для быстрого управления мощностью10 – 100 Гц

Рис.9.10. Управление мощностью внешнего контура в восходящем канале в RNC.

На рис. 9.11 приводится общий алгоритм управления мощностью внешнего контура.

666

Уменьшение заданного SIR

Да

Полученное качество лучше требуемого

Нет

Увеличение заданного SIR

Рис. 9.11. Общий алгоритм управления мощностью внешнего контура. 9.2.2.1. Выигрыш за счет управления мощностью внешнего контура

В этом разделе мы анализируем то, как сильно мы должны регулировать заданные SIR, когда изменяется скорость передвижения или условия многолучевого распространения. Термины – заданное SIR и заданное Eb/N0 – используются взаимозаменяемо в этой главе. Результаты моделирования с адаптивным многоскоростным (AMR) речевым кодеком и FER=1% приведены в табл. 9.4 при управлении мощностью внешнего контура. Используются три различных многолучевых профиля: статический канал, соответствующий сильному компоненту на линии прямой видимости, ITU канал A с замираниями для движущего пользователя и трехлучевой канал с замираниями с одинаковыми средними мощностями многолучевых компонентов. Никакого разнесения антенн здесь не предполагается. Таблица 9.4. Средние заданные значения отношения Eb/N0 в различных условиях окружающей среды. Многолучевое распространение

Скорость движения MS

Без замираний

Среднее заданное значение Eb/N0 5,3 дБ

ITU канал A MS

3 км/ч

5,9 дБ

ITU канал A MS

20 км/ч

6,8 дБ

ITU канал A MS

50 км/ч

6,8 дБ

ITU канал A MS

120 км/ч

6,9 дБ

Одинаковые мощности трех лучей

3 км/ч

6,0 дБ

Одинаковые мощности трех лучей

20 км/ч

6,4 дБ

Одинаковые мощности трех лучей

50 км/ч

6,4 дБ

Одинаковые мощности трех лучей

120 км/ч

6,9 дБ

Самое низкое среднее заданное значение отношения Eb/N0 получено в статическом канале, а самое высокое − в ITU канале A MS с высокой скоростью движения. Этот результат указывает на то, что чем выше изменение принимаемой мощности, тем более высокое заданное значение отношения Eb/N0 требуется для обеспечения одного и того же качества. Если бы нам потребовалось вы-

667

брать фиксированное заданное значение Eb/N0, равное 5,3 дБ, согласно статическому каналу, то вероятность появления ошибок во фреймах соединения была бы слишком высокой в каналах с замираниями, и качество речи ухудшилось бы. Если бы нам потребовалось выбрать фиксированное заданное значение Eb/N0, равное 7,1 дБ, качество речи было бы достаточно хорошим, но в большинстве случаев пришлось бы использовать неоправданно высокие мощности. Мы можем сделать вывод, что несомненно нужна регулировка заданного значения при быстром управлении мощностью в замкнутом контуре с помощью управления мощностью во внешнем контуре. Как быстро должно регулироваться заданное значение при управлении мощностью во внешнем контуре? Одним из примеров может служить среда микросотовой ячейки, где MS находится первой на линии прямой видимости к базовой станции, и среднее заданное с значение Eb/N0 равное 5,3 дБ, обеспечивает требуемое качество. Если MS поворачивает за угол, компонент линии прямой видимости исчезает, и многолучевый профиль может измениться в ITU канале A движущейся MS. Если MS перемещается со скоростью 20 км/ч, заданное значение отношения Eb/N0 должно быстро увеличиваться с 5,3 дБ до 6,8 дБ. 9.2.2.2. Оценка качества принимаемых данных

В этом разделе вводится несколько различных способов для измерения качества принимаемых данных. Простой и надежный способ − это использование результата обнаружения ошибок проверочной комбинацией обнаружения или отсутствия ошибки (CRC). Преимуществами использования CRC являются очень надежное обнаружение ошибок во фреймах и ее простота. Способ, основанный на CRC, хорошо подходит для тех услуг, где допускается очень частое появление ошибок, по крайней мере, один раз каждые несколько секунд, как например, услуга по передаче пакета данных в нереальном масштабе времени, где вероятность ошибки по фреймам (FER) может вырасти до 10-20% перед повторением передач, и услуга по передаче речи, где, как правило, FER=1% обеспечивает требуемое качество речи. При использовании адаптивного мультискоростного речевого кодека (AMR) глубина перемежения равняется 20 мс и FER=1% соответствует ошибке в среднем на каждые 2 секунды. Качество приема можно также оценить на основании информации о надежности мягкого фрейма. Такой информацией может быть, например: • Вычисленная вероятность ошибок элементов сообщения (BER) до декодера канала, названная «сырой» BER или BER в физическом канале • Мягкая (текущая) информация из декодера Витерби со сверточными кодами • Мягкая информация от турбодекодера, например, BER или FER после повторения промежуточного декодирования. • Принимаемое отношение Eb/N0.

668

Проблема с этими величинами состоит в том, что они могут дать ошибочную оценку качества приема. Рассмотрим использование «сырой» величины BER. Требуемая «сырая»величина BER, предназначенная для получения требуемой конечной величины FER после декодера, не является постоянной, но зависит от профиля многолучевого распространения, скорости движения MS и алгоритмов приемника. Мягкая информация необходима для обеспечения услуг высокого качества (смотрите раздел 9.2.2.4). «Сырая» величина BER используется как мягкая информация по интерфейсу Iub. 9.2.2.3. Алгоритм управления мощностью во внешнем контуре

Один из возможных алгоритмов управления во внешнем контуре приводится в [2]. Этот алгоритм основан на результатах проверки по данным CRC и может быть характеризован в псевдокоде, как показано на рис. 9.13. Если FER соединения является монотонно убывающей функцией заданного Eb/N0, то этот алгоритм даст FER, равную заданной FER, если вызов будет достаточно длинным. Значение величины шага определяет скорость сходимости алгоритма к желательному заданному значению, а также определяет издержки, связанные с применением алгоритма. Принцип заключается в том, что чем больше размер шага, тем быстрее сходимость и больше издержки. На рис. 9.14 дан пример поведения алгоритма при заданной FER, равный 1%, и размере шага равном 0,5 дБ. RNC

BS Приемник RAKE

Воздушный интерфейс

Декодер каналов

• Данные • CRC • Мягкая информация

Iub

Управление мощностью во внешнем контуре, основанное на CRC или на мягкой информации

Рис. 9.12. Оценка качества во внешнем контуре в RNC.

Если проверка по CRC прошла успешно Step_down=FER target*Step size; Eb/N0_target(n+1)=Eb/N0_target (n)-Step_down;

ТАКЖЕ

669

Целевая функция Eb/N0

Рис. 9.13. Псевдокод алгоритма управления мощностью во внешнем контуре.

Речевые фреймы по 20 мс, общая продолжительность – 1 минута

Рис. 9.14. Заданное Eb/N0 в ITU канале A абонента, речевой кодек AMR, заданная FER 1%, размер шага – 0,5 дБ, скорость – 3 км/час. 9.2.2.4. Услуги с высоким качеством обслуживания

Необходимо, чтобы сетями третьего поколения обеспечивались услуги с высоким качеством обслуживания при очень низкой FER ( Worst_Old_Pilot_ Eb/I0 + Hysteresis_event 1C для периода ∆T, самая слабая ячейка в активном ряду заменяется самой сильной ячейкой из возможного варианта ряда (т.е. самой сильной ячейкой в контролируемом ряде). Это событие называют “Событие 1C” или “Комбинация с добавлением и удалением радиоканала”. Максимальный размер активного ряда на рис. 9.18 допускается равным 2. где: – Reporting_range

– порог для мягкой передачи управления

676

– гистерезис, интервал для добавления – гистерезис, интервал для удаления – гистерезис, интервал для замены – время для реализации – самая слабая измеряемая ячейка в активном ряду – Best_candidate_Pilot_Eb/I0 – самая сильная измеряемая ячейка в контролируемом ряду – Pilot_ Eb/I0 – измеряемая и фильтруемая величина.

– – – – –

Hysteresis_event 1A Hysteresis_event 1B Hysteresis_event 1С ∆T Worst_Old_Pilot_ Eb/I0

Прежде чем использовать Eb/I0 пилот-сигнала в алгоритме обновления активного ряда в MS, применяется некоторая фильтрация, например берется арифметическое среднее для определенного числа последних измеренных значений. Измерения Eb/I0 пилот-сигнала рассматриваются в разделе 9.3.1.2 В алгоритме WCDMA используются относительные пороги, тогда как в IS-95A и IS-95B – абсолютные пороги. Все три алгоритма базируются на измерении Eb/I0 пилот-сигнала подвижной станции. Наибольшим преимуществом алгоритма WCDMA по сравнению с алгоритмом IS-95A является его легкая параметризация. Никакой регулировки параметров не требуется для зон с высокими и низками помехами. Преимущество получается за счет использования относительных порогов. 9.3.1.2. Измерения при передаче управления

Точность измерений при передаче управления, т.е. измерений Eb/I0 пилотсигнала, важна для осуществления передачи управления. Влияние продолжительности фильтрации на точность измерений показано на рис. 9.19 с результатами моделирования, полученными при скорости 3 км/час, и на рис. 9.20 – при скорости 50 км/час. MS перемещается на одно и то же расстояние на обоих рисунках. Потери на трассе, затенения и помехи не учитываются в этих примерах; показано только влияние быстрых замираний. Цель измерения при передаче управления – получить результат измерения в том случае, когда влияние быстрых замираний усредняется. В примере, приводимом здесь, измерение выполняется взятием одной выборки на фрейм в 10 мс. Правильное значение измерения равно 0 дБ, а различие от этого значения вызывается лишь быстрыми замираниями, которое не усредняется полностью. Предполагаемым многолучевым профилем здесь является однолучевый канал с рэлеевскими замираниями, что является допущением для наихудшего случая. Если имеется многолучевое разнесение и MS может производить измерения в нескольких трактах, быстрые замирания вызывают меньше неточностей, чем их бывает в однолучевом канале.

677

Фильтрация в течение 100 мс

Фильтрация в течение 500 мс

Фильтрация в течении 1000 мс

секунды

Рис. 9.19. Точность измерений при передаче управления для скорости 3 км/час в однолучевом канале с рэлеевскими замираниями. Фильтрация в течение 100 мс

Фильтрация в течение 500 мс

Фильтрация в течение 1000 мс

секунды

Рис. 9.20. Точность измерений при передаче управления для скорости 50 км/час в однолучевом канале с рэлеевскими замираниями.

Продолжительность фильтрации в 100 мс вызывает очень большие ошибки в измерениях при скорости 3 км/час, поскольку быстрые замирания не могут быть отфильтрованы в течение такого короткого периода времени, как показано в самой верхней части рис. 9.19. Из-за ошибок в измерениях происходят ненужные передачи управления, что приводит к возрастанию интенсивности сигнализации при передаче управления и коротким периодам обновления активного ряда. За счет увеличения продолжительности фильтрации до 1 сек точность измерения может быть заметно улучшена. При низких скоростях – передвижения выгоднее использовать длительные периоды фильтрации. При скорости в 50 км/час период фильтрации, равный 100 мсек, дает вполне хорошую характеристику , и только относительно небольшие улучшения могут быть получены за счет увеличения периода фильтрации. Недостаток

678

длинных периодов фильтрации – это задержка, причиняемая эстафетной передаче управления. При высоких скоростях передвижения важна быстрая передача управления, особенно в микросотовых сетях, где потери на трассе до базовых станций могут быстро изменяться, когда MS заворачивает за угол. Влияние передачи управления с очень большой задержкой при быстром передвижении MS и при соединении с высокой скоростью передачи показано на рис. 9.21. Поскольку BS не находится в активном ряде MS, она не может управлять мощностью передачи в восходящем канале, и на BS2 могут возникнуть пиковые повышения помех. Базовая станция 2 для активного ряда

Увеличение помех на базовой станции 1

Задержка при передаче управления

Увеличение помех на базовой станции 2

Соединение с высокой скоростью передачи

Перед включением в активный ряд, высокие помехи от базовой станции 2

Рис. 9.21. Пики увеличения помех при приеме базовой станцией в следствие задержки в передаче управления.

Эта проблема может возникнуть, если только – Имеют место длительные задержки при передачах управления из-за длительного усреднения измерений или из-за задержек в сигнализации при передаче управления, и – MS передвигается очень быстро, и – Соединение использует высокие скорости передачи. Поэтому очень длительные периоды фильтрации не могут использоваться в измерениях при передаче управления. Оптимальным периодом фильтрации является компромисс между точностью измерений и задержкой передачи управления.

679

9.3.1.3. Выигрыш, получаемый при мягкой эстафетной передаче управления

В этом разделе приводится несколько примеров выигрышей при мягкой передаче управления, которые были получены при моделировании. Результаты представлены и рассмотрены более подробно в [7]. Выигрыш при мягкой передаче управления позволяет увеличивать зону обслуживания и пропускную способность сети WCDMA. На рис. 9.22 и рис.9.23 показаны результаты моделирования при передаче речи (8 Кбит/с) в ITU канале А пользователя при скорости передвижения 3 км/час и при мягкой передаче управления, содержащей две базовые станции в активном ряду. Относительные потери на трассе от MS до BS1 по сравнению с трассой BS2 составили 0, -3, -6 или –10 дБ. Самый большой выигрыш получают, когда потери на трассе одни и те же для обеих BS, т.е., относительное различие потерь на трассе равно 0 дБ. На рис. 9.22 показан выигрыш при мягкой передаче управления в мощности передачи в восходящем канале с разнесением антенн при приеме на BS. На рис. 9.23 показан соответствующий выигрыш в мощности передачи в нисходящем канале без разнесения передающей и приемной антенн. Выигрыш получен для случая с одним каналом. Следует отметить, что ITU канал A пользователя имеет лишь небольшое многолучевое разнесение и, следовательно, выигрыш при мягкой передаче управления является относительно высоким. Чем больше многолучевое разнесение, тем ниже выигрыш при передаче управления.

[дБ]

Выигрыш в мощности передачи в восходящем канале

Относительные потери на трассе до BS1 по сравнению BS2 [дБ]

Рис. 9.22. Выигрыш при мягкой передаче управления в мощности передачи в восходящем канале (положительное значение = выигрыш, отрицательное значение =проигрыш).

На рис. 9.22 максимальное уменьшение мощности передачи MS, обусловленное мягкой передачей управления, равно 1,8 дБ, если потери на трассе одинаковы для обеих базовых станций, участвующих в мягкой передаче управления. Если различие потерь на трассе очень велико, мягкая передача управления может привести к увеличению мощности передачи MS. Это увеличение вызывается ошибками сигнализации команд об управлении мощностью в восходящем канале, которые передаются в нисходящем канале. Однако, как правило,

680

базовая станция не будет находиться в активном ряду подвижной станции, если потери на трассе будут на 3-6дБ больше, чем потери на трассе до ближайшей базовой станции.

[дБ]

Выигрыш в мощности передачи в нисходящем канале

Относительные потери на трассе до BS1 по сравнению BS2 в [дБ]

Рис. 9.23. Выигрыш при мягкой передаче управления в мощности передачи в нисходящем канале (положительное значение = выигрыш, отрицательное значение = проигрыш).

В нисходящем канале максимальный выигрыш от мягкой передачи управления равен 2,3 дБ (рис. 9.23), который больше, чем в восходящем канале (рис. 9.22). Причиной этому является то, что не допускается никакого разнесения антенн в нисходящем канале, и, следовательно, в нисходящем канале наблюдается большая необходимость в макроразнесении при мягкой передаче управления. В нисходящем канале мягкая передача управления вызывает увеличение требуемой мощности передачи в нисходящем канале, если различие в потерях на трассе больше 4-5 дБ в этом примере. В этом случае MS не может эффективно принимать сигнал от более удаленной базовой станции, и никакой дополнительный выигрыш от разнесения не обеспечивается. Эти выигрыши от мягкой передачи управления служат лишь примерами оценок. Выигрыши зависят от многолучевого профиля, скорости передвижения, алгоритмов работы приемника и ориентации антенн базовой станции. Выигрыш, показанный в этом разделе, рассматривается с точки зрения пропускной способности, тогда как выигрыш от мягкой передачи управления для зоны обслуживания рассматривается в разделе 11.2.1.4. Различие между этими двумя аспектами состоит в том, что в случае максимальной зоны обслуживания MS ведет передачу с постоянной полной мощностью в то время, как в данном разделе предполагается быстрое управление мощностью. 9.3.1.4. Вероятностные оценки при мягкой передаче управления

При развертывании радиосети стремятся обеспечить правильное установление параметров передачи управления и планирование зон обслуживания так,

681

чтобы вероятность мягкой передачи управления не превышала требуемого значения. Как правило, необходимо, чтобы вероятность мягкой передачи управления поддерживалась на уровне ниже 30-40%, главным образом из-за того, что избыточные вероятности мягкой передачи управления могут уменьшить пропускную способность в нисходящем канале, как показано на рис. 9.23. В нисходящем канале каждое соединение с мягкой передачей управления увеличивает действие помех в сети. Когда возникающие помехи превышают выигрыш от разнесения, мягкая передача управления не обеспечивает никакого выигрыша для работы системы. Кроме того, в нисходящем канале в соединениях с мягкой передачей управления используется больше ортогональных кодов, чем только для одноканальных соединений. И в восходящем, и в нисходящем каналах мягкая передача управления требует ресурсов основной полосы на базовой станции, дополнительной пропускной способности при передаче через интерфейс Iub и ресурсов RNC. Задачей планирования радиосети и оптимизации является поддержание издержек при мягкой передаче управления ниже желаемого порога при все еще достаточном обеспечении разнесения и в восходящем, и в нисходящем каналах. 9.3.2. Передача управления с частоты на частоту и между системами WCDMA поддерживает передачу управления между различными несущими WCDMA и между WCDMA и GSM. Эта передача управления используется для обеспечения необходимой зоны обслуживания для выравнивания нагрузки. В начале развертывания WCDMA необходимо, чтобы передача управления на GSM обеспечивала непрерывную зону обслуживания. Передача управления между несущими WCDMA необходима для того, чтобы сбалансировать нагрузку между несущими, если на базовой станции используется несколько несущих. Балансирование нагрузки может быть достигнуто также за счет межсистемной передачи управлений, например, между WCDMA и GSM. Передача управления между частотами также обеспечивает передачу управления между различными сотовыми уровнями многоуровневой сотовой сети, когда уровни ячеек используют различные несущие частоты. Этот вид передачи управления возможен, например, между макро- и микроячейками. Процедура режима многочастотных измерений при передаче управления между частотами и между системами описывается в главе 6. Потребность в межсистемной передаче управления между WCDMA и GSM учитываются при осуществлении синхронизации фреймов WCDMA и мультифреймовой структуры, совместимой с GSM [6]. Для плавного перехода с системы на систему необходим обмен информацией между системами для того,

682

чтобы позволить WCDMA оповестить MS о наличии частот GSM в этой зоне и наоборот [6].

683

9.4. Измерение нагрузки воздушного интерфейса Если управление радиоресурсами основывается на уровнях помех в воздушном интерфейсе, необходимо измерять нагрузку интерфейса. Оценка нагрузки в восходящем канале приводится в разделе 9.4.1, а оценка нагрузки в нисходящем канале – в разделе 9.4.2. 9.4.1. Нагрузка в восходящем канале В этом разделе приводятся два вида измерений нагрузки в восходящем канале: оценка нагрузки, основанная на широкополосной принимаемой мощности, и оценка нагрузки, основанная на пропускной способности. Ниже приводятся примеры подходов, которые можно использовать в сетях WCDMA. 9.4.1.1. Оценка нагрузки, основанная на широкополосной принимаемой мощности

Уровень широкополосной принимаемой мощности можно использовать при оценке нагрузки в восходящем канале. Принимаемые уровни мощности можно измерять на базовой станции. Основываясь на этих измерениях, можно получить коэффициент нагрузки в восходящем канале. Эти вычисления показаны ниже. Мощность принимаемых широкополосных помех Itotal может быть разделена на мощности пользователей собственной ячейки (= внутри ячейки), Iown, мощности пользователей другой ячейки (=между ячейками), Ioth, фон и шум в приемнике, PN: Itotal=Iown+Ioth+PN (9.1) Увеличение помех в восходящем канале определяется как отношение полной принимаемой мощности к мощности помех. Увеличение помех=

I total 1 = PN 1 − ηUL

(9.2)

Это уравнение можно преобразовать для получения коэффициента нагрузки в восходящем канале ηUL : ηUL = 1 −

PN увеличение помех − 1 = , I total увеличение помех

(9.3)

где Itotal может быть измерено базовой станцией, а PN известно заранее. Коэффициент нагрузки в восходящем канале ηUL обычно используется как индикатор нагрузки в восходящем канале. Например, если считают, что нагрузка в восходящем канале равна 60% от максимальной способности WCDMA, это означает, что коэффициент нагрузки ηUL = 0,60 .

684

Оценка нагрузки, основанная на уровне принимаемой мощности, также приводится в [8] и [9]. 9.4.1.2. Оценка нагрузки, основанная на пропускной способности

Коэффициент нагрузки в восходящем канале ηUL может быть вычислен в виде суммы коэффициентов нагрузки пользователей, которые подсоединяются к этой базовой станции: N

N

ηUL = (1 + i )∑ L j = (1 + i )∑ j =1

1 W j =1 1+ ( Eb / N 0 ) j R jυ j

,

(9.4)

где N –число пользователей в собственной ячейке, W – скорость передачи чипов, Lj – коэффициент нагрузки j-го пользователя, Rj – скорость передачи j-го пользователя, (Eb/N0)j есть Eb/N0 j-го пользователя, υ j –коэффициент речевой активности j-го пользователя и i – коэффициент помех собственной ячейки от другой. Отметим, что уравнение (9.4) такое же, что и при вычислении коэффициента нагрузки при задании размаха радиосети, приведенном в разделе 8.2.2. При задании размаха сети необходимо определить среднее число пользователей N в ячейке, а средние значения для Eb/N0, i, v используются в качестве входных параметров. Эти значения типичные для этой среды и могут быть основаны на измерениях и моделях. При оценке нагрузки мгновенные измеряемые значения для Eb/N0, i, v и число пользователей используются для оценки мгновенной нагрузки воздушного интерфейса. При оценке нагрузки, основанной на пропускной способности, помехи от других ячеек непосредственно не включаются в нагрузку, но должны учитываться параметром i. Кроме того, часть помех собственной ячейки, которая не захвачена приемником RAKE, может также учитываться параметром i. Если допустить, что i=0, тогда следует учитывать только помехи в собственной ячейке. 9.4.1.3 Сравнение способов оценки нагрузки в восходящем канале

В табл. 9.5 дается сравнение двух вышеупомянутых способов оценки нагрузки. В способе, основанном на измерении широкополосной мощности, помехи от соседних ячеек непосредственно включены в оценку нагрузки, потому что измеренная широкополосная мощность включает все помехи, которые принимаются на этой несущей частоте базовой станцией. Если нагрузка в соседних ячейках низкая, это можно увидеть при изменении нагрузки, основанной на широкополосной мощности в этой ячейке, и может быть разрешена более высокая нагрузка, т.е. можно получить мягкую пропускную способность. Важ-

685

ность мягкой пропускной способности пояснялась в задании размеров радиосети в разделе 8.2.3. На рис. 9.24 показаны оценки нагрузки, основанные на широкополосной мощности и на пропускной способности. Различные кривые обозначают различную нагрузку в соседних ячейках. Чем больше значение i, тем больше помехи от соседних ячеек. При оценке нагрузки, основанной на широкополосной мощности, зона обслуживается в запланированных пределах, и предоставленная пропускная способность зависит от нагрузки в соседних ячейках (мягкая пропускная способность). Этот способ эффективно предотвращает пульсации в ячейке, которые будут превышать запланированные значения. Таблица 9.5 Сравнение способов оценки нагрузки в восходящем канале.

Что необходимо измерять? Какие потребности предусматриваются или измеряются раздельно? Помехи от другой ячейки

Мягкая пропускная способность Другие источники помех (=соседний канал)

Широкополосная принимаемая мощность Широкополосная принимаемая мощность Itotal на ячейку Уровень теплового шума (=мощность помех ненагруженных каналов) Включаются в измерение широкополосной принимаемой мощности

Пропускная способность

Число соединений

Eb/N0 в восходящем канале и битовые скорости R для каждого соединения Отношение помех от другой ячейки к помехам в собственной, i Допускаются в явном виде в i

Число соединений

Да, автоматически

Не прямо, вероятно через RNC Уменьшенная зона обслуживания

Уменьшенная пропускная способность

Уровень широкополосной мощности Imax (зона обслуживания)

Порог для случая широкополосной мощности

Нагрузка, вызываемая одним соединением Допускаются в явном виде при выборе максимального числа соединений Нет Уменьшенная зона обслуживания

Мягкая пропускная способность, зависящая от нагрузки другой ячейки i c RRM, основанным на широкополосной мощности Коэффициент использования мощности собственной ячейки η (пропускная способность)

Порог для Рис. 9.24. Оценки нагрузки, основанные на широкополосной мощности и пропускной способности.

Проблемой, связанной с оценкой нагрузки, основанной на широкополосной мощности, является то, что измеряемая широкополосная мощность может включать помехи от соседних частотных каналов. Они могут исходить от MS другого оператора расположенной очень близко к антенне базовой станции.

686

Поэтому с помощью способа, основанного на оценке помех, можно переоценивать нагрузку собственной несущей, обусловленную влиянием любых внешних помех. Приемник базовой станции не может отделять помехи для собственной несущей от других несущих с помощью измерений широкополосной мощности. При оценке нагрузки, основанной на пропускной способности, непосредственно не учитываются помехи от соседних ячеек или соседних несущих. Если требуется мягкая пропускная способность, то информацию о нагрузке в соседней ячейке можно получить через RNC. RRM, основанное на пропускной способности, поддерживает пропускную способность ячейки на запланированном уровне. Если нагрузка в соседних ячейках высока, она влияет на зону обслуживания ячейки. Третий способ оценки нагрузки, приведенный в табл. 9.5 (в правой колонке), основывается просто на числе соединений в базовых станциях. Этот способ можно применять в сетях второго поколения, где все соединения используют достаточно близкие низкие скорости передачи, и невозможны никакие соединения при высоких скоростях передачи. В сетях третьего поколения использованию этого способа препятствует смешение различных скоростей передачи, услуг и требований к качеству передачи. Поэтому разумно считать, что нагрузка, вызываемая одним пользователем при скорости передачи 2 Мбит/с, такая же, как вызываемая одним речевым пользователем. 9.4.2. Нагрузка в нисходящем канале 9.4.2.1. Оценка нагрузки, основанная на мощности

Нагрузку ячейки в нисходящем канале можно определить с помощью полной мощности передачи в нисходящем канале, Ptotal. Коэффициент нагрузки в нисходящем канале, η DL , можно определить как отношение текущей полной мощности передачи к максимальной мощности передачи базовой станции Pmax: η DL =

Ptotal Pmax

(9.5)

Отметим, что в этом способе оценки нагрузки полная мощность передачи базовой станции Ptotal не дает точной информации относительно того, как близко она подходит к максимальной пропускной способности воздушного интерфейса в нисходящем канале, в котором работает система. В небольшой ячейке такая же Ptotal соответствует более высокой нагрузке воздушного интерфейса, чем в большой ячейке. 9.4.2.2 Оценка нагрузки, основанная на пропускной способности

687

В нисходящем канале оценка нагрузки, основанной на пропускной способности, может осуществляться при использовании суммы выделенных скоростей для передачи в нисходящем канале, η DL ,следующим образом: N

η DL =

∑R

i

j =1

Rmax

,

(9.6)

где N – число соединений в нисходящем канале, включая общие каналы, Rj – скорость передачи j-го пользователя и Rmax – максимальная допустимая пропускная способность ячейки. Можно также взвешивать скорости передачи пользователя со значениями Eb/N0 следующим образом: N

υ j ( Eb / N 0 ) j

j =1

W

η DL = ∑ R j

[(1 − α ) + i ]

(9.7)

где W – скорость передачи чипов, (Eb/N0) j – Eb/N0 j-го пользователя, υ j – коэффициент речевой активности j-го пользователя, α – средняя ортогональность ячейки и i – среднее отношение помех в нисходящем канале от другой ячейки к помехам собственной ячейки. Отметим, что уравнение (9.7) подобно уравнению размаха радиосети в нисходящем канале. (Смотрите раздел 8.2.2). Среднюю ортогональность в нисходящем канале может оценивать базовая станция по многолучевому распространению в восходящем канале. Следует допустить, что значение Eb/No, основываются на типичных значениях для этой среды. Средние значения помех от других ячеек можно получить в RNC, основываясь на нагрузке соседней ячейки.

9.5. Управление доступом 9.5.1. Принцип управления доступом Если чрезмерно увеличить нагрузку в воздушном интерфейсе, то зона обслуживания ячейки уменьшается до значений ниже запланированных, и поэтому качество обслуживания имеющихся соединений не может быть гарантировано. Перед тем, как разрешить установление нового соединения, необходимо иметь управление доступом для того, чтобы проверить не повлечет ли разрешение на доступ к уменьшению запланированной зоны обслуживания или качества имеющихся соединений. Управление доступом позволяет принимать или не принимать запрос на установление радиоканала доступа в сети с радиодоступом. Алгоритм управления доступом исполняется, когда устанавливается или видоизменяется канал B. Функциональные возможности управления доступом размещаются в RNC, где можно получить информацию о нагрузке от нескольких ячеек. Алгоритм управления доступом оценивает увеличение нагрузки, к

688

которому приведет установление канала B в радиосети. Оно должно оцениваться по отдельности для восходящего и нисходящего каналов. Запрашивающий канал B может быть допущен, если только управление доступом в восходящем и нисходящем канале позволяет это, в других случаях он не допускается из-за чрезмерных помех, которые будут вызваны в сети. Пределы для управления доступом устанавливаются при планировании радиосети. Было предложено несколько схем управления доступом в [10] –[14]. В [10] –[12] поддерживается идея использования полной мощности, принимаемой базовой станцией, как основной критерий для принятия решения об управлении доступом в восходящем канале. В [10] и [13] приводится алгоритм управления доступом в нисходящем канале на основании обеспечения полной мощности передачи в нисходящем канале. 9.5.2. Стратегия управления доступом, основанная на широкополосной мощности В стратегии управления доступом, основанной на помехах, новый пользователь не допускается алгоритмом управления доступом в восходящем канале, если новый полученный полный уровень помех выше порогового значения: Itotal-old + ∆I >Ithreshold (9.8) Пороговое значение Ithreshold такое же, как максимальное увеличение помех в восходящем канале, и может быть установлено при планировании радиосети. Это увеличение помех должно включаться в бюджет канала как запас по помехозащищенности: см. раздел 8.2.1. На рис. 9.25 показано управление доступом, основанное на широкополосной мощности. Алгоритм управления доступом в восходящем канале оценивает увеличение нагрузки, используя каждый из нижеприведенных двух способов. В способах оценки увеличения мощности в восходящем канале учитывается кривая нагрузки в восходящем канале (см., например, [8], [9], [15] и [16].

Уровень помех

Порог Вычисленное увеличение помех ∆I

Lполная-предшествующая

Максимальное запланированное увеличение помех

∆L Нагрузка η

Рис. 9.25. Кривая нагрузки в восходящем канале и оценка увеличения нагрузки из-за появления нового пользователя.

689

Ниже показаны два различных способа увеличения мощности в восходящем канале. Они могут использоваться в стратегии управления доступом, основанном на помехах. Цель – оценить увеличение (приращение) ∆I принимаемых широкополосных помех в восходящем канале Itotal из-за появления нового пользователя. Управление доступом нового пользователя и оценка увеличения мощности осуществляется с помощью функциональных возможностей управления доступом. Первый предложенный способ (метод дифференцирования) приводится в уравнении (9.11), а второй (метод интегрирования) – в уравнении (9.12). В обоих методах учитывается кривая нагрузки, и оба этих метода основываются на производной помех в восходящем канале относительно коэффициента использования мощности в восходящем канале dI total , dη

(9.9)

который можно вычислить следующим образом: Увеличение помех

=

I total 1 = ⇒ PN 1−η

PN ⇒ 1 −η dI total PN = dη (1 − η )2

Itotal =

(9.10)

Изменение в мощности помех в восходящем канале можно получить с помощью уравнения (9.11). Это уравнение базируется на допущении, что увеличение мощности является производной от старой мощности помех в восходящем канале относительно коэффициента использования мощности в восходящем канале, умноженном на коэффициент использования мощности нового пользователя ∆L: ΔI dI total = ⇔ dη ΔL dI ΔI = total ΔL ⇔ dη PN ∆I = ∆L ⇔ (1 − η )2 I ∆I = total ∆L ⇔ 1−η

(9.11)

Второй метод оценки увеличения мощности в восходящем канале базируется на методе интегрирования, в котором производная помех относительно ко-

690

эффициента использования мощности интегрируется от старого значения коэффициента использования мощности (ηстарое = η) к новому значению коэффи-

691

циента использования мощности (ηновое = η + ∆L) следующим образом: η + ∆L

∫ dI

∆I =

total

⇔

η

η + ∆L

∆I =

PN

∫ (1 − η ) dη ⇔ 2

(9.12)

η

PN P − N ⇔ 1 − η − ∆L 1 − η P ∆L ⋅ N ⇔ ∆I = 1 − η − ∆L 1 − η I total ∆I = ∆L 1 − η − ∆L ∆I =

В уравнениях (9.11) и (9.12) коэффициент использования мощности нового пользователя ∆L является коэффициент вычисленной нагрузки нового соединения, и его можно получить в виде ∆L =

1 W 1+ υ ⋅ Eb / N 0 ⋅ R

(9.13)

где W – скорость передачи чипов, R – скорость передачи нового пользователя, Eb/No – предполагаемое Eb/No нового соединения и ν – предполагаемая речевая активность нового соединения. Стратегия управления доступом в нисходящем канале такая же, как и в восходящем канале, т.е., пользователь получает доступ, если новая полная мощность передачи в нисходящем канале не превышает заранее определенную заданную величину. Ptotal _ old + ∆Ptotal > Pthreshold

(9.14) Пороговое значение Pthreshold устанавливается в соответствии с планом радиосети. Увеличение нагрузки ∆Ptotal в нисходящем канале можно вычислить на основании исходной мощности. Исходная мощность зависит от расстояния от BS и определяется алгоритмом управления мощностью открытого контура. 9.5.3. Стратегия управления доступом, основанная на пропускной способности В стратегии управления доступом, основанной на пропускной способности, новый запрашивающий пользователь не допускается в сеть с радиодоступом, если: (9.15) ηUL + ∆L > ηUL _ threshold

692

и то же самое в нисходящем канале: η DL + ∆L > η DL _ threshold

(9.16) где ηUL и ηDL – коэффициенты использования мощности в восходящем и нисходящем каналах перед допуском нового соединения, и они вычисляются, как показано в разделе 9.4. Коэффициенты использования мощности нового пользователя ΔL вычисляются, как в уравнении (9.13). И, наконец, следует отметить, что в восходящем и в нисходящем каналах могут использоваться различные стратегии управления доступом.

9.6. Управление нагрузкой (управление перегрузкой) Одной из важных задач управления радиоресурсами является обеспечение гарантии того, что система не перегружается и остается стабильной. Если система спланирована правильно и диспетчер управления доступом и пакетами работает хорошо, то ситуации с перегрузкой будут исключением. Однако, если появляется перегрузка, то функции управления нагрузкой быстро возвращаются системе и происходит возвращение к заданной нагрузке, которая определяется по плану радиосети. Ниже перечисляются возможные действия по управлению рабочей нагрузкой с целью уменьшения перегрузки: – Быстрое регулирование нагрузки в нисходящем канале: отмените команды по увеличению мощности в нисходящем канале, принятые от MS; – Быстрое регулирование нагрузки в восходящем канале: уменьшите заданное значение Eb/No, используемое при быстром управлении мощностью в восходящем канале; – Уменьшите пропускную способность для трафика передачи пакетов; – Эстафетная передача управления на другую несущую WCDMA; – Эстафетная передача управления на систему GSM; – Уменьшение скоростей передачи пользователей в реальном времени, например, в речевом AMR кодеке; – Контролируемая потеря вызовов. Первые два действия в этом перечне – быстрые действия, которые выполняются в BS. Эти действия могут происходить в пределах одного временного слота, т.е. с частотой 1,5 кГц, и обеспечивать быстрое установление приоритетов для различных услуг. Увеличение мгновенной вероятности появления ошибок во фреймах соединений, не чувствительных к задержке, может быть разрешено для того, чтобы поддерживать качество тех услуг, которые не могут допустить повторную передачу. Эти действия вызывают лишь увеличенную задержку при передаче пакетных данных, пока сохраняется качество в то время,

693

как качество разговорных услуг, как, например, передача речи и видеотелефоннная связь, сохраняется. Другие действия по управлению нагрузкой, как правило, являются более медленными. Пакетный трафик уменьшается диспетчером-планировщиком передачи пакетов: см. главу 10. Одним из примеров такого соединения в реальном времени, скорость передачи которого может быть уменьшена с помощью сети с радиодоступом, является адаптивный мультискоростной (AMR) речевой кодек: для получения дополнительной информации смотрите раздел 2.3. Передачи управления между частотами и между системами могут также использоваться как алгоритмы балансирования нагрузки и управления нагрузкой. Конечным действием по управлению нагрузкой является отключение пользователей в реальном времени (т.е. пользователей речевой связи или пользователей системы передачи данных с коммутацией каналов) для того, чтобы уменьшить нагрузку на систему. Это действие осуществляется если только нагрузка на систему остается очень высокой даже после того, как были произведены другие действия по управлению нагрузкой с целью уменьшения перегрузки. Воздушный интерфейс WCDMA третьего поколения и предполагаемое увеличение трафика в нереальном времени в сетях третьего поколения представляют большой выбор возможных действий по управлению ситуациями с перегрузкой, и поэтому очень редко будет возникать необходимость в отключении пользователей в реальном времени для уменьшения перегрузки. Литература к главе 9: [1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Sipilä, К., Laiho-Steffens, J., Wacker, A. and Jäsberg, M., «Modelling the Impact of the Fast Power Control on the WCDMA Uplink», Proceedings of VTC'99 Spring, Houston, TX, 16-19 May 1999, pp. 1266-1270. Sampath, A., Kumar, P. and Holtzman, J., «On Setting Reverse Link Target SIR in a CDMA System», Proceedings of VTC'97, Arizona. 4-7 May 1997, Vol. 2, pp. 929-933. TIA/EIA/IS-95-A. «Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System», Telecommunications Industry Association, Washington, DC, May 1995. Laiho-Steffens, J., Jäsberg, M., Sipilä, K., Wacker, A. and Kangas, A., «Comparison of Three Diversity Handover Algorithms by Using Measured Propagation Data», Proceedings of VTC'99 Spring, Houston. TX, 16-19 May 1999, pp.1370-1374. Qualcomm Corporation. «Diversity-Handover Method and Performance», ETSI SMG2 Wideband CDMA Concept Group Alpha Meeting. Stockholm, Sweden, September1997.

694

[6]

3rd Generation Partnership Project. Technical Specification Group RAN, Working Group 2 (WG2). «Radio Resource Management Strategies», 3G TR 25.922, Ver 0.5.0, September1999. [7] Salonaho, O. and Laakso, J., «Flexible Power Allocation for Physical Control Channel in Wideband CDMA». Proceedings of VТС'99 Spring, Housion, TX, 16-19 May 1999, pp.1455-1458. [8] Shapira, J. and Padovani, R., «Spatial Topology and Dynamics in CDMA Cellular Radio», Proceedings of'42nd IEEE VTS Conference, Denver, CO, May 1992, pp.213-216. [9] Shapira, J., «Microcell Engineering in CDMA Cellular Networks», IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 43, No. 4, November 1994, pp. 817-825. [10] Dahlman, E., Knutsson, J., Ovesjö, F., Persson, M. and Roobol, C., «WCDMA - The Radio Interface for Future Mobile Multimedia Communications». IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 47, No. 4, November I998, pp 1105-1118. [11] Huang, C. and Yates, R., «Call Admission in Power Controlled CDMA Systems». Proceedings of VTC'96, Atlanta, GA, May 1996, pp. 1665-1669. [12] Knutsson, J., Butovitsch, Т., Persson, M. and Yates, R., «Evaluation of Admission Control Algorithms for CDMA System in a Manhattan Environment», Proceedings of 2nd CDMA International Conference, C1C '97, Seoul, South Korea, October 1997, pp. 414-418. [13] Knutsson, J., Butovitsch, P., Persson, M. and Yates, R., «Downlink Admission Control Strategies for CDMA Systems in a Manhattan Environment», Proceedings of VTС'98, Ottawa, Canada, May 1998, pp. 1453-1457. [14]

Liu, Z. and Zarki, M. «SIR Based Call Admission Control for DS-

CDMA Cellular System». IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 12, 1994, pp. 638-644. [15] Holma, H. and Laakso, J., «Uplink Admission Control and Soft Capacity with MUD in CDMA», Proceedings of VTC'99 Fall. Amsterdam, Netherlands, 1922 September 1999, pp.431-435. [16] Ojanperä, T. and Prasad, R., Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications, Artech House,1998.

695

10 Пакетный доступ

В этой главе рассматривается пакетный доступ в WCDMA. Глава строится следующим образом. Характеристики пакетного трафика рассматриваются в разделе 10.1. Описание пакетного доступа для WCDMA приводится в разделе 10.2, и сравнение транспортных каналов для передачи пакетных данных дается в разделе 10.3. Примеры алгоритмов планирования пакетов приводятся в разделе 10.4. Взаимодействие между планированием пакетов и другими алгоритмами RRM описывается в разделе 10.5, а результаты моделирования передачи пакетных данных приводятся в разделе 10.6.

10.1. Пакетный информационный трафик Классы по качеству обслуживания, которые главным образом рассматриваются в этой главе, ограничиваются классами интерактивного и вспомогательного взаимодействия: см. раздел 2.3. Предполагается, что классы диалогового и потокового взаимодействий реализуются как соединения в реальном времени через воздушный интерфейс. При этой технологии все еще может применяться в полном объеме IP для всех классов обслуживания в базовой сети. Ниже в качестве примера пакетного информационного трафика рассматривается модель передачи пакетных данных ETSI [1]. Набор пакетных услуг содержит один или несколько пакетных вызовов (сеансов), зависящих от приложения. Во время пакетного вызова (сеанса) можно передать несколько пакетов, так что пакетный вызов составляет последовательность пакетов. Неравномерность передачи во время пакетного вызова – характерная особенность пакетной передачи. Например, во время сеанса просмотра Web пакетный вызов соответствует загрузке документа. После приема всего документа терминалом пользователю требуется определенный период времени для изучения информации. Этот временной интервал называют временем считывания. Возможно также, что сеанс содержит только один пакетный вызов. На рис. 10.1 показан типичный пример работы пакетного информационного трафика. Характеристики пакетного информационного трафика определяют следующие параметры [1]: – процесс поступления вызовов во время сеанса – число пакетных вызовов на сеанс – время считывания между пакетными вызовами – число пакетов внутри пакетного вызова (сеанса)

696

– временной интервал между двумя пакетами внутри пакетного вызова – размер пакета. Сеанс пакетного обслуживания Пакетный вызов

Время считывания

Размер пакета

Интервал поступления пакетов

Рис. 10.1. Характеристика сеанса пакетного обслуживания.

Процесс проведения сеансов на сети можно смоделировать как Пуассоновский процесс. Время считывания начинается, когда пользователь делает запрос на следующий пакетный сеанс. Представленная здесь модель – лишь один пример, приведенный для просмотра Web. Модель трафика должна предусматривать сочетание различных характерных особенностей, которые могут появиться в будущем трафике. По этой причине могут использоваться различные статистические распределения. Ниже перечисляются свойства, которые являются типичными для пакетных услуг в нереальном времени с точки зрения пакетного интерфейса: – Пакетные данные передаются неравномерно. Требуемая скорость передачи данных может быстро изменяться от нуля до сотен килобит в секунду. – Пакетные данные допускают более длительную задержку, чем услуги, обеспечиваемые в реальном времени. Поэтому пакетные данные допускают управление трафиком с точки зрения сети радиодоступа. При интерактивном обслуживании пользователь должен делать запрос в пределах приемлемого времени, а при выполнении услуг вспомогательного типа данные могут передаваться, когда есть свободная пропускная способность радиоинтерфейса. – Пакеты могут повторно передаваться в соответствии с уровнем управления радиолинией (RLC). Это позволяет использовать радиолинии с худшим качеством и со значительно более высокой вероятностью появления ошибок во фрейме, чем в случае оказания услуг в реальном времени.

697

Также есть возможность передавать услуги в реальном времени – с качеством обслуживания, как в классах диалогового и потокового взаимодействий по пакетным сетям. Примером является передача речи через IP. Передача услуг в реальном времени в этой главе не рассматривается.

10.2. Рассмотрение пакетного доступа WCDMA В этом разделе кратко излагаются функции пакетного радиодоступа WCDMA. Назначением пакетов в WCDMA управляет распределитель пакетов (PS). Его функциями являются: – распределение имеющейся пропускной способности воздушного интерфейса между пользователями передачи данных; – решение об использовании транспортного канала для передачи пакетных данных каждого пользователя; – контроль за распределениями пакетов и нагрузкой системы. Пакетный доступ WCDMA позволяет каналам-переносчикам информации в нереальном времени динамично использовать общие, выделенные и совместно используемые каналы. Использованием различных каналов управляет распределитель пакетов (PS). Он назначает скорость передачи для каналапереносчика и, как правило, изменяет ее во время активного соединения. Распределитель пакетов обычно располагается в RNC, где распределение может осуществляться эффективно для множества ячеек с учетом соединений с мягкой передачей управления. BS обеспечивает измерение нагрузки воздушного интерфейса распределителя пакетов: см. рис. 10.2. BS

Назначения пакетов Измерение нагрузки

BS

RNC

(PS) Назначения пакетов

Рис. 10.2. Пакетный доступ в сети WCDMA Если нагрузка превышает заданное значение, распределитель пакетов может уменьшать нагрузку путем уменьшения скоростей передачи в пакетных каналах-переносчиках; если нагрузка меньше, чем заданное значение, он может увеличить нагрузку путем выделения большего числа данных. Распределитель

698

пакетов также является элементом управления нагрузкой сети, потому что он может увеличивать или уменьшать нагрузку сети.

10.3. Транспортные каналы для передачи пакетных данных В WCDMA существует три типа транспортных каналов, которые могут использоваться для передачи пакетных данных: общие, выделенные и совмещенные транспортные каналы. Эти каналы описываются в Главе 6, а в этом разделе рассматриваются их возможности и их реализуемость для передачи пакетных данных. Транспортный канал для передачи пакетных данных выбирается с помощью алгоритма распределения (планирования) пакетов. 10.3.1. Общие каналы Общие каналы – это канал случайного доступа (RACH) в восходящем канале и прямой канал доступа (FACH) в нисходящем канале. Оба канала могут передавать данные сигнализации, а также данные пользователей в WCDMA. Преимущество общих каналов заключается в их малом времени установления. Так как они также используются для сигнализации перед установлением соединения, их можно использовать для немедленной передачи пакетов без длительного времени установления. Обычно существует только один или несколько каналов RACH или FACH на сектор. Общие каналы не должны иметь канал обратной связи, и поэтому они не могут использовать быстрое управление мощностью в замкнутом контуре, а только управление мощностью в открытом контуре или иметь фиксированную мощность. Эти каналы не могут использовать мягкую передачу управления. Поэтому характеристика общих каналов на уровне канала хуже, чем у выделенных каналов, и создаются большие радиопомехи, чем у выделенных каналов. Выигрыш от быстрого управления мощностью анализируется в разделе 9.2, а выигрыш от мягкой передачи управления в разделе 9.3. Теперь легко видеть, что общие каналы лучше всего подходят для передачи небольших индивидуальных пакетов. Идеально используются в общих каналах услуги по передаче только коротких сообщений и коротких текстов электронной почтой. Кроме того, может хорошо пройти в общих каналах передача отдельного запроса страницы Web. В случае большего числа данных общие каналы на радиолинии работают плохо. Воздушный интерфейс не поддерживает использование общих каналов для передачи данных. Возможность использования общих каналов в WCDMA обеспечивает дополнительную гибкость для передачи пакетных данных по сравнению с GPRS.

699

10.3.2. Выделенные каналы Выделенные каналы имеют то преимущество, что они могут использовать быстрое управление мощностью и мягкую эстафетную передачу управления. Эти свойства улучшают качество радиосвязи, и, следовательно, создается меньше радиопомех, чем при использовании общих каналов. С другой стороны, на установление выделенного канала требуется больше времени, чем на получение доступа к общим каналам. Выделенные каналы могут иметь скорости передачи от нескольких килобит в секунду до 2 Мбит/с. Скорость передачи бит может изменяться во время передачи. Если скорость передачи изменяется в пределах транспортного формата, ортогональный код в нисходящем канале должен назначаться в соответствии с наивысшей скоростью передачи. Следовательно, в выделенных каналах с переменной скоростью передачи расходуются ортогональные коды для нисходящего канала. 10.3.3. Совмещенные каналы Совмещенные каналы предназначаются для передачи неравномерных потоков пакетированных данных. Смысл в том, чтобы совместно использовать один физический канал, т.е. ортогональный код, между многими пользователями по способу временного разделения. Это позволяет использовать ограниченное число ортогональных кодов для нисходящего канала, потому что несколько пользователей совместно используют этот код. Если бы вместо совмещенных каналов применялся выделенный канал, ортогональный код резервировался бы в соответствии с максимальной скоростью передачи, и эффективность использования кода была бы низкой. Совмещенные каналы могут использоваться вместе с выделенным каналом с более низкой скоростью передачи. Выделенные каналы поддерживают физический канал управления, включая сигнализацию для быстрого управления мощностью. Следует также отметить, что совмещенные каналы не могут использовать мягкий хэндовер. 10.3.4. Общий канал передачи пакетов (CPCH) Общий канал передачи пакетов (CPCH) подобен общим и совмещенным каналам. Он используется в восходящей линии и имеет доступ подобно RACH (каналу случайного доступа). Многие пользователи совместно используют этот канал по способу временного разделения; в этом смысле он подобен совмещенному каналу в восходящей линии. Скорость передачи в CPCH может быть или высокой, или низкой, и поэтому может быть много каналов CPCH на ячейку, каждая из которых имеет различную скорость передачи. CPCH может иметь

700

быстрое управление мощностью после процедуры доступа, но не может использовать мягкий хэндовер. CPCH является идеальным для пакетов небольшого и среднего размера с неравномерным потоком данных. 10.3.5. Выбор типа канала Краткие сведения о транспортных каналах для пакетированного потока данных приводятся в табл. 10.1. Распределитель пакетов в RNC выбирает каналы, используемые для передачи данных. Этот выбор основывается на: – типе обслуживания или параметрах канала-переносчика; например, по требованиям к задержке; – количестве данных; – нагрузке общих и совмещенных каналов; – уровнях помех в воздушном интерфейсе; – характеристике качества радиосвязи в различных транспортных каналах. Таблица 10.1. Типы каналов WCDMA и их свойства для пакетированного потока данных. Выделенные каналы

DC H Использование кода

Быстрое управление мощностью

Мягкий хэндовер Подходит для Подходит для

RA CH

Совмещенные каналы

CPCH

DSCH

USCH

Нисходящий

Восходящий

Восходящий

Нисходящий

канал

канал

канал

канал

Восходящий канал, только в TDD

В соответствии с максимальной скоростью

Фиксированные коды на ячейку

Фиксированные коды на ячейку

Фиксированные коды на ячейку

Код, совместно используемый пользователями

Код, совместно используемый пользователями

Да

Нет

Нет

Да

Да

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Нет

Нет

Средних или больших потоков данных

Небольших потоков данных

Небольших потоков данных

Небольших или средних потоков данных

Средних или больших потоков данных

Средних или больших потоков данных

Нет

Да

Да

Да

Да

Да

Восходящий канал/ нисходящий канал

FACH

Общие каналы

Оба

неравномерного потока данных

701

10.4. Пример алгоритмов распределения пакетов 10.4.1. Введение Функция распределения пакетов заключается в совместном использовании имеющейся пропускной способности воздушного интерфейса пользователями пакетов. Распределитель пакетов может решить проблему, связанную с назначением скоростей передачи и продолжительностью назначения. В WCDMA это можно сделать двумя способами: по способу с кодовым разделением или с временным разделением (см. рис. 10.3). При кодовом разделении большое число пользователей может иметь одновременно канал с низкой скоростью передачи. Когда число пользователей, желающих воспользоваться пропускной способностью, возрастает скорость передачи, которая выделяется для одного пользователя, уменьшается. При планировании с временным разделением пропускная способность обеспечивается одному пользователю или лишь нескольким в каждый момент времени. Таким образом, пользователь может иметь очень высокую скорость передачи, но может ею воспользоваться лишь в течение очень короткого времени. В WCDMA максимальная временная разрешающая способность – это фрейм длительностью 10 мс. Когда число пользователей увеличивается при использовании способа с временным разделением, каждый пользователь должен стоять в очереди на обслуживание более длительное время. Кодовое разделение

Временное разделение

Пользователь 2 Пользователь 1

Пользователь 5

Пользователь 3

Пользователь 4

Пользователь 4

Пользователь 3

Пользователь 1

Пользователь 5

Пользователь 2

Скорость передачи в битах

Скорость передачи в битах

Время

Время

Рис.10.3. Принципы распределения с использованием кодового и временного разделений.

В разделах 10.4.2 и 10.4.3 рассматриваются преимущества и недостатки планирования с кодовым и временным разделениями. Эти два способа являются примерами экстремальных случаев. На практике распределение пакетов – это комбинация способов с временным и кодовым разделениями. В разде-

702

ле 10.4.4 показано, как использовать информацию о требуемой мощности передачи для улучшения пропускной способности при распределении пакетов. 10.4.2 Планирование с временным разделением Когда распределитель пакетов назначает скорости передачи пакетированных данных, он должен учитывать характеристику (качество) радиосвязи. Высокие скорости передачи обычно дают меньше энергии на передаваемый бит: см. раздел 11.2.1.1. Поэтому планирование с временным разделением имеет преимущество в получении более низких значений Eb/N0 по сравнению с планированием с кодовым разделением. Результаты моделирования для пакетированных данных с различными скоростями передачи в восходящем канале показаны на рис. 10.4. Различие между передачей со скоростями 8 Кбит/с и 256 Кбит/с составляет ≈2 дБ, т.е., увеличение скорости передачи от 8 Кбит/с до 256 Кбит/с обеспечивает улучшение в 10(2 дБ/10) = 58 % в пропускной способности воздушного интерфейса. Так как скорость передачи выше в способе с временным разделением, средняя задержка короче, чем при кодовом разделении. Более короткая задержка – еще одно основание помимо более низкого отношения Eb/N0 для использования планирования с временным разделением. 4,5

Eb/N0 [dB]

4 3,5 3 2,5 2 1,5 8 кбит/с

16 кби/с

32 кбит/с

64 кбит/с

128 кбит/с

256 кбит/с

Скорость передачи в битах

Рис.10.4. Результаты моделирования на уровне линии (канала) пакетированных данных при различных скоростях передачи в восходящем канале. Скорость MS 3 км/час, ITU A-канал (пешеход), с заданным значением FER 10 %.

Недостатком способа с временным разделением является короткий период времени передачи. Установление и разъединение соединения требуют не более нескольких фреймов по времени в зависимости от реализации. В этот период времени физические ресурсы базовой станции такие, как, например, канальные блоки (модули), привязываются к соединению, которое не используется

703

активно. Аналогичным образом в то же самое время расширяющие коды резервируются. Кроме того, должны устанавливаться линии сигнализации через радио и Iub-интерфейсы. Следовательно, при планировании с временным разделением процент времени, когда физические ресурсы не используются, выше, чем с кодовым разделением. Использование распределения с временным разделением ограничивается небольшой дальностью связи при высоких скоростях передачи в восходящем канале из-за ограниченной мощности передачи подвижной станции: смотрите зону охвата в восходящем канале в разделе 11.2.1.1. В нисходящем канале никаких подобных ограничений дальности не существует: смотрите зону охвата в нисходящем канале в разделе 11.2.3. Кроме того, при назначении скоростей передачи должны учитываться максимально возможные поддерживаемые скорости передачи. И, наконец, отметим, что при планировании с временным разделением используются высокие скорости передачи, и создается неравномерная нагрузка, которая приводит к более высоким изменениям в уровнях помех, чем при планировании с кодовым разделением. Временное разделение, как правило, используется в совмещенных каналах, но может также использоваться и в выделенных каналах. Распределения скорости передачи в совмещенных каналах показаны на рис.10.5. Выделенный канал с низкой скоростью передачи обычно используется наряду с совмещенным каналом в нисходящей линии. Скорость передачи в битах

Совмещенный канал

1

2

3

4

2

1

Пользователь 4 Пользователь 3

2

Выделенные каналы

Пользователь 2 Пользователь 1

Время

Рис.10.5. Принцип планирования совмещенных каналов.

10.4.3. Планирование с кодовым разделением При планировании с кодовым разделением всем пользователям назначается канал, когда они в нем нуждаются. Скорость передачи на много ниже, чем при планировании с временным разделением, если имеется несколько пользо-

704

вателей пакетной передачи, которые запрашивают для себя пропускную способность. Из-за более низкой скорости передачи для распределения ресурсов при планировании с кодовым разделением требуется времени больше, чем при планировании с временным разделением. При планировании с кодовым разделением задержки при установлении и разъединении соединений вызывают меньшие потери в пропускной способности из-за более низкой скорости передачи и из-за более длительного времени передачи. Из-за более низких скоростей на распределение ресурсов потребуется больше времени при планировании с кодовым разделением, чем при планировании с временным разделением. Это делает уровни помех воздушного интерфейса более прогнозируемыми, что можно рассматривать как преимущество для планирования с кодовым разделением. Планирование с кодовым разделением может быть статическим или динамическим. При статическом планировании назначенная скорость передачи поддерживается фиксированной на протяжении всего соединения. Этот способ напоминает соединения с коммутацией каналов и требует точной оценки назначенной скорости передачи. К сожалению, пакетный трафик часто является неравномерным и непрогнозируемым. Соединение может обслуживать передачу только одного короткого документа или много последовательных документов. Для того чтобы получить возможность точно вычислить необходимую скорость передачи, требуются емкие буферы или же трафик должен быть достаточно постоянным. Во многих случаях это непрактично или нереально, и необходим какой-то способ видоизменения уже назначенной скорости передачи, т.е. кодовое разделение должно быть динамичным. Должна иметься возможность увеличивать или уменьшать назначенную скорость передачи. Изменение скорости передачи может быть основано на количестве данных в буферах. Так как в способе с кодовым разделением используются более низкие скорости передачи, он устанавливает более низкие требования для пропускных способностей MS. Кроме того, более низкие скорости передачи приводят к большей дальности связи в восходящем канале – смотрите раздел 11.2.1.1 для дальности связи по восходящему каналу для различных скоростей передачи. В табл. 10.2 приводятся различия между планированием с временным и кодовым разделением. Таблица 10.2. Сравнение стратегий планирования с временным и кодовым разделением. Временное разделение

Кодовое разделение

Количество одновременных передач пакетов на ячейку в воздушном интерфейсе

Небольшое

Большое (∼ 20 – 50)

Мгновенная скорость передачи на пользователя пакетного сервиса

Высокая (> 100 Кбит/с)

Низкая (< 50 Кбит/с)

• Более короткая полная задержка

• Более высокая дальность связи в восходящем канале из-за более низкой скорости передачи

Преимущества

•

Лучше отношение Eb/N0

705

• Ниже требования к пропускной способности MS • Меньшее изменение помех из-за большего числа пользователей

10.4.4. Планирование, основанное на мощности передачи Выделенная скорость передачи пакетированных потоков данных могла бы быть основана на требуемой мощности передачи соединения: более высокая скорость передачи для пользователя, требующая меньшую мощность передачи на переданный бит. Этот способ минимизировал бы среднюю требуемую мощность передачи на бит и создаваемые помехи для сети; и увеличил бы среднюю пропускную способность ячейки по сравнению с планированием с одинаковой скоростью передачи. На практике пользователи, близко расположенные к базовой станции, получили бы более высокую скорость передачи, чем те, что находятся на краю ячейки, и пропускная способность пользователя зависела бы от месторасположения, если бы использовалось планирование, основанное на мощности передачи. В GPRS (пакетной коммутации в сетях подвижной радиосвязи) адаптация канала обычно обеспечивает более высокую пропускную способность ближе к BS, чем на краю ячейки, т.е. скорость передачи в GPRS зависит от расположения. Во всех результатах моделирования потоков пакетированных данных, приведенных в этом разделе, предполагается планирование с одинаковой скоростью передачи. Для осуществления планирования, основанного на мощности передачи, распределитель пакетов должен знать или оценить мощность передачи каждого пользователя, когда он назначает скорости передачи. И в восходящем, и в нисходящем каналах измерения Eb/I0 принимаемого пилот-сигнала могут использоваться для оценки мощности передачи. Планирование, основанное на мощности передачи, дает больший выигрыш в средней пропускной способности в нисходящем канале, чем в восходящем по сравнению с планированием с одинаковой скоростью передачи. В восходящем канале обычно, по меньшей мере, 50 % помех возникают от других пользователей внутри одной и той же ячейки, и эти помехи не зависят от мощности передачи, а только от принимаемых мощностей: смотрите рис.9.6. В нисходящем канале мощность передачи определяет непосредственно пропускную способность воздушного интерфейса и при планировании, основанном на мощности передачи, несомненно, можно увеличить среднюю пропускную способность в нисходящем канале.

706

10.5. Взаимодействие между распределителем пакетов и другими алгоритмами RMR (планирования использования радиоресурсов) Работа распределителя пакетов тесно связана с другими функциями RMR. Эти взаимосвязи описываются ниже.

707

10.5.1. Распределитель пакетов и управление хэндовером

Если MS находится в состоянии мягкой передачи управления, распределитель пакетов должен учитывать нагрузку воздушного интерфейса и физические ресурсы на всех базовых станциях активного ряда. Выделенные каналы – это единственные транспортные каналы, которые могут использовать мягкий хэндовер. 10.5.2. Распределитель пакетов и управление нагрузкой (управление перегрузкой)

Распределитель пакетов и управление нагрузкой тесно связаны, потому что сам распределитель пакетов – это важный элемент управления нагрузкой. Так как распределитель пакетов не гарантирует задержки соединений в нереальном времени, то нагрузкой пакетного трафика в нереальном времени можно управлять. Если нагрузка пользователей в реальном времени становится слишком большой, распределитель пакетов может уменьшить нагрузку управляемых в нереальном времени пользователей, как показано на рис.10.6.

708

Нагрузка Запланированное значение Свободная пропускная способность, которая может быть назначена для управляемой нагрузки на основе выбора наилучшей из возможных

Неуправляемая нагрузка

Неуправляемая нагрузка Время

Рис.10.6. Деление пропускной способности между неуправляемым и управляемым трафиком.

Поэтому алгоритмы планирования обслуживания пользователей в реальном времени и улучшенные алгоритмы передачи пакетов вместе помогают поддерживать нагрузку системы на требуемом уровне. Другие операции по управлению нагрузкой, помимо распределителя пакетов приводятся в разделе 9.6. 10.5.3. Распределитель пакетов и управление доступом

Управление доступом необходимо для оценки нагрузки, вызываемой неуправляемыми соединениями в реальном времени, потому что управляемая нагрузка, создаваемая соединениями в нереальном времени, может быть уменьшена в случае необходимости. Например, если запрашивается видеосоединение, управление доступом оценивает величину управляемой пакетной нагрузки, которую можно уменьшить, и определяет, может ли быть разрешено видеосоединение за счет уменьшения передачи пакетных данных. Управление доступом также определяет параметры установления соединения, включая имеющиеся скорости передачи, которые могут быть использованы в этом соединении.

709

10.6. Характеристика пакетных данных В этом разделе анализируется характеристика планирования пакетов. Прежде всего, в разделе 10.6.1 рассматривается характеристика пакетных данных на уровне канала. В разделе 10.6.2 описываются принципы моделирования на уровне системы и приводятся результаты динамического моделирования на уровне системы с использованием реального распределителя пакетов и других алгоритмов RRM.

10.6.1. Характеристика на уровне канала

Влияние вероятности ошибок по фреймам (FER) и повторных передач на пропускную способность рассматривается на уровне канала, а оптимальный уровень заданного значения FER обосновывается в разделе 10.6.1.1. Влияние длины перемежения на пропускную способность пакетных данных рассматривается в разделе 10.6.1.2. 10.6.1.1. Заданное значение вероятности ошибок по фреймам [FER]

Вероятность ошибок по фреймам

Характеристика пакетных данных рассматривается для многолучевого восходящего ITU A-канала подвижной станции с использованием скоростей движения 3, 20 и 120 км/час. FER как функция Eb/N0 показана на рис.10.7. Низкие скорости передвижения MS дают наилучшую характеристику, потому что быстрое управление мощностью может компенсировать канал с замираниями.

120 км/ч 20 км/ч 3 км/ч

Eb/N0 [dB]

Рис.10.7. FER как функция Eb/N0 для обслуживания пакетов со скоростью 32 Кбит/с в восходящем канале.

710

Чем выше FER, тем больше требуется повторных передач для передачи данных без ошибок. С другой стороны для более высоких уровней FER требуется меньшая мощность или более низкое отношение Eb/N0. Какова оптимальная рабочая точка для FER, которая требует самой низкой энергии на правильно принятый бит с учетом повторных передач? Для определения оптимальной точки для FER используется определение пропускной способности ячейки или пропускной способности из [3]: 1− FER , Пропускная способностьячейки = k

Eb N o

(10.1)

120 км/ч 20 км/ч 3 км/ч

Вероятность ошибок по фреймам

711

Пропускная способность в [дБ]

где k – постоянная величина, которая зависит от ширины полосы и от модели распространения, а не от FER и Eb/N0 на уровне канала. Для оптимизации пропускной способности необходимо максимизировать только правую часть уравнения (10.1). Правая часть – это функция пропускной способности. В этом исследовании используется обратная величина функции пропускной способности следующим образом: минимизация fcapacity соответствует максимизации пропускной способности ячейки. Эту функцию пропускной способности можно понимать как эффективное отношение Eb/N0 с учетом повторных передач. На рис. 10.8 показана зависимость FER от функции пропускной способности fcapacity. Соотношение между Eb/N0 и FER взято из рис. 10.7. Оптимальная рабочая точка для FER находится между 10 % и 30 % в зависимости от скорости MS. Если FER ниже, пропускная способность затрачивается напрасно, потому что повторные передачи используются неэффективно для получения выигрыша от дополнительного временного разнесения. Если FER выше, то наблюдается слишком много повторных передач, которые вызывают добавочные помехи. Кроме того, при более высоком FER средняя задержка будет длиннее из-за повторных передач, и качество сигнализации понизится. При более высоком FER также используется больше ортогональных кодов в нисходящем канале, потому что код должен резервироваться в течение более длительного времени для осуществления повторных передач.

Рис. 10.8. Зависимость FER от функции пропускной способности для обслуживания пакетов со скоростью 32 Кбит/с в восходящем канале. 10.6.1.2. Длина перемежения

Пример моделирования характеристики Eb/N0 для пакетных данных в виде функции длины перемежения (временного периода передачи) показан на рис. 10.9.

Eb/N0 [дБ]

20 км/ч 3 км/ч

Длина перемежений

Рис.10.9. Требуемое отношение Eb/N0 в виде функции длин перемежений для пакетных данных с FER = 10 %.

При скорости 3 км/час отношение Eb/N0 можно улучшить на 0,8 дБ путем увеличения перемежения от 10 мс до 80 мс. Различие в 0,8 дБ соответствует увеличению пропускной способности, ограниченной помехами, на 20 % (100.8дБ/10 = 1.20). При скорости 20 км/час различие между перемежением в 10 мс и 80 мс составляет 1,35 дБ, соответствующее различию в пропускной способности на 36 %. Недостатком более длинного перемежения является более длительная задержка в передаче пакетов. Для высокого качества обслуживания необходима минимальная задержка; ее же можно получить при коротком перемежении. Другим недостатком более длинного перемежения является то, что грануляция (степень структурированности) при более коротком перемежении выше. Например, для пакетного соединения со скоростью 32 Кбит/с число битов на период перемежения, составляющий 10 мс, равно 320 (=32 Кбит/с х 10 мс), а число бит на период перемежения длительностью 80 мс = 2560, и никакого меньшего числа бит не может передаваться при скорости 32 Кбит/с без использования заполнения. Выбор длины перемежения пакетных данных – это компромисс между максимальной пропускной способностью, задержкой и гибкостью. Также следует учитывать возможности MS по обеспечению длинного перемежения.

712

10.6.2. Характеристика на уровне сети В этом разделе вводится динамическая модель на уровне системы, и изучается характеристика планирования пакетов в WCDMA на уровне системы с использованием этой модели. Более подробное описание модели системы можно найти в [4]. 10.6.2.1. Различие между моделями на уровне системы и на уровне канала

Как правило, модели сети радиосвязи можно классифицировать либо как модели на уровне канала, либо как модели на уровне системы. Единый способ моделирования был бы предпочтительнее, но сложность такой модели, включая все от передаваемых сигналов до мультисотовой сети, чрезвычайно высока для требуемых разрешающей способности моделирования и периода времени моделирования. Для точной оценки характеристики приемника требуется модель на уровне чипа или на уровне символа, обычно с временной разрешающей способностью, равной 3,84 Мчип/с. С другой стороны, на уровне системы модели трафика и модели подвижности MS требуют моделирований, занимающих по времени самое меньшее 10 – 20 минут с большим числом подвижных и базовых станций. Поэтому необходимы раздельные модели на уровне канала и на уровне системы. Модели на уровне канала обычно работают с частотой передачи символов или чипов в то время, как модели на уровне системы работают с частотой быстрого управления мощностью. В WCDMA быстрое управление мощностью в замкнутом контуре осуществляется с частотой 1,5 кГц, и в этой модели на уровне системы используется частота 1,5 кГц. Модель на уровне канала необходима для моделирования системы с целью построения модели приемника, которая может прогнозировать характеристику FER/BER приемника с учетом оценки канала, перемежения и декодирования. Модель на уровне системы нужна для моделирования системы с большим числом подвижных и базовых станций и алгоритмов, действующих в такой системе. Из-за того, что моделирование делится на 2 части, следует определить способ внутреннего соединения двух моделей. Обычно информацию, полученную от модели на уровне канала, связывают с моделированием системы, используя так называемый интерфейс сопряжения средних значений, который описывает характеристику BER/FER с помощью усредненных требованийEb/N0. Интерфейс средних значений не является точным, если происходят быстрые изменения в помехах, обусловленные, например, пользователями, передающими пакеты с высокой скоростью. Такой метод хорошо подходит для моделирований статических выборок, но не может быть использован, когда моделируются системы с быстрым управлением мощностью и с пакетными данными, пере-

713

даваемыми с высокими скоростями передачи. В модели, представленной здесь, используется так называемый интерфейс достигнутых значений (AVI), который обеспечивает точное моделирование характеристики приемника с быстрым управлением мощностью и с пакетными данными, передаваемыми с высокими скоростями [5]. Разделение работы между моделями на уровне канала и на уровне системы приводится в таблице 10.3. Таблица 10.3 Модели на уровне канала и системы (AVI = интерфейс сопряжения фактических значений).

На уровне линии Разрешающая способность

На уров не системы

1 выборка на чип или

1 выборка на слот

1 выборка на символ

(1,5 КГц)

Число MS

1

> 100

Число BS

1–3

> 10

по времени

714

Да

Да

Да

Через AVI

Да

Через AVI

Да

Да

-

Да

-

Да

-

Да

Гауссов шум

Реальные передатчики

Алгоритмы RRM

-

Да

Модель мобильности Модель трафика

-

Да

-

Да

Быстрые замирания Оценка канала приемника Перемежение, кодирование каналов Быстрое управление мощностью Повторная передача пакетов Потери на трассе Медленные замирания Помехи

Временной интервал моделирования

1 – 5 мин.

20 – 60 мин.

10.6.2.2. Моделирование трафика

При моделировании предполагается, что пользователи делают вызовы и передают данные в соответствии с моделями трафика. Формирование вызова для услуг в реальном времени таких, как, например, речь и видео, реализуется в соответствии с законом Пуассона [6]. При передаче речи учитывается активность речи и неоднородность передачи. Для услуг по передаче данных с коммутацией каналов модель трафика является моделью с постоянной скоростью передачи при 100% активности. Модель трафика, показанная на рис.10.1, используется для представления пакетных данных в этой модели. 10.6.2.3. Моделирование мобильности

В этой динамической модели пользователи перемещаются в моделируемом районе в соответствии с моделью передвижения. В [6] разработаны отдельные модели передвижения для микро- и макросотовых сред. Когда в макросотовой модели появляются новые пользователи, они равномерно распределяются в зоне моделирования. Направление, в котором новый пользователь пе-

715

ремещается, выбирается случайно при его появлении. Направление перемещения обновляется для пользователя для каждого интервала декорреляции. 10.6.2.4. Результаты моделирования на уровне системы

В этом разделе рассматривается работа распределителя пакетов с использованием вышеописанной модели системы. Цель вариантов моделирования заключается в определении того, как точно распределитель пакетов может использовать пропускную способность воздушного интерфейса. Также важно, чтобы изменения, вызываемые пакетными данными, были сравнительно небольшими для того, чтобы не ухудшилось качество услуг в реальном времени. В этих моделях большое число пользователей размещается в 18-сайтовой сети с 3-х секторными базовыми станциями. Возможные скорости передачи находятся в диапазоне между 32 и 1024 Кбит/с, и определяется характеристика алгоритмов планирования пакетов. Желательно выяснить, на сколько хорошо комбинация алгоритмов RRM позволяет сохранять нагрузку в системе на заданном уровне и какой тип скоростей передачи могут использовать пользователи. Среда для этих моделей создается макросотовой сетью с 18 сайтами, и расстояние до базовой станции равно 2 км. Скорость MS – 3 км/час, и в восходящем канале используется разнесение антенн. Максимальная мощность MS – 125 мВт (=21 дБм). Минимальный уровень шума, включая коэффициент шума приемника, равен – 102.9 дБм в восходящем канале и – 99.9 дБм в нисходящем канале. Распределитель пакетов при этих вариантах моделирования основывается на кодовом разделении. Заданная величина FER при управлении мощностью во внешнем контуре составляет 20 %. При моделировании распределение всей передаваемой мощности и всех принимаемых помех для одной базовой станции записывается как среднее для всей совокупности BS. Усредненная полная передаваемая мощность в нисходящем канале (рис. 10.10) равна 8.5 Вт, а среднее увеличение помех над уровнем среднего теплового шума в восходящем канале (рис.10.11) составляет 5,7 дБ. Только в нескольких случаях наблюдалось превышение мощности передачи 12 Вт в нисходящем канале и увеличение помех на 7 дБ в восходящем канале. Пример изменений во времени передаваемых и принимаемых мощностей показан на рис. 10.12 и 10.13. Изменения в уровнях мощности довольно небольшие, и передача пакетных данных в нереальном времени не будет вызывать какого-либо ухудшения качества обслуживания в реальном времени. Пропускная способность воздушного интерфейса в этих примерах используется полностью.

716

Распределение полной передаваемой мощности

Полная передаваемая мощность в нисходящем канале в ячейке 6

Рис. 10.10. Распределение полной передаваемой мощности (Вт) в одной ячейке на интервале моделирования.

Распределение увеличения помех

Увеличение помех в ячейке в восходящем канале (дБ)

Рис. 10.11. Распределение принимаемой мощности помехи (дБ) над уровнем теплового шума (увеличение помех)

717

на протяжении интервала моделирования.

Полная передаваемая мощность в ячейке 6

Нисходящий канал

Число фреймов

Рис. 10.12. Пример распределения полной передаваемой мощности в одной ячейке. Ось Х представлена во фреймах по 10 мс, т.е. полная ось составляет по длительности 10 секунд.

Увеличение помех в ячейке 6

Восходящий канал

Число фреймов

Рис. 10.13. Пример распределения полного уровня принимаемых помех в одной ячейке. Ось Х представлена во фреймах по 10 мс,

718

т.е. полная ось составляет по длительности 10 секунд.

При этих вариантах моделирования число пользователей было очень велико, почти 1400 на ячейку. Большое число пользователей использовалось для того, чтобы гарантировать, что в буферах всегда достаточно данных для проверки работы распределителя пакетов при большой нагрузке. Из-за большой нагрузки полученные скорости передачи являются низкими, как видно на рис. 10.14 и 10.15. Однако, число активных соединений на ячейку является достаточно постоянным – ≈50, включая соединения с мягким хэндовером, за исключением начала моделирования, где предлагаемая нагрузка была ниже. Затраты на мягкий хэндовер составили 32 % в этих моделях. Число активных соединений в нисходящем канале показано на рис. 10.16 и в восходящем канале – на рис. 10.17. Качество канала можно проверить путем изучения числа повторных передач, которые показаны на рис. 10.18 для нисходящего канала и на рис. 10.19 – для восходящего канала. Управление мощностью во внешнем контуре может поддерживать FER и процент повторных передач, близкими к заданному значению 20 %. Распределение повторных передач в нисходящем канале показывает несколько случаев, где процент повторных передач был меньше 20 %, даже 0 %. Причиной тому является ограниченная динамика управления мощностью в 20 дБ в нисходящем канале в этих моделях. Если в соединении используется его минимальная мощность, и мощность не может быть снижена еще, качество будет выше заданного значения FER, равного 20 %. Динамическое моделирование по распределению пакетов с кодовым разделением показало, что WCDMA хорошо подходят для передачи пакетных данных. Пропускная способность воздушного интерфейса может использоваться полностью, хотя изменения в уровнях помех остаются низкими. Скорости передачи пользователей здесь были низкими, но, с другой стороны, число одновременных пользователей было очень большим.

Скорости передачи пользователя в нисходящем канале

719

Средние выделенные скорости передачи в нисходящем канале (Кбит/с)

Рис. 10.14. Средние выделенные скорости передачи в нисходящем канале.

Скорости передачи пользователя в восходящем канале

Средние выделенные скорости передачи в восходящем канале (Кбит/с)

Рис. 10.15. Средние выделенные скорости передачи в восходящем канале.

720

Число активных пользователей в ячейке 6

Активные пользователи в нисходящем канале

Число фреймов

Рис. 10.16. Среднее число активных соединений (включая мягкие хэндоверы) в нисходящем канале.

Число активных пользователей в ячейке 6

Активные пользователи в восходящем канале

Число фреймов

Рис. 10.17. Среднее число активных соединений (включая мягкие хэндоверы) в восходящем канале.

721

Повторные передачи в нисходящем канале

% повторных передач

Рис. 10.18. Средний процент повторных передач в нисходящем канале.

722

Повторные передачи в восходящем канале

% повторных передач

Рис. 10.19. Средний процент повторных передач в восходящем канале.

Литература к главе 10: [1] ETSl, Technical Report UMTS 30.06, UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA); Concept Evaluation, Version 3.0.0, December 1997. [2]

[3]

[4]

[5]

Ghosh, A., Cudak, M. and Felix, K., «Shared Channels for Packet Data Transmission in WCDMA», Proceedings of VTC'99 Fall, Amsterdam, Netherlands, 19-22 September 1999, pp.943-947. Christer, B. and Johansson, V., «Packet Data Capacity in Wideband CDMA System», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, 18-21 May 1998, pp. 18781883. Hämäläinen, S., Holma, H. and Sipilä, K., «Advanced WCDMA Radio Network Simulator». Proceedings of PIMRC'99, Osaka, Japan, September 1999, pp. 951-955. Hämäläinen, S., Slanina, P., Hartman, M., Lappeteläinen, A., Holma, H. and Salonaho, O., «A Novel Interface between Link and System Level Simula-

723

[6]

tions», Proceedings of ACTS Summit 1997, Aalborg, Denmark, October 1997, pp. 509-604. «Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Selection procedures for the choice of radio transmission technologies of the UMTS», TR 101 112 V3.1.O (1997-11), UMTS 30.03.

11 Характеристики

физического уровня 11.1. Введение В данной главе рассматривается влияние среды распространения радиоволн, решения по построению базовых станций и параметры на физическом уровне WCDMA – зона обслуживания и пропускная способность. Решения по построению базовых станций включают использование группового спектра и антенной техники. Важным вопросом является зона обслуживания, особенно на первых этапах развертывания сети; зона обслуживания сети WCDMA рассматривается в разделе 11.2. Важность вопроса о пропускной способности возрастает сразу после первоначального развертывания сети, когда интенсивность информационного обмена (трафик) возрастает. Пропускная способность WCDMA рассматривается в разделе 11.3. В этой главе мы представляем пропускную способность воздушного интерфейса WCDMA, которая ограничивается помехами. Мы предполагаем, что имеются достаточные ресурсы оборудования для основной полосы частот на базовой станции, в сети передачи и в контроллере радиосети для поддержки достаточной пропускной способности. В разделе 11.4 особое внимание обращено на предоставление услуг с высокими скоростями передачи данных, до 2 Мбит/с. И, наконец, в разделе 11.5 представляются возможные способы повышения рабочих характеристик, поддерживаемые стандартом 3GPP, включая использование адаптивных антенн и многопользовательского приема при усовершенствованной обработке данных в основной полосе частот.

724

На зону охвата и пропускную способность оказывают влияние вопросы планирования радиосети и оптимизации алгоритмов управления радиоресурсами. Эти вопросы рассматриваются в главах 8 и 9.

11.2. Зона обслуживания Вопрос о зоне обслуживания представляется важным, когда сеть не ограничивается еще по пропускной способности (емкости), как, например, в период первоначального развертывания сети и, особенно, в сельских районах. Даже в городских районах сеть может быть ограничена зоной обслуживания, если предоставляется надежная зона обслуживания внутри зданий для услуг, требующих передачи данных с высокой скоростью, а базовая станция будет находиться снаружи. Требование иметь надежную зону обслуживания приводит к тому, что размеры ячеек делаются небольшими, что может обеспечить более высокую пропускную способность (емкость) на км2, чем это необходимо. В макроячейках зона обслуживания определяется дальностью действия по восходящему каналу, так как мощность передачи подвижной станции много меньше, чем у базовой станции макроячейки. Выходная мощность подвижной станции обычно составляет 21 дБм (125 мВт), а базовой станции в макроячейке –4046 дБм (10-40 Вт) на сектор. Поэтому в секторе принимается в расчет зона обслуживания. Кроме того, в разделе 8.2.2 показано, что зона обслуживания для макроячейки ограничивается дальностью действия восходящего канала. Влияние увеличения ресурса каналов ∆L на величину относительного радиуса ячейки ∆R может быть оценено с помощью выбора определенной модели распространения радиоволн, например, модели Окумура-Хата из раздела 8.2. В этом примере экспонента потерь на трассе равна 3,52, что в результате дает ∆L = −35,2 log 10 (∆R) (11.1) Относительное изменение площади ячейки ∆Α может быть вычислена как − ∆L  35   ∆Α = (∆R) = 10 , 2     

2

2

(11.2)

Результаты вычислений необходимой относительной плотности сайтов базовых станций при заданном улучшении рабочей характеристики канала представлены в табл. 11.1. Плотность базовых станций обратно пропорциональна площади ячейки. Например, при улучшении качества канала на 5,3 дБ, плотность базовых станций может быть уменьшена приблизительно на 50%. Таблица 11.1 Уменьшение плотности числа сайтов базовых станций при улучшении ресурса канала. Улучшение ресурса канала

Относительное число сайтов

0,0дБ=Опорная величина

100%

1,0 дБ

88%

725

2,0 дБ

77%

3,0 дБ

68%

4,0 дБ

59%

5,0 дБ 6,0 дБ 10,0 дБ

52% 46% 27%

Факторы, оказывающие воздействие на получение максимальных потерь на трассе, можно видеть из рассмотрения ресурса каналов – смотри раздел 8.2, – они показаны на рис. 11.1. Влияние решений по базовой станции и скорости передачи описывается в этой главе. Связь между нагрузкой восходящего канала и зоной охвата обсуждалась в разделе 8.2.2, а запас мощность управления рассматривался в разделе 9.2.1. 11.2.1. Зона охвата для восходящего канала В этом разделе мы оцениваем влияние параметров физического уровня и решений по базовой станции на зону охвата (дальности действия) восходящего канала WCDMA.

Полоса пропускания приемника

ВЧ часть приемника

Решения по антенной технике

Требования к пропускной способности в восходящем канале

Чувствительность приемника

Мощность передачи подвижной станции

Запас по помехам

Скорость передачи в битах

Выигрыш за счет обработки

Решение: Антенна для многолучевого приема, макро

Запас на управление мощностью

Максимально допустимые потери на трассе [дБ]

Требующаяся вероятность обслуживания в зоне

Модель распространения (среда). Переход от дБ к км

Максимальная дальность связи ячейки [км]

Рис. 11.1. Факторы, воздействующие на зону охвата (дальности действия) восходящего канала.

726

11.2.1.1. Скорость передачи

На величину зоны обслуживания при различных скоростях передачи оказывают влияние два фактора: (1) Для высоких скоростей передачи выигрыш в отношении сигнал-шум при обработке меньше, и зона обслуживания меньше: см. ресурсы каналов в таблицах раздела 8.2, ряд 1. (2) Для высоких скоростей передачи требующееся отношение Eb/N0, имеет тенденцию к снижению, компенсируя уменьшение зоны охвата при высоких скоростях. Типичные значения Eb/N0 для различных скоростей передачи показаны на рис. 10.4. Чем ниже требование к Eb/N0 , тем требуется меньшая мощность для обеспечения тех же рабочих характеристик и тем больше может быть радиус ячейки. В этом разделе мы оцениваем зону обслуживания при различных скоростях передачи с учетом двух факторов. Основная причина того, что Eb/N0 зависит от скорости передачи, заключается в том, что необходимо, чтобы DPCCH (выделенный канал управления на физическом уровне) поддерживал соединение на физическом уровне, и он содержит опорные символы для оценки канала и биты сигнализации для управления мощностью. Параметр Eb/N0 зависит от точности канала и алгоритмов оценки SIR. Эти оценки основываются на опорных символах в DPCCH. Чем большая мощность может быть выделена для DPCCH, тем оценка канала выше. С другой стороны, DPCCH – это издержки, так как по нему не передаются данные пользователей, и поэтому его мощность должна быть минимальной. Разница мощностей в DPCCH и DPDCH (выделенный канал передачи данных на физическом уровне) может регулироваться и управляться сетью. Мощность DPCCH ниже, чем мощность DPDCH, когда в DPDCH идет передача данных. Величина разности мощностей представляется в виде 4 битов, т.е. получается 15 значений для разницы по мощности между – 23,5 дБ и 0,00 дБ и 1 комбинация из 1 для отсутствия DPDCH, когда данные не передаются. Типичные значения для разницы по мощности приведены в табл. 11.2 Таблица 11.2. Типичные значения разности мощностей DPCCH и DPDCH. Скорость передачи

Типичные значения разности мощностей DPCCH и DPDCH

12,2 Кбит/с, речь

–3,0 дБ

144 Кбит/c, данные

–6, 0 дБ

384 Кбит/с, данные

–9, 0дБ

1024 Кбит/с, данные

–12,0 дБ

727

Относительная мощность DPCCH

Относительные уровни принимаемой мощности в DPCCH при различных скоростях передачи показаны на рис. 11.2. Различия по мощности в DPCCH и DPDCH взяты из таблицы 11.2. Предполагается, что Eb/N0 одинаковое для всех скоростей передачи. Принимаемая мощность в DPCCH будет выше для более высоких скоростей передачи. Чем больше принимаемая мощность в DPCCH, тем более точной будет оценка канала и лучше параметр Eb/N0.

12.2 Кбит/с

144 Кбит/с

Рис. 11.2. Относительная принимаемая мощность DPCCH при одном и том же Eb/N0.

Издержки на DPCCH при скорости передачи 144 кбит/с можно вычислить как −6 dB    DPCCH _ overhead = 10 log 10 1 + 10 10  = 1,0dB  

Издержки для различных скоростей передачи приведены на рис. 11.3. Например, при скорости передачи данных 144 кбит/с 20% мощности передачи расходуется на передачу управляющей информации на физическом уровне и 80% – для передачи данных. Издержки на DPCCH в данной книге включены во все значения Eb/N0.

728

Издержки [дБ]

12.2 Кбит/с

144 Кбит/с

Рис. 11.3. Издержки на DPCCH.

Сейчас мы увидели, что для более высоких скоростей передачи мощность DPCCH выше, что позволяет произвести более точную оценку канала, а издержки на DPCCH все еще остаются небольшими. Оба эти фактора улучшают параметр Eb/N0. Когда мы учитываем уменьшенный выигрыш при обработке и улучшение характеристики Eb/N0 мы можем оценить зону обслуживания при различных скоростях передачи, см. рис.11.4. Предполагается, что для всех скоростей передачи максимальная мощность подвижной станции остается постоянной, для высоких скоростей передачи используется улучшенная характеристика Eb/N0 и берется модель распространения в пригородной зоне. В этом примере дальность действия восходящего канала при скорости 2 Мбит/с составляет 50% от дальности действия при скорости 144 Кбит/с и 40% при скорости передачи 64 Кбит/с. Если для ячейки планируется передача со скоростью 2 Мбит/с для обеспечения полной зоны охвата по восходящему каналу вместо передачи со скоростью 144 Кбит/с, то плотность сайтов базовых станций должна быть увеличена на коэффициент (1/0,5)2=4,0. Создание большой зоны охвата для восходящего канала при сервисе с высокой скоростью передачи достаточно сложно для UMTS, как видно из рис.11,4, и обеспечение полной зоны охвата при скорости 2 Мбит/с требует большой плотности сайтов базовых станций. Это также указывает на важность решений, позволяющих повысить дальность действия восходящих каналов в системах третьего поколения. В системах второго поколения вопросы, связанные с зоной обслуживания решаются проще, поскольку сервис обеспечивается с невысокими скоростями передачи данных. Сравнение зон обслуживания для услуг по передаче данных для WCDMA и услуг по передаче речи для GSM 900 и GSM 1800 приводится в разделе 8.4. И, наконец, следует отметить, что скорости передачи в восходящем канале могут уменьшаться во время соединения для увеличения дальности связи, когда подвижная станция выходит на максимальный уровень мощности пере-

729

Дальность [км]

дачи. Уменьшение скорости передачи возможно для услуг по передаче данных в нереальном времени, когда допускаются задержки, и для передачи речи с использованием AMR, который поддерживает различные скорости передачи от 4,75 кбит/с до 12,2 кбит/с. Зона обслуживания при передаче речи с использованием AMR рассматривается в следующем разделе.

32 кбит/с 64 кбит/с

144 кбит/с 384

Рис. 11.4. Дальность действия восходящего канала при различных скоростях передачи данных в пригородной зоне. 11.2.1.2. Адаптивный многоскоростной речевой кодек

При использовании адаптивного многоскоростного речевого кодека (AMR) оказывается возможным переходить на более низкую скорость, если подвижная станция выходит из зоны обслуживания ячейки. Речевой кодек AMR представлен в разделе 2.3. Выигрыш в ресурсе канала при уменьшении скорости передачи при использовании AMR может быть вычислен следующим образом:  DPDCH (12,2кбит / с) + DPCCH Coverage _ gain = 10 ⋅ log10   DPDCH ( AMR _ bit _ rate[кбит / с ]) + DPCCH − 3 дБ   10 12 , 2 12 , 2 10 + ⋅ , = 10 ⋅ log10  − 3 дБ   10  AMR _ bit _ rate[кбит / с] + 12,2 ⋅10 

  = 

где разница по мощности между DPCCH и DPDCH предполагается равной –3,0 дБ при передаче речи с использованием AMR со скоростью 12,2 Кбит/с. Для более низких скоростей передачи AMR мощность DPCCH остается неизменной, тогда как мощность DPDCH меняется в зависимости от скорости передачи. Уменьшение общей мощности передачи рассчитывается с помощью уравнения (11.4), и этот выигрыш может использоваться для увеличения дальности действия восходящего канала ячейки. Выигрыш для зоны обслуживания при уменьшении скорости передачи с 12,2 Кбит/с до 7,95 Кбит/с составляет 1,1 дБ, выигрыш при уменьшении скорости передачи с 12,2 Кбит/с до 4,75 Кбит/с составляет 2,3 дБ. Относительные дальности передачи в ячейке при различных скоростях передачи AMR показаны на рис. 11.5.

730

Дальность действия [км]

Скорость передачи AMR Рис. 11.5. Относительная дальность действия восходящего канала для различных скоростей передачи речевого кодека AMR. 11.2.1.3. Многолучевое разнесение

Мы можем понять влияние многолучевого разнесения на дальность действия восходящего канала, рассматривая пример результатов измерений характеристики Eb/N0 для двух различных многолучевых профилей: ITU A-канал пешехода с небольшим многолучевым разнесением и ITU A-канал подвижного средства со значительным большим многолучевым разнесением. ITU A-канал подвижного средства представляет собой канал с 5 отводами с режимом WCDMA и скоростью передачи 3,84 Мчип/с, а ITU A-канал пешехода представляет собой двух лучевой канал, где второй отвод очень слабый [1]. Требующееся отношение Eb/N0 для передачи речи со скоростью 8 Кбит/с при перемежении 10 мс, разнесении приемной антенны и полной постоянной мощностью передачи при скорости движения 3 км/час показаны в таблице 11.3. Результаты моделирования для передачи речи со скоростью 8 Кбит/с в этом разделе даются с учетом перемежения 20 мс, и поэтому рабочая характеристика будет лучше , чем полученная здесь в результате моделирования. В этом примере выигрыш при многолучевом разнесении составляет 2,8 дБ для восходящего канала. Вообще говоря, чем больше многолучевое разнесение, тем больше дальности связи. Степень возможного многолучевого разнесения зависит от среды, но также и от ширины полосы передачи. При широкополосном CDMA можно получать на приеме большее многолучевое разнесение, чем при узкополосном CDMA в той же среде: см. раздел 3.3 Таблица 11.3 Требующиеся Eb/N0 для FER=1% при 8 Кбит/с с полной постоянной мощностью. Eb/N0 ITU A-канал, пешеход (многолучевое разнесение меньше)

11,3 дБ

ITU A-канал, подвижное средство (многолучевое

8,5 дБ

731

разнесение больше) Выигрыш за счет многолучевого разнесения

2,8 дБ

11.2.1.4. Макроразнесение (мягкий хэндовер)

При мягком хэндовере передачу по восходящему каналу от подвижной станции принимают две или большее число базовых станций. Поскольку при мягком хэндовере имеется, по крайней мере, две базовых станции, пытающихся принять передачу подвижной станции, то вероятность правильно принятых сигналов увеличивается, и может быть получен выигрыш в результате макроразнесения. Примеры выигрыша, получаемого при макроразнесении для зоны обслуживания восходящего канала, приведены в таблице 11.4 для MS при скорости движения 3 км/час, приема двумя базовыми станциями и перемежения 10 мс. Показаны два случая: когда потери на трассе одинаковые для обеих базовых станций и когда имеется разница на 3 дБ для потерь на трассе для этих двух станций. В первом случае выигрыш при макроразнесении получается наибольшим. С ростом увеличения разницы в потерях на трассе, выигрыш от макроразнесения уменьшается, и подвижная станция окажется не в состоянии мягкого хэндовера, а будет просто соединена с одной из базовых станций. Результаты измерений показывают, что, чем меньше многолучевое разнесение, тем больше выигрыш при макроразнесении. В этом примере наибольший выигрыш для ITU A-канала пешехода составляет 4,0 дБ и для ITU A-канала транспортного средства 2,2 дБ. Выигрыш в результате макроразнесения, оцениваемый по пропускной способности, показан в разделе 9.3.1.3. Выигрыш в отношении пропускной способности меньше, чем выигрыш в дальности связи, так как разнесение играет более важную роль для увеличения дальности связи по восходящему каналу. Причина заключается в том, что, находясь на краю ячейки, подвижная станция ведет передачу с полной мощностью, и разнесение играет важную роль, поскольку быстрое управление мощностью не может компенсировать быстрые замирания. Таблица 11.4 Требующиеся Eb/N0 для FER=1% при 8 кбит/с с полной постоянной мощностью. Eb/N0 Один канал Результат при макроразнесении

ITU A-канал, пешеход

ITU A-канал, подвижное средство

11,3 дБ

8,5 дБ

7,3 дБ/8,6 дБ

6,3 дБ/7,7 дБ

4,0 дБ/2,7 дБ

2,2 дБ/0,8 дБ

Равные мощности/разница 3 дБ Выигрыш при макроразнесении Равные мощности/разница 3 дБ

11.2.1.5. Разнесение приемной антенны

732

Выигрыш на 3 дБ в дальности связи может быть получен при разнесении приемной антенны, даже если ветви разнесения имеют полностью коррелированные замирания. Причина заключается в том, что сигналы от двух антенн могут когерентно складываться, в то время как тепловой шум приемника складывается не когерентно. Выигрыш в 3 дБ предполагает получение идеальной оценки канала при когерентном сложении. Этот выигрыш в 3 дБ получается вследствие того, что имеется больше ветвей приема, собирающих энергию, но за счет увеличения состава аппаратного оборудования в приемнике базовой станции. Кроме того, разнесение антенн дает выигрыш в отношении быстрых замираний, так как быстрые замирания слабо коррелируются в разнесенных антеннах. Разнесение антенн на приеме показано на рис. 11.6. Разнесение антенн может быть получено в результате пространственного или поляризационного разнесения. Преимущество поляризационного разнесения заключается в том, что ветви разнесения не требуют пространственного разделения, и могут располагаться в одном физическом антенном корпусе. Действие поляризационного разнесения в GSM представлено в [2], [3] и [4]. Кроме того, разнесенные антенны могут располагаться очень близко друг к другу лишь со слегка уменьшенным коэффициентом усиления при приеме на разнесенные антенны. Результаты моделирования с использованием разнесения при приеме и без него при постоянной мощности представлены в таблице 11.5. Коэффициент усиления при приеме на разнесенные антенны в ITU A-канале для пешехода составляет 7,5 дБ. В ITU A-канале для подвижного средства коэффициент усиления меньше, составляет 4,3 дБ, поскольку имеется многолучевое распространение.

Поляризационное разнесение

Пространственное разнесение

Рис. 11.6. Поляризационное и пространственное разнесение антенн. Таблица 11.5 Требующиеся Eb/N0 при 8 кбит/с с полной постоянной мощностью. Eb/N0

ITU A-канал, пешеход,

ITU A-канал, подвижное средство

С одной приемной антенной

18,8 дБ

12,8 дБ

С разнесением антенн на приеме

11,3 дБ

8,.5 дБ

Коэффициент усиления при приеме на разнесенные антенны

7,5 дБ

4,3 дБ

733

И, наконец, следует помнить о том, что чем больше имеющееся разнесение, тем меньше выигрыш от дополнительного разнесения. Это правило применимо для различных источников разнесения. Поэтому априорные значения для любых коэффициентов усиления при приеме на разнесенные антенны отсутствуют, так как коэффициенты усиления зависят от степени разнесения других источников разнесенного приема. 11.2.1.6. Алгоритмы для работы базовых станций в основной полосе частот

Точность оценки канала и SIR имеет важное значение для характеристики Eb/N0. Оценка канала приемника может быть улучшена, например, при использовании следующих операций. • Усреднение оценок по нескольким группам пилот-символов в DPCCH. Для небольших скоростей подвижной станции, в частности, возможно производить оценку по нескольким временным слотам. Для высоких скоростей подвижной станции усреднение весов должно приспосабливаться к скорости замираний, т.е. необходимо использовать адаптивные фильтры оценки канала. • Применения модулированных символов как в DPCCH, так и в DPDCH с решающей обратной связью в качестве дополнительного пилот-символа. Если решения для канальных битов являются правильными, то эти символы можно считать дополнительными пилот-символами. Типичная вероятность ошибки не кодированных символов в WCDMA составляет 5-20%. Вероятность ошибки приблизительно равная 10% или меньшая может обычно давать заметный выигрыш при оценивании канала. Наибольшее улучшение за счет использования новейших алгоритмов работы приемников в основной полосе частот достигается при низких скоростях передачи, поскольку, как показано на рис. 11.2, для оценки каналов имеется лишь небольшая энергия в DPCCH.

11.2.2. Зона обслуживания для канала случайного доступа Рассмотрение зоны обслуживания в разделе 11.2.1 применимо к выделенным восходящим каналам (DCH), а также к общим каналам, например, к каналам случайного доступа (RACH). Если мы хотим увеличить зону обслуживания ячеек WCDMA, нам следует проверить, не являются ли выделенный или общий каналы фактором, ограничивающим зону обслуживания. Если в каких либо местах выделенный восходящий канал может обеспечить требующееся качество обслуживания, должна иметься также возможность получения сообщения RACH для того, чтобы можно было начать устанавливать соединение. В этом разделе дается сравнение зон обслуживания выделенного восходящего канала и канала RACH. Причины, создающие различия в зонах обслуживания выделен-

734

ных каналов и RACH, приводятся в таблице 11.6. Процедура случайного доступа описывается в разделе 6.6. Таблица 11.6. Причины, определяющие различие в зоне обслуживания для каналов DCH и RACH. DCH

RACH

Минимальная скорость передачи AMR: 4,75 Кбит/с Максимальная скорость передачи пакетов данных

Начальное сообщение RACH, содержащей 20 октетов, что соответствует 16 Кбит/с (при перемежении 10 мс) 8 Кбит/с (при перемежении 20 мс)

Мягкий хэндовер (выигрыш при макроразнесении)

0,8–4,0 дБ: см. таблицу 11.4

Мягкий хэндовер не возможен

Характеристика Eb/N0

•

•

Скорость передачи

• Требование FER

Непрерывная передача делает оптимизированный прием легче, чем при RACH Скорость кодирования 1/3

Передача речи 1%

•

Короткие пакеты 10 или 20 мс затрудняют оптимизацию приема Скорость кодирования 1/2

Желательно 10% и ниже; более высокая FER приводит к большой задержке при установлении вызова

Предполагается, что минимальное число бит, которое должно передаваться в первоначальном сообщении RACH, содержит 20 октетов = 160 бит, что соответствует скорости передачи 16 Кбит/с при перемежении 20 мс. RACH 10 мс и RACH 20 мс поддерживаются стандартным для сообщений RACH размером пакетов, равным 20 октетам. Период перемежения для сообщения RACH указывается мобильной станции по каналу BCCH. Выделенные каналы с высокой скоростью передачи имеют меньшую зону обслуживания по сравнению с RACH, и поэтому зону обслуживанияRACH следует проверять по выделенным каналам с низкой скоростью передачи, например, по речевому кодеку AMR со скоростями передачи 4,75– 12,2 кбит/с. Мягкий хэндовер не возможно осуществлять по общим каналам, и никакого выигрыша при использовании макроразнесения для RACH не может быть получено. Кроме того, прием коротких пакетов RACH более сложен, чем прием пакетов непрерывного выделенного канала. Все эти факторы приводят к тому, что зона обслуживания RACH меньше, чем у DCH при одинаковой скорости передачи. С другой стороны, для RACH может быть большая допустимая FER. Недостатком большой FER является большая задержка при установлении вызова. Средней величиной FER можно управлять с помощью параметров, задаваемых по BCCH. Подходящие опции RACH, согласующихся с выделенными каналами, представлены в таблице 11.7 с учетом всех перечисленных выше различий. Эти опции основаны на результатах, полученных в [5]. Таблица 11.7 Опции RACH, согласующиеся с зоной обслуживания выделенных каналов. Скорость передачи DCH

Опция RACH

735

AMR ≤ 7,95 Кбит/с

20/FER >10%

AMR ≤ 12,2 Кбит/с

20/FER ≤10%

Скорость передачи >20 Кбит/с

20/FER ≤10%

Опция RACH 20 мс должна использоваться только в больших ячейках для улучшения зоны обслуживания RACH. Отношение Eb/N0 хуже для RACH 20 мс, чем для RACH 10 мс, и поэтому более короткий RACH 10 мс лучше для увеличения пропускной способности в восходящем канале. Причина ухудшения работы при RACH с большей длительностью состоит в том, что управление мощностью во время RACH не может производиться, а мощность передается только преамбулой до передачи сообщения RACH. Канал может изменяться при RACH 20 мс в большей степени, чем при RACH 10 мс. Зона обслуживания для передачи сообщений RACH является важным параметром, если планируется, что сеть будет обеспечивать непрерывную зону обслуживания при сервисе с низкими скоростями передачи. С другой стороны, если планируется, что сеть будет обеспечивать сервис с высокими скоростями передачи, то зона обслуживания RACH не будет являться ограничивающим фактором, и может использоваться RACH 10 мс.

11.2.3. Зона обслуживания для нисходящего канала В нисходящем канале мощность, допускаемая для одного соединения, может быть больше, чем в восходящем канале, поскольку уровень выходной мощности базовой станции может быть больше, чем уровень выходной мощности подвижной станции. Поэтому зона обслуживания для услуг с высокими скоростями передачи в нисходящем канале больше, чем в восходящем канале. Смотри также связь между пропускной способностью и зоной охвата в разделе 8.2.2. Величина зоны обслуживания [дальность действия] восходящего канала показана на рис. 11.4. Ниже проведено сравнение зоны охвата для нисходящего канала при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с и данных со скоростью 1 Мбит/с. При сравнении сделаны следующие допущения: • Размер ячейки определяется зоной обслуживания восходящего канала при передаче речи • Чувствительность при приеме восходящего канала на базовой станции на 6 дБ выше, чем при приеме нисходящего канала благодаря меньшему коэффициенту шума и разнесению антенн • При передаче данных со скоростью 1 Мбит/с отношение Eb/N0 на 3 дБ ниже, чем при передаче речи

736

• Речевые терминалы имеют потери из-за влияния тела человека на 3дБ больше, чем терминалы, используемые при передаче данных со скоростью 1 Мбит/с. Необходимая средняя мощность передачи в нисходящем канале для передачи речи, по оценкам, составляет 27дБм, а для соединения при передаче данных со скоростью 1 Мбит/с – около 40 дБм (=10Вт) для получения полной зоны обслуживания в нисходящем канале, если размер ячейки планируется с ориентацией на передачу речи в восходящем канале. Расчеты представлены в табл. 11.8. Обеспечение мощности 10 Вт в нисходящем канале для одного пользователя, ведущего передачу с большой скоростью, вполне возможно в случае, когда нет других пользователей, запрашивающих высокую пропускную способность в этой ячейке, т.е. в случае ограничения по зоне обслуживания. Практически зона обслуживания для нисходящего канала с высокой скоростью передачи порядка 1–2 Мбит/c зависит от: • Размаха восходящего канала: битовой скорости, для которой предусмотрена зона обслуживания ячейки • Параметров усилителя мощности в нисходящем канале • Нагрузки в соседней ячейке. Таблица 11.8 Необходимая мощность передачи в нисходящем канале при скорости передачи 1 Мбит/с и при обеспечении полной зоны обслуживания. Мощность передачи подвижой станции в восходящем канале Оцененная мощность передачи в нисходящем канале при передаче речи Разница в выигрыше при обработке между 12,2 кбит/с и 1 Мбит/с Уменьшение Eb/N0 для терминала передачи данных Потери из-за влияния тела Необходимая мощность передачи для 1 Мбит/с и обеспечения полной зоны обслуживания

21 дБм 21 дБм+6 дБ = 27 дБ 10*log10 (1000/12,2)=19,1 дБ 3 дБ Речевой терминал: 3 дБ Терминал передачи данных: 0 дБ 27 дБм+19,1 дБм–3 дБ–3 дБ=40 дБм=10 Вт

Если планируется, что ячейка будет обеспечивать высокие скорости передачи данных также и в восходящем канале на краю ячейки, то ячейка будет меньше, и тогда обслуживание в зоне для нисходящего канала также будет лучше. Нагрузка в соседней ячейке влияет на возможность получения соединения при большой скорости передачи на краю ячейки. Большое число пользователей с высокими скоростями передачи с постоянной зоной обслуживания требует большой пропускной способности. Вопросы, связанные с пропускной способностью, в сети WCDMA рассматриваются в разделе 11.3. Рассмотрение зоны обслуживания для нисходящего канала производилось в основном в расчете на базовые станции макроячеек, где максимальная

737

выходная мощность составляет порядка 43 дБм. Для маломощных базовых станций микро-и пикоячеек зона обслуживания может также иметь ограничение по нисходящему каналу.

11.2.4. Увеличение зоны обслуживания Могут использоваться следующие способы увеличения зоны обслуживания по восходящему каналу для сайта базовой станции WCDMA: • Уменьшение отношения Eb/N0 за счет усовершенствования алгоритмов работы базовых станций в основной полосе частот или за счет увеличения числа приемных антенн • Уменьшение коэффициента шума в высокочастотных каскадах базовой станции • Уменьшение потерь в кабеле между антеннами и малошумящим усилителем базовой станции • Уменьшение запаса по помехам, т.е. достижение максимальной допустимой пропускной способности в восходящем канале • Увеличение коэффициента усиления антенн Отношение Eb/N0 на базовой станции может быть уменьшено при использовании способов, приведенных в разделе 11.2.1. Наиболее важными методами являются увеличение числа ветвей разнесения приемника и оптимизация алгоритмов работы приемников базовых станций в основной полосе частот. Коэффициент шумов базовой станции может быть уменьшен за счет улучшения радиочастотных элементов базовой станции. Потери в кабеле можно уменьшить, выбирая кабели большого диаметра или применяя установку предварительного усилителя на мачте. Типичные потери в кабеле составляют 6 дБ на 100 м. В системе WCDMA пропускная способность и зона обслуживания связаны друг с другом, как показано разделе 8.2. Зона обслуживания для восходящего канала может быть увеличена за счет уменьшения пропускной способности восходящего канала, что позволяет снизить запас по помехам. Например, снижение максимальной нагрузки в восходящем канале с 50% до30% уменьшает необходимый запас по помехам с 3,0 дБ до 1,5 дБ и тем самым дает выигрыш для зоны обслуживания на 1,5 дБ в отношении ресурсов канала. Нагрузка поддерживается в запланированных пределах при применении алгоритмов управления радиоресурсами в реальном масштабе времени, как показано в главе 9. Другими способом уменьшения запаса по помехам является использование подавления помех или мультипользовательский прием на базовой станции, как показано в разделе 11.5.2. Для увеличения зоны обслуживания могут применяться антенны с более высоким коэффициентом усиления. Зона обслуживания может расширяться за счет увеличения числа секторов и сужения диаграммы направленности антенн в

738

горизонтальном направлении. Увеличения коэффициента усиления антенн также можно добиться путем сужения вертикального луча антенн. Обычно максимальный коэффициент усиления для трехсекторной антенны составляет 18 дБн при предположении ширины вертикального луча, равной 6˚. Коэффициент усиления антенны может быть увеличен с помощью решений, связанных с применением адаптивных антенн, как показано в разделе 11.5.1.

11.3. Пропускная способность Показано, что пропускная способность (емкость) воздушного интерфейса WCDMA для нисходящего канала меньше пропускной способности для восходящего канала [6-8]. Основная причина здесь заключается в том, что на базовой станции могут использоваться более совершенные методы приема, чем в подвижной станции. Эти методы включают в себя разнесение антенн приемника и мультипользовательский прием. Кроме того, в UMTS пропускная способность в нисходящем канале представляется более важной, чем пропускная способность в восходящем канале из-за асимметричного типа загрузки трафика. Поэтому в данном разделе рассматривается пропускная способность для нисходящего канала и способы ее повышения. В следующих разделах представляются два аспекта, которые оказывают влияние на пропускную способность в нисходящем канале и определяют отличие от пропускной способности в восходящем канале: ортогональные коды, рассматривающиеся в разделе 11.3.1, и разнесение при передаче на базовой станции – в разделе 11.3.2.

11.3.1. Ортогональные коды в нисходящем канале 11.3.1.1. Выигрыш в нисходящем канале при многолучевом разнесении

В данном разделе рассматривается влияние ортогональных кодов в нисходящем канале на характеристику пропускной способности. Короткие коды в нисходящем канале в одном коде скремблирования являются ортогональными, но только в однолучевом канале. В многолучевом канале ортогональность частично теряется, и пользователи внутри ячейки мешают друг другу. В GSM помехи внутри ячейки отсутствуют, так как пользователи являются ортогональными во временной области в различные временные слоты независимо от многолучевого распространения. Ниже приводится характеристика нисходящего канала для многолучевых профилей ITU A-канала подвижного (транспортного) средства и канала ITU A-канала пешехода для передачи речи со скоростью 8 Кбит/с и перемежением 10 мс при FER 1%. ITU A-канала пешехода близок к однолучевому каналу и не дает большого многолучевого разнесения, тогда как

739

ITU A-канала подвижного средства имеет достаточно высокую степень многолучевого разнесения. Сценарий моделирования показан на рис. 11.7. Необходимая мощность передачи на речевое соединение (=Ic) в сравнении с полной мощностью базовой станции (=Ior) показаны на вертикальной оси на рис. 11.8. Например, значение –20 дБ означает, что это соединение забирает 10(-20дБ/10)=1% от полной мощности передачи базовой станции. Чем меньше значение по вертикальной оси, тем лучше характеристика работы. На горизонтальной оси показана полная передаваемая мощность этой базовой станции, поделенная на принимаемые помехи от других ячеек, включая и тепловой шум (=No). Этот сценарий называется также геометрическим фактором G. Высокое значение G получается, когда подвижная станция находится в непосредственной близости от базовой станции, и низкое –на краю ячейки. Мы можем извлечь несколько важных уроков в отношении действия нисходящего канала из рис. 11.8. На краю ячейки, т.е. для низких значений G многолучевое разнесение в ITU A-канале подвижного средства дает рабочую характеристику лучше, чем меньшее многолучевое разнесение в ITU A-канале пешехода. На краю ячейки многолучевое разнесение улучшает работу нисходящего канала. При близком расстоянии от базовой станции ITU A-канала пешехода работает лучше, так как многолучевое разнесение в ITU A-канале подвижного средства уменьшает ортогональность кодов в нисходящем канале. Кроме того, при близком расположении от базовой станции особой необходимости в разнесении нет, так как помехи внутри ячейки испытывают такие же быстрые замирания, как и полезный сигнал пользователя. Если сигнал и помеха имеют одинаковые замирания, то отношение сигнала к помехе остается величиной в достаточной мере постоянной, несмотря на наличие замираний. Зона единичного канала

Полная мощность передатчика базовой станции: Ior Мощность на соединение: Ic

Зона мягкого хэндовера

Рис. 11.7. Сценарий моделирования для оценки характеристики нисходящего канала.

740

Пешеход А Подвижное средство А

Iс/Ior [дБ]

G=Ior/N0 [дБ]

Рис. 11.8. Влияние многолучевого распространения.

Влияние мягкого хэндовера не показано при этом моделировании, но оно позволяет улучшить работу, особенно для ITU A-канала пешехода на краю ячейки, обеспечивая дополнительное разнесение,–макроразнесение. Выигрыш, получаемый при макроразнесении, подробно рассматривается в разделе 9.3.1.3. Отметим, что многолучевое распространение в нисходящем канале, не только дает выигрыш, – оно дает усиление при разнесении, но в то же время уменьшает ортогональность. В разделе 11.2.1.3 было показано, что многолучевое разнесение увеличивает зону обслуживания для восходящего канала, но многолучевое распространение необязательно повышает пропускную способность нисходящего канала вследствие потери ортогональности. Но необходимо отметить, что разнесение уменьшает изменение мощности передачи, как показано в разделе 9.2.1.3. Выигрыш от уменьшения колебаний мощности передачи не показан на рис. 11.8, где представлены только средние мощности передачи. При невысоких скоростях передачи средняя мощность передачи является хорошим критерием, так как имеется большое число пользователей, и изменение общей мощности передачи будет небольшим. Изменение мощности передачи играет важную роль при работе с большими скоростями передачи, когда имеется только несколько пользователей. Если изменения большие, то следует предусмотреть запас для алгоритмов управления мощностью, например, при управлении доступом, чтобы гарантировать обеспечение необходимого качества обслуживания при этом соединении. Влияние многолучевого разнесения на работу с высокой скоростью передачи в нисходящем канале, рассматривается ниже в разделе 11.4.2.

741

3 км/ч 50 км/ч 120 км/ч

Iс/Ior [дБ]

G=Ior/N0 [дБ]

Рис. 11.9. Влияние скорости подвижной станции в ITU A-канале MS.

Влияние скорости подвижной станции на работу нисходящего канала для ITU A-канала пешехода показано на рис. 11.9. На краю ячейки лучшая рабочая характеристика получается для высоких скоростей подвижной станции, а вблизи базовой станции характеристики лучше у подвижных станций с малой скоростью передвижения. Такое поведение можно объяснить тем обстоятельством, что для высоких скоростей подвижных станций перемежение и канальное кодирование, здесь сверточный код, обеспечивают разнесение по времени и выигрыш за счет кодирования. На рис. 11.8 было показано, что разнесение имеет большое значение на краю ячейки для улучшения рабочей характеристики. 11.3.1.2. Пропускная способность нисходящего канала в различной окружающей среде

В этом разделе формулы для пропускной способности WCDMA из раздела 8.2.2 используются для оценки влияния ортогональных кодов на пропускную способность в нисходящем канале в сотовых макро-и микроячейках. Ортогональные коды в нисходящем канале делают нисходящий канал WCDMA более устойчивым к влиянию помех самой ячейки по сравнению с восходящим каналом, а помехи, создаваемые ячейками друг другу, от соседних базовых станций оказывают большее влияние на пропускную способность нисходящего канала. Величина помех от соседних ячеек зависит от среды распространения и планирования сети. Здесь мы предполагаем, что величина помех от соседних ячеек ниже в микроячейках, где углы улиц создают ячейкам значительно большую изоляцию, чем это имеет место в макроячейках. Эта развязка ячеек представлена в формуле отношением помех от соседних ячеек к помехам в своей ячейке i. Мы также предполагаем, что в среде микроячеек менее выражено многолучевое распространение и, таким образом, достигается более высокая ортогональность

742

кодов в нисходящем канале. С другой стороны, менее выраженное многолучевое распространение дает меньшее многолучевое разнесение, и поэтому мы предполагаем более высокие требования к отношению Eb/N0 в нисходящем канале в микроячейках по сравнению с аналогичными требованиями в макроячейках. Согласно предположению, нагрузка в восходящем канале может составлять 60% и в нисходящем – 80%. Меньшая нагрузка в восходящем канале, чем в нисходящем, предполагается потому, что обеспечить необходимую зону обслуживания труднее в восходящем канале. Более высокая нагрузка приводит к уменьшению зоны обслуживания, как показано в разделе 8.2.2. Перечень сделанных допущений не включает влияние разнесения передающих антенн, тогда как в восходящем канале предполагается прием на разнесенные антенны. Мы вычисляем пропускные способности для приведенных в качестве примера данных для сотовой среды макро и микроячеек как в восходящем, так и в нисходящем каналах. Допущения, сделанные при вычислениях, указаны в табл. 11.9, а результаты приведены в табл. 11.10. В этих пропускных способностях повторные передачи не учитываются. При FER=1%, пропускная способность для пользователей будет составлять 90% от значений, указанных в табл. 11.10.

Таблица 11.9. Допущения, сделанные при вычислении пропускной способности. Макроячейка

Микроячейка

нисходящем

0,6

0,95

Отношение помех от соединения ячеек к помехам в своей ячейке i

0,65

0,.2

Eb/N0 в восходящем канале

1,5дБ

1,5 дБ

Нагрузка в восходящем канале

60%

60%

5,5 дБ

8,0 дБ

80%

80%

Ортогональность канале

в

Eb/N0 в нисходящем канале Нагрузка в нисходящем канале

Таблица 11.10. Пропускная способность при передаче данных в сотовой среде макро- и микроячеек на сектор на несущую. Макроячейка

Микроячейка

Восходящий канал

1040 кбит/с

1430 кбит/с

Нисходящий канал

600 кбит/с

1400 кбит/с

В макроячейках пропускная способность в восходящем канале выше, чем в нисходящем, тогда как в микроячейках пропускные способности восходящего

743

и нисходящего каналов полностью сбалансированы. Пропускная способность нисходящего канала больше зависит от среды распространения и многолучевого профиля, чем пропускная способность восходящего канала. Причина заключается в применении ортогональных кодов. Пропускные способности, приведенные в таблице 11.10, предполагают, что пользователи равномерно распределены по площади ячейки. Если пользователи в среднем находятся ближе к базовой станции, пропускные способности будут выше. Пропускные способности также показывают, работа пользователей со скоростью 2 Мбит/c в каждой ячейке не возможна, если пользователи, работающие со скоростью 2 Мбит/с, могут располагаться по всей площади ячейки, включая ее края. 11.3.1.3. Число ортогональных кодов

Количество ортогональных кодов в нисходящем канале ограничивается одним кодом скремблирования. При коэффициенте расширения спектра SF максимальное число ортогональных кодов будет SF. Это кодовое ограничение будет оказывать влияние на пропускную способность в нисходящем канале, если среда распространения будет благоприятной, и планирование сети и аппаратные средства могут поддерживать такую высокую пропускную способность. В данном разделе оценивается возможная пропускная способность при одном комплекте ортогональных кодов. Допущения, сделанные при этих вычислениях, показаны в табл. 11.11, а результаты представлены в табл. 11.12. Часть ортогональных кодов для нисходящего канала может быть зарезервирована для общего канала и издержек, связанных с мягким и полумягким хэндоверами. Эти факторы также учтены в табл. 11.11 и 11.12. Максимальное число полноскоростных речевых каналов на сектор при этих допущениях составляет 98, максимальная пропускная способность для передачи данных – 2,5 Мбит/с на сектор. Число ортогональных кодов не является ограничением с жесткой блокировкой для пропускной способности в нисходящем канале. Если это число недостаточно велико, то в нисходящем канале может использоваться дополнительный код скремблирования, который создает второй комплект ортогональных коротких кодов: см. раздел 6.3. Эти два комплекта ортогональных кодов не являются ортогональными по отношению друг к другу. Если используется дополнительный (второй) код скремблирования, то кодовые каналы под этим дополнительным кодом скремблирования создают больше помех тем кодам, которые находятся под первым кодом скремблирования. Максимальная пропускная способность при одном комплекте ортогональных кодов может быть меньше, чем показанная в таблице 11.12, если используются соединения с переменной скоростью, так как ортогональный код должен резервироваться в соответствии с максимальной скоростью передачи в этом соединении.

744

Дополнительный (второй) код скремблирования, вероятнее всего, потребуется при использовании в нисходящем канале адаптивных антенн, которые улучшают рабочую характеристику (параметры) нисходящего канала по сравнению с теми значениями, которые представлены в таблице 11.10. Таблица 11.11. Допущения, принятые при вычислении данных для таблицы 11.12 Общие каналы

10 кодов с SF=128

Издержки при мягком хэндовере

20%

Коэффициент расширения спектра (SF) для передачи речи с половинной скоростью

256

Коэффициент расширения (SF) для передачи речи с полной скоростью

128

Скорость передачи чипов

3,84 Мчип/с

Модуляция

QPSK (2 бита на символ)

Средние издержки DPCCH для передачи данных

10%

Скорость канального кодирования для передачи данных

745

1/3 при 30% прореживании

Таблица 11.12. Максимальная пропускная способность нисходящего канала при одном коде скремблирования на сектор. Речь, полная скорость (AMR

128 каналов

Число кодов при коэффициенте расширения спектра, равном 128

*(128–10)/128

Издержки на общий канал

/1,2

Издержки при мягком хэндовере

12,2 Кбит/с и 10,2 Кбит/с)

=98 каналам Речь, половинная скорость

2*98 каналов

(AMR≤7,95 Кбит/с)

=196 каналов

Коэффициент расширения спектра 256

Пакетированные данные

3,84е6

Скорость передачи чипов

*(128–10)/128

Издержки на общий канал

/1,2

Издержки на мягкий хэндовер

*2

Модуляция QPSK

*0,9

Издержки на DPCCH

/3

Скорость канального кодирования 1/3

/(1–0,3)

30% прореживание

=2,5 Мчипов/с

11.3.2. Разнесение при передаче в нисходящем канале Пропускную способность в нисходящем канале можно повысить, используя разнесение антенн на приеме в подвижной станции. Однако, для небольших и дешевых подвижных станций не представляется возможным иметь приемник с двумя разнесенными антеннами. Поэтому стандарт WCDMA поддерживает использование разнесения при передаче на базовой станции. Режимы разнесения при передаче по нисходящему каналу описаны в разделе 6.6, посвященном процедурам, осуществляемым на физическом уровне. При разнесении во время передачи сигнал в нисходящем канале передается по двум ветвям разнесения антенн на базовой станции. Если у нас уже используется на базовой станции разнесение при приеме, и мы дуплексируем передачу по нисходящему каналу к приемным антеннам, то необходимость в дополнительных антеннах для разнесения в нисходящем канале отпадает. Для создания разнесения при передаче по нисходящему каналу можно использовать пространственное или поляризационное разнесение антенн. В этом разделе мы производим сравнение разнесения при передаче в нисходящем канале с разнесением при приеме в восходящем канале, представленном в разделе 11.2.1.3, и анализируем полученный выигрыш от использования разнесения при передаче в нисходящем канале. Выигрыш от использования

746

разнесения либо при передаче, либо при приеме можно разделить на две части: (1) Выигрыш от когерентного сложения (2) Выигрыш за счет использования разнесения в борьбе с быстрыми замираниями Выигрыш от когерентного сложения может быть получен в результате того, что сигнал складывается когерентно, в то время как помеха складывается не когерентно. Выигрыш от идеального когерентного сложения при использовании двух антенн составляет 3 дБ. В восходящем канале когерентное сложение сигнала от двух разнесенных антенн производится с помощью приемника Rake. Действие приемника Rake рассмотрено в разделе 3.4. В восходящем канале выигрыш от когерентного сложения составляет 2,5-3,0 дБ в зависимости от точности оценки канала. Кроме того, при разнесении при передаче в нисходящем канале можно получить когерентное сложение при приеме подвижной станции, если фазы двух передающих антенн регулируются в соответствии с командами обратной связи от подвижной станции. Когерентное сложение не является идеальным, поскольку многолучевые компоненты невозможно складывать когерентно: можно только регулировать относительные фазы сигналов от двух антенн. Петля обратной связи дает только дискретное ступенчатое изменение и имеет задержку, которая еще больше ухудшает когерентное сложение в нисходящем канале. Влияние задержки особенно заметно сказывается при большой скорости движения подвижной станции. Поэтому выигрыш при когерентном сложении в нисходящем канале при использовании разнесения при передаче меньше, чем выигрыш от разнесения при приеме в восходящем канале. Разнесение при передаче в нисходящем канале с обратной связью показано на рис. 11.10 Как разнесение при приеме, так и разнесение при передаче дают выигрыш в борьбе с помехами. Этот выигрыш будет больше при меньшем многолучевом разнесении. Связь между управлением мощностью и разнесением подробно описывается в разделе 9.2.1.2. При быстром управлении мощностью и низкой скорости движения подвижной станции средняя передаваемая мощность меньше, т.е. увеличение мощности будет меньше. При низкой скорости движения подвижной станции это уменьшение роста мощности при разнесении, например, в ITU A-канале пешехода, составляет 2,8 дБ: см. рис. 9.5. Различия между разнесением при приеме в восходящем канале и разнесением при передаче в нисходящем канале показаны в таблице 11.13. Немаловажно отметить различие между двумя источниками разнесения в нисходящем канале: между многолучевым разнесением и разнесением при передаче. Многолучевое разнесение уменьшает ортогональность кодов в нисходящем канале, тогда как разнесение при передаче сохраняет коды в нисходящем канале ортогональными при наличии амплитудных замираний. Чтобы сделать максимальной пропускную способность в нисходящем канале, ограничен-

747

ную действиями помех, было бы желательно избежать многолучевого распространения для сохранения ортогональности кодов и обеспечения разнесения с использованием разнесенных антенн при передаче. (2) Выигрыш в борьбе с замираниями Два сигнала в нисходящем канале складываются когерентно (1) Выигрыш при когерентном сложении

Различные каналы с замираниями

Передача от двух антенн

Обратная связь от подвижной станции для управления фазами при передаче

Рис. 11.10. Разнесение при передаче в нисходящем канале с использованием обратной связи.

Сравнение пропускных способностей в восходящем и нисходящем каналах дается в табл. 11.10. При этом сопоставлении предполагалось, что в восходящем канале использовано разнесение при приеме, а разнесение при передаче в нисходящем канале отсутствует. Если мы сложим выигрыш от разнесения при передаче с пропускными способностями в нисходящем канале, приведенными в табл. 11.10, то пропускная способность в нисходящем канале становится приблизительно равной пропускной способности в восходящем канале в среде макроячеек. В микроячейках пропускные способности в нисходящем и восходящем каналах можно считать в грубом приближении равными без разнесения при передаче. При наличии разнесения при передаче пропускная способность нисходящего канала, ограниченная действием помех в среде микроячеек, явно становится выше, чем пропускная способность восходящего канала. Иметь асимметричную пропускную способность воздушного интерфейса выгодно, так как ожидаемые требования к пропускной способности выше в нисходящем канале, чем в восходящем. Причиной большей пропускной способности нисходящего канала является использование в нем ортогональных кодов. Таблица 11.13 Сравнение разнесения при приеме в восходящем канале с разнесением при передаче в нисходящем канале. Разнесение при приеме в вос- Разнесение при передаче в нисхоходящем канале дящем канале с обратной связью (1) Выигрыш от когерентного сложения Выигрыш от идеального когерентного сложения при двух антеннах составляет 3,0 дБ Как получить когерентное сложение Приемник Rake с оцениванием канала по пилот-символам

748

Петля обратной связи от подвижной станции к базовой для управления фазами при передаче, чтобы сделать возможным когерентное сложение принимаемых сигналов подвижной станции

(продолжение табл.11.13) Неидеальность когерентного сложения

Неточная оценка канала приемником Rake

Неточная оценка канала подвижной станцией Дискретные операции в петле обратной связи Задержка в петле обратной связи Многолучевое распространение

Практический выигрыш от когерентного сложения

Выигрыш 2,5-3,0 дБ

Выигрыш меньше, чем для разнесения при приеме

(2) Выигрыш от разнесения при борьбе с замираниями Выигрыш от разнесения при быстром управлении мощностью

Выигрыш от разнесения = уменьшение увеличения мощности Примерные значения: ITU A-канал, пешеход: 2,8 дБ ITU A-канал , подвижное средство: 0,8 дБ

Общий выигрыш от уменьшения мощности передачи Общий выигрыш от разнесения

3,0-6,0 дБ

0,0-5,0 дБ

антенн

Влияние выигрыша от разнесения при передаче в нисходящем канале на пропускную способность канала и зону обслуживания показано на рис. 11.11. Предполагается получение выигрыша 2 дБ, включая выигрыш от когерентного сложения и выигрыш от разнесения при борьбе с замираниями. Эти методы дают выигрыш в пропускной способности на 2 дБ. Если мы, например, положим максимальные потери на трассе равными 157 дБ, то пропускная способность может возрасти с 650 Кбит/с до 1030 Кбит/с. Как вариант, выигрыш от разнесения при передаче может использоваться для улучшения зоны обслуживания по нисходящему каналу при сохранении нагрузки без изменений. В примере, приведенном на рис. 11.11, максимальные потери на трассе могли бы увеличиться на 5 дБ со 157 дБ до 162 дБ, если бы нагрузка поддерживалась на уровне 650 Кбит/с. Выигрыш в зоне обслуживания больше, чем выигрыш в пропускной способности, что обусловлено кривой нагрузки для WCDMA. Может оказаться невозможным воспользоваться выигрышем в зоне обслуживания по нисходящему каналу и увеличением размера ячейки от разнесения при передаче в нисходящем канале, если ограничивающим направлением в зоне обслуживания будет направление восходящего канала. Как вариант, выигрыш в зоне обслуживания может использоваться для уменьшения необходимой мощности передачи базовой станции. Если мы будем поддерживать нагрузку без изменений на уровне 650 кбит/с, а максимальные потери на трассе без изменений равными 157 дБ, мы можем уменьшить мощность передачи на 5 дБ, с 20 Вт до 2x 3,2 Вт.

749

Максимальные потери на трассе [дБ]

Разнесение при передаче в нисходящем канале 2х10 Вт Нисходящий канал 20 Вт Выигрыш в зоне обслуживания 5,0 дБ Примечание: Зона обслуживания зависит от нагрузки

Выигрыш в пропускной способности 2,0 дБ

Нагрузка [Кбит/с]

Рис. 11.11. Выигрыш в пропускной способности и зоне охвата в нисходящем канале от разнесения при передаче. Предполагается выигрыш от разнесения при передаче на уровне канала в 2 дБ.

11.3.3. Повышение пропускной способности Некоторыми методами повышения пропускной способности в нисходящем канале могут быть следующие: • Использование большего числа частот = несущих • Разнесение при передаче • Разделение на секторы • Применение кодека с меньшими скоростями передачи, например, речевого кодека AMR. Если оператору позволяют возможности частотного распределения, он может использовать еще одну несущую. WCDMA поддерживает эффективные хэндоверы с изменением частоты, так что могут использоваться несколько несущих для уравновешивания нагрузки и увеличения пропускной способности на сайт. Возможно, совместно использовать один усилитель мощности несколькими несущими. В разделе 8.2.2 было показано, что совместное использование усилителя мощности двумя несущими обеспечивает наиболее эффективное использование усилителя мощности, так как нагрузка может быть поделена между двумя несущими и, когда мы спускаемся по кривой нагрузке WCDMA, требующаяся мощность на пользователя уменьшается. Кривая нагрузки WCDMA показывает также, что увеличение мощности передачи в нисходящем канале может дать лишь очень небольшой выигрыш в пропускной способности и не является эффективным решением для улучшения пропускной способности.

750

Разнесение при передаче в нисходящем канале повышает пропускную способность нисходящего канала до величины, зависящей от степени многолучевого разнесения в этой среде. Чем имеется меньшее многолучевое разнесение, тем больше выигрыш в пропускной способности для нисходящего канала при использовании разнесения при передаче. Поэтому наибольший выигрыш в пропускной способности можно ожидать в небольших микро и пикоячейках, где имеет место лишь небольшое многолучевое разнесение. Если при приеме в восходящем канале уже используется разнесение, то разнесение при передаче в нисходящем канале можно использовать в сети без каких-либо модификаций конструкции антенн. Для увеличения пропускной способности на сайт может использоваться разделение на сектора. В идеальном случае N секторов делают пропускную способность в N раз выше, но на практике эффективность разделения на сектора составляет около 90%. Это означает, что перевод сайта с односекторного на трехсекторный дает увеличение в пропускной способности около 2,7 раз, а на шестисекторный – около 5,4 раз. Увеличение числа секторов также увеличивает зону обслуживания за счет более высокого коэффициента усиления антенн. Недостатком при повышении пропускной способности путем увеличения числа секторов является то, что антенны подлежат переключению, и планирование радиосети и ее оптимизация должны быть произведены заново. Разделение на секторы более подробно рассматривается в [9]. При использовании речевого кодека AMR можно увеличить пропускную способность при передаче речи в WCDMA за счет использования режима AMR с более низкой скоростью передачи. Речевой кодек AMR описывается в разделе 2.3. Общее число переданных бит пользователя не увеличивается при использовании более низких скоростей передачи AMR – увеличивается число соединений, хотя скорость передачи в битах на пользователя уменьшается. Кодек AMR позволяет создать компромисс между пропускной способностью при передаче речи и качеством в соответствии с потребностями оператора.

11.4. Высокие скорости передачи В этом разделе оценивается передача в каналах с многолучевым распространением со скоростями от 512 Кбит/с до 2 Мбит/с [10,11]. Оценка основана на результатах моделирования на уровне канала с использованием приемника Rake для различных профилей многолучевого распространения. В WCDMA более высокие скорости получают при меньшем выигрыше за счет обработки при использовании либо переменного коэффициента расширения спектра, либо мультикодов. Было показано, что эти два решения обеспечивают приблизительно одинаковую устойчивость к воздействию помех и рабочие характеристики [12,13]. Поскольку автокорреляционные свойства кодов расширения

751

спектра не являются идеальными, многолучевые компоненты создают помехи друг другу. Если выигрыш в отношении сигнал-шум при обработке велик, то эти помехи между лучами (IPI) и межсимвольные помехи (ISI) являются пренебрежительно малыми, но при небольшом выигрыше при обработке помехи между лучами оказывают заметное влияние на рабочую характеристику. Выигрыш при обработке для скорости передачи 2 Мбит/с составляет всего 2,8 дБ (=10·log10 (3,84 Мчип/2,0 Мчип/с)) и понятно, что часть свойств WCDMA как системы с расширенным спектром теряется в системах TDMA, как, например, в GSM межсимвольные помехи устраняются компенсатором (эквалайзером). При моделировании на уровне канала предполагается, что характеристика Eb/N0 при различных профилях многолучевого распространения зависит как от помех между лучами, так и от выигрыша при многолучевом разнесении. Если мы хотим пронаблюдать только влияние помех между лучами (интерференции лучей), нам необходимо знать значение выигрыша от разнесения. Поэтому результаты моделирования также получают при использовании модели, где помехи между лучами многолучевых компонентов не моделируются. Эти результаты эмулирует идеальное построение приемника от помех между лучами. Для очень высоких скоростей передачи помехи между лучами могут привести к тому, что потери от них будут больше, чем выигрыш за счет многолучевого разнесения. Выигрыш от многолучевого разнесения анализируется в разделе 11.4.2.

11.4.1. Помехи между лучами 11.4.1.1. Характеристика восходящего канала при скорости передачи 512 Кбит/с

Характеристику восходящего канала при скорости передачи 512 кбит/с получают в результате моделирования при передаче с использованием одного кода, поддерживающей эффективную работу усилителя мощности подвижной станции. Применяется сверточный код с половинной скоростью. Вероятность появления ошибок во фрейме в пакете данных используется в качестве критерия качества работы при размере пакета, равном 320 пользовательским битам. В соответствии со спецификацией Версии-99 3GPP могут быть использованы турбокоды со скоростью 1/3. Использование турбокодов даст несколько лучшую величину отношения Eb/N0, чем та, которая обеспечивается сверточными кодами, но влияние помех между лучами не будет снижено. На базовой станции предполагается разнесение антенн при приеме. Моделировалась характеристика восходящего канала при скорости передачи 512 Кбит/с при использовании моделей на уровне чипа и на уровне символа. При использовании модели на уровне чипа моделировались расширение и

752

сжатие спектра при времени разрешения на уровне чипа, равном 0,24 мкс (=¼ Мчип/с), тогда как в модели на уровне символа использовалось только время разрешения на уровне символа. При моделировании использовалась прежняя скорость передачи чипов. В модели на уровне символа многолучевые компоненты так же, как и ветви I и Q, являются отдельными и ортогональными, так что помехи между лучами не моделируются. Модель на уровне символа соответствует идеальному построению приемника, которое позволило бы полностью избавиться от помех между лучами. Требование к принимаемому отношению Eb/N0 для модели на уровне чипа и модели на уровне символа приведены на рис. 11.12 и в таблицах 11.14 и 11.15. Разница в характеристике одно-, двух- и трехлучевых каналов при использовании модели на уровне символа менее 0,2 дБ. Это говорит о том, что многолучевое разнесение не вызывает различий, поскольку быстрое управление мощностью может компенсировать быстрые замирания при медленном перемещении подвижной станции. Поэтому мы можем предположить, что причиной различия между результатами, полученными при применении модели на уровне чипа и модели на уровне символа, являются помехи между лучами. При этом моделировании считалось, что все многолучевые компоненты имеют одинаковые средние мощности. Результаты моделирования показывают, что величина ухудшения рабочей характеристики, обусловленная помехами между лучами, составляет около 0,6 дБ при FER=10%. При меньшем значении FER она будет больше – около 1,2 дБ при FER=1%/ Таблица 11.14. Характеристика восходящего канала при скорости передачи 512 Кбит/с для FER=10% (IPI=помехи между лучами). Требующееся Eb/N0 на антенну Уровень чипа с IPI

Уровень символа, без IPI

Ухудшение из-за IPI

1 луч

0,0 дБ

0,0 дБ

Без IPI

2 луча

0,7 дБ

0,1 дБ

0,6 дБ

3 луча

0,8 дБ

0,2 дБ

0,6 дБ

Таблица 11.15. Характеристика восходящего канала при скорости передачи 512 Кбит/с для FER=1% (IPI=помехи между лучами). Требующееся Eb/N0 на антенну Уровень чипа с IPI

Уровень символа, без IPI

Ухудшение из-за IPI

1 луч

0,9 дБ

0,9 дБ

Без IPI

2 луча

2,2 дБ

0,9 дБ

1,3 дБ

3 луча

2,2 дБ

1,0 дБ

1,2 дБ

753

FER

3 луча с IPI 2 луча с IPI 1 луч 3 луча без IPI 2 луча без IPI 1 луч

Eb/N0 [дБ]

Рис. 11.12. Отношение Eb/N0 в восходящем канале при скорости передачи 512 Кбит/с при использовании моделей уровня чипа и уровня символа и скорости движения 3 км/ч (IPI=помехи между лучами). 11.4.1.2. Характеристика нисходящего канала при скорости передачи 2,3 Мбит/с

При этом моделировании скорость 2 Мбит/ достигается при использовании четырех параллельных кодовых каналов, каждый из которых имеет коэффициент расширения спектра, равный 4. На практике три параллельных кода расширения спектра должны использоваться в нисходящем канале вместо четырех, так как часть ортогональных кодов необходимо зарезервировать для общих нисходящих каналов: см. табл. 6.3. Если мы используем только три кода вместо четырех, нам придется прибегнуть к частичному сокращению. Предполагается, что результаты моделирования получены при отсутствии разнесения антенн, как при передаче, так и на приеме. Результаты моделирования для нисходящего канала при использовании модели на уровне чипа показаны на рис. 11.13 и для FER=10% – в табл. 11.16. Модель на уровне чипа включает влияние помех между лучами. При скорости передачи 2,3 Мчип/с в нисходящем канале ухудшение характеристики, вызванное влиянием помех между лучами, может достигать 3,7дБ при FER=10%. Помехи между лучами создают определенную вероятность ошибок, и очень низкое значение FER не может быть достигнуто. Ухудшение, вызванное помехами между лучами, можно снизить при использовании усовершенствованного построения приемника, где влияние канала было бы скорректировано. Максимальный выигрыш от применения такого приемника может составить 3,7 дБ при скорости передачи 2 Мбит/с в трехлучевом канале. Реализация такого приемника будет особенно сложной, так как требует

754

лишь линейного эквалайзера: для получения дополнительных сведений см. раздел 11.5.2. Характеристика нисходящего канала при высоких скоростях передачи может быть улучшена также с помощью разнесения при передаче на базовой станции. Разнесение при передаче улучшают характеристику нисходящего канала, как показано в разделе 11.3.2, и делает передачу с высокой скоростью более устойчивой к воздействию помех между лучами.

FER

3 луча 2 луча 1 луч

Eb/N0 [дБ]

Рис. 11.13. Отношение Eb/N0 в нисходящем канале при скорости передачи 2,3 Мбит, наличии помех между лучами и скорости движения 3 км/час. Таблица 11.16. Характеристика нисходящего канала при скорости передачи 2,3 Мбит/с и FER=10% Требующееся Eb/N0 Уровень чипа с IPI

Ухудшение из-за IPI

1 луч

2,7 дБ

Без IPI

2 луча

4,6 дБ

1,9 дБ

3 луча

6,4 дБ

3,7 дБ

11.4.2. Выигрыш при многолучевом разнесении Многолучевое распространение приводит к появлению помех между лучами, но также обеспечивает и многолучевое разнесение. При небольших скоростях движения этот выигрыш от многолучевого разнесения можно видеть на мощности передачи, которая будет ниже при использовании многолучевого разнесения. На рис. 11.14 показаны мощности при передаче в нисходящем канале при скорости передачи 2 Мбит/с. Для FER=10% результаты для двухлучевого и трехлучевого распространения являются одинаковыми, и требуемая

755

мощность передачи примерно на 3дБ меньше, чем в канале с одним лучом. Для FER=1% влияние помех между лучами будет больше, чем для FER=10%.

FER

3 луча 2 луча 1 луч

Средняя мощность передачи при 2 Мбит/с и скорости движения 3 км/час

Рис 11.14. Мощность передачи в нисходящем канале при скорости передачи 2 Мбит/с и скорости движения 3 км/час.

Разница в требующейся принимаемой мощности на рис. 11.13 и не требующейся передаваемой мощности на рис. 11.14 состоит в увеличении мощности, которое подробно объясняется в разделе 9.2.1.2. Увеличение мощности при идеальном управлении мощностью составляет 3,0 дБ для двухлучевого канала и 1,8 дБ для трехлучевого канала. Представляется, что результаты моделирования увеличения мощности для скорости передачи 2 Мбит/с при реальном управлении мощностью очень близко совпадают с теоретическими значениями. В чем же состоят различия между результатами для нисходящего канала со скоростью передачи 2 Мбит/с и результатами для нисходящего канала при передаче речи, приведенными в разделе 11.3.1? При передаче речи многолучевое распространение создает помехи между пользователями в одной ячейке. При скорости 2 Мбит/с нет никакой разницы при работе пользователей в собственной ячейке, так как пропускная способность не позволяет одновременно вести передачу со скоростью 2 Мбит/с в одной ячейке более, чем одному пользователю, но многолучевое распространение приводит к помехам между лучами.

756

11.4.3. Возможность технической реализации высоких скоростей передачи

В данном разделе кратко рассматривается вопрос о возможности технической реализации высоких скоростей передачи в среде сотовой связи. С позиций возможности технической реализации рассматриваются отдельные направления, связанные с зоной обслуживания, полной пропускной способностью (емкостью) и передачей с высокими скоростями на уровне канала вплоть до 2 Мбит/с. Зона обслуживания в общем плане описана в разделе 11.2, а пропускная способность – в разделе 11.3. Зона обслуживания анализируется в разделе 11.2.3; показано, что возможно обеспечить полную зону охвата в нисходящем канале при скорости передачи 1 Мбит/с даже в больших макроячейках. На оценку зоны обслуживания влияют несколько допущений. На практике зона обслуживания для нисходящего канала при скорости передачи 2 Мбит/с может составлять 50-100% от площади ячейки и поэтому не помешает обеспечению услуг, требующих большой скорости передачи, с использованием WCDMA. Обычно, зона обслуживания для нисходящего канала с высокими скоростями передачи больше, чем для восходящего канала, так как в нисходящем канале на соединение может выделяться больший ресурс мощности, чем в восходящем канале. Это особенно справедливо для высоких скоростей передачи, так как в тот или иной момент времени число пользователей с высокими скоростями передачи в ячейке может быть лишь небольшими, и поэтому значительная часть мощности базовой станции может быть предоставлена пользователю с высокой скоростью передачи. Зона обслуживания для восходящего канала с высокими скоростями передачи будет меньше, чем для нисходящего канала, поскольку мощность передачи подвижной станции ограничена. Зона обслуживания для восходящего канала в большой мере зависит от размера ячейки. На рис. 11.4 была показана относительная зона обслуживания для различных скоростей передачи. В представленном примере планировалось, что ячейка должна обеспечивать полное обслуживание в зоне при скорости передачи 144 Кбит/с, а при скорости 2 Мбит/с дальность связи в зоне обслуживания составляла 50% от дальности при скорости передачи 144 Кбит/с. Примерные зоны обслуживания для скорости передачи 2 Мбит/с показаны на рис. 11.15. Типичные значения для пропускной способности в различных средах представлены в табл. 11.10, из которой видно, что средняя пропускная способность на сектор меньше 2 Мбит/с. В таблице 11.10 предполагается, что пользователи равномерно распределены по площади ячейки. Если нагрузка в соседних ячейках мала или если пользователь, работающий со скоростью 2 Мбит/с, располагается ближе к базовой станции, то оказывается возможным поддерживать скорость передачи 2 Мбит/с для пользователя в нисходящем канале. Если же

757

нам потребуется поддерживать пользователя со скоростью передачи 2 Мбит/с в каждой ячейке, в том числе и на краю ячейки, то потребуется повышение пропускной способности. В разделе 11.3.3 предлагается ряд решений по повышению пропускной способности для WCDMA. Результаты моделирования рабочих характеристик на уровне канала при высоких скоростях передачи в многолучевых каналах приведены в разделе 11.4. Было показано, что в каналах с многолучевым распространением скорость передачи 2 Мбит/с при использовании WCDMA технически реализуема. Можно сделать вывод о том, что воздушный интерфейс WCDMA может обеспечить обслуживание с высокими скоростями передачи даже в больших ячейках. Воздушный интерфейс готов к обеспечению сервиса, использующего эти возможности по осуществлению передачи с высокой скоростью. Зона обслуживания для нисходящего канала при 2 Мбит/с

Край ячейки

Зона обслуживания для восходящего канала при 2 Мбит/с

Рис. 11.15. Зона обслуживания в макроячейках при скорости передачи 2 Мбит/с.

11.5. Возможности улучшения рабочих характеристик В данном разделе описываются возможности рабочих характеристик WCDMA при использовании усовершенствованных конструкций антенн и приема многими пользователями в основной полосе частот. Оба представленных здесь решения касаются базовых станций и относятся к улучшению рабочих характеристик в восходящем канале. 11.5.1. Решения по использованию антенн

758

Зоны обслуживания WCDMA рассматривались в разделе 11.2, и было показано, что они имеют ограничение по восходящему каналу. Одним из эффективных методов увеличения зоны действия восходящего канала может служить увеличение числа приемных антенн на базовой станции. Выбор конкретной конфигурации антенн зависит, например, от следующих факторов: • Характеристики радиоканала (пикоячейка) микроячейка (макроячейка), на которые в значительной степени оказывает влияние многобучевое разнесение в канале • Угловая расходимость [разброс по углу прихода] • Типичные скорости подвижной станции • Требования к пропускной способности в восходящем и нисходящем каналах • Сложность реализации • Окружающая среда, наличие прямой видимости. Основной выбор касается вопроса – то ли увеличивать число ветвей разнесения, то ли увеличивать коэффициент усиления антенн. На рис. 11.16 приводятся различные варианты конфигурации антенн базовых станций. При обычном построении каждая ячейка делится на три сектора, и базовая станция использует две антенны на сектор. Диаграмма направленности каждой антенны охватывает весь сектор. В восходящем канале обычно применяется разнесение по двум ветвям, тогда как для передачи по нисходящему каналу часто используется только одна из двух антенн. На рис. 11.16 показан также метод с разнесением более высокого порядка и метод формирования луча (фиксированного луча), когда используются четыре антенны на сектор. В случае разнесения более высокого порядка используется множество антенн, каждая из которых охватывает своей диаграммой направленности весь сектор ячейки. Желательно иметь небольшую корреляцию между антеннами, что может быть достигнуто соответствующей развязкой между антеннами или при использовании антенн с ортогональной поляризацией. Метод формирования луча позволяет использовать однородную линейную антенную решетку, в которой разнесение между антеннами имеет порядок половины длины волны несущей. Сектор перекрывается узкими лучами, имеющими увеличенный коэффициент усиления антенны в этом направлении по сравнению с обычными антеннами, применяемыми в секторах ячеек. Если радиоканал обладает высокой степенью многолучевого разнесения, то выгодно использовать относительно небольшое число ветвей разнесения антенн. Однако, если радиоканал можно характеризовать как канал с амплитудными рэлеевскими замираниями (в одном луче), представляется выгодным увеличивать число ветвей разнесения. Макроячейки обычно имеют большее мно-

759

голучевое разнесение, чем микро или пикоячейки. Угловое разнесение может использоваться в методах формирования лучей. Очевидно, существует оптимальное число ветвей разнесения, так как когерентное сложение сигналов с разнесением требует точной оценки канала. С увеличением числа ветвей разнесения отношение Eb/N0 на ветвь разнесения уменьшается. Поэтому оценка канала для каждой ветвей разнесения становится более ответственной. Rx – луч

Обычная концепция для сектора

Rx/Tx – луч 3Rx – луча

Концепция разнесения более высокого порядка

4Rx/Tx – луча

Концепция формирования лучей

Рис. 11.16. Различные концепции построения антенн базовых станций (показан один сектор).

В нижеследующих разделах вопросы, касающиеся зоны обслуживания и пропускной способности при использовании адаптивных антенных решеток, рассматриваются отдельно. Здесь в центре внимания находятся решения для восходящего канала. Для WCDMA в режиме FDD довольно трудно обеспечить оптимальную рабочую характеристику в нисходящем канале при использовании адаптивных антенных решеток, так как в восходящем и нисходящем каналах используются разные частоты, и быстрые замирания в восходящем и нисходящем каналах не коррелированы. Поэтому при методе формирования лучей необходимо производить оценку направления прибытия лучей сигналов в восходящем канале. Кроме того, необходимо непрерывно осуществлять калибровку антенной решетки для того, чтобы оптимизировать характеристику нисходящего канала. В режиме разнесения при передаче нет необходимости оценивать направление прибытия благодаря наличию обратной связи от терминала. Разнесение антенн при передаче в нисходящем канале более подробно описывается в разделе 11.3.2. Исчерпывающий обзор по применению антенных решеток в подвижной связи можно найти в [14] и [15]. 11.5.1.1. Повышение зоны обслуживания с помощью антенных решеток

760

В ситуации с ограниченной зоной обслуживания типичным допущением служит то, что помехи можно рассматривать как временной и пространственный белый шум, также предполагается низкий уровень нагрузки, т.е. отношение помех, создаваемых при множественном доступе, к шуму I0/N0 находится значительно ниже уровня 0 дБ. В таких обстоятельствах оптимальным приемником для канала с замираниями будет приемник с разнесенным приемом, использующий сложение по максимальному отношению (MRC) [16]. Если амплитуды и фазовые углы ветвей разнесения оценены идеально, то можно компенсировать угловые искажения, обусловленные каналами распространения, и сигналы антенн можно взвешивать пропорционально отношению сигнал-шум каждой антенной ветви. Это ведет к когерентному сложению сигналов в антеннах. Представленный на рис. 11.17 приемник Rake производит когерентное сложение сигналов в антеннах при использовании для оценки канала пилотсимволов. Показан только один тракт (канал) приемника Rake. При селективных по частоте замираниях множество лучей сигнала должны когерентно складываться, и для каждого отдельного луча распространения требуется один тракт приемника Rake. Сложение трактов приемника Rake дает составной сигнал, представляющий собой когерентную сумму сигналов антенн многолучевых трактов. При сложении по максимальному отношению приемник Rake на рис. 11.17 умножает сигнал конкретной антенны на весовой коэффициент wm, являющийся комплексной сопряженной величиной импульсной характеристики канала, оцененной по этому сигналу в антенне. Такое вычисление должно быть сделано в каждом тракте приемника Rake. При наличии линии прямой видимости без замираний оптимальный приемник представляет собой формирователь луча, который производит фазирование антенн линейной однородной антенной решетки таким образом, чтобы направить основной луч на направление полезного сигнала. В приемнике, показанном на рис. 11.17, формирование луча мо-

761

Антенна 1

Сжатие 1

Сжатие М

Антенна М

Сжатие Сжатие 1 М

Формирование весовых оценок канала и помех

Распределение трактов приемника RAKE Оценка задержки

Пилот-сигнал Тракт 1 приемника RAKE

Сумма N трактов RAKE Оценка SIR для TPC

Сумма N трактов RAKE

Информационные биты

Рис. 11.17. Принцип работы приемника с антенной решеткой для когерентного восходящего канала WCDMA.

жет быть получено путем выбора фазовых углов антенных весовых коэффициентов wm таким образом, чтобы луч имел то направление, которое дает наибольшую мощность полезного сигнала. Если помехи от множественного доступа можно моделировать как белый шум в пространстве и времени, то можно применять однородное взвешивание антенн. Для случая прямой видимости формирование луча и сложение по максимальному отношению вместе дают тот же оптимальный результат, который получается, если известны направление прихода полученного сигнала в первом методе и канальные коэффициенты во втором методе. Например, для 8-элементной антенной решетки и канала с амплитудными замираниями должны оцениваться один параметр для случая формирования луча и 8 параметров для случая сложения по максимальному отношению. Соответственно, относительные рабочие характеристики при формировании луча и сложении по максимальному отношению изменяются с увеличением числа ветвей разнесения, поскольку сложение по максимальному отношению имеет более значительные ошибки при оценивании.

762

На рис. 11.18 показаны результаты моделирования для макроячейки WCDMA, когда число антенн на сектор было увеличено с двух до восьми. Здесь в обоих случаях – MAC и фиксированного луча – предполагается, что базовая станция работает как 3-секторная с изменяющимся числом антенн на сектор. Однако разделение на сектора относится к разнесению с двумя антеннами при изменяющемся числе секторов. Например, базовая станция с 12 антеннами может конфигурировать как 3-секторная базовая станция с 4 антеннами или 4 лучами на сектор, или как 6-секторная базовая станция с двумя антеннами на сектор. Параметры моделирования для модели канала приведены в табл. 11.17. Характеристики, полученные для различных методов использования антенных решеток, даны для скорости подвижной станции 50 км/час и угловой расходимости 15˚. Предполагается передача речи с использованием WCDMA. В этом случае помехи, обусловленные множественным доступом, моделировались в пространстве и времени как белый Гауссов шум. При методах формирования луча и разделения на сектора пользователь располагался в середине луча. В соответствии с полученными при моделировании результатами, представленными на рис. 11.18, зона обслуживания с увеличением числа антенн увеличивается. Разница с решениями по построению антенн с тем же числом ветвей приема небольшая. При восьми и большем числе ветвей приема оценивание для варианта разнесения с использованием MRC дает большие ошибки.

763

Характеристики различных концепций построения антенн в макроячейке WCDMA

BER без кодирования

6 антенн

4 антенны

2 антенны

секторный лучевой секторный лучевой секторный лучевой

Отношение Eb/N0 в приемнике на антенну

Рис.11.18. Характеристика MRC, разбиение на секторы и формирование лучей с помощью 8 антенн на сектор в 1200. 11.5.1.2. Увеличение пропускной способности за счет использования антенных решеток

Если пользователям для передачи речи с низкой скоростью передачи требуется увеличенная пропускная способность, то применяются решения, касающиеся антенных решеток, описанные в разделе 11.5.1.1, поскольку помехи при наличии большого числа пользователей с низкой скоростью передачи, могут аппроксимироваться как белый Гауссов шум в пространстве и времени. Если же имеется лишь очень небольшое число пользователей, ведущих одновременно передачу с высокой скоростью в одной ячейке или секторе ячейки, то помехи при множественном доступе могут часто характеризоваться как пространственный окрашенный шум, и ситуация с помехами становиться близкой к ситуации для систем с TDMA. Соответственно для подавления помех можно применять похожие на используемые в TDMA алгоритмы для адаптивных антенн. Однако, управление мощностью WCDMA устанавливает типичную рабочую точку на уровень, на котором отношение I0/N0 намного меньше, чем в системах TDMA. Например, если коэффициент нагрузки равен 50%, то отношение I0/N0 равно 0 дБ [17]. Поэтому получаемые коэффициенты усиления в результате оптимального сложения или сложения для подавления помех (IRC), не могут достичь таких высоких значений, как в системах TDMA [18]. На рис. 11.17 показа-

764

на структура приемника WCDMA. В ней используется способ, который адаптивно максимизирует отношение сигнал-помеха. Помимо оценки канала от каждой антенны и отвода с задержкой должна быть произведена оценка интерференционной картины. Одним из способов осуществления этого является восстановление полезного сигнала за счет использования пилот-символов оцененной (весовой) характеристики канала и вычитание восстановленного сигнала из принятого. Это ведет к оптимальному сложению, которое максимизируют отношение сигнал-шум [19]. Оптимальный ) весовой вектор Wn для каждого тракта «n» можно представить в виде ) ) ) Wn = Ruu−1, n hn

(11.5) )

)

где Ruu , n – оценка пространственно окрашенной помехи и hn – вектор передаточной весовой характеристики антенных символов в канале. На рис.11.19 показана сравнительная характеристика IRC с MRC в макросотовой среде. Параметры моделирования, приведенные в таблице 11.17, описывают природу помех. Предполагается, что коэффициент нагрузки равен 50% и что антенны для разнесенного приема не коррелируются. Результаты показывают, что относительный выигрыш от оптимального сложения по сравнению с MRC возрастает по мере увеличения количества антенн. Выигрыш от IRC по сравнению с MRC составляет до 1,6 дБ при использовании 8 антенн для BER без кодирования, равный 10%. Если же ячейка нагружается более сильно, относительный коэффициент усиления (выигрыш) возрастает и дальше. Результаты показывают, что IRC может использоваться для увеличения пропускной способности при обеспечении услуг, передаваемых с высокой скоростью передачи в восходящем канале, если можно использовать, по крайней мере, 4 ветви приема. Теоретически максимальный коэффициент усиления (выигрыш) при отношении I0/N0, равном 3 дБ (67% нагрузка), составляет 3-4 дБ при использовании соответственно 4-8 антенн [18]. Таблица 11.17

Параметры моделирования канала и помех. Канал для полезного сигнала

Трехлучевой рэлеевский с мощностями на ответвлениях 0 дБ, - 2,75 дБ и – 7 дБ.

Моделирование помех в виде случайных данных QPSK

Пространственно окрашенный шум.

Канал с помехами

Двухлучевой рэлеевский

Скорости передачи данных в канале

1024 Кбит/с (~ 300 Кбит/с при канальном кодировании).

Коэффициент расширения спектра

4

Коэффициент нагрузки

0,5

I0/N0 (дБ)

0

Число создающих помехи пользователей при скорости 1024 Кбит/с на рис.11.19.

3

765

BER без кодирования

Характеристики MRC и IRС при пространственно-окрашенном шуме

Отношение Eb/(I0+N0) в приемнике на антенну

Рис.11.19. Характеристика MRC и IRC при пространственно окрашенном шуме [помехах] и использование 2÷8 антенн на сектор, равный 1200.

11.5.2. Многопользовательский прием (многопользовательское детектирование) В этом разделе рассматриваются возможности улучшения характеристики в восходящем канале при использовании многопользовательского приема на базовой станции. Цель состоит в том, чтобы в обзорном плане рассмотреть различные алгоритмы многопользовательского приема и дать ссылки на литературу для получения дополнительной информации. Представленные алгоритмы можно применять как для работы FDD, так и для TDD WCDMA. Показаны результаты моделирования для WCDMA FDD при использовании самых многообещающих алгоритмов. Применение усовершенствованного приемника в режиме WCDMA TDD рассматривается в разделе 12.2. Системы CDMA по своей природе являются ограниченными по помехам с точки зрения работы приемника и пропускной способности системы [20-22]. Исходя из перспективы развития приемников, это означает что, если число пользователей достаточно велико, увеличение отношения сигнал/шум не дает увеличения вероятности появления ошибок в битах или фреймах. С точки зрения пропускной способности системы это означает, что чем большее отношение сигнал/шум + помехи требуется для получения желаемого качества обслуживания, тем меньшее число пользователей может обслуживаться в канале связи.

766

Природа ограничения по помехам систем CDMA вытекает из построения приемника. В системах CDMA «сердцем» приемника является согласованный фильтр (MF) с кодовым расширением спектра или коррелятора [22]. Так как принимаемые коды расширения спектра обычно не являются полностью ортогональными, то в приемнике создаются помехи от множественного доступа (MAI). Если коэффициент расширения спектра является умеренным, то принимаемые мощности пользователей равны (отсутствует проблема ближнейдальней зоны), и число мешающих пользователей велико (> 10), то тогда, согласно центральной предельной теореме, помехи при множественном доступе могут моделироваться как возросший фоновый шум с гауссовским распределением. Эта аппроксимация позволила сделать вывод о том, что согласованный фильтр с последующим декодированием является оптимальным приемником для системы CDMA в каналах с аддитивным белым гауссовым шумом (AWGN). В каналах с избирательностью по частоте приемник Rake [23] можно считать оптимальным при соответствующем обосновании. Несмотря на то, что помехи при множественном доступе могут аппроксимироваться как AWGN, они, по существу, состоят из принятых сигналов пользователей CDMA. Таким образом, помехи при множественном доступе имеют очень четкую структуру и могут учитываться в приемнике. Это наблюдение натолкнуло Верду [24] на анализ оптимальных многопользовательских детекторов [приемников] (MUDs) для систем связи с множественным доступом. Верду смог показать, что CDMA ограничивается по помехам не по своей природе, а ограничение создается обычным приемником с согласованным фильтром. В оптимальных многопользовательских детекторах (приемниках) [24] может использоваться либо апостериорное детектирование по максимуму апостериорной вероятности (MAP), либо обнаружение последовательности методом максимального правдоподобия (MLSD). Другими словами, методы (включая алгоритм Витерби), подобные тем, что применялись в каналах с межсимвольной интерференцией [23], можно использовать для борьбы с помехами при множественном доступе. Недостатком обоих многопользовательских детекторов (приемников), основанных на MLSD и MAP, является то, что с увеличением числа пользователей сложность их реализации возрастает по экспоненциальному закону. Следовательно, их невозможно реализовать в приемниках CDMA в большинстве случаев на практике. Этот факт наряду с наблюдением Верду о том, что CDMA с приемником MLSD не ограничивается по помехам, привел к появлению множества публикаций на тему субоптимальных многопользовательских приемников. Ниже приводится сжатое изложение способов субоптимального многопользовательского приема (обнаружения). Для получения дополнительных сведений читателю следует обращаться к обзорной статье Джунти [Juntti] и Глисика [Glisic] [25] и к книге Верду [26].

767

Существующие способы субоптимального многопользовательского приема (обнаружения) можно поделить на категории несколькими способами. Один из них – это разделение алгоритмов приема (детектирования) на централизованные алгоритмы многопользовательского приема [обнаружения] или на децентрализованные однопользовательские алгоритмы приема (обнаружения) отдельного пользователя. Централизованные алгоритмы выполняют реальное многопользовательское совместное обнаружение (прием), т.е. они обнаруживают (принимают) одновременно все символы передачи данных пользователей; их можно считать пригодными для практического применения в приемниках базовой станции. Децентрализованные алгоритмы обнаруживают (принимают) символы передачи данных отдельного пользователя, на основе принятого сигнала, который наблюдается в многопользовательской среде, содержащей помехи при множественном доступе; алгоритмы однопользовательского приема (обнаружения) применимы к приемникам как базовой станции, так и терминала (подвижной станции). Дополнительно к этому виду разделения на категории, основанному на реализации в многопользовательских и однопользовательских детекторах (приемниках), многопользовательские детекторы (приемники) можно классифицировать на основе применяемого метода. В этой категории можно определить два основных класса: линейные выравниватели и субтрактивные приемники с подавлением помех [IC]. Линейными выравнивателями являются линейные фильтры, подавляющие помехи при множественном доступе. В число выравнивателей, получивших самое широкое распространение, входят детектор (приемник) с нулевым принуждением (ZF), декорреляционный детектор (приемник) [27-29] и детектор (приемник), действующий по способу минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE) [30,31]. Приемники IC пытаются точно оценить компоненту помех при множественном доступе, после чего она вычитается из принятого сигнала. Таким образом, решения становятся более надежными. Подавление помех при множественном доступе можно осуществлять параллельно для всех пользователей, что в результате приводит к параллельному подавлению помех (PIC) [32,33]. Подавление помех может также выполняться последовательно, приводя в результате к последовательному подавлению помех (SIC) [34,35]. И линейные выравниватели, и приемники с подавлением помех можно применять в централизованных приемниках. Линейные выравниватели могут также реализовываться адаптивно в виде однопользовательских децентрализованных детекторов (приемников) (однопользовательского типа). Это возможно, если расширяющие последовательности пользователей являются периодическими в пределах интервала символа, так что помехи при множественном доступе становятся циклостационарными. В литературе [36-40] были исследованы различные адаптивные реализации, основанные на обучающих последователь-

768

ностях детекторов (приемников) MMSE. Так называемые «слепые» адаптивные детекторы (приемники), не требующие обучающих последовательностей, уже были рассмотрены в литературе [39,41,42]. Выбору методов многопользовательского приема (обнаружения) для приемников базовой станции WCDMA посвящены работы [43-46]. Были рассмотрены характеристика приемника и сложность реализации. Исходя из этих исследований следует сделать вывод, что многопользовательский приемник, основанный на многоступенчатом параллельном подавлении интерференционных помех (PIC), в настоящее время более всего подходит для применения в системах CDMA с одним коэффициентом расширения спектра. Принцип работы приемника PIC с одной ступенью подавления для системы CDMA с двумя пользователями показан на рис.11.20. Приемник RAKE и детектирование

Принимаемый сигнал

Приемник RAKE N1

ПредваОценка MAI

Оценки канала №1 Оценки канала №2

декодирование

Окончательное решение

декодирование

Окончательное решение

Оценки канала №1 Оценки канала №2

Оценка MAI

Приемник RAKE и детектирование

деперемежение

Приемник RAKE N2

Предва-

деперемежение

Рис.11.20. Приемник с параллельным подавлением интерференционных помех для двух пользователей.

Параллельное подавление интерференционных помех означает, что интерференционные помехи от всех пользователей подавляются одновременно, т.е. параллельно. Характеристика подавления может быть улучшена за счет повторного использования решений, принятых после подавления интерференционных помех на новой ступени IC. На рис.11.21 показан такой многоступенчатый приемник подавления интерференционных помех. Приемник RAKE и детектирование

Оценки канала

ПредварительОценка MAI

Принимаемый Подавление сигнал помех

Приемник RAKE и детектирование

Оценки канала

ПредварительОценка MAI

Подавление помех

MRC

деперемежение

декодирование

Рис.11.21. Многоступенчатый приемник подавления интерференционных помех.

769

Выбор структуры многопользовательского приема (детектирования, обнаружения) для мультисервисных систем CDMA при доступе с переменным коэффициентом расширения спектра был рассмотрен Янпера [Ojanpera] [47]. Для такой системы приемник с подавлением интерференционных помех в последовательности передаваемых данных (GSIC) [48-51] оказывается самым подходящим выбором при современной технологии. В приемнике GSIC пользователи с определенным коэффициентом расширения спектра детектируются параллельно, после чего помехи, вызываемые ими при множественном доступе, вычитаются из помех пользователей с другими коэффициентами расширения. Основной причиной того, что GSIC является эффективным, является то, что мощность пользователей зависит от коэффициента расширения спектра. Начиная подавление помех от пользователей с самым низким коэффициентом расширения спектра, получаем,что пользователи с самой высокой мощностью (самые сильные интерференционные помехи) подавляются первыми. Работа приемника с подавлением интерференционных помех в системе WCDMA была изучена путем моделирования по методу Монте Карло на компьютере. На рис.11.22 проиллюстрированы возможные выигрыши приемников IC.

Частота появления ошибок

Работа при 5 пользователях, скорость передачи 384 кбит/с, скорость движения – 3 км/ч в ITU канале А пешехода

Eb/No [дБ]

Рис.11.22. Характеристика приемника PIC.

Рассматриваются три пользователя со скоростью передачи данных 384 Кбит/с в ITU канале A. Скорость подвижной станции равна 3 км/час. Быстрое управление мощностью применяется для каждого пользователя. Результаты моделирования показывают, что выигрыш в рабочей характеристики радиолинии составляет 0,7-1,0 дБ. Этот выигрыш можно использовать для улучшения пропускной способности в восходящем канале, поддерживая запас по интерференционным помехам в восходящем канале и плотность базовых станций неизменными. Другим выбором могло бы быть улучшение зоны обслуживания и уменьшение плотности базовых станций, при этом пропускная способность в восходящем канале оставалась бы неизменной. Увеличение зоны об-

770

служивания может быть достигнуто за счет уменьшения запаса по помехам, как это видно из рассмотрения ресурса линии в разделе 8.2. Адаптивные линейные выравниватели можно применять только в том случае, если расширяющие последовательности пользователей являются периодическими в течение сравнительно короткого периода времени, как например, времени передачи интервала символа. Поэтому, используя варианты короткого кода скремблирования в восходящем канале WCDMA, в нем можно использовать адаптивные приемники. В нисходящем канале WCDMA коды расширения спектра являются периодическими на протяжении одного радиофрейма, длительность которого равна 10 мс. Этот период является настолько большим, что обычные адаптивные приемники здесь практически не применимы. Эту проблему можно частично решить, введя выравниватели чипов [52-57]. Идея здесь заключается в выравнивании влияния многолучевого канала с избирательностью по частоте на уровне интервала чипа. Это подавляет помехи между трактами (IPI) сигналов, а также сохраняет (по крайней мере, частично) ортогональность расширяющих кодов пользователей в одной ячейке. Влияние последней возможно, потому что в нисходящем канале применяется синхронная передача с ортогональными сигналами сигнатуры. Другими словами, интерференционные помехи при множественном доступе в нисходящем канале вызываются многолучевым распространением, которое может теперь компенсироваться выравнивателем. Влияние многолучевого распространения на работу в нисходящем канале без каких-либо приемников подавления интерференционных помех рассматривается в разделе 11.3.1.1. Методы подавления интерференционных помех являются многообещающими методами, позволяющими улучшить работу приемника, а также увеличить пропускную способность системы и зоны обслуживания как в восходящем, так и в нисходящем каналах. В этом разделе рассматриваются вопросы улучшения характеристик в восходящем канале. Приемники, основанные на точной оценке – вычитании интерференционных помех оказываются самыми многообещающими для практического применения в восходящем канале. С другой стороны в нисходящем канале могут применяться линейные выравниватели. Литература к главе 11: [1]

UMTS, Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS, ETSI, v.3.1.0, 1997.

771

[2]

[3]

[4]

[5]

Laiho-Steffens, J. and Lempiäinen, J., «Impact of the Mobile Antenna Inclinations on the Polarisation Diversity Gain in DCS 1800 Network», Proceedings of PIMRC'97, Helsinki, Finland, September 1997, pp. 580-583. Lempiäinen, J. and Laiho-Steffens, J., «The Performance of Polarisation Diversity Schemes at a Base-Station in Small/Micro Cells at 1800MHz», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 47, No. 8.August 1998, pp. 1087-1092. Sorensen, T.B., Nielsen, A.O., Mogensen, P.E., Tolstrup, M. and Steffensen, K., «Performance of Two-Branch Polarisation Antenna Diversity in an Operational GSM Network», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, 18-21 May 1998, pp. 741-746. TSGR1 WG1 #8(99)f58, 3GPP/WG1 contribution «Proposal to Have Optional 20 ms RACH Message Length», Source: Nokia.

[6] [7]

[8] [9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

Westman, T. and Holma, H., «CDMA System for UMTS High Bit Rate Services», Proceedings of VTC'97, Phoenix, AZ, May 1997, pp. 825-829. Pehkonen, К., Holma, H., Keskitalo, I., Nikula, E. and Westman, Т., «A Performance Analysis of TDMA and CDMA Based Air Interface Solutions for UMTS High Bit Rate Services». Proceedings of PIMRC'97, Helsinki, Finland, September 1997, pp. 22-26. Ojanperä, T. and Prasad, R., Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications, Artech House, 1998, 439 pp. Wacker, A., Laiho-Steffens, J., Sipilä, K. and Heiska, K., «The Impact of the Base Station Sectorisation on WCDMA Radio Network Performance», Proceedings of VTC'99, Houston, TX, May 1999, pp. 2611-2615. Heiska, K. and Holma, H., «Performance of 2 Mbps Packet Data with WCDMA in Small Microcellular Environment», Proceedings of WPMC'98, Yokosuka, Japan, November 1998, pp. 64-69. Holma, H. and Heiska, K., «Performance of High Bit Rates with WCDMA over Multipath Channels». Proceedings of VTC99. Houston, TX, May 1999, pp. 25-29. Dahlman, E. and Jamal, K., «Wideband Services in a DS-CDMA Based FPLMTS System», Proceedings of VTC'96, Atlanta, GA, 28 April-1 May 1996, pp. 1656-1660. Ramakrishna, S. and Holtzman, J., «A Comparison between Single Code and Multiple Code Transmission Schemes in a CDMA System», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, 18-21 May 1998, pp. 791-795. Godara, L.C., «Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part I: Performance Improvement, Feasibility, and System Considerations», Proc. IEEE. Vol. 85, No. 7, 1997. pp. 1031-1060.

772

[15] Godara, L.C., «Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II: Beam-Forming and Direction-of-Arrival Considerations». Proc. IEEE, Vol. 85, No. 8, 1997, pp.1195-1245. [16] Jakes, W.J. (ed.), Microwave Mobile Communications, IEEE Press, New Jersey, 1974. [17] Muszynski, P., «Interference Rejection Rake-Combining for WCDMA», Proceedings of WPMC98, Yokosuka. Japan, November 1998, pp. 93-97. [18] Winters, J.H., «Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Co-channel Interference», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 33, No. 3, 1984, pp. 144-155. [19] Monzingo, R.A. and Miller, T.W., Introduction to Adaptive Arrays, John Wiley & Sons, New York, 1980. [20] Pursley, M.B., «Performance Evaluation for Phase-Coded Spread-Spectrum Multiple-Access Communication – Part I: System Analysis», IEEE Trans. Commun., Vol. 25, No. 8, 1977, pp. 795-799. [21] Gilhousen, K.S., Jacobs, I.M., Padovani, R., Viterbi, A.J., Weaver, L.A. and Wheatley III, C.E., «On the Capacity of a Cellular CDMA System», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 40, No. 2, 1991, pp. 303-312. [22] Viterbi, A.J., CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication, Addison-Wesley Wireless Communications Series, Addison-Wesley, Reading, MA, 1995. [23] Proakis, J.G., Digital Communications, 3rd edn, McGraw-Hill, New York, 1995. [24] Verdù, S., «Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-Access Channels», IEEE Trans. lnform,Th.,tVol. 32, No. l, 1986, pp. 85-96. [25] Juntti, M. and Glisic, S. «Advanced CDMA for Wireless Communications», in Wireless Communications: TDMA Versus CDMA, ed. S. Glisic and P. Leppänen, Chapter 4, pp. 447-490, Kluwer, 1997. [26] Verdù, S., Multiuser Detection, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1998. [27] Lupas, R. and Verdù, S.,«Near-Far Resistance of Multiuser Detectors in Asynchronous Channels», IEEE Trans. Commun, Vol. 38, No. 4, 1990, pp. 496-508. [28] Klein, A. and Baier, P.W., «Linear Unbiased Data Estimation in Mobile Radio Systems Applying CDMA», 1EEE J. Select. Areas Commun., Vol. 11, No. 7, 1999, pp. 1058-1066. [29] Zvonar, Z., «Multiuser Detection in Asynchronous CDMA FrequencySelective Fading Channels», Wireless Personal Communications, Kluwer, Vol. 3, No. 3-4, 1996, pp. 373-392. [30] Xie, Z., Short, R.T. and Rushforth, C.K., «A Family of Suboptimum Detectors for Coherent Multiuser Communications», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990, pp. 683-690.

773

[31] Klein, A., Kaleh, G.K. and Baier, P.W., «Zero Forcing and Minimum MeanSquare-Error» Equalization for Multiuser Detection in Code-Division Multiple Access Channels», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 45, No. 2, 1996, pp. 276287. [32] Varanasi, M.K. and Aazhang, В., «Multistage Detection in Asynchronous Code-Division Multiple-Access Communications», IEEE Trans. Commun., Vol. 38, No. 4, 1990, pp. 509-519. [33] Kohno, R., Imai, H., Hatori, M. and Pasupathy, S., «Combination of an Adaptive Array Antenna and a Canceller of Interference for Direct-Sequence Spread-Spectrum Multiple-Access System», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990. pp. 675-682. [34] Viterbi, A.J., «Very Low Rate Convolutional Codes for Maximum Theoretical Performance of Spread-Spectrum Multiple-Access Channels», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990, pp. 641-649. [35] Patel, P. and Holtzman, J., «Analysis of a Simple Successive Interference Cancellation Scheme in a DS/CDMA System», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 12, No. 10, 1994, pp. 796-807. [36] Madhow, U. and Honig, M.L., «MMSE Interference Suppression for DirectSequence Spread-Spectrum CDMA», IEEE Trans. Commun., Vol. 42, No. 12, 1994, pp. 3178-3188. [37] Rapajic, P.B. and Vucetic, B.S., «Linear Adaptive Transmitter-Receiver Structures for Asynchronous CDMA Systems», European Trans. Telecommun., Vol. 6, No. 1, 1995, pp. 21-27. [38] Miller, S.L., «An Adaptive Direct-Sequence Code-Division Multiple-Access Receiver for Multiuser Interference Rejection», IEEE Trans. Commun., Vol. 43, No. 2/3/4, 1995, pp. 1746-1755. [39] Latva-aho, M., «Advanced Receivers for Wideband CDMA Systems», Vol. C125 of Acta Universitatis Ouluensis, Doctoral thesis, University of Oulu Press, Oulu, Finland, 1998. [40] Latva-aho, M. and Juntti, M., «Modified LMMSE Receiver for DS-CDMA Part I: Performance Analysis and Adaptive Implementations», Proceedings of ISSSTA'98, Sun City, South Africa, September 1998, pp. 652-657. [41] Honig, M., Madhow, U. and Verdu, S., «Blind Adaptive Multiuser Detection», IEEE Trans. Inform. Th., Vol. 41, No. 3, 1995, pp. 944-960. [42] Latva-aho, M., «LMMSE Receivers for DS-CDMA Systems in FrequencySelective Fading Channels», in CDMA Techniques for 3rd Generation Mobile Systems, ed. F. Swarts, P. van Rooyen, I. Oppermann and M. Lötter, Chapter 13, Kluwer, 1998. [43] Juntti, M. and Latva-aho, M., «Multiuser Receivers for CDMA Systems in Rayleigh Fading Channels». IEEE Trans. Vehic. Tech., to appear, 2000.

774

[44] Correal, N.S., Swanchara, S.F. and Woerner, B.D., «Implementation Issues for Multiuser DS-CDMA Receivers», Int. J. Wireless Inform. Networks, Vol. 5. No. 3, 1998, pp. 257-279. [45] Juntti, M., «Multiuser Demodulation for DS-CDMA Systems in Fading Channels», Vol. C106 of Acta Universitatis Ouluensis, Doctoral thesis, University of Oulu Press, Oulu, Finland, 1997. [46] Ojanperä, Т., Prasad, R. and Harada, H., «Qualitative Comparison of Some Multiuser Detector Algorithms for Wideband CDMA». Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, May 1998, pp. 46-50. [47] Ojanperä, Т., «Multirate Multiuser Detectors for Wideband CDMA», Ph.D, thesis, Technical University of Delft, Delft, The Netherlands, 1999. [48] Johansson, A.-L., «Successive Interference Cancellation in DS-CDMA Systems», Doctoral thesis, Chalmers University of Technology, Gőteborg, Sweden, 1998. [49] Juntti, M., «Multiuser Detector Performance Comparisons in Multirate CDMA Sysiems», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada. May 1998, pp. 36-40. [50] Wijting, C.S., Ojanperä, Т., Juntti, M.J., Kansanen, K. and Prasad. R., «Groupwise Serial Multiuser Detectors for Multirate DS-CDMA», Proceedings of VTC99, Houston, TX, May 1999, pp. 836-840. [51 ] Juntti, M., «Performance of Multiuser Detection in Multirate CDMA Systems», Wireless Pers. Commun., Kluwer, Vol. 11, No. 3, 1999, pp. 293-311. [52] Werner, S. and Lillberg, J., «Downlink Channel Decorrellation in CDMA Systems with Long Codes», Proceedings of VTC'99, Houston, TX, May 1999, pp. 836-840. [53] Hooli, K., Latva-aho, M. and Juntti, M., «Multiple Access Interference Suppression with Linear Chip Equalizers in WCDMA Downlink Receivers», Proceedings of Globecom'99, Rio de Janeiro, Brazil, December 1999, pp. 467-471. [54] Hooli, K., Juntti, M. and Latva-aho, M., «Inter-Path Interference Suppression in WCDMA System with Low Spreading Factors», Proceedings of VTC'99, Amsterdam, The Netherlands, September 1999, pp. 421-425. [55] Komulainen, P. and Heikkilä, M., «Adaptive Channel Equalization Based on Chip Separation for CDMA Downlink», Proceedings of PIMRC'99, Osaka, Japan, September 1999, pp. 1114-1118. [56] Heikkilä, M., Komulainen, P. and Lilleberg, J., «Interference Suppression in CDMA Downlink through Adaptive Channel Equalization», Proceedings of VTC'99, Amsterdam, The Netherlands, September 1999, pp. 978-982. [57] Grant, P.M., Spangenberg. S.M., Cruickshank, G.M., McLaughlin, S. and Mulgrew, В., «New Adaptive Multiuser Detection Technique for CDMA Mobile Receivers», Proceedings of PIMRC’99, Osaka, Japan, September 1999, pp. 52-54.

775

12 Режим UTRA TDD

12.1. Введение сальный наземный радиодоступ, использующий дупUTRA TDD, лекс с временным разделением, предназначается для работы в непарном спектре, как показано на рис. 1.2 в главе 1, который иллюстрирует распределения спектра в различных регионах. Как можно видеть, исходя из рис. 1.2, спектр с TDD отведен во всех регионах. Исходные данные по UTRA TDD были рассмотрены в главе 4. После выбора технологии в ETSI в январе 1998 года, основные параметры UTRA FDD и TDD были гармонизированы, включая скорость передачи чипов и модуляцию. В этой главе представляются технические спецификации для режима TDD, предусмотренные в проекте 3GPP, в частности, документами TS 25.221 − TS 25.224 и TS 25.102 [1 − 5]. В этой главе вначале поясняется TDD как дуплексный метод на общем уровне. Физический уровень и связанные с ними процедуры режима TDD UTRA представляются в разделе 12.2. Вопросы, связанные с оценкой помех в UTRA TDD, рассматриваются в разделе 12.3. 12.1.1. Дуплекс с временным разделением (TDD) В телекоммуникациях используются три различных метода в режиме дуплексной передачи: дуплекс с частотным разделением (FDD), дуплекс с временным разделением (TDD), дуплекс с пространственным разделением (SDD). Режим FDD − самый распространенный метод в сотовых системах. Например, он используется в GSM. Метод FDD требует отдельных частотных полос, как для восходящего, так и нисходящего каналов. Способ TDD использует одну и ту же полосу частот, но меняет направление передачи во времени. Например, TDD используется для усовершенствованного беспроводного цифрового телефона (DECT). Режим SDD используется в передаче между неподвижными пунктами, где могут применяться направленные антенны. Он не используется в сотовых терминалах. На рис. 12.1 показаны принципы работы в режимах FDD и TDD. Термин нисходящий или прямой канал относится к передаче от BS (неподвижная сторона сети) к мобильному терминалу (абонентское оборудование), а термин восходящий или обратный канал относится к передаче от мобильного терминала к BS.

776

FDD

t

ина полосы 5 МГц

Восходящий канал

TDD

t Ширина полосы 5 МГц

Ширина полосы 5 МГц Нисходящий канал

Нисходящий канал

Защищенный интервал

t

Нисходящий канал

t Дуплексное разнесение 190 МГц

Рис. 12.1. Принципы работы дуплекса с частотным разделением (FDD) и дуплекса с временным разделением (TDD).

Ниже перечисляются несколько характеристик, присущих системе с TDD: − Использование непарной полосы Система TDD может быть реализована на непарной полосе, тогда как система FDD всегда требует пары полос. В будущем более вероятно, что ресурсы непарного спектра будут предоставлены для UMTS, так как для работы TDD не требуется никакой пары частот. − Прерывистая передача Коммутация между направлениями передачи требует времени, и управления переходными процессами при коммутации. Во избежание нарушения передачи в восходящем и нисходящем каналах требуют одних и тех же средств для согласования направлений передачи и допускаемого времени прерывания передачи. Нарушения передачи можно избежать посредством назначения защитного интервала, который позволяет для сохранения передачи задавать задержку на переключение направления. Прерывистая передача может также вызвать звуковые помехи в аудиоаппаратуре, которая не соответствует требованиям по электромагнитной уязвимости. − Помехи между восходящим и нисходящим каналами Так как восходящий и нисходящий каналы совместно используют одну и ту же полосу частот, сигналы в этих двух направлениях передачи могут ме-

777

ть друг другу. В FDD эти помехи полностью подавляются с помощью дуплексного разнесения на 190 МГц. В UTRA TDD отдельные базовые станции синхронизируются друг с другом на уровне фрейма для того, чтобы избежать воздействия этих помех. Последние анализируются ниже в разделе 12.3. −

Асимметричное распределение емкости (пропускной способности) в восходящем/нисходящем каналах

При работе с TDD восходящий и нисходящий каналы делятся во временной области. Есть возможность изменить точку коммутации дуплекса и переместить пропускную способность с восходящего канала на нисходящий или наоборот в зависимости от требования, предъявляемого к пропускной способности восходящего и нисходящего каналов. − Реверсивные (двусторонние) свойства канала Быстрые замирания зависят от частоты, и поэтому в системах FDD быстрые замирания не коррелируются между восходящим и нисходящим каналами. Так как одна и та же частота в TDD используется и для восходящего, и для нисходящего каналов, то быстрые замирания одни и те же и в восходящем, и в нисходящем каналах. Основываясь на принимаемом сигнале, приемопередатчик в режиме TDD может оценить быстрые замирания, которые будут влиять на его передачу. Знание замираний может использоваться в управлении мощностью и в способах использования адаптивных антенн в TDD.

12.2 Физический уровень UTRA TDD Режим UTRA TDD использует комбинированную схему множественного доступа с временным и кодовым разделениями (TD/CDMA). Различные сигналы пользователя разделяются и во временном, и в кодовом доменах. В табл. 12.1 приводятся параметры UTRA на физическом уровне. Все главные параметры на радиочастоте для UTRA в режимах FDD и TDD гармонизированы. Таблица 12.1. Сравнение основных параметров UTRA FDD и TDD на физическом уровне.

UTRA TDD Метод множественного доступа Дуплексный метод

UTRA FDD

TDMA, CDMA (присущий FDMA)

CDMA (присущий FDMA)

TDD

FDD

Разнесение каналов

5 МГц (номинальное)

Скорость передачи чипов на несущей

3,84 Мчип/с

778

15

/ 10

пция множества скоростей

Коды с прямым исправлением ошибок (FEC) Перемежение

Мультикод, мультислот и переменный коэффициент расширения спектра в ортогональной системе (OVSF)

Мультикод и OVSF

Сверточное кодирование R = 1/2 или 1/3. Ограниченная длина К = 9, турбокодирование (8 состояний, параллельный усеченный сверточный кодер, R = 1/3) или кодирование, связанное с услугами Перемежение между фреймами (10, 20, 40 и 80 мс)

Модуляция

QPSK

Типы пакетов

Три типа: информационные пакеты, пакеты с произвольной выборкой и пакеты синхронизации

Не классифицируются

Обнаружение

Когерентное, основанное на мидамбуле

Когерентное, основанное на пилот-символах

Восходящий канал: открытый контур; 100 Гц или 200 Гц Нисходящий канал: замкнутый контур; скорость ≤ 800 Гц

Быстрое, замкнутый контур; 1500 Гц

Жесткий хэндовер

Мягкий хэндовер

Управление мощностью выделенного канала

Внутричастотный хэндовер Межчастотный хэндовер Распределение каналов Подавление помех внутри ячейки

Коэффициенты расширения спектра

Жесткий хэндовер Медленное и быстрое динамическое назначение каалов (DCA)

DCA не требуется

Поддержка с использованием совместного обнаружения

Поддержка с использованием усовершенствованных приемников на базовой станции

1…16

4…512

12.2.1. Транспортный и физический каналы Транспортные каналы в режиме UTRA TDD можно разделить на выделенные и общие каналы. Выделенные каналы (DCH) характеризуются, в основном, тем же самым способом, как и в режиме FDD. Общие каналы можно в дальнейшем разделить на общие каналы управления (CCCH), канал случайного доступа (RACH), совмещенный нисходящий канал (DSCH) в нисходящем направлении и совмещенный восходящий канал (USCH) в восходящем направлении. Затем каждый из этих транспортных каналов преобразуется в соответствующий физический канал (переносится на соответствующий физический канал). Физическими каналами UTRA TDD являются выделенный физический канал (DPCH), общий физический канал управления (CCPCH), физический канал со случайным доступом (PRACH), канал индикатора вызова (PICH) и канал синхронизации (SCH). Для SCH и PICH не существуют соответствующие транспортные каналы. На рис. 12.2 показано преобразование различных транспортных каналов в физические каналы и возможные пути к пакетам. Структура физического канала более подробно рассматривается в следующем разделе.

779

12.2.2. Модуляция и расширение спектра UTRA TDD ринятой модуляцией является QPSK (квадратурная фазовая манипуляция). Спектр модулирующих символов передачи данных расширяется с помощью специального кода формирования каналов переменной длины в 1 − 16 символов. Модулированные и расширенные по спектру данные затем скремблируются псевдослучайной последовательностью длиной в 16 символов. Тот же самый тип ортогональных кодов формирования каналов используется в системе UTRA FDD (смотрите раздел 6.3). Вслед за расширением Более высокие уровни Выделенный канал (DCH)

Общие каналы

Общие каналы управления (CCCH)

Транспортные каналы

Широковещательный Канал канал поискового вызова (BCH)

Выделенный физический канал (DPCH)

(PCH)

Прямой канал доступа (FACH)

Общий физический канал управления (CCPCH)

Совмещенные каналы

Канал случайного доступа (RACH)

Совмещенный восходящий канал (USCH) Совмещенный нисходящий канал (DSCH)

Физический восходящий канал (USCH) Физический нисходящий канал (DSCH)

Физический канал случайного доступа (PRACH)

Физические каналы

Пакет передачи данных

Пакет со случайным доступом

Пакеты

Рис. 12.2. Преобразование транспортных каналов UTRA TDD в физические каналы.

спектра данных идет скремблирование с помощью последовательности скремблирования, ориентированной на конкретную ячейку или источник; процесс скремблирования − это последовательное перемножение чипа за чипом. Процедура перемножения с использованием кода каналов и кода скремблирования применительно к конкретной ячейке − это процедура расширения спектра, ориентированная на конкретного пользователя или ячейку. И, наконец, каждый чип

780

ся с учетом формы импульса с помощью синусквадратичного фильтра с коэффициентом спада (крутизны) α = 0,22, идентичного применяемому в UTRA FDD. 12.2.3. Структуры физических каналов, формат слота и фрейма Физическая структура фрейма подобна структуре в режиме UTRA FDDA. Длительность фрейма равна 10 мс, и она делится на 15 временных слотов, каждый из которых равен 2560 чипам, т. е., длительность временного слота составляет 666 мкс. Структура фрейма показана на рис. 12.3. Код N . . .

. . .

Код 2 Код 1

TS0 TS1

MA

TS2

TS3 TS4 TS5

TS6

TS7

TS8

TS9 TS10 TS11

TS12 TS13 TS14

10 мc Рис. 12.3. Структура фрейма UTRA TDD. Число кодовых каналов, которые могут использоваться в одном временном слоте, изменяется в зависимости от условий распространения (МА = мидамбула).

Каждый из 15 временных слотов во фрейме 10 мс относится либо к восходящему, либо к нисходящему каналам. Наличие множественных точек коммутации для различных направлений передачи на фрейм позволяет осуществлять управление мощностью в замкнутом контуре и использовать физический канал синхронизации (PSCH) в выделенных слотах в нисходящем направлении для ускорения поиска ячейки. С другой стороны, для того, чтобы можно было охватить динамические асимметричные услуги, гибкость в распределении слотов в нисходящем/восходящем направлении гарантирует эффективное использование спектра. Для поддержания максимальной гибкости при одновременном управлении мощностью в замкнутом контуре, когда требуется это, SCH имеет минимум два временных слота на кадр для передачи в нисходящем канале при использовании в сотовых системах. На рис. 12.4 (а) показано такое максимальное асимметричное распределение слотов в восходящем канале (2:13). PSCH переносится в два нисходящих слота. Для систем общего пользования можно

781

пользовать схему SCH с одним слотом на фрейм. С другой стороны, самое меньшее один временной слот должен назначаться при передаче в восходящем направлении для канала со случайным доступом. На рис. 12.4 (b) показана максимальная асимметрия 14:1 в нисходящем канале.

10 м с

10 м с

а)

б)

Рис. 12.4 (a). Максимальная асимметрия в восходящем канале 2:13. Два слота на фрейм назначаются для передачи в нисходящем канале; для слотов нисходящего канала назначается канал синхронизации. (б). Максимальная асимметрия в нисходящем канале (14:1); самое меньшее для случайного доступа в восходящем канале назначается слот на фрейм.

Так как передача TDMA в UTRA TDD является прерывистой, то средняя мощность передачи уменьшается на коэффициент 10 х log10(n/15), где n − число активных временных слотов на фрейм. Например, для обеспечения одной и той же зоны обслуживания с помощью UTRA TDD при использовании одного временного слота для скорости передачи 144 Кбит/с потребуется самое меньшее, в 4 раза больше базовых станций в сайте, чем в режиме UTRA FDD. Это дает уменьшение средней мощности на 12 дБ, что приведет в типовой среде макроячейки к уменьшению дальности обслуживания ячейки более чем наполовину и, таким образом, площади ячейки до ¼. Когда используется одно и тоже аппаратное оборудование в UE, прерывистая передача TDMA с низким рабочим циклом приводит к уменьшению дальности связи по восходящему каналу. При более высоких скоростях передачи данных разность в зоне обслуживания по сравнению с FDD уменьшится. Из-за этих особенностей TDD следует использовать в среде небольших ячеек, где мощность не является ограничивающим фактором, а скорости передачи данных, используемые при планировании зоны обслуживания, высокие. 12.2.3.1. Пакет передачи трафика

Существует три типа пакетов: информационный пакет, пакет случайного доступа и синхропакет. Пакет произвольного доступа используется только в восходящем направлении, а синхропакет − только в нисходящем. Информационный пакет является двунаправленным.

782

М ид ам б у ла

С им во лы д анны х

TFCI

С им во лы д анны х

TFCI

ествует два типа информационных пакетов трафика в UTRA TDD. На рис. 12.5 показана структура пакета обычного нисходящего канала, а на рис. 12.6 − структура пакета трафика в восходящем канале с управлением мощностью передачи (TPC) и индикатором комбинации транспортного формата (TFCI). Оба формата пакетов и в восходящем, и в нисходящем каналах имеют два варианта длины мидамбулы и могут использоваться для всех видов услуг вплоть до передачи со скоростью 2 Мбит/с. Логический канал трафика (TCH), который содержит пользовательские данные, образует канал передачи трафика. Пакет данных содержит 2 поля данных, разделенных мидамбулой, за которыми следует защитный интервал. Продолжительность пакета равна одному временному слоту. Мидамбула (обучающая последовательность) используется и для выравнивания каналов, и для обеспечения когерентного приема в приемнике. Мидамбула уменьшает полезную нагрузку пользовательских данных. В таблице 12.2 подробно показаны различные структуры информационного пакета. З ащ итны й интер вал

2560 * T c

TFCI

М ид ам б у ла

TPC

С им во лы д анны х

TFCI

Рис. 12.5. Обобщенная структура информационного пакета трафика в нисходящем канале UTRA TDD. Поля данных разделяются мидамбулой, которая используется для оценки канала. Индикатор комбинации транспортного формата (TFCI) используется для указания комбинации используемых транспортных каналов в выделенном физическом канале (DPCH) и передается только один раз на фрейм. TFCI использует управление по каналам сети и имеет свое собственное кодирование. Число бит в TFCI может меняется и устанавливается в начале вызова.

С им во лы д анны х

З ащ итны й интер вал

2560 * T c

Рис. 12.6. Обобщенная структура пакета в восходящем канале. Имеется как управление мощностью передачи (TPC), так и TFCI. И управление, и индикация передаются по одному и тому же физическому каналу и используют управление по каналам сети. Продолжительность команды TPC равна одному символу. Таблица 12.2. Структуры полей пакетов трафика.

783

Наименование

Длина поля данных 1

Длина обучающей последовательности

Длина поля данных 2

Длина защитного интервала

пакета Пакет данных I

976 чипов

512 чипов

976 чипов

96 чипов

Пакет данных II

1104 чипа

256 чипов

1704 чипа

96 чипов

Из-за более длинной мидамбулы пакет типа I применяется для оценки импульсных характеристик 16 различных восходящих каналов. Пакет типа II может использоваться для нисходящего канала независимо от числа активных пользователей. Если имеется менее 4 пользователей во временном слоте, пакет типа II можно также использовать для восходящего канала. Мидамбулы, т.е. обучающие последовательности различных пользователей, являются реализациями, различающимися по временному сдвигу одной и той же периодической последовательности базисного кода. Различные ячейки используют различные периодические базисные коды, т.е. различные последовательности. Из-за того, что мидамбулы получают из одного и того же периодического основного кода, оценка каналов всех активных пользователей в пределах одного временного слота может выполняться совместно, например, с помощью, одного отдельного циклического коррелятора. Оценки импульсных характеристик каналов различных пользователей получают последовательно со сдвигом во времени на выходе коррелятора [6]. В Версии-99 3GPP в нисходящем канале используют либо коэффициент расширения спектра 16 с возможностью мультикодовой передачи, либо коэффициент расширения спектра 1 для приложений с высокой скоростью передачи в том случае, когда эти возможности поддерживаются терминалами. В восходящем канале используются коды с переменным коэффициентом расширения в ортогональной системе (OVSF) и с коэффициентами расширения спектра от 1 до 16. В целом, число переменных форматов информационного пакета составляет 20 в нисходящем канале и 100 − в восходящем. 12.2.3.2. Физический канал со случайным доступом (PRACH)

784

еский канал со случайным доступом (RACH) преобразуется в физический канал со случайным доступом (PRACH). В таблице 12.3 и на рис. 12.7 показана структура пакета PRACH. Защитный временной интервал из 192 чипов (50 мкс) эквивалентен задержке при радиусе ячейки 7,5 км. Для PRACH используются значения коэффициента расширения спектра 16 и 8. С им во лы д анны х

М ид ам б у ла

С им во лы д анны х

З ащ итны й интер вал

2560 * T c

Рис. 12.7. Пакет со случайным доступом UTRA TDD (PRACH). Таблица 12.3. Структура пакета PRACH. Длина поля данных 1

Длина обучающей последовательности

Длина поля данных 2

Продолжительность защитного интервала

976 чипов

512 чипов

880 чипов

192 чипов

12.2.3.3. Синхроканал (SCH)

Дуплекс с временным разделением выдвигает несколько специальных требований для канала синхронизации. Проблема захвата возникает при синхронизации ячейки, т. е. наблюдается явление, когда более сильный сигнал скрывает (подавляет) более слабые сигналы. Наличие рассогласования различных каналов синхронизации различных ячеек во времени позволяет различить несколько ячеек в пределах одного временного слота. По этой причине между каналом синхронизации (SCH) и синхросигналом слота системы создается переменный временной сдвиг (toffset). Смещение между двумя последовательными сдвигами составляет 71Tc. Существуют 2 различные структуры SCH. SCH может преобразовываться либо в номер слота k ∈ {1…14}, либо во временные сдвиги слотов k и k + 8, k ∈ {0…6}. На рис. 12.8 показана вторая структура SCH для k = 0. Эта структура сдвоенного канала синхронизации на кадр предназначается для использования в работающих системах. Такое положение SCH может задаваться на долгосрочной основе.

785

1

йм=10мс=15временным слотам

666 мкс

TS0 TS1

TS2

TS3

toffset (временной сдвиг)

TS4 TS5

TS6

TS7

TS8

сР

TS9

TS10 TS11 TS12 TS13 TS14

Нисходящий канал Восходящий канал

с0S с1S с2S 1 временной слот=2560 ТС

Рис. 12.8. Структура канала синхронизации UTRA TDD.В этом примере показано два слота, предназначенных для SCH (k = 0) в нисходящем канале. Основной код (Cp) и три дополнительных кода (Cs) c квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) передаются одновременно. Смещение по времени (toffset) вводится для того, чтобы избежать вредных воздействий захвата синхросистемы. Объединенная мощность передачи трех Cs равняется мощности Cp.

Терминал может захватить синхронизацию и схему кодирования для BCCH ячейки за одну операцию и может мгновенно обнаружить обмен сообщениями в ячейке. Основной код (cp) и последовательности синхронизации трех дополнительных кодов (сs) передаются одновременно. Коды имеют длину в 256 чипов, как в режиме UTRA FDD, и основной код получают тем же способом, что и в режиме FDD, как обобщенную иерархическую последовательность Голея. Дополнительные кодовые слова синхронизации выбираются из каждого 16-го ряда последовательности Адамара Hs, которая также используется в режиме FDD. При этом имеется только 16 возможных кодовых слов по сравнению с 32 словами в режиме FDD. Коды модулируются с помощью QPSK, и SCH указывает следующую информацию: − Кодовая группа базовой станции из 32 возможных вариантов (5 битов) − Позиция фрейма в период перемежения (1 бит) − Позиция слота во фрейме (1 бит) − Отведенные места расположения CCPCH (3 бита). С помощью последовательности можно декодировать синхронизацию фрейма, смещение во времени (toffset), мидамбулу и кодовый набор расширения спектра базовой станции, а также коды расширения спектра и месторасположение широкополосного канала (BCCH).

786

аметры ячейки внутри каждой кодовой группы периодически повторяются в пределах 2-х фреймов для усреднения действия помех между базовыми станциями и улучшения работы системы. Кроме того, планирование работы сети облегчается при усреднении параметров. 12.2.3.4. Общий физический канал управления (CCPCH)

Как только получен сигнал синхронизации, становится известной синхронизация во времени и кодирование основного широковещательного канала (BCH). CCPCH может быть перенесен на любой(ые) слот(ы) в нисходящем канале, включая слоты совмещенного канала управления на физическом уровне (PSCH), и на возможность этого указывает основной BCH. CCPCH похож на выделенный физический нисходящий канал (DPCH). Он может кодироваться с большей избыточностью, чем другие каналы для упрощения получения информации. 12.2.3.5. Совмещенные каналы в UTRA TDD

Спецификация UTRA TDD также определяет совмещенные нисходящие (DSCH) и восходящие (USCH) каналы. Эти каналы используют точно такую же структуру слота, как и выделенные каналы. Различие состоит в том, что они назначаются на временной основе. В нисходящем канале сигнализация для указания на то, какие терминалы должны декодировать канал, может осуществляться с помощью индикатора комбинации транспортного формата (TFCI) путем детектирования используемой мидамбулы или с помощью более высоких уровней. В восходящем канале USCH использует сигнализацию более высокого уровня и, таким образом, он практически не является совмещенным на основе «фрейм за фреймом». 12.2.3.6. Скорости передачи данных пользователей

В таблице 12.4 показаны скорости передачи данных пользователей для UTRA TDD при канальном кодировании со скоростью ½ и коэффициенте расширения спектра 16. При этом затраты на хвостовые биты, TFCI, TPC или CRC не учитывались. Коэффициенты расширения спектра, отличные от 16, (из схемы с переменным ортогональным расширением) можно понимать как подмножества коэффициента расширения 16, (т. е. коэффициент расширения 8 в восходящем канале соответствует двум параллельным кодам с коэффициентом расширения 16 в нисходящем канале). Когда число требуемых слотов превышает 7, тогда соответствующая скорость передачи данных может обеспечиваться только для восходящего, или только для нисходящего каналов. Скоростями передачи данных, показанными в таблице 12.4, являются скорости передачи

787

ит, ограниченные временным слотом и кодом, при этом скорость передачи данных, ограниченная максимальными помехами, может быть ниже. Таблица 12.4. Скорости передачи данных пользователей через воздушный интерфейс. UTRA TDD.

Число выделенных (назначенных) временных слотов

Число выделенных (назначенных) кодов с коэффициентом расширения спектра 16

1

4

13

1

13,8 Кбит/с

55,2 Кбит/с

179 Кбит/с

8

110 Кбит/с

441 Кбит/с

1,43 Мбит/с

16 (или коэффициент расширения 1)

220 Кбит/с

883 Кбит/с

2,87 Мбит/с

12.2.4. Процедуры UTRA TDD на физическом уровне 12.2.4.1. Управление мощностью

Цель управления мощностью − это минимизация помех в отдельных радиоканалах. Оба канала − выделенные физические восходящий и нисходящий каналы (DPCH) и физический канал со случайным доступом (PRACH) − с управляемой мощностью. Прямой канал радиодоступа (FACH) может также управляться по мощности. При реализации усовершенствованных приемников таких, как, например, с общим детектором, будут подавляться помехи внутри ячейки (собственные помехи ячейки) и уменьшаться потребность в быстром управлении мощностью. Оптимальный мультипользовательский детектор является помехоустойчивым в ближней-дальней зоне [7], но на практике ограниченный динамический диапазон субоптимального детектора ограничивает качество его работы. В таблице 12.5 показаны характеристики управления мощностью UTRA TDD. Таблица 12.5. Характеристики управления мощностью UTRA TDD

Восходящий канал

Нисходящий канал

Метод

Открытый контур

Закрытый внутренний контур, основанный на SIR

Динамический диапазон

65 дБ (так же, как при FDD)

30 дБ (все пользователи находятся в пределах 20 дБ в одном временном слоте)

Минимальная мощность − 44 дБ/мВт или меньше Максимальная мощность 21 дБ/мВт Размер шага Скорость передачи

1, 2, 3 дБ

1, 2, 3 дБ

Переменная

От 100 Гц до ≈ 750 Гц

задержка 1 − 7 слотов (2 слота PCCPCH) задержка 1 − 14 слотов (1 слот PCCPCH)

788

нисходящем канале замкнутый контур используется после первоначальной передачи. Обратимость канала используется для управления мощностью в разомкнутом контуре в восходящей канале. Основываясь на уровне помех на BS и на измерениях потерь на трассе в нисходящем канале, MS усредняет измерения потерь на трассе и устанавливает мощность передачи. Данные об уровне помех и мощности передатчика BS передаются в режиме широковещания. Мощность передатчика MS вычисляется с помощью следующего уравнения [4]: PUE = αLPCCPCH + (1 − α)L0 + IBTS + SIRTARGET + C (12.1) В уравнении (12.1) PUE − уровень мощности передатчика в дБм, LPCCPCH − измеренные потери на трассе в дБ, L0 − долгосрочное среднее значение потерь на трассе в дБ, IBTS − уровень мощности помехи в приемнике BS в дБм и α − весовой параметр, который обозначает качество измерений потерь на трассе. α − функция временной задержки между временным слотом в восходящем канале и самым последним временным слотом PCCPCH в нисходящем канале. SIRTARGET − это заданное SNR в дБ; его можно регулировать через внешний контур более высокого уровня. С − постоянная величина. 12.2.4.2. Детектирование данных

UTRA TDD требует, чтобы одновременно используемые активные коды расширения спектра во временном слоте разделялись с помощью усовершенствованных способов обнаружения (приема) данных. Использование обычных детекторов, т. е. согласованных фильтров или приемников Rake в BS, требует жесткого управления мощностью в восходящем канале, которое трудно реализовать в системе TDD, потому что восходящий канал не всегда имеется. Таким образом, усовершенствованные способы выделения данных должны использоваться для подавления влияния различия мощностей между пользователями, т.е. влияния ближней-дальней зоны. И межсимвольная интерференция (ISI), обусловленная многолучевыми замираниями, и интерференция при множественном доступе (MAI) между информационными символами различных пользователей имеются также и в нисходящем канале. В нисходящем канале помехи внутри ячейки подавляются ортогональными кодами, и поэтому здесь потребность в усовершенствованных детекторах ниже, чем в восходящем канале. В UTRA TDD число одновременно действующих (активных) пользователей мало, и использование относительно коротких кодов скремблирования наряду с расширением спектра делает привлекательным использование усовершенствованных приемников. Субоптимальные способы обнаружения данных можно разделить на однопользовательский и многопользовательский детекторы (смотрите раздел

789

11.5.2). Однопользовательские детекторы в UTRA TDD могут применяться тогда, когда все сигналы проходят через один и тот же канал распространения волн, т. е. они, в основном, применяются для нисходящего канала [8]. В других случаях используется многопользовательское или общее (совместное) детектирование [9,10]. Однопользовательские детекторы, прежде всего, выравнивают принятый пакет данных для устранения искажения, вызываемого каналом. В таком случае, когда предполагается идеальное выравнивание, ортогональность кодов после выравнивания восстанавливается. Полезный сигнал можно теперь выделить с помощью фильтрации, согласованной с кодом. Преимуществом использования однопользовательских детекторов является то, что никаких знаний о других активных кодах пользователя не требуется, и сложность вычислений не велика по сравнению с общим (совместным) детектированием [8]. Для борьбы и с MAI, и с ISI в UTRA TDD можно применять выравнивание, основанное, например, на нулевом принуждении (ZF) или на минимальной среднеквадратичной ошибке (MMSE). Оба способа выравнивания можно применять при или без решающей обратной связи (DF). Сложность вычислений алгоритмов, по существу, та же, но характеристика блоков коррекции MMSE лучше, чем у блоков коррекции ZF [10]. Выбор решающей обратной связи улучшает характеристику (≈ на 3 дБ меньше Eb/N0 при встречающихся на практике вероятностях появления ошибок по битам), и алгоритм MMSE обычно действует лучше (различие в требованиях к Eb/N0 менее чем на 1 дБ), чем алгоритм нулевого принуждения. Методы разнесения антенн можно применять при совместном приеме [11, 12] при дальнейшем улучшении характеристик. Характеристики приемника Rake, блока коррекции ZF, блока коррекции MMSE и устройства параллельного подавления интерференционных помех с жестким решением (HD-PIC) [13] в выходящем канале UTRA TDD изучались с использованием моделирования на компьютере по методу Монте-Карло в восходящем канале UTRA TDD [14]. 8 пользователей с коэффициентом расширения спектра 16 занимают один временной слот во фрейме длиной 10 мс. Рассматривается канал с двумя лучами и с коэффициентами усиления на отводах, равными 0 дБ и − 9,7 дБ и со скоростью MS, равной 3 км/ч. Оценка канала и управление мощностью предполагаются идеальными, а кодирование канала отсутствует. На рис. 12.9 показаны работа приемника Rake, ZF, MMSE и одно- и двухкаскадного HD-PIC. Результаты показывают, что усовершенствованные приемники BS дают явный выигрыш по сравнению с приемником Rake в UTRA TDD даже при идеальном управлении мощностью. По мере увеличения отношения сигнал/шум (SNR) действие ZF и MMSE улучшается по сравнению с действием HD-PIC. Кодирование канала, как правило, увеличивает различия между действием различных детекторов. Например, в рабочей области BER = 5 − 10 % коэффициент усиления от структур усовершенствованных при-

790

емников может составить до 2 дБ при идеальном управлении мощностью и даже больше при реальном управлении мощностью. Различие между представленными усовершенствованными детекторами в этой рабочей области не велико. Канал в помещении, скорость 3 км/ч, идеальное управление мощностью 8 пользователей, коэффициент расширения спектра – 16

Рис. 12.9. Действие приемника Rake, блоков коррекции ZF и MMSE и одно-, двухкаскадного HD-PIC в восходящем канале UTRA TDD.

12.2.4.3. Упреждение при временной синхронизации

Для того, чтобы избежать интерференции между последовательными временными слотами в больших ячейках, можно использовать схему упреждения при временной синхронизации для коррекции в отдельные моменты передачи в приемнике базовой станции. Упреждение при временной синхронизации определяется с помощью 6-битового числа с точностью до 4 чипов (1,042 мкс). Базовая станция измеряет требуемое упреждение при временной синхронизации, и терминал регулирует передачу в соответствии с передачей на более высоком уровне. Максимальная дальность обслуживания ячейки равна 9,2 км. Радиус ячейки UTRA TDD без упреждения при временной синхронизации можно вычислить исходя из защитного периода пакета трафика (96 чипов = 25 мкс), в результате получаем эквивалент дальности обслуживания, равный 3,75 км. Это значение превышает фактические дальности обслуживания ячейки TDD (для микро- и пикоячеек), и, вероятно, упреждение при временной синхронизации практически требоваться не будет.

791

12.2.4.4. Распределение каналов

емент управления доступом к среде (MAC) на уровне 2 отвечает за своевременное распределение ресурсов для передачи. Распределитель ресурсов (RU) (частота каналов, временной слот и код) осуществляет назначения ресурсов ячейкам (медленное динамическое назначение каналов, DCA) и назначение ресурсов услугам B-канала (быстрое DCA). И терминал, и базовая станция осуществляют периодический контроль и передачу сообщений для поддержки DCA. Поэтому завершение протокола MAC является значительно более сложным, чем в режиме UTRA FDD. Быстрое DCA всегда завершается на базовой станции, а медленное DCA может завершиться на любом элементе сети выше базовых станций, которые формируют бесшовную зону обслуживания. На практике это – RNC. На рис. 12.10 показано распределение различных элементов DCA в сети. Медленное динамическое назначение каналов (DCA)

Медленное DCA может завершиться в элементе сети выше базовых станций, которые формируют непрерывную зону обслуживания, т.е. имеют одно и то же распределение в восходящем/нисходящем каналах. После этого сеть может динамически назначать блоки ресурсов на основе согласования с соседними ячейками операций с тем, чтобы эстафетные передачи управления между ячейками были быстрыми и минимизировали интерференцию. Кроме того, медленный алгоритм DCA распределяет блоки ресурсов в списке (матрице) предпочтений, связанных с ячейкой для того, чтобы быстрое DCA получало их для различных B-каналов. Перечень предпочтений ячеек обновляется по правилу фрейм за фреймом. Медленное DCA имеет функциональные возможности для разрешения конфликтных ситуаций между базовыми станциями. Быстрое динамическое назначение каналов

Быстрое динамическое назначение каналов Медленное динамическое назначение каналов

Медленное динамическое назначение каналов

Быстрое динамическое назначение каналов

Быстрое динамическое назначение каналов

Рис. 12.10. Иллюстрация распределения DCA между различными элементами сети.

792

Быстрое динамическое назначение каналов (DCA)

рое DCA получает и освобождает блоки ресурсов в соответствии со списком предпочтений медленного DCA. Многоскоростные услуги достигаются организацией пула блоков ресурсов либо в домене кода (мультикод), либо во временном домене (мультислот). Возможна также комбинация обоих. Способами, используемыми для быстрого DCA, могут быть оптимизация пулов временных слотов (как в DECT), частотных пулов или кодовых пулов. Быстрое DCA может действовать в соответствии со следующими стратегиями: 1. Распределение ресурсов с наименьшими помехами для трафика (код/временной слот). 2. Распределение нескольких временных слотов для того, чтобы получить выигрыш от разнесения во времени. 3. Усреднение помех внутри ячейки, особенно для пользователей со скоростями передачи данных от низкой до средней, когда нагрузка ячейки достаточно низка. Это достигается путем изменения временного слота, кода и частоты в соответствии с заранее установленной схемой. Число кодов также является динамическим и зависит от характеристик каналов, окружающей среды и реализации системы. Указания по быстрому динамическому назначению каналов (DCA) также зависят от вида услуг. Для обеспечения услуг в реальном времени каналы выделяются на все время обслуживания, однако, назначенный кодовый канал/временной слот (блок ресурсов или RU) может изменяться в соответствии с процедурой перераспределения. Для обеспечения услуг в нереальном времени каналы выделяются только на период передачи пакета данных, используя стратегию наилучшего уровня сервиса из возможных. 12.2.4.5. Хэндовер

UTRA TDD обеспечивает эстафетную передачу управления (хэндовер) внутри системы и между системами (к UTRA FDD и к GSM). Все эти хэндоверы являются жесткими с участием MS. UTRA TDD не использует мягкий хэндовер (или макроразнесение). В этом заключается главное отличие от UTRA FDD, в котором структура протокола рассчитывается на поддержку мягкого хэндовера. Структура протокола UTRA FDD следует той же самой архитектуре, что и FDD в точках взаимодействия для обеспечения максимальной общности на уровнях выше физического. Это означает, например, что протоколы хэндовера завершаются в одном и том же месте (RNC), но состоят из параметров, специальных для режимов FDD и TDD.

793

12.2.4.6. Разнесение при передаче UTRA TDD

UTRA TDD еспечивает 4 способа разнесения при передаче в нисходящем канале. Они сравнимы с теми, что применяются в UTRA TDD. Для выделенных физических каналов используются способы с переключаемым разнесением передачи (STD) и с передающими адаптивными антеннами (TxAA). Весовые коэффициенты антенн вычисляются с использованием обратимости радиолинии. Использование способа TxAA требует калибровки цепочки приемник и передатчик базовой станции, что делает реализацию более сложной. В общих каналах используется разнесение при передаче с временной коммутацией (TSD) для PSCH и разнесение блоков при передаче в пространстве и во времени (Block STTD) – для основного CCPCH. В восходящем канале на BS применяются те же самые способы разнесенного приема, что и в FDD для улучшения эффективности работы.

12.3. Оценка радиопомех в UTRA FDD В этом разделе мы оцениваем влияние помех в полосе TDD и между TDD и FDD. Помехи TDD-TDD анализируются в разделе 12.3.1., а совместное использование систем TDD и FDD – в разделе 12.3.2.

794

12.3.1. Интерференция TDD-TDD ак как оба канала – восходящий и нисходящий – используют совместно одну и туже частоту в TDD, то эти два направления передачи могут мешать друг другу. По своей природе система TDD является синхронной, и этот вид помех появляется, если базовые станции не синхронизируются. Они также присутствуют, если используется различная асимметрия между восходящим и нисходящим каналами в соседних ячейках, даже если базовые станции синхронизируются во фрейме. Фреймовая синхронизация требует точности до нескольких символов, но не точности до чипов. Защитный интервал позволяет иметь менее жесткие требования к синхронизации. На рис.12.11 иллюстрируются возможные сценарии возникновения интерференции. Помехи в полосе TDD анализировались методами модулирования системы в [15].

Рис.12.11. Помехи, возникающие между подвижными станциями, между базовыми станциями и между подвижными и базовыми станциями.

Помехи между восходящим и нисходящим каналами могут возникать между смежными несущими. Поэтому помехи могут также возникать в сетях двух операторов. При работе в FDD разделение в дуплексном режиме предотвращает появление радиопомех между восходящим и нисходящим каналами. Радиопомехи между MS и BS при работе в TDD и FDD одинаковые и не рассматриваются в этой главе. 12.3.1.1. Радиопомехи между подвижными станциями

Радиопомехи между MS возникают, если подвижная станция MS2, как показано на рис. 12.12, ведет передачу, а подвижная станция MS1 осуществляет прием одновременно на одной и той же (или соседней) частоте в соседних ячейках. Этот вид радиопомех является статистическим, потому что расположением подвижных станций не возможно управлять. Поэтому их невозможно избежать путем планирования сети. Помехи между MSs, обслуживаемыми различными операторами, возникают чаще всего на границах ячеек. Межоператор-

795

ие помехи MSs могут возникнуть повсюду, где две MS разных операторов находятся близко друг к другу и ведут передачу с достаточно высокой мощностью: способами защиты от помех, создаваемых подвижными станциями друг другу являются: • DCA и управление радиоресурсами • Управление мощностью. 12.3.1.2. Помехи между базовыми станциями

Помехи между BSs возникают, если базовая станция BS1, как показано на рис. 12.12, ведет передачу, а базовая станция BS2 – прием на одной и той же (или соседней) частоте в соседних ячейках. Они сильно зависят от потерь на трассе между двумя базовыми станциями и поэтому ими можно управлять путем планирования сети. Внутриоператорские помехи между базовыми станциями зависят от месторасположений базовых станций. Помехи между базовыми станциями могут быть особенно сильными, если потери на трассе между базовыми станциями являются низкими. Такие случаи могут иметь место, например, в макроячейке, если базовые станции размещаются на мачтах, возвышающихся над крышами. Наилучшим способом исключения этих помех является тщательное планирование с целью обеспечения достаточных потерь на связь между базовыми станциями. Вероятности нарушения связи [15] показывают, что необходима совместная работа между операторами TDD при планировании сети, или сети должны синхронизироваться и необходимо применение одинаковой асимметрии. Совмещенные сайты базовых станций разных операторов будут очень проблематичны, если вообще возможны. Ситуация изменилась бы, если бы операторы имели синхронизацию между сетями и идентичное разделение на восходящий и нисходящий каналы в своих системах. С точки зрения синхронизации и координации, чем выше уровни мощности передачи и больше предполагаемая зона обслуживания, тем труднее будет осуществляться координация по борьбе с помехами. В частности, антенны в макроячейках имеют тенденцию давать соединения между базовыми станциями по линии прямой видимости, что вызывает сильные помехи. Работа в режиме TDD в помещении и в среде микро/пикоячеек будет связана с более низкими уровнями мощности и будет смягчать приведенные выше проблемы.

796

Помехи при совместном расположении в сайте Раздел 12.3.2.1 BS 1

BS 2

Раздел 12.3.2.1

Раздел 12.3.2.2

Раздел 12.3.2.4

Рис. 12.12.

TDD FDD

.

12.3.2. Совместное размещение систем TDD и FDD UTRA FDD TDD , 1920 МГц, и поэтому использование TDD и FDD не может рассматриваться независимо: см. рис.12.13. Помехи между частью TDD и полосой FDD в восходящем канале

TDD

UMTS/FDD UL

Спутник

Рис.12.13. Помехи между полосой TDD на более низкой частоте и полосой FDD в восходящем канале.

Региональные распределения были показаны на рис. 1.2 в главе 1. Динамическое назначение каналов (DCA) может использоваться для того, чтобы избежать помех TDD-TDD, но DCA будет не эффективным между TDD и FDD, поскольку FDD имеет непрерывные передачу и прием. На рис. 12.12 показаны возможные сценарии возникновения помех между TDD и FDD. 12.3.2.1. Совместное расположение базовых станций UTRA FDD и TDD

С точки зрения перспективы развертывания сети интерес представляет совместное расположение базовых станций FDD и TDD. Однако, возникают проблемы, обусловленные чрезмерной близостью частотных полос. Полоса TDD на более низкой частоте, равная 1900-1920 МГц, располагается рядом с полосой FDD в восходящем канале, равном 1920-1980 МГц. Предполагают, что

797

ния к фильтрации на базовых станциях TDD будут такими, что совместное расположение базовой станции TDD в полосе частот 1900-1920 МГц и базовой станции FDD не будет рассматриваться как оправданное решение с технической и коммерческой точек зрения. В таблице 12.6 иллюстрируется эта ситуация. Выходная мощность 24 дБ/мВт соответствует базовой станции небольшой пикоячейки и 43 дБ/мВт – базовой станции макроячейки. Требуемые затухания между базовыми станциями TDD макроячейки составляют 78 дБ. Если вводится защитная полоса 5 МГц при разнесении центральных частот на 10 МГц, дополнительное частотное разнесение на 5 МГц будет увеличивать защиту канала на 5 дБ. Совместное расположение высокочастотных элементов не является желательным вариантом для современных технологий. Таблица 12.6 Анализ потерь из-за связи между базовыми станциями TDD и FDD на смежных полосах на частоте 1920 МГц. Выходная мощность базовой станции TDD (пико/макро)

24/43 дБ/мВт

Коэффициент ослабления мощности по соседнему каналу

– 45 дБ

Развязка между антеннами (раздельные антенны для базовых станций FDD и TDD)

– 30 дБ

Мощность сигнала в приемнике базовой станции FDD Допустимая мощность сигнала в приемнике

– 51/– 32 дБ/мВт – 110 дБ/мВт

Требуемое затухание

59/78 дБ

Условия работы в микро- и пикоячейке изменяют ситуацию, поскольку уровень мощности базовой станции TDD будет уменьшаться до 24 дБ/мВт в небольших пикоячейках. С другой стороны, предполагаемое разнесение на 30 дБ между антеннами не будет сохраняться, если антенны совместно размещать для системам TDD и FDD. Совместное использование антенн важно для уменьшения взаимодействия в пределах сайта базовой станции. Кроме того, если зона обслуживания внутри помещения обеспечивается совместно используемыми распределенными антенными системами для обоих режимов FDD и TDD, то никакой развязки между антеннами не существует. Таким образом, системе TDD необходимо создавать отдельный комплект ячеек в UTRAN. В случае развертывания пикоячеек TDD помехи между режимами легче устранять при низких BЧ-мощностях и раздельных высокочастотных частях. 12.3.2.2. Помехи при передаче от мобильной станции UTRA TDD к базовой станции UTRA FDD

Мобильные станции UTRA TDD могут создавать помехи базовой станции UTRA FDD. Эти помехи, в основном, те же, что и в случае передачи от мобильной станции UTRA FDD к базовой станции UTRA FDD на соседней частоте. В

798

8.5 показаны помехи между несущими UTRA FDD. Однако, существует различие между этими двумя случаями: при наличии прямых помех FDD всегда наблюдаются соответствующие помехи в нисходящем канале, тогда как при наличии помех от TDD помехи в нисходящем канале отсутствуют. При работе в режиме FDD помехи в нисходящем канале будут, как правило, ограничительным фактором, и поэтому помехи в восходящем канале возникать не будут. При помехах базовой станции FDD от мобильной станции TDD компенсации в нисходящем канале не существует, как это имеет место между системами FDD, поскольку мешающая мобильная станция TDD не испытывает помех от UTRA FDD. Эта ситуация показана на рис.12.14. Общие для FDD и TDD Частота: 1925-1930

Только в FDD Частота: 2110-2115 Одна и та же MS Помехи в нисходящем канале Одна и та же BS

Частота: 1920-1925

Частота: 2115-2120

FDD/восходящий канал

FDD/нисходящий канал

МГц

Рис. 12.14. Помехи базовой станции FDD от подвижной станции TDD.

Одним из способов решения проблемы, связанной с помехами в восходящем канале, – это специально сделать приемник базовой станции менее чувствительным, т.е. загрубить приемник. Для небольших пикоячеек в помещении чувствительность базовой станции может быть ухудшена, что не окажет влияния на размер ячейки. Другим решением является расположение базовых станций FDD так, чтобы подвижная станция не могла оказаться на очень близком расстоянии от антенны базовой станции. 12.3.2.3. Помехи базовой станции UTRA TDD от подвижной станции UTRA FDD

Подвижная станция UTRA FDD, работающая в диапазоне частот 19201980 МГц, может создавать помехи при приеме базовой станции UTRA TDD, работающей в диапазоне частот 1900-1920 МГц. При приеме в восходящем канале могут испытываться сильные помехи, которые отсутствуют при работе только в FDD. Хэндоверы между частотами и системами позволяют решить эту

799

проблему. Те же самые решения здесь могут применяться как и в разделе 12.3.2.2. 12.3.2.4. Помехи подвижной станции UTRA TDD от подвижной станции UTRA FDD.

Подвижная станция UTRA FDD, работающая в диапазоне частот 19201980 МГц, может создавать помехи при приеме подвижной станции UTRA TDD, работающей в диапазоне 1900-1920 МГц. Здесь невозможно использовать решения, описанные в разделе 12.3.3.2, потому что местоположения мобильных станций не могут контролироваться. Одним из способов решения проблемы является использование управления мощностью в нисходящем канале на базовых станциях TDD для компенсации помех от мобильной станции FDD. Другим способом решения является эстафетная передача управления между системами и между частотами. Этот вид помех зависит также от мощности передачи подвижной станции FDD. Если подвижная станция FDD не работает в режиме передачи, близком к своей максимальной мощности, то помехи мобильным станциям TDD уменьшаются. Расположение базовых станций UTRA оказывает влияние на возникновение помех. Хэндовер между системами требует, чтобы подвижные станции имели мультимодовые режимы FDD/TDD, а это не всегда возможно. 12.3.3. Несогласованная работа TDD Несогласованная работа с UTRA TDD возможна, если вместе с компонентами TDMA применяется динамическое назначение каналов (DCA). DCA не может применяться для высоких скоростей передачи, поскольку требуется несколько временных слотов. Поэтому несогласованная работа ограничивается битовыми скоростями от низких до средних, если имеется несколько несогласованных базовых станций в одной географической зоне. 12.3.4. Выводы в отношении помех UTRA TDD В разделах 12.3.1. – 12.3.3. рассматривались только те вопросы, связанные с помехами UTRA TDD, которые отличаются от действия UTRA FDD. Ниже приводятся следующие выводы: – Необходима синхронизация базовых станций UTRA TDD каждого оператора на уровне фрейма. – Также рекомендуется осуществлять синхронизацию базовых станций различных операторов TDD на уровне фрейма, если базовые станции находятся близко друг к другу.

800

мметричное распределение пропускной способности, независимое от ячейки, между восходящим и нисходящим каналами, не осуществимо для каждой ячейки в зоне обслуживания. – Для уменьшения проблем, связанных с помехами в полосе TDD, необходимо использовать динамическое распределение каналов. – Могут возникнуть помехи между нижней полосой TDD на более низких частотах и полосой FDD в восходящем канале, и их невозможно решить без динамического распределения каналов. – Хэндоверы между системами и частотами являются средством уменьшения помех и даже устранения их. – Совместное расположение базовых станций UTRA FDD и TDD в макроячейках не осуществимо, а совместное расположение базовых станций в пикоячейках обуславливает более высокие требования к реализации базовой станции UTRA TDD. – Совместное расположение систем FDD и TDD может влиять н зону обслуживания FDD в восходящем канале и на качество обслуживания TDD. – При правильном планировании TDD может формировать часть UTRAN, где TDD дополняет FDD. Согласно [16] работу TDD не следует запрещать в полосе FDD в восходящем канале. Основываясь на результатах изучения помех, проведенных в этой главе, видно, что практического смысла в применении такого построения нет и мы предвидим, что оно не будет поддержано предложениями этого оборудования на рынке. –

12.4. Заключения по технологии UTRA TDD В этой главе рассматривалась технология UTRA TDD. Внимание было сосредоточено на вопросах, связанных с физическим уровнем, поскольку спецификации более высокого уровня во многом являются общими с UTRA FDD. При реализации на практике алгоритмы управления как радиоресурсами, так и ресурсами приемника для UTRA FDD и TDD различаются, поскольку физические уровни имеют различные параметры, подлежащие управлению. Усовершенствованные приемники необходимы особенно на базовой станции TDD, тогда как для подвижных станций требуемое решение относительно приемника будет зависеть от особенностей требований к рабочим характеристикам. С точки зрения обслуживания UTRA и TDD и FDD могут обеспечить сервис как с низкими, так и с высокими скоростями передачи данных с практически одинаковым качеством обслуживания (QoS). Единственным исключением для UTRA TDD является то, что с определенного момента самые высокие скорости передачи данных являются асимметричными. Зона обслуживания UTRA

801

TDD ет меньше для услуг со скоростями передачи данных от низких до средних, чем для сравнимых услуг UTRA FDD, что обусловлено рабочим циклом TDMA. Кроме того, для того, чтобы избежать воздействия помех, меньшие ячейки обеспечивают более подходящую схему. Поэтому UTRA TDD лучше всего подходит для небольших ячеек и для услуг с высокой скоростью передачи данных. Проанализированы вопросы, связанные с помехами в UTRA TDD, результаты анализа должны тщательно учитываться при развертывании сети. При правильном планировании UTRA TDD может дополнять сеть UTRA FDD, при этом самое большое преимущество будет заключаться в наличии отдельной полосы частот, которая может быть использована только при работе в режиме TDD. Литература к главе 12: [I]

3GPP Technical Specification 25.221 V3.1.0, Physical Channels and Mapping of Transport Channels ontoPhysical Channels (TDD). [2] 3GPP Technical Specification 25.222 V3.1.0, Multiplexing and Channel Coding (TDD). [3] 3GPP Technical Specification 25.223 V3.1.0, Spreading and Modulation (TDD). [4] 3GPP Technical Specification 25.224 V3.1.0, Physical Layer Procedures (TDD). [5] 3GPP Technical Specification 25.102 V3.1.0. UTRA (UE) TDD; Radio Transmission and Reception. [6] Steiner, B. and Jung, P., «Optimum and suboptimum channel estimation for the uplink of CDMA mobile radio systems with joint detection», European Transactions on Telecommunications and Related Techniques, Vol. 5, 1994, pp. 3950. [7] Lupas, R. and Verdu, S., «Near-far resistance of multiuser detectors in asynchronous channels», IEEE Transactions on Communications, Vol. 38, no. 4, 1990, pp. 496-508. [8] Klein, A., «Data detection algorithms specially designed for the downlink of CDMA mobile radio systems», in Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference, Phoenix, AZ, 1997, pp. 203-207. [9] Klein, A. and Baier, P.W., «Linear unbiased data estimation in mobile radio systems applying CDMA», IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 11, no. 7, 1993,pp. 1058-1066. [10] Klein, A., Kaleh. G.K. and Baier P.W., «Zero forcing and minimum mean square-error equalization for multiuser detection in code-division multipleaccess channels», IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 45, no. 2, 1996, pp. 276-287.

802

[11] Jung, P. and Blanz, J.J., «Joint detection with coherent receiver antenna diversity in CDMA mobile radio systems», IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 44, 1995, pp. 76-88. [12] Papathanassiou, A., Haardt, M., Furio, I. and Blanz J.J., «Multi-user direction of arrival and channel estimation for time-slotted CDMA with joint detection», in Proceedings of the 1997 13th International Conference on Digital Signal Processing, Santorini, Greece, 1997, pp.375-378. [13] V r n si, M.K. and Aazhang, ., «Multistage detection in asynchronous codedivision multiple-access communications», IEEE Transactions on Communications, Vol. 38, no. 4, 1990,pp. 509-519. [14] Vaalaja, H., Juntti, M. and Kuosmanen, P., «Performance of multiuser detection in TD-CDMA uplink», submitted to EUSIPCO-2000, 5-8 September 2000, Tampere, Finland. [15] Holma, H., Povey, G. and Toskala, A., «Evaluation of interference between uplink and downlink in UTRA TDD», VTC'99/Fall, Amsterdam, 1999, pp. 2616-2620. [16] ERC TGI decision (98) 183. February 1999

803

13 CDMA с множеством несущих в ITU-2000 13.1. Введение ак объяснялось в главе 4, помимо описанных режимов UTRA FDD и TDD в глобальной инфраструктуре CDMA ITU-R IMT-2000, третьим режимом является режим CDMA с множеством несущих (MC), основанной на варианте cdma2000 c множеством несущих, который был стандартизирован Партнерством по проекту 2 в области технологии третьего поколения (3GPP2). Основные стандарты для режима MC [1-4], завершение работ над которым запланировано на конец 1999 года, позволят устанавливать соединение с базовой сетью, основанной на IS-41. Позднее в 2000 году должны быть определены необходимые расширения для того, чтобы обеспечить также соединение режима MC с базовыми сетями, основанными на GSM-MAP. Режим MC рассматривается как естественный путь развития для операторов существующей сети IS-95 особенно, если сеть третьего поколения должна развертываться в том же самом частотном спектре, где уже функционирует сеть IS-95. Этот подход, связанный с перераспределением спектра, предвидится в странах, где нет отдельного спектра для IMT-2000, как, например, в Северной Америке, где спектр занят системой персональной связи (PCS). Название для режима MC вытекает из направления передачи в нисходящем канале, где вместо одной широкополосной несущей передаются множественные (вплоть до 12) параллельные узкополосные несущие CDMA от каждой базовой станции. Скорость передачи чипов на каждой несущей равна 1,2288 Мчип/с, т.е. скорости передачи чипов IS-95. Восходящий канал имеет прямое расширение спектра, совершенно аналогично UTRA FDD с множественной скоростью передачи чипов, равной 1,2288 Мчип/с. Согласно первой рабочей версии ITU, система cdma2000 будет включать до трех несущих (так называемый режим 3X) со скоростью передачи чипов до 3,6864 Мчип/с. В дальнейшем термин «режим MC» будет относиться к режиму MC (3X), как это определено стандартом cdma2000. Считается, что режим MC обеспечивает путь развития для существующих систем IS-95. Как показано на рис. 13.1, три узкополосных несущих IS-95 с час-

804

1,25 МГц группируются для получения передачи с множеством несущих в нисходящем канале с шириной полосы примерно 3,75 МГц (3X) при тактовой частоте 5 МГц. Что касается ширины полосы сигнала, то нет большого различия между скоростью передачи чипов с множеством несущих в режиме MC (в восходящем канале), равной 3,6864 Мчип/с и скоростью в UTRA FDD, равной 3,84 Мчип/с. В следующих разделах описываются основные характеристики физического уровня режима MC и показываются самые важные отличия от UTRA FDD. IS – 95 (1Х)

С множеством несущих Нисходящий канал

1,25 МГц

3х1,25 МГц Восходящий канал

1,25 МГц

3,75 МГц

Рис. 13.1. Взаимодействие между режимом MC и IS-95 при использовании спектра.

Что же касается более высоких уровней, то следует отметить, что, хотя структуры протоколов в большей степени схожи, существуют различия, касающиеся реализации определенных протоколов с менее ясными решениями на уровнях протоколов. Это означает, что на практике требуются видоизменения структуры протоколов режима MC, касающиеся сопряжения режима MC с сетями, основанными на GSM. Эта работа, которую также называют разработкой «зацепов и расширений», планируется для выполнения и завершения по проекту 3GPP2 в течение 2000 года. В этой главе внимание сосредоточено на главных принципах режима MC на физическом уровне; эти вопросы также представляют практический интерес, если в будущем будут рассматриваться терминалы с двумя режимами работы: UTRA и режимом MC.

13.2. Логические каналы Термину, используемому в UTRA, «транспортные каналы», которые передают данные через эфир и переносятся непосредственно на физические каналы, в системе CDMA2000 соответствуют «логические каналы». В специфика-

805

ции cdma2000 (версия A), которая была закончена в конце 1999 г., определяются следующие логические каналы: • Выделенный канал передачи трафика (f/r-dtch). Логический канал между двумя пунктами, который передает данные или трафик данных по выделенному физическому каналу; он соответствует выделенному транспортному каналу в UTRA. Как и в UTRA, dtch предназначается для использования одним терминалом. • Общие каналы управления (f/r-cmch control). Эти каналы используются для передачи сообщений MAC при совместном доступе для нескольких терминалов. • Выделенный канал сигнализации (f/r-dsch). Логический канал между двумя пунктами, который передает трафик сигнализации на более высоком уровне по выделенному физическому каналу, для одного терминала. • Общий канал сигнализации (f/r-csch). Логический канал многоадресной передачи, который передает трафик сигнализации на более высоком уровне по общему физическому каналу при совместном доступе для нескольких терминалов. Различием в терминологии, заслуживающим внимания, является использование термина «обратный канал» вместо «восходящий канал» и «прямой канал» вместо «нисходящий канал» в документации cdma2000. Для удобства и согласования между различными главами в этой книге в данной главе принимаются термины, используемые в UTRA. Например, в терминологии физического канала термины «прямой»(F) и «обратный»(R) не используются, а они соответственно заменяются на «нисходящий» и «восходящий». 13.2.1. Физические каналы Режимы MC, в основном, обеспечивает те же самые функции, что и UTRA FDD. Такие функции, как широковещательный канал, канал со случайным доступом и т.д., являются важными для основной работы всех сотовых систем. Кроме того, необходим канал поискового вызова для поиска подвижных станций в системе. Физический уровень содержит несколько больше различий из-за различия концепций проектирования в некоторых областях. Типы общих каналов, более специфичные для UTRA, такие, как, например, совмещенные каналы, общий канал для передачи пакетов в восходящем направлении и т.д., не имеют прямых аналогов в режиме MC, но одни и те же функции реализуются различными способами. Соответствующим каналом для передачи данных является дополнительный канал, который в нисходящем направлении имеет сходство с совмещенным нисходящим каналом (DSCH) в UTRA FDD. Дополнительный канал также су-

806

ествует и в восходящем канале в режиме MC, но не как улучшение для канала со случайным доступом, подобно общему каналу передачи пакетов в UTRA FDD. Характеристики дополнительного канала рассматриваются более подробно в связи с передачей пользовательских данных. Канал доступа отличается из-за различий в протоколах на более высоком уровне. Типичная длительность сообщения для случайного доступа в режиме MC больше, чем в UTRA, поскольку в последнем случае изменение в выделенном канале происходит раньше. Таким образом, передача в канале случайного доступа может продолжаться на протяжении нескольких фреймов. Для того чтобы избежать проблем, возникающих в ближней/дальней зоне CDMA, можно использовать общий канал управления мощностью для передачи информации об управлении мощностью для процедуры случайного доступа в восходящем канале в режиме MC. Режим MC использует канал быстрого поискового вызова, который указывает терминалу, когда следует прослушивать фактически сам канал поискового вызова. Здесь есть некоторое сходство с каналом индикатора поискового вызова (PICH) в обоих режимах – UTRA FDD и TDD.

13.3. Расширение спектра и модуляция в режиме с множеством несущих 13.3.1. Расширение спектра и модуляция в восходящем канале Модуляция в восходящем канале очень похожа на модуляцию UTRA FDD в том смысле, что обеспечиваются различные каналы либо в ветви I, либо в ветви Q, и затем они испытывают операцию скремблирования с комплексными значениями после расширения спектра для балансировки (уравновешивания) мощностей в ветвях I и Q. Это приводит, до некоторой степени, к аналогичным требованиям для обеспечения линейности усилителя, как в UTRA FDD. Мультикодовая передача формируется раньше, чем в UTRA FDD, когда скорость передачи данных увеличивается. Когда желательно использовать более высокие скорости передачи в режиме MC, применяется дополнительный канал в параллель с основным каналом, который обеспечивает лишь ограниченный ряд возможных более низких скоростей передачи данных. Расширение спектра в восходящем канале осуществляется с помощью функций Уолша, тогда как в UTRA FDD используются коды OVSF. Расширение спектра с переменной скоростью не используется в режиме MC во время соединения на пофреймовой основе, потому что информация о скорости в сигнализации на физическом уровне не обеспечивается. Длинный код, используемый для скремблирования в восходящем канале, имеет период 242–1 чипов. Он значительно длиннее, чем в UTRA FDD, где ко-

807

ый период равен 38400 чипов для выделенных каналов, и длина кода составляет только 256 чипов для коротких кодов скремблирования. При периоде, равном 38400 чипов, никакого ухудшения не ожидается, тогда как длина кода из 256 чипов без применения усовершенствования приемников обычно приводит к некоторому ухудшению из-за влияния усреднения уменьшенной взаимной корреляции. Каналы доступа имеют специальный код скремблирования с периодом 215 чипов. Для затухания по соседнему каналу должно обеспечиваться ослабление уровня сигнала на 40 дБм за пределами ширины полосы 4,44 МГц, – это не то значение, которое следует использовать для планирования частот на практике. 13.3.2. Расширение спектра и модуляция в нисходящем канале Модуляция в нисходящем канале, очевидно, характеризуется своей природой, связанной с множеством несущих. Несущими в нисходящем канале можно оперировать независимо, или же терминал может демодулировать их все. Преимуществом приема на всех несущих является разнесение частот, которое улучшается по сравнению с приемом на одной несущей 1,2288 Мчип/с. Так как каждая несущая содержит пилот-канал (испытательный канал) для оценки каналов, их можно также передавать с различных антенн в случае необходимости для получения дополнительного разнесения. Это аналогично способам разнесения при передаче в UTRA. Канал на каждой несущей расширяется с помощью функций Уолша при использовании постоянного коэффициента расширения спектра во время соединения, аналогично тому, как это делается в UTRA за несколькими исключениями. Подобно кодам OVSF в UTRA функции Уолша разделяют каналы от одного и того же источника и имеют аналогичную ортогональность для передачи от одного источника. Коэффициенты расширения спектра для передачи данных колеблются в пределах от 256 до 4. На рис. 13.2 показана модуляция в нисходящем канале, которая состоит из трех несущих. Отметим, что последовательности PN и функции Уолша на параллельных несущих одинаковы. Кодирование в нисходящем канале характеризуется использованием одного кода в системе. Так как режим MC действует с синхронизированными базовыми станциями, то используется один код, при этом различные базовые станции используют отличную от других фазу (сдвиг) того же самого кода. Число имеющихся фаз равно 512, что соответствует числу основных кодов скремблирования UTRA FDD. В сетях, применяемых на практике, часто избегают использовать фазы с минимальным разнесением для того, чтобы смягчить требования, связанные с временной синхронизацией, в процессе планирования сети.

808

Данные I Функция Уолша Данные Q

Комплексный умножитель частот

Функция Уолша Данные Q

Функция Уолша

PN Q

Комплексный умножитель частот

Фильтр

К частоте несущей 2

Фильтр

PN I Данные I

К частоте несущей 1

Фильтр

PN I ые I

Фильтр

PN Q

Комплексный умножитель частот

Данные Q

Фильтр

К частоте несущей 3

Фильтр

PN I

PN Q

Рис. 13.2. Расширение спектра и скремблирование с использованием множества несущих в нисходящем канале.

Формирование импульсов в режиме MC определено точными коэффициентами фильтрации. На их основе были определены критерии среднеквадратичных ошибок, которые отвечали бы требованиям реализации фильтра. Несмотря на то, что ширина полосы одной несущей, рассмотренной здесь, была принята равной 1,25 МГц, ширина полосы, которая была определена для маски спектра одной несущей при затухании уровня мощности на 40 дБ, равняется 1,48 МГц для передачи базовой станции.

13.4. Передача пользовательских данных

809

ом разделе описываются основные принципы передачи пользовательских данных в режиме MC и показываются основные различия от работы UTRA FDD. Одним общим отличием от спецификаций UTRA является то, что для режима MC различные скорости передачи данных были определены точно в зависимости от коэффициентов прореживания и повторения, тогда как в UTRA даются правила для прореживания и повторения, которые могут обеспечить согласование скоростей для любой произвольной скорости. Это не вызывает различий на практике до тех пор, пока более высоким уровням не потребуется выполнить большой объем операций по заполнению или других операций для того, чтобы обеспечить необходимую скорость передачи данных, если имеющаяся скорость передачи на физическом уровне не соответствует потребностям на практике. Скоростями передачи данных, которые, как предполагается должны добавляться к режиму MC, являются те, которые необходимы для обеспечения работы кодека речи AMR, используемого в UTRA и на стороне GSM, поскольку при низких скоростях издержки могут стать столь значительными, что не позволят реализовать скорости передачи кодека речи AMR, исходя из предопределенного множества скоростей передачи данных в режиме MC. 13.4.1 Передача данных в восходящем канале Основной канал в режиме MC подробно определен для заданного множества скоростей передачи данных при максимальной скорости передачи данных, равной 14,4 Кбит/с. Он может изменять индивидуальную скорость передачи данных при изменениях за счет повторений, но скорость передачи символов не изменяется. Это позволяет использовать слепой способ определения скорости на базовой станции. На рис. 13.3 показана структура основного канала и пилотканала, где пилот-канал также содержит символы управления мощностью с интервалом в 1,25 мс. Это позволяет осуществлять быстрое управление мощностью в нисходящем канале со скоростью 800 Гц. По мере увеличения скорости передачи данных более высокие скорости передачи данных не должны вводиться в одном и том же канале, как в UTRA FDD, а скорее должен использоваться дополнительный канал. Это параллельный кодовый канал, отделенный другой функцией Уолша от основного канала. Передача в восходящем канале может содержать один или два дополнительных канала со скоростями передачи данных, которые колеблются в пределах от нескольких Кбит/с до 1 Мбит/с в зависимости от конфигурации радиоресурса. Типичная конфигурация радиоресурса определяет 10 или меньшее число различных скоростей передачи данных для дополнительного канала. При скоростях свыше 14,4 Кбит/с используется турбокодирование.

810

им образом, пока канал управления на физическом уровне в UTRA FDD сохраняет постоянные параметры, – коэффициент расширения спектра и т.д., параметры основного канала в режиме MC остаются неизменными, а затем могут добавляться один или большее число дополнительных каналов (при фиксированном коэффициенте расширения спектра для заданной скорости передачи данных). Существует естественное объяснение этому различию. Режим MC не содержит информацию об управлении на физическом уровне для информирования приемника об изменении скорости передачи данных или, что бывает чаще, об изменении индикатора комбинации транспортного формата (TFI) по терминологии, принятой в UTRA. Следовательно, сигнализация в полосе частот по основному каналу должна передавать всю информацию такого рода, так что параметры самого основного канала не могут изменяться на пофреймовой основе. Для пользовательских данных длительность радиофрейма составляет 20 мс, тогда как в UTRA – 10 мс. В любом случае услуги по передаче речи и в режиме MC, и в UTRA используют, по крайней мере, перемежение равное 20 мс, потому что речевой кодек AMR, а также существующие речевые кодеки GSM обеспечивают передачу данных в интервалах 20 мс, так что использование перемежения 10 мс не приводит к более короткой задержке.

Основной канал

280 символов 250 мс

Пилот канал

…

…

…

1,25 мс Пользовательские данные

Пилот символы

Символы управления мощностью

Рис. 13.3. Структура восходящего канала.

В режиме MC отсутствует концепция, соответствующая общему каналу передачи пактов (CPCH) в UTRA в восходящем канале. Однако может использоваться расширенный канал доступа, который выполняет функции случайного доступа (RACH) для передачи небольших пакетов подобно RACH в UTRA. Размеры полезной нагрузки, определенные для расширенного канала доступа,

811

олеблются от 172 до 744 информационных битов. Существует три варианта длины радиофрейма: 5, 10 или 20 мс. Это противоречит передачи данных по основному или дополнительному каналам, где всегда используется фрейм 20 мс.

13.4.2. Передача данных в нисходящем канале Режим в нисходящем канале более всего отличается от UTRA FDD. Пользовательские данные делятся между тремя параллельными поднесущими CDMA, каждая из которых имеет скорость передачи чипов равную 1,2288 Мчип/с. Как и в восходящем канале, более низкие скорости передачи данных реализуются с помощью основного канала, а более высокие скорости передачи данных – с помощью дополнительного канала. Терминал может принимать только одну из несущих. Однако это ограничивает скорость передачи данных и будет невыгодно с точки зрения пропускной способности системы, поскольку частотное разнесение будет уменьшаться, а разнесение антенн при передаче отсутствует. Скорости передачи символов для каналов передачи трафика после кодирования и перемежения умножаются на коэффициент 3. Затем вносится символ управления мощностью и производится сокращение числа символов, и данные разуплотняются на три различных поднесущих. Функции Уолша, назначенные для основного канала, передают пользовательские данные с постоянным коэффициентом расширения спектра, как правило 256 или 128 для более низких скоростей передачи данных. Для более высоких скоростей передачи данных используются меньшие коэффициенты расширения спектра.

812

ые

Кодирование канала

Усиление в канале

Согласование скоростей

Перемежение

Управление мощностью

Умножитель скоростей передачи символов

Модуляция и расширение несущей 1 Разуплотнение

Модуляция и расширение несущей 2 Модуляция 1 и расширение несущей 3

Рис. 13.4. Уплотнение пользовательских данных [Разделение пользовательских данных] по поднесущим.

В то время, как восходящее направление имеет информацию об управлении мощностью, уплотненное пилот-каналом, нисходящее направление имеет только общий пилот-канал, и информация об управлении мощностью уплотняется потоком данных путем частичного сокращения символов с частотой 800 Гц. Символы управления мощностью передаются с постоянным уровнем мощности, как указано на рис. 13.5, и служат единственным эталоном мощности для операции по управлению мощностью.

Основной канал

…

…

…

1,25 мс

Пилот канал

20 мс

Пользовательские данные

Пилот символы

Символы управления мощностью

Рис. 13.5. Уплотнение на физическом уровне управления пользовательскими данными

813

ля поднесущей в нисходящем канале.

Символы передачи данных имеют изменяющийся уровень мощности, поскольку согласование скоростей осуществляется с помощью повторений или прореживания, и скорость передачи символов в канале остается постоянной. Общий пилот-канал, используемый как эталон фазы, подобен UTRA CPICH (общему пилот-каналу). Символы управления мощностью не являются параллельными во временной области для различных пользователей в нисходящем канале в режиме MC. Это делается для того, чтобы ограничить изменения полученной огибающей путем рандомизации периодов времени, когда пользователи имеют свои символы управления мощностью, поскольку в DTX (в прерывистой передаче) только символы управления мощностью являются активными в основном канале. Помимо структуры с множеством несущих существует еще несколько важных отличий от UTRA FDD. Основной канал не передает никаких пилотсимволов или данных с информацией о скорости. Это значит, что необходимо иметь слепое обнаружение скорости при использовании соединений с переменной скоростью. Так как различные скорости передачи данных формируются за счет повторения или прореживания символов, следует осуществлять декодирование канала для комбинации скоростей передачи данных для того, чтобы определить, какой была скорость передаваемых данных. Это можно сделать для относительно небольших скоростей передачи данных, как в случае с основным каналом в режиме MC. Более высокие скорости передачи данных реализуются с помощью дополнительного канала, а сигнализация на более высоком уровне используется для указания на изменения в скорости передачи данных дополнительного канала. 13.4.3. Кодирование канала для передачи пользовательских данных С точки зрения канального кодирования основной канал всегда использует сверточное кодирование, а дополнительный – турбокодирование. Турбокодер и декодер с 8 состояниями подобны решениям, принятым в UTRA, а турбоперемежение отличается также, как и перемежение каналов. Последний будет отличаться в любом случае из-за различий в количестве символов на фрейм при различных коэффициентах расширения и из-за других различий в структуре фрейма. При кодировании канала различия также возникают и при скоростях турбокодирования: в режиме MC используются скорости ¼ и ½, тогда как скорость ¼ в UTRA не используется. Кроме того, в UTRA скорость кодирования,

814

тветствующая ½ скорости турбокодирования, вырабатывается с помощью согласования скоростей из кода со скоростью 13 В сверточном кодировании также существуют различия: дополнительно к скоростям ½ и 13 принятым в UTRA, в режиме MC были определены сверточные коды со скоростями ¼ и 16 . Длина ограничения, равная 9, та же, что и в UTRA. Различия во внутреннем перемежителе турбокода вытекают из различных видов оптимизации, используемых в процессе выбора органами по стандартизации. Турбоперемежитель в режиме MC оптимизировался для фиксированного ряда скоростей передачи данных, а перемежитель в UTRA был выбран в соответствии с более общими критериями для большого количества различные скоростей передачи данных. На практике различия в работе, вытекающие из этого положения, являются весьма незначительными.

13.5. Сигнализация Способ, с помощью которого определялись каналы сигнализации, показывает несколько основных различий между UTRA FDD и режимом MC. В режиме MC все каналы сигнализации определяются как свои собственные каналы, а UTRA FDD использует концепцию дополнительного общего канала управления на физическом уровне (CCPCH), по которому на физическом уровне ведется передача, например, канала поискового вызова или прямого канала доступа. Другим отличием является то, что в UTRA общие каналы могут использовать индикатор комбинации транспортного формата (TFCI) для изменения скорости передачи данных, тогда как скорости передачи в режиме MC являются фиксированными. 13.5.1. Пилот-канал Режим MC имеет отдельный общий пилот-канал для каждой несущей. Этот пилот-канал используется подобно тому, как это происходит в UTRA FDD: такие функции, как оценка и измерение канала для хэндовера или выбора ячейки и повторного выбора также аналогичны. Так как каждая из этих трех несущих имеет свой собственный пилот-канал, они могут передаваться с отдельных передающих антенн, если это необходимо. Для формирования луча режим MC всегда использует пилот-каналы, специальные для луча, названные вспомогательными пилот-каналами, поскольку

815

никакие другие известные символы не передаются по выделенным каналам для обеспечения эталона фазы. С целью экономии пространства кодирования вспомогательные пилот-каналы могут вырабатываться из функций Уолша с расширенной длиной. Максимальная длина функции Уолша, используемая в режиме MC, равна 512. Самым заметным отличием является работа с антенными лучами, специализированными для пользователей, где UTRA использует пилотсимволы в выделенных каналах, а в режиме MС обеспечивается отдельный пилот-канал для каждого луча. Нисходящий канал в режиме MC не использует тот же вид разнесения при передаче, что принят в UTRA, но несущие могут передаваться с различных антенн, так как каждая имеет свой собственный общий активный пилот-канал. Для каждой несущей может также использоваться ортогональное разнесение при передаче (OTD), где данные копируются для двух антенн и передаются с обеих из них. 13.5.2. Синхроканал Этот канал предназначается специально для режима MC. Он помогает терминалам получать первоначальную временную синхронизацию. Синхросигнал –это канал с низкой скоростью передачи с тремя фреймами на период, равный 80 мс. Скорость передачи символов равна 1,2 Кбит/с. 13.5.3. Широковещательный канал Широковещательный канал в режиме MC подобен основному каналу управления на физическом уровне (PCCCH) в UTRA, который передает широковещательную информацию в UTRA. Типичной информацией, передаваемой по широковещательному каналу, является информация о наличии каналов доступа или расширенных каналов доступа для целей случайного доступа. Широковещательный канал в режиме MC подобен каналу с фиксированной скоростью передачи 19,2 ксимв/с. Способом кодирования в широковещательном канале является сверточное кодирование со скоростью 13 . 13.5.4. Канал быстрого поискового вызова Канал быстрого поискового вызова в режиме MC подобен каналу индикатора поискового вызова в UTRA. Он указывает мобильным станциям, что они

816

олжны принять информацию о поисковом вызове или информацию прямого общего канала управления (FCCC). Канал делится на слоты и подразделяется на индикаторы поискового вызова, а также на индикаторы, которые показывают изменение в конфигурации. 13.5.5. Общий канал управления мощностью Канал обеспечивает информацию об управлении мощностью для ряда восходящих каналов, которые не имеют как в паре основной канал, обеспечивающий информацию об управлении мощностью. Каналами, мощностью которых управляют таким способом, являются общий обратный канал управления и каналы с расширенным доступом. Общий канал управления мощностью обеспечивает три различных группы каналов общего управления мощностью со скоростями передачи команд 200, 400 или 800 Гц. Обе ветви I и Q обеспечивают поток команд со скоростью 9,6 Кбит/с для целей управления мощностью. 13.5.6. Общие и выделенные каналы управления Режим MC содержит также концепцию общих и выделенных каналов управления в восходящем и нисходящем направлениях. Эти каналы предназначаются для передачи информации об управлении на более высоком уровне для одного или большего числа терминалов. Как и для восходящего канала, они предназначаются для передачи информации об управлении для базовой станции от одного терминала или множества терминалов, когда не используется обратный канал передачи трафика. Дополнительный общий канал управления на более высоком уровне является общим каналом назначений. Он передает сообщения о распределении ресурсов в нисходящем канале для целого ряда терминалов. 13.5.7. Канал случайного доступа (RACH) для передачи сигнализации Канал RACH, или канал доступа в режиме MC, выполняет аналогичные функции, как и в UTRA, хотя детализированная процедура RACH несколько отличается. Имеется ряд различных вариантов, которые зависят от того, используется ли плавное изменение преамбулы или нет. Некоторые фреймы кана-

817

ла доступа могут передаваться в режиме MC, тогда как в UTRA в RACH используются только сообщения длительностью 10 или 20 мс. Общий канал передачи пакетов (CPCH) в UTRA с большей длительностью сообщений более точно соответствует процедуре доступа в режиме MC с управлением мощностью в замкнутом контуре. Для сообщений с большей длиной существует канал управления мощностью, который может использоваться для обеспечения быстрого управления мощностью во время процедуры доступа. Подробно эта процедура доступа для режима MC рассматривается в следующем разделе. Подобно каналу доступа, канал с расширенным доступом может передавать информацию о сигнализации для целей случайного доступа.

13.6. Процедуры на физическом уровне 13.6.1. Процедура управления мощностью Основные процедуры управления мощностью в режимах MC и UTRA FDD довольно похожи. Быстрое управление мощностью в замкнутом контуре имеется в обоих каналах – восходящем и нисходящем. Однако, в деталях существует много отличий. Прежде всего, скорости передачи команд на управление мощностью являются различными: 1500 Гц с нормальным размером шага в 1 дБ в UTRA FDD и 800 Гц в режиме MC. В режиме MC быстрое управление мощностью в замкнутом контуре в восходящем направлении не действует, но управление мощностью в разомкнутом контуре также является активным. Управление мощностью в разомкнутом контуре контролирует интенсивность принимаемого сигнала в нисходящем канале. Если пороговые значения превышаются, оно может изменить мощность передачи терминала. Управление мощностью в разомкнутом контуре имеет большую неопределенность, поскольку терминалы работают в различной полосе частот при приеме и не могут измерить очень точно абсолютный уровень мощности (при управлении мощностью в разомкнутом контуре необходимо производить сравнения мощности передачи терминала с уровнем принимаемой мощности в нисходящем канале). Сеть может заблокировать использование сочетания управления мощностью в разомкнутом контуре с управлением мощностью в замкнутом контуре; этот вариант управления также часто используется в существующих сетях IS-95. Для алгоритма в терминале одно различие вызывается решением относительно пилот-канала. В режиме MC пилот-символы не существуют в выделенном канале, следовательно, единственными символами, которые могут исполь-

818

ся как средство для оценки SIR, являются символы управления мощностью, так как они сохраняют уровень мощности неизменным относительно изменения скорости передачи данных. Полученный сдвиг мощности, как таковой, не оказывает большого влияния на отношение пиковой мощности к средней (пикфактор) в нисходящем канале из-за большого числа параллельных передач в нисходящем канале. Оно уменьшается еще больше, потому что позиция для подканала управления мощностью не одна и та же для всех пользователей в слоте, так что влияние изменения огибающей еще больше усредняется в слоте. 13.6.2. Процедура поиска ячейки Существуют значительные различия в процедуре поиска ячейки между режимом MC и UTRA FDD. Как отмечалось ранее, режим MC использует варианты кода скремблирования с временным сдвигом для всех базовых станций в сети. После включения питания терминал начинает поиск одной последовательности с соответствующим приемником, который может, например, базироваться на корреляторе или согласованном фильтре. Поиски будут продолжаться до тех пор, пока не будет обнаружена одна или большее число фаз кода. Так как все ячейки синхронизируются, то только одна последовательность нужна в системе, и терминал может продолжать поиск других фаз этой одной последовательности. Поскольку в UTRA существует 512 различных кодов скремблирования специальны для ячейки (определяющих ячейку), подобная процедура будет слишком сложной или требующей слишком много времени, поэтому поиск в UTRA начинается с кодового слова синхронизации, общего для всех ячеек. Как и в UTRA, поиск ячейки будет различным в зависимости от того, рассматривается ли начальный поиск или поиск делается для заданных ячеек в целях хэндовера. В режиме соединения терминал будет получать перечень соседних ячеек и будет выполнять поиск, основываясь на информации о сдвиге PN заданных ячеек. Перечень соседних ячеек необходим для того, чтобы поддерживать поиск сдвигов PN ячеек, в противном случае, терминалы в активном режиме не смогут распознавать полученный сдвиг PN. 13.6.3. Процедура случайного доступа Процедура случайного доступа по каналу расширенного доступа имеет подобно UTRA возможность планового изменения мощности, хотя существует несколько различных вариантов для работы при случайном доступе. Сообще-

819

ние с предшествующей преамбулой имеет изменяющуюся длину, как и само сообщение, с возможностью установления компромисса между длиной преамбулы и имеющимися ресурсами базовой станции для выполнения поиска сообщения. Плановое изменение мощности с преамбулой канала расширенного доступа и с дополнительной действующей преамбулой показано на рис. 13.6. Контрольные сигналы доступа, следующие за начальным сигналом проверки доступа, передаются с возрастающим уровнем мощности до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное установленное число проверок доступа или более высокие уровни не позволят передавать фактическое сообщение. Если выбирается вариант с дополнительной преамбулой, то процедура плавного изменения мощности заканчивается дополнительной преамбулой с целью получения оценки канала на базовой станции.

Интервал проверки действия канала расширенного доступа

Заголовок расширенного доступа 5 мс

Данные расширенного доступа N, умноженное на 5, 10 или 20 мс Обратный пилот-сигнал

Рис.13.6. Плавное изменение мощности RACH в режиме MC.

Как только терминалу будет разрешено передавать реальное сообщение, он сможет иметь заголовок расширенного доступа длительностью 5 мс до передачи данных расширенного доступа, как показано на рис.13.6. Данные расширенного доступа могут передаваться при длине фрейма, равной 5, 10 или 20 мс. Также существует режим доступа с управляемой мощностью, где общий канал управления мощностью используется наряду с процедурой случайного доступа для управления передачей при передаче реального сообщения. Терминалы прослушивают канал управления мощностью; как только он начинает передавать команды вниз, терминалы больше не увеличивают мощность, а сле-

820

ют за потоком команд по управлению мощностью. Это поддерживает плавное изменение мощности для конкретного канала.

13.6.4. Процедура измерений при хэндовере Хэндовер UTRA FDD включает много измерений для целей хэндовера на различные системы. MC режим также предусматривает для мультимодовых терминалов возможности передачи управления другим системам, как, например, IS-95, как предполагается, будут включать необходимые расширения для измерения и передачи управления на GSM или UTRA FDD в рамках физического уровня. На стороне сети степень трудности будет зависеть от того, рассматривается ли только простой речевой вызов, или же включаются также усовершенствованные услуги по передаче данных. Литература к главе 13:

[1] [2] [3] [4]

3GPP2 IS-2002.2, Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems. 3GPP2 IS-2002.3. Medium Access Control (MAC) Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems. 3GPP2 1S-2002.4, Signaling Layer 2 Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems. 3GPP2 IS-2002.5. Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems.

821

Сокращения во по проекту в области технологий 3-го поколения (формирует стандарт WCDMA)

3GPP

–

3GPP2

– партнерство по проекту в области технологий 3-го поколения (формирует стандарт cdma 2000)

AAL2

– уровень адаптации ATM, тип 2

AAL5

– уровень адаптации ATM, тип 5

ACELP

– алгебраический метод кодирования и линейного предсказания

ACIR

– коэффициент защиты от помех по соседнему каналу, обусловленных неидеальностью характеристик передатчика и несовершенством фильтрации приемника

ACLR

– коэффициент утечки по соседнему каналу, вызываемый неидеальными характеристиками передатчика, без учета влияния фильтрации приемника

ACTS

– программа исследований и разработок по созданию усовершенствованных технологий электросвязи и служб

AICH

–канал индикации данных

ALCAP

– пакет прикладных программ управления доступом

AM

– режим работы с подтверждением приема

AMD

– данные режима работы с подтверждением приема

AMR

– адаптивный мультискоростной речевой кодек

ARIB

− ассоциация радиопромышленников и бизнесменов (Япония)

ARIB

− ассоциация представителей радиоэлектронной промышленности и деловых кругов

ARQ

− автоматический перезапрос данных

ASC

− класс обслуживания доступа

ASN.1

− абстрактное описание синтаксиса 1

ATM

− асинхронный метод передачи данных

AWGN

− аддитивный белый гауссов шум

BB SS7

− широкополосная система сигнализации №7

BCCH

− широковещательный канал (на множестве логических каналов управления)

BCH

− широковещательный канал на транспортном уровне

BCFE

− функциональный элемент широковещательного управления

822

BER

−

BLER

− вероятность ошибок по блокам передаваемого сообщения

BMC

− протокол управления широковещательной/многоадресной передачей

BoD

− ширина полосы по запросу (для передачи сообщений)

BPSK

− двоичная фазовая манипуляция; двухпозиционная фазовая манипуляция

BS

− базовая станция

BSS

− система базовой станции (BS как подсистема)

BSC

− контроллер базовой станции

CA-ICH

− канал индикации данных о назначении канала

CB

− широковещательный режим в сотовых системах

CBC

− сотовый центр широковещательных данных

CBS

− широковещательная служба в сотовых системах

CCCH

− общий канал управления на множестве логических каналов

CCH − Common Transport Channel

− общий канал управления на транспортном уровне

CCH − Control channel

− канал управления

CD-ICH

− канал индикации данных о столкновении при множественном доступе

CDF

− кумулятивная распределительная функция

CDMA

− множественный доступ с кодовым разделением каналов

CFN

− число фреймов соединения

CIR

− отношение сигнал/помеха в радиоканале

CM

− управление соединением

CN

− базовая сеть

C-NBAP

− общий NBAP (см. NBAP)

CODIT

− испытательная модель с кодовым разделением (Европейский научноисследовательский проект)

CPCH

− общий канал передачи пакетов

CPCH

− общий поисковый канал

CPICH

− общий пилот-канал

CRC

− проверочная комбинация циклического кода

CRNC

− управляющий RNC (контроллер радиосети)

ам сообщения

823

C-RNTI

−

CS

− коммутация каналов

CSICH

− канал индикации состояния CPCH

CTCH

− общий канал; канал информационного обмена (трафика)

CWTS

− группа по стандартам беспроводных средств связи, Китай

DCA

− динамическое назначение каналов

DCCH

− выделенный канал управления на множестве логических каналов

DCFE

− выделенный канал текущего управления

DCH

− выделенный канал

DECT

− цифровая усовершенствованная система беспроводного телефона

DF

− решающая обратная связь

DL

− нисходящая линия (к абонентскому терминалу)

D-NBAP

− выделенный NBAP

DPCCH

− выделенный канал управления на физическом уровне

DPDCH

− выделенный канал передачи данных на физическом уровне

DRNC

− дрейфовый (непостоянный) контроллер радиосети

DRX

− прерывистый прием

DS-CDMA

− множественный доступ с кодовым разделением и прямым расширением спектра

DSCH

− совместно используемый нисходящий канал

DTCH

− выделенный информационный канал

DTX

− прерывистая передача

EDGE

− повышенные скорости передачи данных (для эволюции GSM)

EFR

− усовершенствованный речевой кодек полноскоростной передачи

EIRP

− эффективная изотропно излучаемая мощность

EP

− элементарная процедура

ETSI

− Европейский институт стандартов связи/электросвязи

FACH

− прямой канал доступа

FBI

− информация обратной связи

FDD

− режим частотного разделения дуплексных каналов

FDMA

− множественный доступ с частотным разделением каналов

FER

− вероятность появления ошибок по фреймам

ый RNTI (временный идентификатор радиосети)

824

FP

−

FPLMTS

−

ая наземная система мобильной связи общего пользования

FRAMES

− перспективная широкополосная система с множественным доступом, Европейский научно-исследовательский проект

FTP

− протокол передачи файлов (из набора протоколов IP)

GGSN

− узел межсетевого перехода GPRS

GMSC

− шлюзовый коммутационный центр подвижной связи

GPRS

− пакетная коммутация в сетях подвижной радиосвязи

GPS

− глобальная система местоопределения

GSIC

− подавление интерференционных помех в последовательности передаваемых данных

GSM

− глобальная система мобильной связи

GTP-U

− абонентская часть протокола передачи GPRS

HLR

− домашний (по месту регистрации) регистр пользователя

IC

− подавление помех

ID

− идентификатор пользователя

IETF

− инженерная рабочая группа Интернета

IMSI

− международный идентификационный номер подвижного абонента

IMT-2000

− международная система подвижной связи 2000

IN

− интеллектуальная сеть

IP

− семейство протоколов Интернета

IPI

− интерференция между трактами

IRC

− сложение для подавления различных видов помех

IS-2000

− промежуточный стандарт развития IS-95 (cdma2000)

IS-136

− US-TDMA, одна из систем 2-го поколения, используемая, главным образом, в Америке

IS-95

− cdmaOne, одна из систем 2-го поколения, используемая, главным образом, в Америке и Корее

ISDN

− цифровая сеть с интеграцией служб

ISI

− межсимвольная интерференция

ITU

− Международный союз электросвязи

ITUN

− тунеллирование SS7 ISUP

L2

− уровень 2 (канальный)

825

LAI

−

LAN

− локальная сеть

LCS

− услуги по определению местоположения

LP

− фильтр нижних частот

MA

− мидамбула (обучающая последовательность)

MAC

− уровень управления доступом к среде

MAI

− интерференция при множественном доступе

MAP

− максимум апостериорной вероятности

MCU

− устройство управления многопунктовой связью

MCU

− устройство управления многоточечной (распределенной) системой

ME

− мобильное оборудование

ME

− оборудование подвижной станции

MF

− согласованный фильтр

MLSD

− обнаружение последовательности методом максимального правдоподобия

MM

− управление мобильностью

MMSE

− минимальная среднеквадратическая ошибка

MPEG

− рабочая группа по кодированию элементов движущихся изображений

MR-ACELP

− многоскоростная ACELP

MS

− подвижная станция

MSC/VLR

− центр коммутации подвижной связи/регистр путешествующего пользователя

MT

− мобильный терминал

MTP3b

− подсистема передачи сообщений (широкополосная)

MTP3b

− часть передачи сообщений

MUD

− многопользовательское детектирование при приеме

NAS

− нет слоя доступа

NBAP

− прикладной пакет протоколов к узлу B

NRT

− в нереальном масштабе времени

ODMA

− множественный доступ с использованием предоставляющихся возможностей; множественный доступ за счет переприема

0&M

− эксплуатация и обслуживание

OVSF

− переменный коэффициент расширения спектра в ортогональной сис-

ор зоны местонахождения объекта

826

PAD

−

PC

−

PCCC

− параллельный каскадный сверточный кодер

PCCCH

− общий канал управления на физическом уровне

PCCH

− канал вызова (логический канал)

PCCPCH

− основной общий канал управления на физическом уровне

PCH

− канал вызова (на транспортном уровне)

PCPCH

− общий физический пакетный канал

PCS

− системы персональной связи, сотовые системы второго поколения, используемые главным образом, в Америке, работающие частично в полосе IMT-2000

PDC

− персональная цифровая сотовая связь, система 2-го поколения, используемая в Японии

PDCP

− протокол сходимости пакетных данных

PDP

− протокол передачи пакетных данных

PDSCH

− выделенный нисходящий канал управления на физическом уровне

PDU

− блок протокольных данных

PER

− правила кодирования пакетных данных

PHS

− система персонального ручного телефона

PHY

− физический уровень

PI

− индикатор (счетчик) вызовов

PIC

− параллельное подавление интерференционных помех

PICH

− канал индикатора вызова

PLMN

− наземная мобильная сеть общего пользования

PNFE

− функциональный элемент управления вызовом и оповещением

PRACH

− физический канал со случайным доступом

PS

− коммутация пакетов

PSCH

− совмещенный канал управления на физическом уровне

PSTN

− телефонная сеть общего пользования

P-TMSI

− TMSI в пакетной связи

PU

− блок полезной нагрузки

PVC

− предварительно определенное виртуальное соединение

тью

827

QoS

− ачество обслуживания

QPSK

− квадратурная фазовая манипуляция

RAB

− широкополосный канал радиодоступа

RACH

− канал случайного доступа

RAI

− идентификатор района маршрутизации

RAN

− сеть радиодоступа

RANAP

− прикладной пакет протоколов к RAN

RB

− радиоканал

RF

− радиочастота

RLC

− управление радиоканалом

RNC

− контроллер радиосети

RNS

− подсистема радиосети

RNSAP

− прикладной пакет протоколов к RNS

RNTI

− временный идентификатор радиосети

RRC

− управление радиоресурсами

RRM

− управление использованием радиоресурсов

RSSI

− индикатор уровня принимаемого сигнала

RSVP

− протокол резервирования ресурсов

RT

− в реальном (масштабе) времени

RTCP

− транспортный протокол управления в реальном (масштабе) времени

RTP

− протокол в реальном масштабе времени

RTSP

− протокол передачи потоков данных в реальном масштабе времени

RTSP

− потоковый протокол реального времени

RU

− блок ресурсов

SAAL-NNI

− уровень адаптации сигнализации ATM для интерфейсов «сеть − сеть»

SAAL-UNI

− уровень адаптации сигнализации ATM для интерфейсов «пользователь − сеть»

SAP − Service access point

− точка доступа к услугам

SAP − Session announcement control part

− протокол извещения осеансах

828

SCCP

− ма управления соединением сигнализации; часть сигнализации при управлении соединением

SCCPCH

− вторичный (вспомогательный) общий канал управления на физическом уровне

SCH

− канал синхронизации

SCTP

− простой протокол передачи управления

SDD

− дуплекс с пространственным разделением

SDP

− протокол описания сеансов

SDU

− служебный блок данных

SF

− коэффициент расширения спектра

SFN

− номер фрейма системы

SGSN

− узел по обеспечению услуг GPRS

SHO

− мягкая передача управления

SIB

− информационный блок системы

SIC

− последовательное подавление интерференции

SID

− индикатор аутентификации молчания

SINR

− отношение сигнал/шум, где шум включает и тепловой шум и интерференцию

SIP

− протокол инициализации сеанса

SIR

− отношение сигнал/помеха

SM

− управление сеансом

SMS

− служба передачи коротких сообщений

SN

− номер последовательности

SNR

− отношение сигнал/шум

SRB

− радиоканал сигнализации

SRNC

− обслуживающий RNC

SRNS

− обслуживающий RNS

SS7

− система сигнализации №7 (общеканальная, взаимодействия сетевых элементов)

SSCF

− функция координации, определяемая сервисом

SSCF

− служебно-ориентированная функция координации

SSCOP

− служебно-ориентированный протокол с установлением соединения; протокол, ориентированный на установление соединения в зависимости от сервиса

829

STD

−

STTD

− разнесение при передаче в пространстве и во времени

TCH

− канал трафика

TCP

− транспортный протокол управления

TCTF

− поле типа заданного канала

TD/CDMA

− CDMA с временным разделением; комбинированный TDMA и CDMA

TDD

− режим временного разделения дуплексных каналов

TDMA

− множественный доступ с временным разделением каналов

TE

− терминальное оборудование

TF

− транспортный формат

TFCI

− индикатор комбинации транспортного формата

TFCS

− совокупность комбинаций транспортного формата

TFI

− индикатор транспортного формата

TMSI

− временный идентификатор подвижного абонента

TPC TR

− управление мощностью передачи − прозрачный режим

TS

− техническая спецификация

TSTD

− разнесение антенн при передаче с временной коммутацией

TTA

− Ассоциация по технике электросвязи; Ассоциация по технологии телекоммуникаций (Корея)

TTC

− Комиссия по технике электросвязи; Комиссия по технологии телекоммуникаций (Япония)

T×AA UDP

чаемое разнесение передачи

− передающие адаптивные антенны − дейтаграммный протокол пользователя (протокол обработки блоков данных в базовой сети)

UE

− абонетское оборудование

UL

− восходящая линия (от абонентского терминала)

UM

− неподтвержденный режим

UMTS

`− универсальная мобильная телекоммуникационная подвижная система

URA

− зона регистрации UTRAN

URL

− унифицированный указатель ресурсов

U-RNTI

− UTRAN RNTI, временный идентификатор в UTRAN

USCH

− восходящий совмещенный канал

830

USIM

−

US-TDMA

− IS-136, одна из систем 2-го поколения, используемая, главным образом, в США

ль идентификации абонента сети UMTS

831

UTRA −UMTS Terrestrial radio access (ETSI) UTRA − Universal Terrestrial radio access (3GPP)

−

UTRAN

− сеть наземного радиодоступа системы UMTS

VAD

− детектор речевой активности

VoIP

− речь через сетевой интерфейс IP

WARC

− Всемирная административная конференция по радиочастотам

WCDMA

− широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов

WLL

− беспроводная сеть локального доступа

WWW

− глобальное соединение, «всемирная паутина»

ZF

− нулевое принуждение; приведение к нулевому состоянию системы автоматического регулирования.

ый радиодоступ к UMTS (ETSI)

− универсальный наземный радиодоступ (3GPP)

832