ГЛАВА 4

 

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ РАДИОДОСТУПА UMTS

 

Симек Найан и Хеши Кааранен

(Siamak Naghian and Heikki Kaaranen)

 

В настоящей главе дан краткий обзор различных технологий радиодоступа UMTS. Как отмечается в технических условиях проекта 3GPP, UMTS — это больше, чем просто технология или метод доступа. Напротив, это смесь от­борных технологий и тенденция в исследовании механизма, который смог бы заставить эти отборные методы работать вместе так, чтобы пользователь всегда получал удовольствие от предоставляемых услуг, покрытия и соответ­ствующих платформ.

В настоящее время технические условия проекта 3GPP упоминают три основные технологии доступа:

 

•  широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов WCDMA и его варианты, которые обсуждались в главе 3. Ва­рианты дуплексной работы с частотным разделением ЧРД остаются все еще   наиболее   используемыми   и   в   UMTS.   Кроме   того,   система WCDMA усилена технологией высокоскоростного пакетного доступа в нисходящем направлении HSDPA и технологиями доступа, использую­щими ее в других комбинациях;

•  радиодоступ глобальной системы мобильной связи с передачей данных GSM/EDGE, появившейся в процессе эволюции GSM и послуживший основой для стандарта 3GPP R99;

•  дополнительный доступ — это кандидаты на роль доступа для системы UMTS, которые уже разработаны или будут разработаны в будущем. Среди них беспроводная локальная вычислительная сеть WLAN, ко­торая может сыграть в будущем существенную роль и сейчас еще изу­чается.

 

4.1. Суть метода WCDMA

 

Основная радиотехнология, задействованная в UMTS, — это метод WCDMA, варианты которого с организацией дуплекса с частотным или вре­менным разделением (ЧРД и ВРД соответственно) были выбраны Европейским

 

Рис. 4.1. Принцип расширения спектра прямой последовательностью DSSS

 

институтом стандартизации в связи (ETSI) в 1998 году. Хотя система WCDMA почти такая же, как CDMA, она имеет более широкий спектр, ис­пользует другие каналы сигнализации и управления, более широкий набор усовершенствованных средств реализации требований системы 3G и, таким образом, существенно отличается от своего прототипа. В следующих разде­лах настоящей главы мы кратко рассмотрим радиотехнологию WCDMA в той степени, чтобы помочь читателю понять основы структуры и работы ра­диоинтерфейса 3G и почувствовать требования к общей архитектуре сети. Основные параметры WCDMA, такие как плавная передача обслуживания1, управление мощностью передачи, распределение кодов, механизм обеспече­ния трафика в радиоинтерфейсе и т.д., предполагают наличие определенно­го набора функций и соответствующих элементов сетевой архитектуры.

 

4.1.1. Основные принципы

 

В основу WCDMA положен метод расширения спектра прямой последова­тельностью (DSSS2), принцип которого иллюстрируют рис. 4.1 и 4.4. Пред­положим, что сигнал передается от базовой станции ВС к мобильной стан­ции МС. На базовой станции передаваемый сигнал со скоростью перемно­жается с широкополосным сигналом, расширяет свой спектр, образуя сигнал с полосой частот. В мобильной станции принимаемый сигнал перемножает­ся с таким же широкополосным сигналом. Теперь если широкополосный сигнал, генерируемый в МС, синхронизирован с кодом расширяющего сиг­нала, то в результате будет получен исходный сигнал плюс некоторые высо­кочастотные составляющие. Высокочастотные составляющие, которые не составляют часть исходного сигнала, могут быть легко отфильтрованы. Одна­ко, если на входе мобильной станции появится какой-либо нежелательный сигнал, то расширяющий сигнал будет подавлять его; при этом будут выполняться

 

Рис. 4.2. Несущая частота WCDMA одного направления и ее параметры

 

те же действия, что и с исходным сигналом на БС, т. е. расширение до полосы частот расширяющего сигнала.

Принцип действия метода WCDMA более устойчив, гибок и хорошо по-мехозащищен, надежен в отношении радиоподавления и перехвата. Однако, чтобы реализовать свои преимущества, WCDMA занимает более широкую по сравнению с обычной CDMA полосу частот. Благодаря этому WCDMA мо­жет использовать на радиоинтерфейсе Uu несколько каналов. Эффективная полоса частот на радиоинтерфейсе WCDMA равна 3,84 кГц, а вместе с за­щитными полосами составляет 5 МГц, см. рис. 4.2.

Кроме того, планируется, что системы WCDMA должны будут иметь воз­можность работать в различных диапазонах частот, приведенных в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1. Рабочие полосы, выделенные 3GPP для систем с ЧРД

 

 

Как и в схеме с прямым расширением спектра DS-CDMA, в схеме WCDMA сигнал данных на передающей стороне скремблируется псевдослу­чайной последовательностью ПСП для расширения сигнала абонента на всю полосу. В приемнике принимаемый сигнал извлекается с помощью такой же кодовой последовательности. Исходя из основных принципов теории инфор­мации, можно получить несколько упрощенных выводов:

Рис. 4.3. Радиоинтерфейс WCDMA и обработка бит

 

•  Передаваемая   информация   представлена   определенной   мощностью, скажем. Pnf.

•  Чем  шире  полоса,  задействованная для  передачи  информации,  тем меньше мощность, представляющая передаваемую информацию в за­данной, малой области передаваемой полосы частот. Другими словами, общая мощность Pinfпредставляет в данном случае интеграл по переда­ваемой полосе частот.

•  Чем больше передается информации, тем большая мощность требуется. Следовательно, при моментальном всплеске энергии Pinf- также возрас­тает. В этом смысле отметим, что чем больше скорость передачи исход­ного сигнала, тем большая мощность требуется.

 

Если мы примем сказанное во внимание и объединим это с информа­цией, представленной на рис. 3.12, то мы можем понять, как WCDMA обра­батывает один элемент данных абонента — «бит».

На радиоинтерфейсе каждый исходный информационный бит можно сравнить с «ящиком», объем которого постоянен, но размеры изменяются в зависимости от ситуации. При рассмотрении рис. 4.3 можно видеть, что при WCDMA глубина ящика (полоса частот) — величина постоянная. Два других измерения (высота и ширина), мощность и коэффициент расширения — ве­личины переменные. Исходя из этого, можно сделать следующие выводы:

 

•  Чем больше расширяется сигнал, тем меньше энергии приходится на один бит (мощность). Это верно при невысокой скорости исходного потока бит. Другими словами, коэффициент расширения возрастает, а мощность убывает.

•  Чем меньше коэффициент расширения, тем больше энергии приходит­ся на один бит. Это верно при высокой скорости исходного потока бит. Другими словами, коэффициент расширения убывает, а мощность возрастает.

 

В WCDMA предмет путаницы составляет понятие «бит»: что такое бит и что не бит во всех случаях. Понятие «бит» относится к информационным битам: это именно те «биты», которые возникают в исходном потоке данных

 

Рис. 4.4. Бит, чип и символ, а также порядок прохождения сигнала в WCDMA

 

 

пользователя. Бит, появившийся в коде, который используется для расшире­ния, называется «чип». Используя эти понятия, представим основные свой­ства WCDMA.

Скорость следования бит в кодах, используемых для расширения исход­ного сигнала, по определению равна 3,84 Мбит/с. Эта величина постоянна во всех вариантах исполнения WCDMA, используемых в сетях проекта 3GPP. Данный параметр называется «системной скоростью чипов» SCR' и равен 3,84 Мчип/с (мегачип в секунду). При такой скорости SCR длитель­ность одного чипа во времени равна 1/384 000 = 0,00000026041 сек.

Как упоминалось выше, основная идея WCDMA заключается в том, что сигнал, передаваемый по радиотракту, формируется перемножением исходно­го цифрового сигнала с другим со значительно большей скоростью бит. По­скольку оба этих сигнала содержат биты, то на приеме должно быть обеспече­но четкое разделение типов принимаемых бит (см. рис. 4.4). Таким образом:

 

•  Информация на радиоинтерфейсах передается символами. Символ по­является в результате модуляции. Перед модуляцией поток данных або­нента, состоящий из бит, подвергается канальному кодированию, свер-точному кодированию и согласованию скоростей (см. рис. 4.3, где куб в середине рисунка представляет один символ). В зависимости от ис­пользуемого вида модуляции символ представляется различным числом бит. В случае DS-WCDMA-FDD один символ, передаваемый в восхо­дящем направлении, представляет один бит, а один символ, передавае­мый в нисходящем направлении, представляет два бита. Эта разница возникает из-за различия методов модуляции, используемых в восходя­щем и нисходящем направлениях.

•  Один бит, используемый в умножающей кодовой последовательности, называют «чип».

 

Но каким образом мы можем зафиксировать нужный сигнал на прием­ной стороне? Процесс, в сущности, достаточно прямолинеен: для выделения нужного сигнала каждый приемник использует свой собственный уникаль­ный код. Принимаемый сигнал перемножается с собственным кодом прием­ника, а в итоге на выходе схемы умножения приемника получаем исходный сигнал, который был на входе схемы перемножения на передаче. Если пере­множаются верная кодовая последовательность и нужный принимаемый сиг­нал, то в результате после интегрирования будут наблюдаться данные с яс­ными пиками сигнала; в противном случае после интеграции данных в них не будут содержаться выраженные пики сигнала, необходимые для последу­ющей обработки.

То, насколько расширяется сигнал, зависит от используемого коэффици­ента расширения. Коэффициент расширения — это множитель, который по­казывает, сколько чипов используется на один символ в радиотракте WCDMA. Коэффициент К расширения может быть выражен в следующем виде:

K=2k

при к = 0, 1, 2, ..., 8.

Например, при k- 6 коэффициент расширения будет равен 64. Это озна­чает, что в восходящем направлении радиотракта WCDMA один символ ис­пользует 64 чипа (см. таблицы 4.2 и 4.3). Другое наименование коэффициен­та расширения — выигрыш от обработки Gp, который может быть выражен как функция используемой полосы частот:

 

где BUu — полоса частот на интерфейсе Uu, а ВB — полоса частот, согласо­ванная со скоростью исходных данных. Другими словами, ВB всегда содер­жит избыточную информацию в виде канального кодирования и защиты от ошибок. Исходя из приведенных выше соотношений и принимая во внима­ние разницу числа бит, которое приходится на один символ несущей в вос­ходящем и нисходящем направлениях, мы можем рассчитать скорость пере­дачи в битах, предоставляемую WCDMA.

 

Таблица 4.2. Соотношение коэффициента расширения, скорости следования символов и бит в восходящем направлении

 

Таблица 4.3. Соотношение коэффициента расширения, скорости следования символов и бит в нисходящем направлении

Эти таблицы показательны тем, что из них видно, как доля данных поль­зователя (полезной нагрузки) зависит от используемой конфигурации радио­канала.

В системе WCDMA используется несколько типов кодов. Теоретически достаточно одного типа кода, на практике же физические характеристики радиотракта вынуждают использовать в системе WCDMA для разных целей разные коды. Эти коды имеют такие свойства, как ортогональность и авто­корреляция, что делает их пригодными для их специфических целей. Суще­ствует три основных вида кодов: каналообразующие, скремблирующие и рас­ширяющие коды. Использование кодов показано в таблице 4.4.

 

Таблица 4.4. Типы колов WCDMA

Другой предмет путаницы, связанной с WCDMA, — это то, что одно и то же понятие может появляться под разными наименованиями. Эта путаница наименований происходит и при использовании кодов. Например, в зависи­мости от типа используемого кода скремблирующие коды называют по-раз­ному: они известны как «золотые коды» (часто используется в технических статьях по радиотракту) и «длинные коды». В противовес этому наименова­ние «скремблирующие коды» представляется предпочтительным. В направле­нии нисходящих линий скремблирующие коды используются для разделения сот и секторов. Скремблирующие коды используются и в восходящем на­правлении. В этом случае абоненты (т. е. их мобильные телефоны) отделяют­ся друг от друга с помошью скремблирующего кода.

Так как поток данных абонента занимает всю полосу частот, правильный сигнал может быть принят с минимальными искажениями. Для того чтобы разделить различные передаваемые сигналы, распределенные по всей полосе частот, используют расширяющие коды. Расширяющие коды представляют собой уникальные, однозначные кодовые последовательности, выделяемые сетью перед началом выполнения операций. Их можно рассматривать как «ключи», которые используются между мобильным аппаратом и сетью. Оба конца соединения используют этот «ключ» для открывания передаваемого шумоподобного широкополосного сигнала. Или, если говорить точнее, для выделения верной широкополосной передачи из полосы частот, поскольку передающий тракт может содержать множество соединений мобильной сети.

С точки зрения расширяющих кодов емкость соты зависит от числа скремблируюших кодов, выделенных данной соте в нисходящем направле­нии (минимум равен 1). Каждый скремблирующий код имеет набор канало-образующих кодов, а каждая сота и операция по обработке требуют для ра­боты один каналообразующий код. На практике один расширяющий код фактически равен скремблирующему коду, умноженному на каналообразую­щий код. Если каналообразующий код не используется, то расширяющий код такой же, как и скремблирующий код. Таким образом, расширяющий код зависит от типа доставляемой информации. Обычная информация, пере­даваемая в соте в направлении мобильных телефонов, использует несколько каналообразующих кодов из заданного множества.

 

4.1.2. Радиоканалы WCDMA

 

Система радиодоступа WCDMA выделяет абонентам полосу частот. Эту по­лосу частот и функции управления ею в обиходе называют «каналом». Функ­циональные возможности конкретной системы WCDMA определяют, какого вида каналы необходимы и как их организовать. Как показано на рис. 4.5, каналы, организуемые в системе WCDMA, разделены на три уровня: логиче­ские каналы, транспортные каналы и физические каналы. Логические кана­лы представляют тип информации, подлежащей передаче, транспортные ка­налы показывают, как будут передаваться логические каналы, а физические каналы представляют «среды передачи», обеспечивающие рад и о платформу, которая фактически распространяет информацию.

Оглядываясь назад на вопросы архитектуры, рассмотренные в главе 1, можно заметить, что структуры каналов и их использование заметно отлича­ются от систем GSM. Понятие «физические каналы» означает различные типы полос пропускания, обусловленные различными задачами интерфей­сов Uu. Другими словами, физические каналы фактически образуют физиче­скую основу интерфейсов Uu между местом, в котором находится оборудо­вание абонента UE, и зоной доступа. В системах GSM физические каналы и их структура опознаются контроллером базовой станции BSC, а в системах WCDMA они (физические каналы) распознаются на стыке Uu и в контрол­лере радиосети RNC, при этом структура каналов не всегда распознается полностью.

RNC «видит» не физические, а транспортные каналы. Транспортные каналы переносят различную информацию, которая проходит через интерфейс Uu,

 

Рис. 4.5. Логические, транспортные и физические каналы в системе WCDMA UTRAN

 

 

а на базовой станции БС физические элементы вставляют эти информационные потоки в физические каналы. Логические каналы — это не реальные каналы как таковые, они скорее могут быть поняты как различ­ные задачи сети и абонентских окончаний, которые должны выполняться в определенное время. Эти частные временные структуры вписываются в транспортные каналы, что позволяет передать информацию между местом' расположения UE и зоной доступа.

Говоря о логических каналах, нужно отметить, что оборудование абонен­та UE и сеть выполняют разные задачи. Поэтому структуры логических, транспортных и физических каналов несколько отличаются в каждом на­правлении. Огрубляя, можно сказать, что сеть должна выполнять следующие функции:

•  Сеть должна информировать UE о состоянии радиоокружения. Это мо­гут быть, например, значения кода или кодов, используемых в дан­ной и соседних сотах, разрешенные уровни мощности и т. д. Этот тип информации передается в  UE  по логическим каналам,  называемым «Каналами управления вещательного типа» — ВССН.

•  Когда возникает необходимость в установлении связи с определенным абонентом (т. е. нужно установить связь с мобильным телефоном UE), то необходимо найти данный UE, определить его точное местоположе­ние. Это требование сети, исполняемое логическими каналами, назы­вается каналом управления поиском — РССН2.

•  Сеть может выполнять различные задачи, которые являются или могут быть общими для всего абонентского оборудования UE, находящегося в соте. В таких случаях сеть использует логический канал, называемый «общим каналом управления» — СССН3. Поскольку многочисленные устройства UE могут использовать канал СССН одновременно, то для целей идентификации они должны использовать временную систему идентификации U-RNTI1 (Radio Network Temporary Identity) назем­ной сети доступа UTRAN UMTS. После изучения принятой информа­ции U-RNTI сеть UTRAN может направить сообщения к нужному обслуживающему контроллеру RNC. Система U-RNTI обсуждается в главе 5.

•  Когда в сети есть активные выделенные соединения, то она посылает управляющую информацию об этом по логическому каналу, называе­мому выделенным каналом управления — DCCH2.

•  Выделенный трафик: выделенный абонентский трафик для одной услу­ги передается в нисходящем направлении по логическому каналу, на­зываемому выделенным каналом трафика — DTCH3.

•  Общий канал трафика СТСН4 — это однонаправленный канал, образо­ванный только в нисходящем направлении. Он используется для пере­дачи информации ко всем аппаратам UE данной соты или только ка­кой-то группы UE.

 

Обзор организационных каналообразующих структур (организации кана­лов в системе) WCDMA представлен на рис. 4.6. Все показанные на рисунке транспортные каналы, за одним исключением, являются обязательными. Обязательные транспортные каналы представлены вещательными каналами ВСН5, поисковыми каналами РСН6, каналами прямого доступа FACH7 и вы­деленными каналами DCH8. В дополнение к ним оператор может конфигу­рировать сеть UTRA для использования совместных исходящих каналов DSCH9 и высокоскоростных совместных исходящих каналов HS-DSCH10. Все эти транспортные каналы являются каналами общего пользования, за исключением выделенных транспортных каналов DCH. В этом контексте термин «выделенные» означает то, что в сети доступа UTRAN есть каналы, которые используются только определенными абонентскими терминалами. Термин «общий» означает, что несколько терминалов могут использовать каналы совместно.

Каналы ВСН обеспечивают перенос логических каналов ВССН, т. е. спе­цифическую информацию сети UTRA в соте. Эта информация состоит, на­пример, из кодов случайного доступа, информации об окнах доступа и о со­седних сотах. Абонентское оборудование UE, для того чтобы зарегистриро­ваться в сети, должно уметь декодировать сигналы ВСН. Сигналы ВСН транслируются с относительно высокой мощностью, с тем чтобы каждый абонентский терминал мог «услышать» их по всей зоне покрытия данной соты. Каналы РСН обеспечивают перенос пейджинговой, поисковой инфор­мации и используются тогда, когда сеть инициирует соединение с определенным терминалом UE.

Каналы прямого доступа FACH передают управля­ющую информацию в оборудование UE, которое должно быть известно в сети. Например, когда RNC получает от терминала сообщение случайного доступа, то ответ доставляется по каналам FACH. Кроме того, по каналам FACH в нисходящем направлении может передаваться пакетный трафик. В соте может быть много каналов FACH, но один из них всегда организуется так, чтобы все оконечное оборудование, находящееся в данной соте, могло принимать по нему информацию (низкоскоростной канал). Каналы DCH передают выделенный трафик и информацию управления, т. е. логические каналы DCCH и DTCH. Следует заметить, что в зависимости от ситуации, один канал DCH может передавать несколько DTCH. Например, абонент может одновременно установить связь по видео- и аудиоканалам. Аудиока-нал использует один логический канал DTCH, а канал видео требует отдель­ного логического канала DTCH. Тем не менее для обоих используется один транспортный канал DCH. С точки зрения пропускной способности цель UTRA заключается в том, чтобы использовать как можно больше общих транспортных каналов, поскольку выделенные каналы расходуют радиоре­сурсы. Необязательные совместные исходящие каналы DSCH — это предмет возрастающего интереса. Они предназначены для переноса пакетного трафи­ка абонентов (т. е. логических каналов DTCH и DCCH), причем несколько абонентов могут использовать канал DSCH совместно. В этом отношении каналы DSCH значительно лучше, чем DCH, поскольку позволяют сохра­нить ресурсы пакетной сети в нисходящем направлении. Еще одной причи­ной является то, что максимум скорости в каналах DSCH и HS-DSCH мо­жет быть изменен быстрее, чем в DCH. Ожидаемое широкое использование услуг, приводящих к случайным всплескам пакетов (например, веб-сёр­финг1), повышает заинтересованность в канапах DSCH и особенно в HS-DSCH.

Для увеличения пропускной способности передачи данных в системе WCDMA в стандарте 3GPP R5 выделено несколько новых транспортных и физических каналов. Транспортный канал HS-DSCH может использоваться несколькими мобильными устройствами совместно. Он связан с одним ни­сходящим выделенным физическим каналом DPCH2, одним или несколь­кими совместно используемыми новыми высокоскоростными каналами управления HS-SCCH3, а также с восходящими выделенными каналами управления HS-DPCCH4 для передачи информации, относящейся к инфор­мации обратной связи. Канал HS-DSCH может передаваться по всей соте или только по ее части, например для лучевых антенн. Канал управления HS-SCCH, рассчитанный на фиксированную скорость (60 кбит/с, коэффи­циент расширения SF - 128), используется обычно для поддержания сигна­лизации в нисходящем направлении канала HS-DSCH. На физическом уровне для доставки транспортного канала HS-DSCH используется высоко­скоростной физический нисходящий канал совместного использования HS-PDSCH5 с фиксированным коэффициентом расширения SF = 16. Если мобильный аппарат запросил разрешение на использование нескольких каалообразующих кодов в одном подкадре HS-PDSCH, то скорость переда­чи значительно возрастет.

Общее число логических каналов, нужных в восходящем направлении, меньше. В этом направлении предусмотрено только три логических канала: СССН, DTCH и DCCH. Аббревиатуры имеют те же значения, что и для ка­налов нисходящего направления.

Рис. 4.7. Физические каналы WCDMA

 

В восходящем направлении предусмотрено три обязательных транспорт­ных канала: канал случайного доступа RACH1, выделенный канал DCH и об­щий пакетный канал СРСН2. Канал RACH передает в сеть UTRAN управляю­щую информацию от UE, например запрос на установление соединения. Кро­ме того, RACH может передавать небольшое количество пакетов данных, У выделенного канала DCH те же функции, что и в нисходящем направлении, т. е. передача информации логических каналов DCCH и DTCH по выделен­ным транспортным каналам. Канал СРСН представляет собой транспортный канал, предназначенный для пакетной передачи данных. В нисходящем на­правлении прототипом каналов RACH и СРСН служит канал FACH.

Когда информация логических каналов собирается для передачи по транспортным каналам, то она уже находится в формате, готовом для пере­дачи. Перед передачей транспортные каналы преобразуются для работы по физическим каналам. Другие физические каналы используются для контроля радиопередающей среды, задач модификации и доступа.

Физические каналы используются между абонентским терминалом и ба­зовой станцией. В соответствии со структурными сетевыми решениями, из­ложенными в начале данной книги, организация физического доступа, т. е. физических каналов, отделена от других уровней. Такой подход дает возмож­ность теоретически помещать физическую среду радиодоступа ниже осталь­ных уровней. На практике, конечно, изменение среды радиодоступа влияет на верхние уровни, но такое распределение ролей минимизирует учет таких изменений.

Первичный общий физический канал управления Р-ССРСН3 транспор­тирует в нисходящем направлении каналы вещательного типа ВСН. Ка­нал Р-ССРСН доступен всем мобильным терминалам, находящимся в зоне покрытия соты, т. е. все терминалы могут понимать (демодулировать) его со­держимое. Из-за этого требования каналы Р-ССРСН имеют некоторые характеристики, которые фактически ограничивают их по сравнению с други­ми каналами данной системы. Каналы Р-ССРСН используют фиксированные каналообразующие коды, а следовательно, и фиксированный коэффициент расширения. Это обязательное условие, так как в противном случае абонент­ские терминалы не могли бы «видеть» и демодулировать каналы Р-ССРСН. Скорость передачи в канале Р-ССРСН равна 30 кбит/с при коэффициенте расширения 256. Эта скорость передачи достаточно низкая, и передача ведется с относительно высокой мощностью. Если используется более высокая ско­рость, то помехи начинают увеличиваться, что ограничивает пропускную спо­собность системы. Поэтому в данном специфическом случае соотношение между расширяющим кодом, передаваемой мощностью и скоростью бит может быть представлено как отклонение от основных принципов WCDMA, рассмотренных ранее, потому что в принципе есть возможность использовать более низкую мощность с заданной скоростью передачи в канале.

Вторичный общий физический канал управления S-CCPCH1 транспорти­рует два транспортных канала: РСН и FACH. Эти транспортные каналы мо­гут использовать один и тот же или разные каналы S-CCPCH. Поэтому сота всегда содержит хотя бы один канал S-CCPCH. Скорость канала S-CCPCH фиксирована и относительно невысока по тем же соображениям, что и в ка­нале Р-ССРСН. Позднее скорость в канале S-CCPCH может быть увеличена за счет системных изменений. Канал S-CCPCH имеет переменную конфигу­рацию и в каждом конкретном случае может быть сконфигурирован по-раз­ному, чтобы оптимизировать параметры системы. Например, контрольные символы могут быть включены или нет. Относительно изменяемых парамет­ров канала S-CCPCH следует отметить, что один из примеров увеличения возможностей системы представляет мультиплексирование в S-CCPCH ин­формации каналов РСН и FACH и поискового канала в отдельном канале, называемом каналом пейджинговой индикации PICH2.

Выделенный физический канал данных DPDCH3 передает выделен­ный абонентский трафик. Размер канала DPDCH изменяется, и он может использоваться для нескольких вызовов/соединений. Наименование «выде­ленный» означает, что канал используется между сетью и одним абонентом. Выделенные каналы в одном соединении всегда связываются парами: один канал для передачи управляющей информации и другой для трафика. Выде­ленный физический общий канал DPCCH4 передает управляющую инфор­мацию в течение времени этого соединения. На рис. 4.8 показано, каким об­разом организованы каналы DPDCH и DPCCH в исходящем и нисходящем направлениях.

В нисходящем направлении канал DPDCH, который передает данные абонента, и канал DPCCH, передающий, например, информацию управле­ния мощностью и скоростью данных, мультиплексируются во времени. Если

 

Рис. 4.8. Организация каналов DPDCH и DPCCH в исходящем и нисходя­щем направлениях

 

информация для передачи по каналу DPDCH отсутствует, то передается им­пульсный сигнал типа электромагнитной помехи, что не составляет труда в нисходящем направлении. В восходящем направлении каналы DPDCH и DPCCH разделены с помощью I/Q модуляции. При отсутствии информации для передачи в канале DPDCH шумоподобная импульсная помеха также не передается. На выходе ветвей J/Q модулятора абонентского терминала UE фактически находится один канал, но передается по нему два информацион­ных потока (см. рис. 4.8), использующих ресурсы одного кода.

Каналы DPDCH и DPCCH совместно передают содержимое транспорт­ных каналов DCH. Кода выделенные соединения используется для высоко­скоростной передачи, то система вскоре начинает испытывать недостаток каналообразующих кодов в соте. В этом случае есть две возможности разре­шения ситуации: либо добавить в соту новые скремблирующие коды, либо использовать каналы общего пользования для трансляции выделенных дан­ных. Добавление скремблируюших кодов не рекомендуется из-за потери ор­тогональности. Вместо этого для повышения пропускной способности па­кетной передачи данных можно использовать ресурсы каналов общего поль­зования. Нисходящие каналы DCH могут передавать информацию о том, должен ли абонентский терминал UE декодировать дополнительную инфор­мацию в нисходящем физическом канале совместного использования PDSCH1. Транспортный канал DSCH использует физический канал PDSCH и, как пояснялось ранее, канат DSCH содержит необязательные параметры, которые оператор может использовать или не использовать.

Если существует необходимость в передаче пакетных данных в восходя­щем направлении, то емкости канала RACH может оказаться недостаточно. В этом случае оборудование абонента UE может использовать для передачи пакетов восходящую линию СРСН.  Общий физический пакетный  канал

Рис. 4.9. Основная процедура случайного доступа

 

РСРСН1 представляет соответствующий физический канал восходящего на­правления. Аналогом канала СРСН в нисходящем направлении служит DPCCH. Пакетный канал со случайным доступом PRACH2 служит для пе­реноса информации о процедуре случайного доступа RAP3 (см. рис. 4.9). По этой процедуре обеспечивается доступ оконечных устройств к сети и мо­жет быть передан небольшой объем данных. Процедура случайного доступа включает следующие фазы:

 

1. Терминал   UE декодирует информацию  ВСН  в канале  Р-ССРСН и определяет, какой канал может быть занят и какой скремблирующий код может быть использован.

2. Терминал UE случайным образом занимает для использования один канал RACH.

3. Терминал   UE  устанавливает для использования  начальный  уровень мощности (этот уровень устанавливается по уровню мощности, прини­маемой по нисходящему каналу) и посылает в сеть так называемую «преамбулу».

4. Терминал UE, чтобы определить, зарегистрировала ли сеть отосланную преамбулу, декодирует сообщение в канале AICH4. Если контакта нет, то U Е отправляет преамбулу еще раз, но уже с более высоким уровнем мощности.

5.  Если канал AICH подтверждает, что сеть зарегистрировала преамбулу, то UE посылает информацию RACH по каналу PRACH. Длина посы­лаемого сообщения RACH занимает один или два цикла WCDMA, со­ставляющих 10 или 20 мс.

 

Канал синхронизации SCH1 обеспечивает абонентские терминалы UE, находящиеся в зоне покрытия, поисковой информацией. Канал синхрониза­ции SCH фактически состоит из двух каналов — первичного и вторичного каналов синхронизации P-SCH2 и S-SCH3. Первичный канал синхрониза­ции P-SCH использует фиксированные каналообразующие коды, длиной по 256 бит и одинаковые во всех сотах системы. После демодуляции оборудова­нием UE сигнала P-SCH система входит в цикловой (кадровый) и каналь­ный синхронизм, а также устанавливается группа скремблирующих кодов, используемых в соте.

Совмещенный контрольный канал CPICH4 представляет нем одул ирован-ный кодом канал, скремблированный специальным кодом соты. Канал CPICH используется для приблизительной оценки выделенных каналов (по терминалам) и обеспечивает исходное расчетное количество каналов при привлечении совмещенных каналов. В этом отношении функции контроль­ного сигнала во многом напоминают функции настроечной последователь­ности, передаваемой в середине пакета GSM. Обычно в соте бывает только один контрольный канал CPICH, но может быть и два таких канала. В этом случае один из них называется первичным, а другой — вторичным. Сота мо­жет содержать вторичный канал CPJCH, например, для обслуживания узко-направленного луча антенны, выделенного для районов «горячих точек». В этом случае выделенный район обслуживается вторичным каналом СРГСН, а первичный канал СРГСН используется по всей зоне покрытия ячейки. Терминалы непрерывно слушают контрольный сигнал, и это объяс­няет, почему он используется для обеспечения жизнеспособности системы, например измерений при передаче обслуживания и выравнивания нагрузки по ячейке. С точки зрения системы подстройка уровня мощности в канале CPICH выравнивает нагрузку между сотами. Терминал UE всегда отыскивает наиболее привлекательные соты, а при снижении уровня мощности в канале CPICH привлекательность соты уменьшается.

Другие каналы, перечисленные на рис. 4.7, предназначены для индика­ции статуса канала СРСН (CSICH5), индикации обнаруженных коллизий (CD-ГСН6) и индикации присвоенного канала (CA-ICH7). Канат CSICH использует свободное пространство, которое образуется в канале обнаруже­ния захвата AICH, и служит для информирования терминала UE о сущест­вовании и конфигурации канала СРСН. Для избежания коллизий, т. е. си­туаций, когда два терминала UE используют одну и ту же идентифицирую­щую последовательность, используются каналы CD-ICH и CA-ICH. Эти физические каналы передают в терминал UE информацию об обнаружении коллизии.

Рис. 4.10. Структура цикла WCDMA

 

4.1.3. Структура цикла WCDMA

 

Для поддержания в сегменте радиодоступа между мобильной станцией и се­тью надлежащих управляющих действий по управлению тактовой частотой, синхронизации, надежности передачи и т.д., сеансы передачи данных дол­жны быть надлежащим образом организованы. Для этого в WCDMA преду­смотрена структура цикла, разбитая на 15 канальных интервалов (КИ), каж­дый по 2/3  мс, и, следовательно, цикл состоит из 10 мс (см. рис. 4.10.).

Исходя из этого, один цикл WCDMA может содержать:

Система WCDMA в отличие от GSM не содержит ни супер-, ни гипер-, ни сверхцикловых структур. Вместо этого циклам WCDMA присваиваются номера системы нумерации циклов SNF1. Номер SNF используется для синхронизации в системе доступа UTRAN и тактовой поддержки канала

вссн.

Рисунки 4.11 и 4.12 иллюстрируют структуры циклов выделенных кана­лов в восходящем и нисходящем направлениях соответственно. Как видно из рисунков, в разных направлениях передачи выделенные физические каналы имеют различные структуры.

В случае восходящей линии структура основного цикла канала повторяет структуру цикла нисходящей линии, а главное отличие заключается в том, что выделенный восходящий канал не может рассматриваться как временной мультиплексор каналов DPDCH и DPCCH. Из этого следует, что для физи­ческих каналов в восходящем направлении возможен многокодовый режим работы. Однако следует заметить, что в многокодовом режиме несколько па­раллельных каналов DPDCH передаются с использованием различных кана-лообразуюших кодов, при этом на каждое соединение приходится только один канал DPCCH.

Рис. 4.11. Структура цикла выделенного восходящего физического канала

 

В восходящем направлении канал DPCCH содержит контрольные биты для установления режима когерентного детектирования. Это биты команд управления мощностью передачи ТРС, информация обратной связи FBI2 и устанавливаемый по требованию индикатор комбинации транспортного формата TFCP, который информирует приемник о текущих значениях пара­метров различных транспортных каналов, мультиплексируемых в канале DPDCH, и соответствует данным, передаваемым в этом же цикле.

В случае нисходящей линии каждый канальный интервал содержит биты управления, биты регулирования уровня мощности передачи, индикатор транспортного формата и данные.

Следует отметить, что в нисходящем канале DPCH выделенные данные, генерируемые на втором уровне или выше (т. е. DCH), передаются в режиме временного мультиплексирования с управляющей информацией, создавае­мой первым уровнем (известные контрольные биты, биты команд управле­ния мощностью ТРС и устанавливаемый по требованию индикатор TFCI).

Рис. 4.12. Структура цикла выделенного нисходящего физического канала

 

Поэтому канал DPCH может рассматриваться как система временного муль­типлексирования каналов DPDCH и DPCCH нисходящего направления. Кроме того, для достижения компромиссов при стандартизации учтены сле­дующие соображения:

 

•  необходимость   минимизации   времени   непрерывной   передачи   мо­бильного телефона;

•  более эффективное использование ортогональных кодов;

•  необходимость минимизации времени задержки регулирования мощно­сти с использованием сдвига канальных интервалов нисходящих кана­лов относительно восходящих каналов.

 

Структуры общих и выделенных каналов одинаковые, и основная разни­ца между ними заключается в том, что в совмещенных каналах биты команд управления мощностью ТРС не используются.

В завершение в таблице 4.5 приведены основные данные описанной выше системы WCDMA с частотным дуплексом FDD. Эти технические па­раметры обеспечивают соответствие системы WCDMA-FDD требованиям мобильной системы связи третьего поколения 3G.

 

4.2. HSDPA — улучшенная версия WCDMA

 

4.2.1. Введение

 

На ранних стадиях развития UMTS было принято, что трафик передачи дан> ных будет следовать тенденции, вынесенной из опыта сетей фиксированной связи, в которых доля трафика IP становилась доминирующей. Проект 3GPP уже инициировал концепцию «Только IP», которая должна была обеспечить поддержку трафика IP базовой сетью UMTS за счет введения в нее новых элементов, таких как мультимедийная подсистема IP IMS. Стало очевидным,

что для увеличения общей пропускной способности передачи данных в сети следует сфокусировать усилия на развитии сети доступа UTRAN и, в частно­сти, на ее радиоинтерфейсе. В то же время развитие передачи данных в сети UTRAN и ее радиоинтерфейсе также было инициировано в 4-й редакции. В частности, уже был разработан совмещенный нисходящий канал DSCH, и он прокладывал путь к дальнейшему продвижению к высокоскоростной сети передачи данных. Введение DSCH показало, что радиоинтерфейс имеет до­статочный потенциал для дальнейшего развития. Показатели, полученные в процессе разработки, давали основания считать, что достигнут хороший тех­нологический и потребительский уровень развития. Наступило время для появления высокоскоростного пакетного доступа HSDPA.

В результате 5-я версия 3GPP установила требования к новой системе HSDPA для обслуживания пользователей с высокоскоростной передачей дан­ных. Для достижения высокой пропускной способности, снижения времени задержки и выбросов интенсивности система доступа HSDPA использует адаптивные методы модуляции и кодирования АМС1 и гибридную автомати­ческую систему повторения запросов HARQ2, в сочетании со скоростным пла­нированием и процедурой смены сот. Эти методы могут рассматриваться как краеугольные камни системы пакетного доступа HSDPA, хотя в итоге усовер­шенствования системы UTRAN и, в частности, ее радиоинтерфейсов, пошли намного дальше, при этом сохранилась обратная совместимость с системами 4-й версии.

 

4.2.2. Преимущества и недостатки

 

Основное преимущество пакетного доступа HSDPA, непосредственно вос­принимаемое абонентом, заключается в примерно на пять порядков большей величине скорости передачи данных — свыше 10 Мбит/с в пиковые момен­ты на 15 мультикодах. Это преимущество зависит от вида используемой мо­дуляции в конфигурациях, показанных на рис. 4,13. В силу других факторов (таких как покрытие соты, мобильность UE, расстояние от МС до БС и чис­ло одновременно работающих пользователей), также влияющих на возмож­ность достижения пиковой скорости, достижимая на практике максимальная скорость передачи данных может оставаться далеко позади намеченной цели, однако она значительно улучшена по сравнению с возможностями системы доступа UTRAN 4-й версии. Кроме того, существенно снижена задержка прохождения сигнала и повышена емкость соты (почти на порядок по срав­нению с совмещенным каналом DSCH микросоты 4-й версии), что также относится к преимуществам HSDPA. Все это непосредственно повлияло на эффективность использования спектра системы и на способность системы хорошо работать с централизованными службами данных. В этой связи основное внимание направлено на перенос информации, интерактивную ра­боту и второстепенные услуги, а не услуги реального времени.

Однако пакетный доступ HSDPA также имеет свою изнаночную сторону, хотя и поддерживается совместимость с предыдущими версиями, но в сравнении

Рис. 4.13. Сравнение скоростей передачи данных в 4-й и 5-й версиях. ФПКР — формат передачи и комбинация ресурсов

 

 

с 4-й версией требуется модернизация и обновление радиоинтерфей­сов и структуры сети. Изменения, вносимые пакетным доступом HSDPA в сетевую архитектуру сети UMTS и, в частности, в ее радиоинтерфейс, можно обобщить следующим списком:

 

•  Сетевая архитектура: пакетный доступ HSDPA требует переноса значи­тельной части функций  поддержания передачи  пакетов к границам сети, что по сравнению с 4-й версией приводит к более распределен­ной структуре сети.

•  Физический уровень: новые методы адаптивной модуляции и кодиро­вания предоставляют значительные возможности модификации струк­туры физического уровня, а именно структуры каналов, мультиплекси­рования, тактовой синхронизации и процедур, необходимых для рабо­ты системы HSDPA.

•  Быстрое планирование означает более эффективную работу системы управления доступом к передающей среде MAC и ее более тесное взаи­модействие с физическим слоем. Короткие циклы также могут потре­бовать большей производительности БС и в некотором смысле МС.

•  Быстрая ретрансляция может быть реализована введением большего объема управляющей сигнализации и усовершенствованных методов ретрансляции.

 

С учетом перечисленных примеров внедрения системы HSDPA в сеть UTRAN рассмотрим данную систему более подробно, кратко остановившись на ее основной идее, характеристиках и принципах.

 

4.2.3. Основная идея

 

Основная идея, положенная в основу пакетного доступа HSDPA, показана на рис. 4.14. Изначально, в 4-й версии UMTS, трафик данных мог поддер­живаться общими каналами ССН, выделенными каналами DCH и совме­щенными каналами DSCH. В частности, для централизованных служб дан­ных используются каналы  DSCH,  а для низкоскоростной передачи данных — каналы FACH,

Рис. 4.14. Основные принципы пакетного доступа HSDPA

 

а также каналы DCH. Скорость передачи в каналах DCH сильно зависит от коэффициентов расширения SF, используемых в выделенных кодах. Принципиальное отличие высокоскоростного пакетного доступа HSDPA в том, что он просто использует временное разделение для передачи пакетов данных в одном канале общего пользования с мультикода-ми при фиксированном коэффициенте расширения SF. Внешне это выгля­дит просто, но требует выполнения определенных функций и набора проце­дур, способных реализовать все это на практике в радиоинтерфейсах: муль­типлексируемые данные должны быть должным образом спланированы, про-модулированы и перенесены через радиоинтерфейс и надлежащим образом адаптированы для передачи по радиолинии. Как следствие, модернизация свойств 4-й версии UTRAN становится неизбежной.

Рисунок 4.15 иллюстрирует основные функции и функциональные эле­менты, определенные в 5-й версии для осуществления основных принципов HSDPA, перечисленных выше. Основное функциональное содержание HSDPA составляют: адаптивная модуляция и кодирование АМС, быстрое пакетное планирование FPS1, автоматический повторный запрос HARQ и процедура смены соты, описанная в следующих подразделах.

 

4.2.4. Адаптивная модуляция и кодирование — АМС

 

Главные задачи адаптивной модуляции и кодирования — это компенса­ция нестабильности радиоканала и точная подстройка параметров передачи, Для этого существуют различные методы и средства, улучшающие адаптацию радиоканала, как, например, регулировка мощности, адаптивные антенны, динамическое кодирование, размещение каналов и т. д. Хотя все эти методы преследуют в конечном итоге одну цель, реализация их различна и поэтому они могут использоваться как дополнительные средства достижения положительного эффекта.

 

Рис. 4.15. Основные    функциональные    составляющие    высокоскоростного доступа HSDPA

 

Однако использование в HSDPA быстрого регулирования мощности было признано нецелесообразным из-за усиления и высокой сложности использования методов АМС.

В отношении метода АМС можно сказать, что его основная функция со­стоит в подстройке характеристик модуляции и кодирования для того, чтобы компенсировать изменения в канале физического слоя. Это делается главным образом за счет использования результатов измерений радиоканала, выделяе­мых мобильным терминалом и с применением, в частности в HSDPA, канала индикации качества CQI1 и процедуры ретрансляции. Располагая этими сред­ствами, а также информацией о трафике (в частности, о качестве услуг QoS) и о состоянии радио- и физических ресурсов, система АМС позволяет сети вы­бирать наиболее подходящие методы модуляции и кодирования.

Что касается модуляции, то 5-я версия позволяет пакетному доступу HSDPA, а более конкретно — HS-DSCH, использовать квадратурную ампли­тудную модуляцию — КАМ16 (16QAM) или квадратурную фазовую манипу­ляцию ФМН4 (QPSK). ФМН4 была введена уже в 4-й версии, а КАМ16 поя­вилась в 5-й версии специально для работы в системе HSDPA. Методы мо­дуляции высокого порядка, подобные KAMI6, предоставляют возможность более эффективного по сравнению с ФМН4 использования спектра при вы­сокоскоростной передаче данных. Методы модуляции можно также комби­нировать с кодированием в каналах, что называется в стандартах UMTS «комбинированием транспортных форм и ресурсов» TFRC. В результате на основании измерений могут быть выбраны лучшие комбинации мультико-дов, скорости передачи и вида модуляции, что при заданных условиях обес­печивает максимальную эффективность использования канала.

Преимущества системы АМС хорошо известны, но ее характеристики сильно зависят от измерений в радиоканале, получаемых в оконечном обору­довании, а цикл измерений может не совпадать с периодами обычных изме­нений в канале во время быстрых замираний. Кроме того, такие измерения не лишены ошибок. Ненадежная сводка о состоянии канала может привести к принятию ошибочных решений при планировании пакетов, установке мощности передачи, а также выборе вида модуляции и кодирования. Поэто­му система HSDPA оснашена усовершенствованной процедурой оценки ка­чества канала CQI, которая использует информацию о контрольном сигнале, принимаемом по каналу CPICH, канальную тактовую синхронизацию, адап­тивный временной цикл формирования отчета о состоянии радиоканала и более высокий уровень взаимодействия, гарантирующий безошибочную ра­боту системы АМС. Кроме того, система запросов HARQ помогает компен­сировать уязвимые места системы АМС, используя информацию канального уровня.

 

4.2.5. Гибридная система автоматического запроса повторной передачи HARQ

 

Из-за нестабильности радиоканала прямые радиоизмерения сами по себе не могут гарантировать надежную работу системы АМС и нуждаются в исполь­зовании дополнительных механизмов. Система HARQ позволяет принимаю­щему сетевому элементу СЭ (NE) обнаруживать ошибки и при необходимо­сти запрашивать повторную передачу. Будучи одним из основных методов передачи данных, метод повторной передачи обеспечивает безошибочный прием пакетов данных. Если сравнить обычную систему автоматического за­проса повторной передачи ARQ с дополнительными свойствами, внесенны­ми в систему HARQ, то отличие заключается в способности системы HARQ объединять информацию, выделенную при первичной и повторной передаче, с процессом адаптации канала. Это позволяет уменьшить число повторных передач, а также способствует более точной адаптации линии к изменениям радиоканала.

Система HARQ в зависимости от типа стратегии и протоколов, использу­емых в процессе повторной передачи, может быть разделена на несколько классов. Перфорированные турбокоды, совместимые по скорости, наращи­ваемая избыточность (накопление) и комбинированное отслеживание пред­ставляют только несколько примеров такой классификации. Если некоторые из методов используют избыточную дополнительную информацию с накоп­лением, то при ее пропадании на ранних фазах процесса остальные методы поддерживают режим повторной передачи самостоятельно.

Поскольку задержка повторной передачи и содержание заголовка пред­ставляют самые критичные показатели, в частности в прикладных вопросах мобильной сети, то для пакетного доступа HSDPA выбран наиболее прямо­линейный вид процедуры повторной передачи, называемый «стой и жди» SAW (Stop-and-Wait). При использовании SAW передатчик работает с теку­щим блоком данных до тех пор, пока не будет подтвержден успешный при­ем этого блока мобильным терминалом. При этом используется оптималь­ный механизм подтверждения успешной передачи и правильности сообще-ния в пакете данных, что позволяет избегать повторных передач. Для устра­нения дополнительных задержек времени ожидания система использует каналы HARQ, поддерживающие режим SAW для параллельной повторной передачи, благодаря чему экономятся ресурсы и сокращаются временные потери.

Если протокол HARQ использует асинхронную передачу в нисходящем направлении и синхронную — в восходящем направлении, то в системе HSDPA используется комбинированная схема, основанная на методе нара­щиваемой избыточности. При использовании варианта системы HARQ на основе метода комбинированного отслеживания гибкая память МС распре­деляется между процедурами HARQ по полустатическому принципу на верх­нем уровне (например, сигнализация RRC). Это реализуется совместно с определением и отбором формата транспортирования.

 

4.2.6.  Быстрое планирование

 

Эффективная работа системы HSDPA с применением методов АМС и HARQ подразумевает, что цикл пакетного проектирования достаточно быстр для того, чтобы отслеживать кратковременные замирания сигнала мобильного терминала. Это особенно важно при отсутствии механизма быстрой регули­ровки мощности и управления переменным коэффициентом расширения спектра VSF!, вместо которых используются механизмы АМС, HARQ и ускоренной повторной передачи. В этом также заключена основная причина размещения планировщика пакетов PS2 в базовой приемопередающей стан­ции BTS, а не в контроллере RNC, как это было в 4-й версии. В результате минимизируется задержка процесса планирования, а радиоизмерения лучше отражают состояние радиоканала, что приводит к более надежным и краси­вым решениям при планировании. Это вместе с использованием стратегии фиксированного кода и уменьшением временного интервала передачи ТТР с 10 или 20 мс в 4-й версии до 2 мс в системе HSDPA позволяет планировщи­ку PS выполнять быстрое планирование и форматирование циклов. Реализа­ция планировщика пакетов PS, как и в случае алгоритмов управления радио­ресурсами RRM мобильных сетей 2-го и 3-го поколений, все еще остается в зависимости от возможностей поставщика или производителя.

 

4.2.7.  Незаметная смена соты

 

Незаметная смена соты дает возможность оборудованию пользователя связы­ваться по лучшему нисходящему каналу из доступных в соте и обеспечивает режим незаметных соединений в каналах HS-PDSCH. Это позволяет также снизить нежелательные помехи, возникающие при плавной передаче обслу­живания. Изменение соты составляет значительную часть процедуры мо­бильности каналов HS-DSCH, а также гарантирует мобильность термина­ла UE при высокоскоростной передаче данных. Для достижения этого роль

 

Рис. 4.16. Смена обслуживающей соты HS-DSCH между БС в сочетании с перераспределением БС (узлов В), обслуживающих канал HS-DSCH

 

 

обслуживающей соты HS-DSCH (т. е. соты с БС, обслуживающей дан­ную радиолинию с UE и осуществляющей передачу и прием по каналу HS-DSCH) переходит от одной из радиолиний исходной соты HS-DSCH к ра­диолинии адресуемой соты HS-DSCH. Это потребовало использования спе­циальных методов, так как физический канал HS-PDSCH данного оборудо­вания UE используется только обслуживающим его каналом HS-DSCH в ра­диолинии этого UE. Как и в обычной схеме передачи обслуживания системы доступа UTRAN, решение об изменении обслуживающей ячейки в принципе может приниматься на уровне UE или сети. Тем не менее 5-я версия поддер­живает только управляемый сетью вариант с использованием сигналов сис­темы управления радиоресурсами RRC (см. рис. 4.16).

Обслуживание высокоскоростного канала HS-DSCH может быть реали­зовано с использованием различных подходов и критериев, включая конфи­гурацию физических каналов, синхронизацию МС в UTRAN и расположе­ние базовых станций БС в иерархии сети.

В этой связи следует отметить плохое влияние того, что смена БС и соты обслуживающего их канала HS-DSCH, представляют две отдельные процеду­ры. Даже несмотря на то что перераспределение канала HS-DSCH БС — предварительный запрос на смену обслуживающего соты HS-DSCH, но не в другом порядке.

Еще одно существенное отличие заключается в том, что при перераспре­делении базовых станций БС, обслуживающих канал HS-DSCH, элементы системы HARQ в канале HS-DSCH исходной БС прекращают свою работу, и создаются новые рабочие элементы в канале HS-DSCH адресуемой БС. Тем не менее обе процедуры преследуют цель незаметного отслеживания МС в режиме высокоскоростной передачи данных с помощью перераспреде­ления обслуживающей радиолинии.

 

4.2.8. Обсуждение архитектуры и принципов работы

 

Появление высокоскоростного пакетного доступа HSDPA потребовало основательной модификации аппаратных HW (Hard Ware) и программных SW (Soft Ware) модулей базовых станций БС и мобильных терминалов UE. Основные же функции контроллера радиосети RNC в принципе остались такими же, как в 4-й версии. На рис. 4.17 показано распределение основных процедур и функций между элементами системы HSDPA. Как видно, быст­рое планирование — наиболее замечательная функция, которая перемешена из контроллера RNC в БС. Кроме того, БС ответственна за поддержание адаптивной системы АМС, системы автоматических запросов HARQ и адап­тации канала, вместе представляющих новые функциональные возможно­сти. Что касается терминала МС, то, хотя основные функции АМС и вы­полняет БС, МС должна иметь возможность обеспечивать сигнализацию адаптивной модуляции АМС и индикации качества CQI, а также поддержи­вать сообщения ACK/NACK и режим работы запросов HARQ. Поэтому как БС, так и мобильные станции МС для работы с высокоскоростным досту­пом HSDPA нуждаются в обновлении с учетом новых свойств. Что касается контроллера радиосети RNC, то управление доступом к среде передачи MAC-d будет сохранено, a MAC-hs — это всего лишь новые свойства, кото­рые реализуются в слое MAC. Кроме того, могут быть необходимы неко­торые модификации сообщений в системе управления радиоресурсами RRC.

Также появились три новых типа каналов, включенные в работу системы пакетного доступа HSDPA. Это нисходящий транспортный канал, использу­емый несколькими пользователями, — HS-DSCH; восходящий логический канал HS-SCCH для управляющей информации, нужной для декодирования и повторной передачи (TFRC, HARQ); а также восходящий физический ка­нал HS-DPCCH, связанный с каналом HS-DSCH, для трансляции управля­ющей информации относительно повторной передачи (ACK/NACK) и инди­кации качества (CQI).

Один или несколько каналов HS-PDSCH вместе с каналом DPCH, объеди­ненные в набор отдельных каналов HS-SCCH, называются «множеством HS-SCCH». Синхронизация между этими каналами выполнена таким образом, что временной сдвиг между началом информации HS-SCCH и началом соот­ветствующего подцикла HS-DPSCH поддерживается неизменным. Конфигу­рация канала проводится с помощью сигнализации RRC. Кроме того, число каналов в наборе HS-SCCH для оборудования UE может изменяться от 1 до 4.

Как видно из рис. 4.17, при установлении соединения с системой управ­ления радиоресурсами RRC терминал МС передает обслуживающей БС ин­формацию относительно качества канала и управления, включающую воз­можности МС и запрашиваемую емкость. Основываясь на этой информации вместе с информацией о планировании (например, определенный канальный интервал TTI, радио- и физические ресурсы и т. п.), БС может выбрать на­бор HS-DSCH, параметры, вид модуляции и т. д., начать передачу по каналу HS-SCCH двух временных интервалов перед передачей по каналу HS-DSCH. На приеме МС декодирует информацию в канале HS-SCCH. На основании этой информации (выделенной, например, из указателя формата TRFI) он получает необходимые параметры, как, например, динамическую часть транспортного формата HS-DSCH, включая размер набора транспортных блоков и схемы модуляции, а также схему согласования канала в соответст­вующем интервале TTI канала HS-DSCH. После декодирования всех необхо­димых параметров терминал МС начинает заниматься обработкой данных и процессом запросов HARQ и возвращает БС сообщения ACK/NACK. По окончании этих процессов существенную роль на протяжении всего со­единения играет временная синхронизация между HS-SCCH, HS-DSCH и ACK/NACK, которая должна строго соблюдаться терминалом МС (UE).

 

4.3. GSM/EDGE

 

Настоящий раздел вводит, хоть и кратко, в технологию радиодоступа GSM и ее усовершенствованные варианты — системы пакетной передачи данных GPRS1 и EDGE2.

 

4.3.1. Основные принципы

 

Радиотехнология GSM была разработана в 1980-е годы как общеевропейская телефонная система мобильной связи. Это был замечательный во многих смыслах шаг в развитии технологий. Во-первых, это была первая технология, параметры которой были полностью определены до ее реализации. Прежние технологии изначально разрабатывались в лабораториях, а уже потом появ­лялись «Технические требования», описывающие их реализацию. Во-вторых, по сравнению с аналоговыми радиотехнологиями GSM разрабатывалась как средство, обеспечивающее большую емкость системы.

Поскольку на рынке есть много книг, детально описывающих GSM, мы не собираемся давать здесь никакого обстоятельного описания, а только хо­тим подчеркнуть некоторые основополагаюшие пункты.

Первоначально GSM была предназначена для использования в полосе частот 900 МГц, но благодаря коммерческому успеху и необходимости рас­ширения диапазона частот вскоре была адаптирована и модифицирована под другие частоты. Первая версия GSM изначально планировалась для частот­ного диапазона, который сейчас называется «GSM 900». Другая полоса час­тот, выделенная для GSM, находилась около 1800 МГц (ниже полосы WCDMA - TDD). Этот вариант был назван «GSM1800». В США сеть GSM использует более высокую полосу частот и называется «GSM1900». Для спе­циальных целей, например для железнодорожных компаний, были использо­ваны некоторые другие полосы частот.

Для организации многостанционного доступа был выбран метод времен­ного разделения МДВР (TDMA), при котором абоненты совместно исполь­зуют общий частотный диапазон, но разделены друг с другом во времени. Так как трафик GSM передается в обоих направлениях — полный дуплекс, то направления передачи (восходящее — исходящее, прямое и нисходящее — входящее, обратное) следовало разделить. Это разделение было осуществле­но с помощью использования разных частотных полос для каждого направ­ления передачи. Расстояние между частотами прямого (восходящего) и об­ратного (нисходящего) каналов — так называемый «частотный или дуплекс­ный разнос» - равно 45 МГц в GSM900 и 90 МГц в GSM1800.

Для стандарта GSM был выбран метод гауссовской манипуляции с ми­нимальным частотным сдвигом GMSK1. Этот метод модуляции позволяет использовать для передачи информации цифровой поток со скоростью 270 833 кбит/с. Изначально система GSM была разработана как система с коммутацией каналов КК, в частности для передачи речи. После многочис­ленных обсуждений метода кодирования было решено, что на одной часто­те может совместно передаваться восемь каналов (т. е. восемь отдельных канальных интервалов, совместно образующих первичную временную структуру, называемую «циклом ВРК»), Так как модулятор создает цифро­вой поток примерно 271 кбит/с, то по одному каналу передается цифровой поток 271/8 х 34 кбит/с.

Абонентская нагрузка и сигнализация на радиоинтерфейсе носят взрыв­ной характер. Длительность всплесков нагрузки короче канального времен­ного интервала. Определенные типы всплесков передают только определен­ный тип трафика, а, кроме того, типы трафика разделены (т. е. только опре­деленные временные интервалы могут содержать сигнализацию и другой абонентский трафик).

Рис. 4.18. Пример конфигурации приемопередатчика ТКХ OSM. БТС — базовая приемопередающая станция

 

Самое важное понятие в технологии GSM — это приемопередатчик TRX (Transmitter-Receiver). Сначала под этим подразумевалось физическое приемо­передающее оборудование базовой станции БС, но затем это понятие несколь­ко видоизменилось для более широкого использования. Понятие приемопере­датчика TRX очень часто используется как понятие более высокого уровня, описывающее структуру радиоинтерфейса GSM в целом. В этом смысле прие­мопередатчик TRX означает комбинацию двух частот (восходящую и нисходя­щую частоты), на которых передаются определенные каналы (см. рис. 4.18).

Как наиболее общее понятие мы можем использовать TRX в наборе тер­минологии GSM.

Наименее видимая общественностью часть радиосети — это сота. Сото­вое покрытие формируется структурой антенны, но трафик в ячейке обслу­живается приемопередатчиком TRX. Минимальное число приемопередатчи­ков TRX в соте равно одному, а максимальное число в реальной жизни — от четырех до шести на соту (см. рис. 4.19).

Базовая станция GSM — это физический элемент сети, который может поддерживать несколько сот. Минимальное число равно одной соте, а мак­симальное число в реальной жизни равно трем сотам на одну БС.

В первой главе мы уже представили модель управления ресурсами сети, показав различные задачи руководства и обязанности управления. Распро­странив эту же модель на GSM и понятия, разъясненные выше, отметим, что термин «приемопередатчик TRX» относится к радиоресурсам, а понятие «со­та» относится к управлению мобильностью ММ и сетевой адресации. Систе­ма управления мобильностью ММ и соответствующие вопросы рассматрива­ются в главе 6.

 

4.3.2. Радиоканалы и структуры циклов

 

Поскольку в GSM использован многостанционный метод доступа с времен­ным разделением, то сетевой уровень синхронизации и различные времен­ные структуры жизненно необходимы с точки зрения функционирования си­стемы. Основной временной структурной единицей служит цикл ВРК, под­держиваемый приемопередатчиком БС—TRX.

Радиоканал GSM должен выполнять множество задач, а это связано со структурами временной синхронизации и каналообразования. Система кана-лообразования в GSM очень проста и сначала состояла из каналов двух типов.

Рис. 4.19. Соотношение БС—сота—TRX (приемопередатчик). БТС — базовая приемопередающая станция

 

Радиоканалы, которые передают абонентскую нагрузку на радиоинтер­фейсе, называются физическими каналами.

Физические каналы образуются на участке от радиоинтерфейса до конт­роллера BSC, и их распределение для передачи сигнализации или трафика контролируется BSC. Существует три типа физических каналов:

 

•  канал управления вещательного типа ВССН, который всегда находится на одном месте — канальный интервал 0 в цикле ВРК. Канальные ин­тервалы пронумерованы от 0 до 7. Эти физические каналы передают информацию, которую слушают мобильные станции МС и используют для собственной синхронизации и доступа к сети;

•  автономный выделенный канал управления SDCCH1: при обработке запроса и установке вызова МС передает и получает по каналу SDCCH соответствующую информацию. Канал SDCCH физически может рас­полагаться в том же канальном интервале, что и ВССН. Этот случай называется «комбинированным каналом ВССН/ SDCCH». В больших сотах с числом приемопередатчиков TRX более одного каналы ВССН и SDCCH обычно разделены между собой. В этом случае SDCCH зани­мает один канальный интервал;

•  транспортный канал ТСН1. Когда обмен сигнализацией завершен и на­чинается обмен сигналами реального трафика, МС использует канал ТСН для передачи абонентского трафика. Отметим, что не все запросы нуждаются в канале ТСН. Например, при отправке сообщений SMS используются только ресурсы канала SDCCH, то же применимо к про­цедурам управления мобильностью ММ.

 

Как сеть, так и МС должны выполнять определенные логические опера­ции, и в большинстве случаев (хотя и не всегда) это связано со структурами временной синхронизации.

Такие логические структуры называются логическими каналами.

Логические каналы для выполнения своих задач используют ресурсы фи­зических каналов. Структуры, используемые при загрузке логических кана­лов в физические каналы, определяются с помощью предварительной уста­новки ряда параметров.

В стандартной системе GSM организуются следующие логические каналы:

 

•  SCH — канал синхронизации. МС использует этот канал для достиже­ния синхронизма с сетью. Размещение: физический канал ВССН.

•  FCCH2 — канал коррекции частоты. МС использует этот канал для об­новления информации о частоте. Размещение: физический канал ВССН.

•  ВССН — вещательный канал управления. Этот логический канал со­держит системную информацию. МС сначала открывает каналы SCH и FCH, чтобы прочитать информацию ВССН и расположиться в соте. Размещение: физический канал ВССН.

•  RACH — канал случайного доступа. МС использует этот канал для вы­зова процедуры доступа или услуги (например, изменение местоположе­ния, телефонный вызов и т. д.). Размещение: физический канал ВССН.

•  AGCH3 — канал предоставления доступа. Сеть использует этот логиче­ский канал для направления МС к логическому каналу SDCCH. Разме­щение: физический канал ВССН.

•  РСН — пейджинговый, поисковый канал. Сеть использует этот логиче­ский канал для передачи МС поисковой информации при установле­нии соединения с мобильным абонентом. Размещение: физический ка­нал ВССН.

•  SDCCH  — логический  автономный  выделенный канал управления. В зависимости от выбранной конфигурации, один физический канал SDCCH может включать четыре или восемь логических блоков SDCCH. Для сигнализации при выполнении операций (транзакций) необходим один  логический   блок   SDCCH.   Поэтому   один   физический   канал SDCCH в фазе сигнализации может содержать четыре или до восьми одновременно работающих каналов.  Размещение:  физический канал SDCCH.

 

 

Рис. 4.23. Временная структура и цикл GSM

 

•  ТСН — логический транспортный канал. В зависимости от типа тра­фика физический канал ТСН может содержать несколько видов транс­портных каналов. Это могут быть TCH/F — на полную скорость пере­дачи, ТСН/Н — на половину или TCH/D — двухскоростной. Решение по использованию логического канала ТСН принимается в результате переговоров между МС и сетью.

•  SACCH1   — медленный канал управления.  При проведении операций (транзакций) в канале SDCCH или ТСН радиосоединение непрерывно измеряется. МС посылает отчет о результатах измерений по логическому каналу в сеть. Канал SACCH связан с временной структурой цикла ТСН.

•  FACCH2 — быстрый канал управления. При выполнении операций мо­жет оказаться необходимым обмениваться управляющей информацией быстрее, чем это возможно в канале SACCH. Для этого случая система содержит канал FACCH, который фактически иногда отбирает время у транспортного канала ТСН. Канал FACCH используется в основном при передаче обслуживания. В этом случае трафик абонента перелается по каналу ТСН в старую соту, и в это же время ЫС добивается доступа к новой соте, используя канал FACCH.

 

Как установлено ранее, основную структурную временную единицу пред­ставляет цикл МДВР. В GSM есть две параллельные структуры для организа­ции логических и физических каналов. Так называемый «цикл 51» состоит из 51 кадра МДКР и обслуживает каналы управления и сигнализации, например физические каналы ВССН и SDCCH. Логические каналы, использующие фи­зические ресурсы цикла 51, повторяются в заданном, предопределенном по­рядке. Для транспортных каналов, которые переносят абонентский трафик, система предоставляет структуру цикла из 26 кадров. «Цикл 26» определяет поведение логических каналов, использующих ресурсы физического транс­портного канала ТСН (т. е. устанавливает положение медленного канала управления SACCH в структуре цикла).

Следующий шаг в создании цикловой структуры представляет объедине­ние двух этих структур в одну. Результат называется «сверхциклом», который в зависимости от обстоятельств или выбранных каналов состоит из 26 «цик­лов 51» или 51 «цикла 26».

Высший уровень структуры цикла формируется с участием 2048 сверх­циклов, этот случай называется «гиперциклом». Гиперцикл называют также «шифровальной последовательностью». Он называется так потому, что в GSM используется шифрование радиоинтерфейса. Нумерация каждого цик­ла начинается с 0. Самый большой возможный номер цикла МДВР будет ра­вен 26 х 51 х 2048 - 1 = 2 715 647. При изменении режима шифрования МС и сеть согласовывают номер цикла, с которого стартует шифрование.

 

4.3.3. Общая система пакетной передачи GPRS

 

Технология GPRS представляет собой усовершенствованную систему, функ­ционирующую параллельно со стандартной системой GSM и использующую ее ресурсы.

С точки зрения интерфейса Uu это означает, что структура интерфейса (т. е. временные интервалы, временные значения (параметры синхрониза­ции) и структура цикла) не изменяется, но содержимое временных интерва­лов строится по-разному.

Пакетная коммутация требует подхода, отличающегося от методов ком­мутации каналов. Поэтому для сопровождения трафика GPRS используется совершенно другой набор протоколов. При GPRS вводятся уровни управле­ния доступом к передающей среде MAC и управления радиоканалом RLC, а также некоторые другие уровни, жизненно важные для каналов с коммута­цией пакетов.

Трафик GPRS использует свои собственные каналы (обратите внимание, что перечень не полон):

 

• PRACH — пакетный канал со случайным доступом. Терминал посыла­ет запрос на начало передачи по этому каналу трафика с коммутацией пакетов.

 

 

Рис. 4.24. Конфигурация   приемопередатчика   TRX   в   системе   GSM/GPRS с двумя выделенными транспортными каналами трафика PDTCH

 

•  РАССН1 — канал управления пакетным доступом. Работает аналогично медленному каналу управления SACCH при коммутации каналов.

•  PAGCH2 — канал предоставления пакетного доступа. Работает подобно каналу AGCH при коммутации каналов.  Сеть предоставляет доступ терминалу МС с пакетным трафиком.

•  РРСН3 — пакетный пейджинговый канал. По этому каналу терминал с пакетным режимом получает пейджинговые команды.

•  PDTCH4 — транспортный канал с пакетной передачей данных. Этот канал используется для доставки пакетного трафика в прямом и обрат­ном (восходящем и нисходящем) направлениях.

Нагрузка GPRS на радиоинтерфейсе GSM по умолчанию предполагается на втором месте по приоритету. Она доставляется при наличии для нее сво­бодного места. Для того чтобы увеличить число одновременных операций (транзакций) GPRS, а также учесть природу пакетной нагрузки, в GPRS пре­дусмотрен механизм увеличения числа пользователей в одном и том же фи­зическом временном интервале (канальном интервале), т. е. совместного ис­пользования некоторых физических ресурсов радиоинтерфейса.

Есть моменты, когда нужно повысить скорость трафика GPRS, в этом случае требуется использование большего количества канальных интерва­лов. Существуют также услуги, не допускающие перерывов связи при за­просе «Ты активен?», например в банковских услугах. Для усовершенство­вания характеристик такого рода услуг есть возможность выделения в ра­диоинтерфейсе канального интервала только для GPRS. В этом случае дан­ный временной интервал вообще не используется в схемах с коммутацией каналов.

Во временном смысле и физически канал PDTCH имеет ту же пропуск­ную способность, что и обычный полноскоростной канал ТСН (см, рис. 4.24). Однако при GPRS вводится несколько схем кодирования кана­ла СК, используемых в каналах PDTCH. В таблице 4.6 приведены четыре схемы кодирования, названные СК1—СК4, и соответствующие скорости пе­редачи.

 

 

Мобильный терминал, поддерживающий GPRS, поддерживает и схемы кодирования СК1—СК4, но сеть поддерживает только одну схему — СК1, а остальные устанавливаются со стороны сети по необходимости. На практике в МС и со стороны сети используются схемы СК1 и СК2. Если оператор хо­чет ввести схемы СКЗ и СК4, то это потребует частотного ресурса и тщатель­ного планирования. Это связано с тем, что схемы СКЗ и СК4 отлично рабо­тают в хороших условиях близко к антенне. Чем дальше находится мобиль­ный терминал от БС, тем ниже схема кодирования из-за помех и других ха­рактеристик радиоинтерфейса, которые снижают качество радиотракта.

 

4.3.4. Повышенная скорость передачи данных в GSM.  Эволюция GSM-EDGE

 

Как можно было видеть из предыдущих разделов, скорость передачи данных представляла проблему при введении GPRS. Система EDGE дает ответы на вопросы о том, как поднять среднюю скорость передачи данных в системах 2-го поколения с GPRS. Технически существует три составляющие реализа­ции EDGE:

 

•  Новый вид модуляции — ортогональная фазовая манипуляция ФМН8 (8-PSK), что заметно расширяет возможности гауссовской манипуля­ции GMSK.

•  Новая схема кодовой модуляции MCS1 — новый метод кодирования допускает использование большего числа бит в канальном интервале того же размера.

•  Планирование радио- и транспортной сети.

 

Как и в GPRS, физическая структура радиоинтерфейса осталась такой же во временном смысле и в том, что касается построения цикла. Изменения EDGE были внедрены на уровне временных канальных интервалов. Новая схема кодовой модуляции MCS позволяет передавать данные на скоростях, указанных в таблице 4.7.

Схемы MCS1-MCS4 — это то же самое, что и СК1-СК4 в GPRS. В сис­теме EDGE добавились схемы СК5—СК9. Чем выше скорость передачи дан­ных, тем меньше система отслеживает поток бит (т. е. в схемах MCS высших уровней коррекция ошибок минимизирована).

 

В результате схемы MCS высших уровней могут использоваться в очень хороших радиоусловиях, обычно очень близко к антеннам БС. Низшие уров­ни MCS (MCS1 и MCS2) доступны по всей зоне покрытия соты.

Если оператор хочет ввести более высокие средние скорости передачи данных, требующие схем MCS высших уровней, как, например, MCS6 и MCS7, то радиосеть должна претерпеть заметные изменения. Введение схем MCS высокого порядка по всей сети неизбежно приводит к малым размерам сот. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации большего числа сот для сохранения прежней зоны покрытия. Другими словами, более высокая скорость передачи данных увеличивает число сот в сети. Если схемы MCS высокого порядка станут доступными по всей зоне покрытия, то увели­чение числа сот будет очень значительным.

Другую проблему создает транспортная сеть. Если объем данных або­нента, проходящих через радиоинтерфейс, возрастает, то передающая сеть должна это учитывать. Впервые такая ситуация возникает при исполь­зовании MCS4, так как скорость передачи данных MCS4 превышает про­пускную способность стандартного канала А бис GSM (на интерфейсе BSC-BTS).

 

4.4. Технология беспроводной ЛВС-БЛВС (WLAN)

 

В этом разделе будет представлена технология беспроводных локальных вы­числительных сетей БЛВС (WLAN) как один из кандидатов на обеспечение дополнительного доступа в сетях 3GPP. Стандарт IEEE 802.11 лежит в осно­ве семейства стандартов, определяющих доступные коммерческие техноло­гии, часто называемые WLAN или Wi-Fi (что буквально означает «беспро­водное качество*, а также наименование альянса, в задачу которого входит продвижение и обеспечение взаимодействия и совместимости коммерче­ской продукции, основанной на стандарте IEEE 802.11). Хотя радиотехно­логия IEEE 802.11 и была изначально разработана для замещения провод­ных локальных вычислительных сетей ЛВС (LAN-Local Area Network) и рас­ширения сетей Интернета, но постепенно она становится и вспомогатель­ным средством доступа к сети UMTS. Недавно группа 3GPP прорабатывала аспекты взаимодействия UMTS и технологий семейства IEEE 802.11, в част­ности поддержки «горячих точек» Wi-Fi глобальными сотовыми сетями, и наоборот.

 

4.4.1. Физические методы

 

Первоначальная версия стандарта IEEE 802.И была принята в 1997 году и, по существу, была сфокусирована на развитии канального и радиоуровней беспроводной ЛВС. В этой связи для семейства IEEE 802.11 определено три основных варианта работы радиосредств на физическом уровне. Технические требования определяют инфракрасный диапазон и два радиочастотных: один с расширением спектра методом прямой последовательности DSSS, а дру­гой — с расширением спектра методом частотных скачков FHSS с тремя раз­ными наборами скачков по 26 последовательностей в каждой. До сих пор наибольшее распространение получили методы DSSS и FHSS, предназна­ченные для работы в диапазоне 2,4 ГГц, отведенном для промышленных, на­учных и медицинских целей (см. рис. 4.26). Из-за ограничений схемы час­тотных скачков FHSS в поддержке высоких скоростей передачи (выше 2 Мбит/с), практически доминирующее положение для высокоскоростной передачи данных на физическом уровне занял метод DSSS.

Как и в традиционной модуляции методом DSSS, при использовании этой схемы в беспроводной ЛВС (WLAN) цифровой поток модулируется и демодулируется в приемопередатчике TRX высокоскоростной псевдослучай­ной числовой последовательностью ПСП (PRN). Поток 1 Мбит/с кодируется с помощью дифференциальной (относительной) двоичной фазовой манипу­ляции ОФМН (DBPSK). Кроме того, для потока 2 Мбит/с используется от­носительная квадратурная фазовая манипуляция ОКФМ (DQPSK).

Рис. 4.26. Нелицешированные спектры, которые используются и для беспро­водных ЛВС (WLAN)

 

Позднее началась разработка стандарта IEEE 802.11b для работы на фи­зическом уровне в диапазоне 2,4 ГГц, но в этом случае в технические требо­вания включена так называемая «дополняющая, комплементарная кодовая манипуляция» ССК, которая вместе с методом DSSS позволила достичь ско­рости передачи данных до 11 Мбит/с.

Еще позже была разработана спецификация стандарта IEEE 802.11a. Но­вые технические требования вводили новый физический уровень в диапазо­не 5 ГГц (известном под названием UNII1 — нелицензированная националь­ная информационная инфраструктура). В США этот диапазон выделен для работы в полосах частот 5,15—5,35 ГГц и 5,725—5,825 ГГц с каналами шири­ной 20 МГц. Недавно всемирная комиссия по радио WRC-03 утвердила, что полосы частот 5,15—5,35 ГГц и 5,470—5,725 МГц повсеместно выделены для технологий семейства 802.11.

В основу стандарта 802.11а положена технология многостанционного доступа на ортогональных несущих частотах OFDM2, которая более устой­чива к помехам в радиоканале. В частности, при использовании сверточно-го кодирования и чередовании бит доступ OFDM очень эффективен для преодоления проблем многолучевого распространения. Кроме того, 802.11а использует адаптивную модуляцию и кодирование АМС. Это в сочетании с ДФМН и КАМ-64 дает возможность физическому уровню обеспечить ско­рость передачи до 54 Мбит/с. Следующий шаг повышения радиостойкости был сделан в спецификации 802.1 lg для работы на 2,4 ГГц с использова­нием OFDM с двоичным сверточным кодированием пакетов РВСС3. В таб­лице 4.8 сведены основные параметры технических требований стандар­та 802.11.

 

4.4.2. Управление доступом к среде передачи — MAC

 

Беспроводные ЛВС (WLAN) на уровне MAC используют для управления каналами многостанционный доступ с контролем несущей и предотвраще­нием конфликтов — CSMA/CA1. Уровень MAC обеспечивает адресацию протокольных единиц обмена PDU2, форматирование циклов (кадров), контроль ошибок, безопасность, регулирование мощности, синхронизацию, разбиение на участки и переформатирование. Различают два режима рабо­ты слоя управления доступом MAC: это функция координации пунктов PCF3, основанная на приоритетно-опросном принципе, и функция распре­деленной координации DCF4, основанная на ассоциативном доступе. В ре­жиме координации пунктов PCF точка доступа АР может опрашивать мно­жество терминалов в рамках базового набора услуг BSS или в пределах зоны покрытия соты. Однако режим DCF представляет основной метод до­ступа, поддерживая наилучшую транспортировку данных и соединение рав­ноправных узлов для специальных видов связи. Режимы DCF и PCF могут работать совместно, обеспечивая протокол случайного доступа, похожий на протокол CSMA, оснащенный для избежания конфликтов сообщениями «готовность к передаче» RTS (Request-to-Send) и «готовность к приему» CTS (Clear-to-Send), а также сообщениями подтверждения успешного при­ема пакета данных — АСК. Такое управление взаимодействием при пере­даче сообщений между приемопередатчиками TRX называется «квитиро­ванием».

Рисунок 4.27 иллюстрирует основную процедуру квитирования, исполь­зуемую, в частности, когда близкие устройства WLAN пытаются установить бесконфликтное соединение без помощи точек доступа АР. В этом случае устройство А посылает устройству В сообщение «готов к передаче» (RTS),

Рис. 4.27. Принцип   квитирования   и   процедура   распознавания   несущих, используемые в 802.11

 

чтобы узнать, можно ли передавать данные. Приняв это сообщение и распо­лагая временем ожидания, устройство В отвечает сообщением «готов к прие­му» (CTS). Если устройство С свободно, то оно также получает кадр CTS от устройства В. Таким образом, В информирует оба устройства: А — о готов­ности принять данные, а С — о том, чтобы не беспокоили. Для задержки пе­редачи на нужное время устройство С использует параметры вектора распре­деления ресурсов сети NAV1, принятого в связи с сообщением CTS «готов к приему*. В результате между А и В беспрепятственно устанавливается соеди­нение. Следует заметить, что если данный механизм не используется, то процесс установки соединения может столкнуться с так называемым «скры­тым эффектом». Предположим, что устройство С пытается отправить данные устройству В в то же самое время, что и А. Это, естественно, приводит к воз­никновению столкновения, коллизии в В. Хотя процедура квитирования го­товности RTS-CTS может привести к так называемому «эффекту обнаруже­ния» (например, когда предотвращается передача к устройству С от других устройств, а не от А и В), она тем не менее существенно помогает смягчить скрытые проблемы.

В беспроводной ЛВС (WLAN) несущие частоты могут распознаваться на физическом уровне и уровне MAC, что соответственно называется распреде­лением свободных каналов ССА2 и опознаванием виртуальных несущих. В первом случае используется только базовая процедура квитирования RTS-CTS, а во втором случае, как показано на рисунке, применена расши­ренная процедура квитирования RTS-CTS совместно со временем резерви­рования. Помимо основных свойств доступа CSMA/CA и механизма квитирования, слой MAC использует различные методы и параметры, основанные на задержках. Например, для управления приоритетами доступа и бесконф­ликтной передачей в протоколе модуля обмена данными MAC (MPDU1) ис­пользуются параметры межциклового, межкадрового интервала IFS2 и векто­ра NAV. Применяя данные NAV и ССА для индикации затраченного време­ни и периодов отсрочек, уровень MAC использует три вида интервалов IFS:

 

•  короткий межцикловой интервал SIFS3;

•  межцикловой интервал функции координации пунктов PIFS4;

•  межцикловой интервал функции координации DCF — DIFS5.

 

Уровень MAC поддерживает три типа циклов: обслуживания, управления и данных. Циклы обслуживания используются для поддержки связи и взаи­модействия терминалов с точками доступа АР, тактовой и цикловой, пакет­ной синхронизации, а также для идентификации и повторной, измененной идентификации. Циклы управления используются для квитирования готов­ности методом RTS-CTS, положительного уведомления АСК и чередования в режиме множественных одновременных запросов (СР и CFP). Циклы дан­ных могут использоваться в режимах СР и CFP, а в режиме CFP могут также быть объединены с системой опроса и уведомления АСК.

Формат кадров MAC имеет переменную длину и состоит из поля полезной нагрузки и октетов шифровки/дешифровки для необязательного алгорит­ма эквивалента конфиденциальности проводной сети WEP6, который наряду с недавними усовершенствованиями составляет основу метода обеспечения безопасности, используемого в 802.11. Алгоритм WEP в основном использует­ся для шифрования сообщений обмена между частями сети 802.11 и с некото­рым расширением для одноранговой идентификации.

Адрес MAC из 48 бит (стандарт ШЕЕ) используется для идентификации отправителя и получателя. Кроме того, для лучшего обеспечения мобильно­сти устройств в зоне покрытия WLAN были введены: адрес передатчика ТА7, адрес приемника RA8 и идентификатор набора базовых услуг BSS19. При этом есть место для индикатора типа цикла (кадра) — управления, об­служивания или данных. Дополнительно для контроля ошибок использует­ся избыточное циклическое кодирование CRC. Синхронизация обеспечи­вается с помощью радиомаяка и поддержания в точках доступа АР такто­вой частоты. Маяк используется также в случаях, когда мощность передачи переключающегося терминала находится между пробуждением и засы­панием.

Для снижения потребления мощности устройствами WLAN стандарт 802.11   предусматривает  механизм  управления   мощностью.  Для  этого  он

 

Рис. 4.28. Принцип построения сети доступа стандарта 802.11

 

определяет два режима работы: так называемые «режим постоянной мощно­сти» СРМ1 и «экономный режим» PSM2. В первом случае устройство непре­рывно выдает информацию в точку доступа АР или соседним устройствам о своем состоянии. Во втором случае устройство только ретранслирует инфор­мацию о своих периодах пробуждения (активности). При таком методе устройства WLAN потребляют существенно меньше мощности.

4.4.3. Строение сети

В структурном отношении, сеть доступа WLAN состоит из точки доступа АР и группы оконечных устройств под непосредственным управлением этой АР. Такая структура известна под названиями «базовый комплект обслуживания» BSS3 или «базовая зона обслуживания» BSA4 сети доступа. Основная функ­ция точки доступа АР заключается в установлении моста между беспровод­ной и проводной ЛВС, при этом точка АР играет ведущую роль в сети. Дей­ствительно, АР похожа на базовую станцию БС сотовой сети. При наличии АР оконечные пункты не связываются друг с другом непосредственно на равноправной основе, а связываются централизованно в сети с топологией звезды. Все связи между терминалами или терминалом и проводной сетью проходят через точку доступа АР. Изначально не планировалось использова­ние АР для поддержки мобильности терминалов, но некоторая степень пор­тативной мобильности обеспечивается. Портативные устройства могут блуж­дать между АР и, таким образом, возможно безобрывное локальное покры­тие. Работа сети WLAN в конфигурации, показанной на рис. 4.28, называет­ся работой в «режиме инфраструктуры».

Стандарт 802.11 кроме режима инфраструктуры поддерживает также не­которые дополнительные специальные структуры. В специальных режимах необязательно требуются фиксированные АР. В этом случае наугад выбран­ный узел «назначается» ведущей, главной станцией сети, а оставшаяся часть сети формируется в качестве ведомых узлов. Каждый узел может поддержи­вать логические функции ведущего узла. Поэтому все узлы связываются друг с другом напрямую по соседним прямым радиоканалам, определяемым в

Рис. 4.29. Независимое   обслуживание   базового   комплекта   IBSS   станцией STA только в одном блоке здания

 

данной области покрытия соты ведущей станцией. Но одного совместно ис­пользуемого канала недостаточно при многошаговой маршрутизации, а на­личие влияющих эффектов и замираний, нехватка ресурсов для обеспечения безопасности и недостаточная эффективность протокола управления переда­чей трафика TCP при многошаговых связях создают очень серьезные огра­ничения для применения специального режима в сетях WLAN.

Когда сеть WLAN стремительно вышла за пределы своей начальной тер­ритории «горящих точек», потребовались срочные усовершенствования для ее использования в жилых домах и на предприятиях. Это привело к разра­ботке стандартов, существенно отличающихся от начальной версии по ис­пользуемым частотам, скорости передачи данных и методам модуляции. Хотя взаимодействие и составляет основной предмет стандартизации, ситуа­ция сложилась таким образом, что стандарты не обеспечивают обратную совместимость. Беспрецедентный успех WLAN привел к постоянным столк­новениям базовой версии стандарта с новыми запросами. В результате для соответствия различным требованиям процесс стандартизации был продол­жен, например, относительно показателей качества QoS, безопасности, рабо­ты в Интернете с использованием внешних сетей, измерений радиоресурсов, передачи обслуживания и быстрого роуминга1.

 

ГЛАВА 5

 

СЕТИ РАДИОДОСТУПА UMTS

 

Симек Найан и Хейки Кааранен

 (Siamak Naghian and Heikki Kaaranen)

 

Хотя мобильная универсальная система связи UMTS стремительно развивается в направлении создания сети с универсальным доступом, на данный момент основу сети радиодоступа UMTS составляет наземная сеть доступа UTRAN. Основная задача наземной сети доступа UMTS-UTRAN состоит в создании и обслуживании радиотрактов доступа RAB между оборудованием пользова­телей UE и базовой сетью CN. Элементы базовой сети получают с радиокана­лами RAB простейшее средство связи с абонентским оборудованием UE, что избавляет их от необходимости заботиться об аспектах радиосвязи вообще. Следуя модели сети, представленной с первой главе, сеть доступа UTRAN со­здает независимую структуру оценки качества услуг трактов QoS (рис. 5.1).

Сеть UTRAN расположена между двумя открытыми интерфейсами: Uu и Iu. С точки зрения структуры передающих трактов основная задача сети UTRAN состоит в передаче сигналов через эти интерфейсы. Для этого UTRAN контролирует интерфейс Uu, а предоставление транспортных услуг на интерфейсе Iu осуществляет совместно с базовой сетью.

Система радиотрактов RAB полностью отвечает требованиям базовой сети CN к качеству услуг QoS. На систему управления сетью связи возложе­на ответственность за выполнение требований к качеству сквозных соедине­ний в базовой сети CN и оборудовании пользователя UE. Эти требования вносятся затем в тракты RAB, которые «видят» и мобильные терминалы МТ и базовую сеть CN. Как уже упоминалось, основная задача UTRAN заключа­ется в создании таких условий работы радиотрактов RAB, чтобы в сквозных соединениях качество услуг QoS выполнялось во всех отношениях.

Одна из основных идей представления структуры сети слоями заключа­лась в выделении физического слоя радиодоступа. Позже его можно моди­фицировать или заменить без изменений в оставшейся части всей системы. Кроме того, хорошо известно, что радиотракт чрезвычайно сложен и пред­ставляет собой непрерывно изменяющуюся среду передачи. Такая структура выдвигает на ведущую роль контроллер радиосети RNC, так как RNC и ба­зовая сеть CN вместе отвечают за выполнение требований показателей каче­ства QoS на интерфейсе Iu, а сам RNC отвечает за выполнение показателей качества QoS в радиотрактах. Таким образом, в системе существует две сре­ды переноса, причем показатели одной на интерфейсе Iu более стабильны по своей природе, а тракты RAB более подвержены изменениям в периоды соединений.

 

Рис. 5.1. Передающие тракты и структура оценки качества в сети доступа UTRAN

 

Например, одно оборудование UE может иметь три непрерывно изменяющихся тракта RAB, работающие между ним и котроллером RNC, но в то же время RNC имеет только один канал на интерфейсе Iu для данного соединения. Такого рода ситуации возникают при плавной передаче обслу­живания, описанной в данной главе ниже.

Универсальная наземная система радиодоступа UTRA создает физическую основу для предоставления сквозных услуг на интерфейсе Uu. Как показано в главе 4, система UTRA реализована с помощью радиотехнологии широкопо­лосной CDMA—WCDMA. В начальном варианте UMTS использовался дуп­лексный режим с частотным разделением направлений WCDMA—FDD. С точки зрения параметров качества QoS UTRA содержит механизм, который показывает, как требования к сквозному качеству услуг QoS вводятся в физи­ческий радиотракт. Соответственно, каждое соединение на интерфейсе Uu нуждается в наземном дублировании в сети UTRAN. Физический уровень об­служивающих трактов — PBS1 представляет эквивалентную физическую основу для сквозных, из конца в конец, услуг. Этот уровень может быть реализован различными методами, но в версии проекта 3GPP R99 наиболее вероятной представляется реализация на основе технологии асинхронного режима пере­дачи ATM. Технология ATM и некоторые другие физические варианты орга­низации передачи поясняются в главе 10. В процессе эволюции сети UTRAN наряду с технологией ATM будет применяться альтернативный вариант реали­зации физического уровня на базе интернет-протокола IP (см. главы 3 и 4).

 

 

 

Рис. 5.2. Обобщенная структура сети UTRAN

 

Исходя из концептуальной модели, представленной в главе 1, протоколы радиотрактов RB принадлежат к уровню доступа (RB — это тракты передачи абонентских данных между UE и RNC, которые поддерживаются уров­нем управления радиоканалом RLC). Протоколы выше уровня трактов RB не принадлежат к слою доступа и ответственны за обслуживающие каналы UMTS.

 

5.1.  Структура UTRAN

 

Рисунок 5.2 иллюстрирует уровень сетевых элементов в структуре UTRAN. Сеть UTRAN состоит из подсистем радиосети RNS, а каждая подсисте­ма RNS содержит некоторое число базовых станций БС {или официально уз­лов В с интерфейсом Uu) и один RNC.

Подсистемы RNS разделены между собой интерфейсом UMTS, разме­щенным между интерфейсами RNC и lur, которые образуют соединение между двумя RNC. Стык lur, который определен как открытый интерфейс, передает полезную абонентскую информацию — трафик, а также сигналы управления и взаимодействия.

 

5.2.  Базовая станция БС (узел В)

 

Базовая станция БС размешается между интерфейсом Uu и интерфейсом UMTS, который соединяет RNC с БС и обозначается как lub. Основные задачи БС — это физическая реализация интерфейсов Uu и lub (в направ­лении сети) с использованием разработанных для данных интерфейсов наборов протоколов.

 

Рис. 5.3. Внутренняя структура БС

Что касается интерфейса Uu, то БС под руководст­вом RNC организует физические радиоканалы WCDMA и передачу инфор­мации из транспортных каналов в физические каналы, как это описано в главе 4.

 

5.2.1. Структура базовой станции

 

БС может рассматриваться как радиограница сети UTRAN, и поэтому ее основные задачи заключаются в передаче и приеме радиосигналов (Rx и Тх), фильтрации, усилении, модуляции и демодуляции сигналов, а также стыков­ке с радиосетью RAN. Внутренняя структура БС в большой степени зави­сит от поставщика и в основном состоит из составляющих, показанных на рис. 5.3.

Логическая структура показывает, каким образом БС входит в систему доступа UTRAN и имеет обычный для данного типа станций вид. С точки зрения сети базовую станцию БС можно разделить на несколько логических составляющих, показанных на рис. 5.4.

Со стороны интерфейса Iub базовая станция объединяет два типа объек­тов: общий транспортный объект и оконечные точки трафика — ТТР1. Транспортный модуль включают транспортные каналы, общие для всех ап­паратов UE данной соты, а также каналы, которые служат для инициации доступа. Общий транспортный модуль включает в себя также порт управле­ния узлом В, который используется для организации технического обслужи­вания О&М2. Каждая оконечная точка трафика ТТР состоит из нескольких единиц информационного контекста3 узла В. В свою очередь, контекст уз­ла В включает все выделенные ресурсы, необходимые при работе оборудова­ния UE в выделенном, некоммутируемом режиме. Следовательно, одна еди­ница информационного контекста узла В может, например, содержать как

 

Рис. 5.4. Логическая структура базовой станции БС

 

минимум один выделенный канал DCH. Исключение представляют совме­щенные нисходящие каналы DSCH и HS-DSCH (высокоскоростные DSCH), которые также входят в единицу контекста узла В. С точки зрения сетевой инфраструктуры UMTS базовая станция БС может рассматриваться как ло­гическая единица системы технического обслуживания О&М. Другими сло­вами, это понятие описывает физический уровень БС и ее состояние, т. е. БС как объект.

С точки зрения радиосети и управления ею БС содержит несколько дру­гих логических единиц, называемых сотами. Сота представляет собой наи­меньшую единицу радиосети, имеющую свой собственный идентификацион­ный номер — ID соты, который видим всеми UE. При конфигурировании радиосети изменяются данные ее сот. Понятие «сектор» устанавливает физи­ческие возможности соты или сот, т. е. радиопокрытие.

Каждая сота имеет один скремблирующий код. Оборудование UE узнает соту по двум величинам: скремблирующему коду (при прописке в соту) и идентификационному коду соты в структуре радиосети — ID соты. Одна сота может иметь несколько приемопередатчиков TRX, называемых также просто передатчиками. Приемопередатчики обеспечивают распространение инфор­мации к абонентам UE по первичным физическим каналам управления Р-ССРСН,   содержащим   информацию   каналов   вещательного   типа   ВСН.

Один приемопередатчик TRX обслуживает физические каналы на интерфей­се Uu, через который проходят транспортные каналы, содержащие реальную информацию, которая может быть общей или специализированной.

Сота может иметь как минимум один приемопередатчик TRX. Приемо­передатчик TRX составной частью входит в базовую станцию БС, выполняя различные функции по преобразованию потока данных наземных соедине­ний Iub в радиотракт и наоборот.

 

5.2.2. Метод модуляции

 

Используемый метод модуляции представляет интерес с точки зрения систе­мы, поскольку он непосредственно влияет на общие параметры системы и ее пропускную способность. В широкополосной системе WCDMA использу­ются квадратурная фазовая манипуляция — ФМН4 (QPSK), ее вариант — двойная ФМН4, а также квадратурная амплитудная модуляция КАМ-16 (16QAM). В 5-й версии WCDMA, принятой проектом 3GPP, КАМ-16 ис­пользуется совместно с системой адаптивной модуляции и кодирования АМС и гибридной системой повторного запроса HARQ. Все это вместе, включая модернизированную линию высокоскоростного пакетного доступа HSDPA, создает наиболее существенные новые свойства WCDMA. Физиче­ские нисходящие каналы Р-ССРСН, S-CCPCH, CPICH, AICH, AP-AICH, CSICH, CD/CA-ICH, PICH, PDSCH, HS-SCCH и DPCH используют моду­ляцию ФМН4, а нисходящие физические каналы HS-PDSCH могут исполь­зовать ФМН4 или КАМ-16 в зависимости от требуемой скорости передачи и условий радиоканала.

При ФМН4 (QPSK) один бит и его состояние представляется различны­ми фазами несущей. Биты при модуляции выбираются парами и, следова­тельно, образуют четыре комбинации возможных состояний.

Как показано на рис. 5.5, при использовании модуляции ФМН4 поток данных (т. е. физический канал) сначала преобразуется из последовательного в параллельный формат. После этого преобразования сигнал в модуляторе разделятся на два потока: I и Q. В ветви I при наличии «1» фаза сигнала сдвигается на 180°, а при «0» фаза сигнала не изменяется. В ветви Q при на­личии «1» фаза сигнала сдвигается на +90°, а при «О» фаза сдвигается на -90°. В ветви I и Q подается сигнал от генератора: в ветвь Т сигнал подается непосредственно, а в ветвь Q — со сдвигом на 90°. При объединении сигна­лов ветвей I и Q на выходе преобразователей образуются комбинации из двух сигналов с различными сдвигами фазы, представленные на диаграмме справа. Тонкие пунктирные линии показывают пути, по которым система переходит из одного состояния (фазы) в другое.

Эта система работает хорошо, но некоторые комбинации из 2 бит трудно реализовывать. Например, когда комбинация бит изменяется из состояния «00» в «11», то это означает, что должен произойти сдвиг фазы на 1800, при котором происходит изменение на большую величину. Очень большое изме­нение вызывает проблемы, особенно при широкой полосе частот используе­мого радиотракта. В этом случае для передачи сигналов без искажений, базо­вая станция должна иметь линейные усилители, обеспечивающие передачу изменений по всей полосе.

Для устранения проблемы слишком быстрых изменений предложен дру­гой вариант ФМН-4 — так называемая двойная ФМН-4. В результате в выделенном и общем физических каналах DPDCH и DPCCH вместо вре­менного мультиплексирования используется показанное на рис. 5.6 кодовое мультиплексирование Q/I со скремблированной последовательностью комп­лексных чисел. Это приводит к временной задержке в ветви Q модулятора, близкой к 0,5 бита (или чипа). Как показано на рис. 5.7, это предотвращает изменения фазы на 180°, ограничивая их шагами по 90°. Поэтому переход комбинации из «00» в «11» происходит последовательно по схеме «11»-«10»—«00» в течение одного цикла ФМН-4 (QPSK).

 

Рис. 5.7. Изменение диаграммы состояний при кодовом мультиплексирова­нии ветвей

Q и I

 

 

Таким образом, спектр сигналов ФМН-4 (QPSK) и двойной ФМН-4 оди­наковый, но при двойной модуляции ФМН-4 сигнал глаже. Это также допу­скает нелинейный режим работы усилителей без существенных проблем. Этот факт, очевидно, позволяет проще организовывать работу, в частности, оконечного абонентского оборудования. Так как пик-фактор сигнала снижа­ется, то можно увеличить мощность на выходе усилителя и в конечном итоге получить более эффективное в экономическом смысле решение. В то же время обычная ФМН-4 может использоваться в обоих направлениях, но або­нентское оборудование UE будет испытывать трудности с потребляемой мощностью и будет дороже, так как линейная характеристика усилителя тре­бует высокой точности и, следовательно, сам усилитель имеет более высокую стоимость. При использовании двойной ФМН-4 этих проблем с усилением удается избежать. С точки зрения БС двойная ФМН-4 недостаточно хороша, так как сигнал, передаваемый БС, должен быть очень точным, а абонентское оборудование должно иметь возможность точной синхронизации. Для дости­жения компромисса на передающей стороне от БС используется обычная ФМН-4, которая в этом случае имеет лучшие показатели.

Кроме ФМН-4 (QPSK) и двойной модуляции ФМН-4 в WCDMA исполь­зуется также квадратурная амплитудная модуляция КАМ (QAM). Как уже упо­миналось в разделе 4.2, посвященном системе HSDPA, этот метод модуляции был выбран в 5-й версии 3GPP для использования в высокоскоростном пакет­ном доступе HSDPA WCDMA. Соображения при этом были достаточно про­сты: основная цель пакетной сети HSDPA заключалась в достижении значи­тельно большей скорости передачи данных по сравнению с 4-й версией про­екта 3GPP. При использовании ФМН-4 нужная скорость передачи не может быть достигнута вообще. В отличие от модуляции ФМН-4, использующей ин­формацию о фазе, КАМ имеет то преимущество, что при формировании со­стояний модулированного сигнала использует информацию и о фазе, и об ам­плитуде. Как можно видеть из рис. 5.8, передача данных при этом улучшается в несколько раз в зависимости от используемого уровня модуляции. При КАМ для передачи данных по каналу используются две ветви и сигналы несущей частоты, сдвинутые на 90° по фазе. Благодаря разнице в 90° и ортогональной несущей, сигналы в ветвях модулируются и передаются по каналу независимо и в конечном итоге разделяются при демодуляции в абонентском оборудова­нии, например при использовании в системе HSDPA.

Рис. 5.9. Виды модуляции, используемые в сети доступа UTRAN

 

Эффективность модуляции КАМ повышается при ее использовании вме­сте с системой адаптивной модуляции и кодирования АМС, при этом ско­рость передачи данных в нисходящей линии WCDMA увеличивается в не­сколько раз по сравнению с величиной пропускной способности, достигае­мой в совмещенном нисходящем канале DSCH в 4-й версии. Уровень моду­ляции КАМ может быть повышен до К.АМ-64, но, учитывая ее стоимость, сложность и соображения эффективности, было признано целесообразным использование КАМ-16 в каналах высокоскоростного пакетного доступа HSDPAceTH UTRAN модуляции КЛМ-16.

Исходя из этого, в WCDMA используются фактически оба варианта ФМН-4 (QPSK) — обычная ФМН-4 в нисходящем канале, двойная ФМН-4 — в восходящем направлении и КАМ — для высокоскоростных применений в нисходящем направлении (см. рис. 5.9).

 

5.2.3. Методы приема

 

При WCDMA используется многолучевое распространение. Другими сло­вами, передаваемый сигнал распространяется от передатчика к приемнику по нескольким различным направлениям. Но для достижения большей про­пускной способности радиосети мощность передачи абонентского оборудо­вания UE и базовой станции БС должна быть относительно невелика. Это снижает помехи на радиоинтерфейсе и оставляет больше пространства для других передатчиков. В такой ситуации очень полезно и для UE и для БС «собрать» на приеме все слабые составляющие сигналы одного и того же исходного сигнала и объединить их вместе. Для этого необходим специаль-

Рис. 5.8. Схема КАМ  модуляции   и  ее  созвездие  — диаграмма состояний КАМ-16 ный тип приемника.

 

Рис. 5.10. Упрошенный принцип действия приемника RAKE

 

Пример такого рода структуры представляет прием­ник RAKE (заметьте, что это не акроним, а настоящее название типа прием­ника).

Задача приемника RAKE заключается в повышении уровня принимаемо­го сигнала в условиях многолучевого распространения радиоволн, когда сиг­налы проходят по различным трактам и с различными затуханиями. Как по­казано на рис. 5.10, упрощенная схема приемника RAKE состоит из несколь­ких трактов, схемы объединения, согласованного фильтра и схем временных задержек. На практике каждый приемный тракт может частично принимать сигналы как от обслуживающей БС, так и от соседней БС. Различные ветви принимаемого сигнала объединяются таким образом, чтобы отклонения фаз и амплитуд в ветвях компенсировали друг друга, создавая сигнал с большим напряжением, чем напряжения сигналов в каждой отдельной ветви. Для раз­деления ветвей многолучевого сигнала друг от друга задержка ветвей должна находится в заданном диапазоне и в определенной логической последова­тельности.

В обшем случае разнесенный радиоприем дает эффективные способы преодоления ослаблений радиосигнала из-за замираний и затенений, кото­рые обсуждались в главе 3. Кроме того, использование разнесенного приема создает хорошие предпосылки для создания плавного режима передачи об­служивания в сотовых сетях. Методы разнесенного радиоприема могут ис­пользоваться в мобильных системах для пространственного разнесения, вре­менного и частотного разноса и т. д. В методах WCDMA обычно использует­ся разделение по поляризации для передачи в обоих направлениях, нисходя­щем и восходящем. Цель многолучевого разнесения состоит в выделении индивидуальных составляющих многолучевого распространения и объедине­нии их так, чтобы получился суммарный, объединенный сигнал более высо­кого качества. При использовании приемника RAKE в абонентском обо­рудовании UE и на базовой станции БС создается возможность для захвата и объединения разных ветвей нужного сигнала и повышения качества са­мых удаленных сигналов или цифровых потоков до степени, достаточной для последующей обработки. Максимальный коэффициент объединения MRC — это такой алгоритм разнесения, который используется при обработ­ке сигналов. В радиодоступе ответственность за разнесение распределена между оборудованием UE, ЪС и контроллером RNC и зависит от направле­ния (нисходящее или восходящее) и места сетевого элемента в структуре се­тевой иерархии.

 

5.2.4. Емкость соты

 

При WCDMA все пользователи используют общий физический ресурс — по­лосу частот в 5 МГц. Все пользователи приемопередатчиков TRX WCDMA работают в данной полосе частот одновременно, а различные операции раз­личаются по расширяющим кодам. В сетях доступа UTRAN первых систем UMTS использовался вариант WCDMA с частотным разделением направле­ний — WCDMA-FDD. В этом случае разные направления передачи на ин­терфейсе Uu используют разные полосы частот. Одним из самых интересных и, пожалуй, самым запутанным вопросом представляется вопрос о пропуск­ной способности приемопередатчиков TRX WCDMA. В глобальной системе мобильной связи GSM расчет пропускной способности TRX достаточно пря­молинеен. Однако так как радиоинтерфейс WCDMA организован иначе, а емкость системы ограничивается различными факторами, то определить пропускную способность приемопередатчиков TRX в системе WCDMA не очень просто.

Исходя из радиоусловий, давайте хотя бы в общем виде очертим теорети­ческие опенки пропускной способности приемопередатчиков TRX WCDMA. Для упрощения задачи мы должны сделать следующие предположения:

 

•  Все абоненты в зоне покрытия данного приемопередатчика TRX нахо­дятся на одинаковом расстоянии от антенны.

•  Все абоненты используют одинаковый уровень мощности и, следова­тельно, вызываемые ими помехи также имеют равный уровень мощно­сти.

•  Абоненты в зоне TRX используют одинаковую скорость следования бит, т. е. одинаковую скорость следования символов.

 

Определим при этих условиях параметр, называемый выигрышем от об­работки (Gp). Выигрыш Gp служит относительным показателем, который представляет отношение между всей доступной полосой частот BRF и скоро­стью информационного потока бит в ней Вlnformation:

Другой способ выразить выигрыш от обработки Gp заключается в исполь­зовании скорости чипов и передачи данных:

 

Gp = Скорость чипов / Скорость бит.

 

В результате оба способа, если полученные значения выразить в децибе­лах, показывают увеличение защищенности (отношения сигнал—шум) на входе и выходе приемника.

Позже мы увидим, что Gp — это фактически то же самое, что и коэффици­ент расширения SF. Заметьте, что обсуждаемая здесь основная полоса частот потока бит — это та, которая получена после согласования скоростей. В этом процессе исходная скорость бит абонента подгоняется под скорость несущего потока. Скорость несущих потоков фиксированная, например 30 кбит/с, 60 кбит/с, 120 кбит/с, 240 кбит/с, 480 кбит/с и 960 кбит/с. Скорость чипов в си­стеме постоянна и равна 3,84 Мчип/с (38 400 000 чип/с). Откуда, например, для скорости потока 30 кбит/с получим коэффициент расширения SF, равный:

Если предположить, что в зоне TRX находится X абонентов и что упро­щающие предположения данной главы верны, то это означает, что в стати­стическом смысле на одного абонента оказывают влияние Х- 1 абонентов. Это также означает, что выражение для отношения сигнал/шум можно выра­зить следующим образом:

Это уравнение дает очень грубое приближение и может использоваться только для оценки. «Официальный путь» расчета пропускной способности TRX требует использования несколько большего числа параметров.

Пример. Предположим, что используемый в соте коэффициент расшире­ния SF равен 128 и что при этой операции отношение Еb / No = 3 дБ. Сколь­ко абонентов может быть одновременно в соте, если ее обслуживает только один приемопередатчик TRX?

Это максимальное число абонентов, которое теоретически может быть обслужено одним приемопередатчиком с учетом помех, возникающих внутри соты. На практике соседние соты создают помехи между сотами. Если пред­положить, что помехи между сотами равны помехам внутри соты, то суммар­ное число пользователей должно быть сокращено до 32.

Отношение Еo/ /Vo представляет особый интерес. Это параметр, который может иметь несколько значений и характеризует несущие на радиоинтер­фейсе. Соответственно, можно констатировать, что отношение Еb / No ока­зывает заметное влияние на пропускную способность соты и TRX, поскольку определяет число одновременно работающих пользователей. В связи с соот­ношением Eb / No могут рассматриваться следующие задачи:

 

•  No — постоянная, которая включает характерные параметры некоторых приемников;

•  Еb — естественно изменяющаяся величина, которая зависит от после­дующих пунктов;

•  отношение Gp/ SF: чем больше SF, тем меньше Еb;

•  чем больше скорость передачи бит, тем больше Еb, что непосредствен­но следует из предыдущего пункта;

•  расстояние между приемниками мобильной и базовой станций: чем больше расстояние, тем больше Еb;

•  скорость перемещения мобильной станции: чем выше скорость, тем выше Еь.

 

Приведенный выше расчет представляет грубый метод оценивания ем­кости TRX, но существует достаточно много других способов сделать это. Для выяснения деталей этого рекомендуем обратиться к книге Холма и Тос-кала (Holma, Toskala: WCDMA for UMTS, 2001).

 

5.2.5. Функции управления БС

 

Несмотря на то что основные функции БС непосредственно связаны с пере­дачей и приемом радиосигналов, ей также приходится выполнять другие функции, связанные с управлением сетью радиодоступа UTRAN. Эти функ­ции частично ограничены поддержкой выполнения, сбора и фильтрации ра­диоизмерений и предоставлением этих результатов контроллеру RNC для выполнения функций по управлению сетью радиодоступа RAN. Однако есть функции БС, которые занимают центральное место. Это генерация кодов, регулирование излучаемой мощности и техническая эксплуатация (О&М), в частности сетевых элементов или на уровне соты. Функции технической экс­плуатации О&М включают логические функции уровня сетевого элемента (программное и аппаратное обеспечение) и уровня сети радиодоступа LJTRAN, которые находятся под управлением контроллера радиосети RNC. Технические решения по реализации этих функций в высшей мере зависят от поставщика оборудования.

С позиций управления радиоресурсами RRM базовая станция участвует в регулировке мощности (внутренние цепи) и генерировании кодов, а после недавних усовершенствований, сделанных в 5-й версии, БС участвует также в планировании передачи пакетов. Поэтому с развитием сети UTRAN функ­ции управления БС расширяются.

Тем не менее роль контроллера радиосети RNC по-прежнему остается центральной в смысле общего управления сетью доступа UTRAN, Поскольку в настоящее время это стало реальностью, в частности в управлении радио­ресурсами RRM, то мы опишем эти функции более детально в их связи с другими функциями контроллера RNC.

 

5.3. Контроллер радиосети — RNC

 

Контроллер радиосети RNC — это элемент управления и коммутации сети доступа UTRAN, Контроллер RNC расположен между интерфейсами lub и Iu. Есть также третий интерфейс для связи с подсистемами радиосети (RNS), называемый lur. Решения по технической реализации RNC зависят от по­ставщика, но некоторые общие аспекты могут быть показаны, что и иллюст­рирует рисунок 5.11.

Как уже пояснялось раньше, контроллер RNC видит в БС два объекта: организатора общего транспорта и набор информационных контекстов узлов типа В. Контроллер RNC, который управляет этими объектами в БС, назы­вается управляющим RNC — CRNC1.

С точки зрения несущих радиосигналов RNC выполняет функции пере­ключения между интерфейсом Iu и базовыми станциями БС. Радионесущая RB2 представляет собой тип радиоканала между оборудованием абонента UE и RNC, по которому передаются данные абонента. В свою очередь, RB имеют отношение к содержанию (контексту) оборудования UE, представляющему собой набор определений, необходимых на интерфейсе Tub при организации между UE и RNC выделенных каналов и каналов общего типа. Поскольку в UTRAN используется макроразнесение каналов, то UE имеет несколько ра­диоканалов RB между собой и RNC. Это положение известно как плавная пе­редача обслуживания и обсуждается в данной главе позже. Контроллер RNC, который поддерживает несущие радиосигналы UE на интерфейсе Iu, называ­ется обслуживающим RNC — SRNC3.

Третья логическая роль, которую играет контроллер RNC, — это режим дрейфа DRNC4. В этом режиме RNC самостоятельно поддерживает контекст UE. Запрос на выполнение этого поступает от SNRC через интерфейс lur.

Как SNRC, так и DRNC функционально могут изменять свое физиче­ское местоположение. При перемещении мобильной станции UE в сети и выполнении плавной передачи обслуживания UE следует установить связь с другим RNC вместо того SNRC, к которому изначально было подключено данное оборудование UE. В этом случае функция SNRC передается тому RNC, который поддерживает радиосвязь с данным UE. Эта процедура назы­вается перераспределением SNRC или SNRS.

В целом функционирование RNC может быть классифицировано на две части: управление радиоресурсом сети доступа RRM UTRAN и функции управления. Управление ресурсом RRM — это набор алгоритмов, используе­мых для обеспечения гарантированной стабильности радиотракта и показа­телей качества радиосоединений QoS. В основе этого лежит эффективное со­вместное использование и управление радиоресурсом. Функции управления UTRAN включают все функции, которые относятся к настройке, обслужива­нию и обновлению RB, включая поддержку алгоритмов функционирования системы управления ресурсами RRM.

 

5.3.1. Управление радиоресурсами RRM

 

Как пояснялось в главе 1, система RRM ответственна за техническую эксп­луатацию UTRAN. Система RRM размещена внутри UTRAN в оборудовании UE, БС и RNC. Система управления RRM создает различные алгоритмы стабилизации работы радиотрактов для соответствия услуг, предоставляемых этими трактами, критериям качества QoS (рис. 5.12).

 

Рис. 5.12. Основные объекты управления радиоресурсами RRM

 

Алгоритмы RRM должны поставлять информацию по радиотрактам. Эта услуга называется UTRA. Для этих целей служит управляющий протокол RRC1. Функционирование системы управления UTRAN обсуждается в дан­ной главе ниже. Протокол RRC рассматривается в главе 10.

Кратко алгоритм RRM может быть представлен как:

 

•  управление передачей обслуживания;

•  регулировка мощности;

•  входной контроль и планирование пакетов;

•  обслуживание кодов.

 

5.3.1.1. RRM — управление передачей обслуживания

 

Управление передачей обслуживания (хэндовер) — одна из самых важных функций, гарантирующих абоненту мобильность в сети связи. Обслуживание вызовов при движении абонента стало возможным благодаря организации эстафетной передачи обслуживания. Основная идея достаточно проста: при передвижении абонента из зоны покрытия одной соты в другую соту должно быть установлено новое соединение с ячейкой, в которую он направляется, а соединение со старой, прежней ячейкой может быть прекращено. В сетях со­товой связи, в частности CDMA, управление механизмом передачи обслужи­вания представляет достаточно сложную задачу, которая добавляет некото­рые запутанные составляющие.

 

5.3.1.1.1. Причины передачи обслуживания

 

Для активизации процедуры передачи обслуживания существует достаточ­но много причин. Основная причина передачи обслуживания проявляется при отказе радиоинтерфейса выполнять установленные критерии качества, в результате чего оборудование абонента UE или сеть UTRAN предприни­мают действия по повышению качества связи. В сети WCDMA для вызовов с коммутацией каналов используется режим передачи обслуживания «на ле­ту». При вызовах с коммутацией пакетов переход в режим передачи обслу­живания происходит при отсутствии в сети или у абонента UE пакета для передачи.

Безотносительно от вида системы передачи обслуживания они имеют общий знаменатель: неприемлемое или неоптимальное качество QoS в те­кущем соединении. Логика, по которой выясняется необходимость пере­дачи обслуживания, также общая. Критерии выполнения операций по пе­редаче обслуживания в основном зависят от стратегии, реализованной в системе. Однако большинство из этих критериев основывается на качест­ве сигнала, мобильности абонента, распределении трафика, полосе частот и т. д.

Критерий качества сигнала. Переход в режим передачи обслуживания инициируется при снижении качества или напряженности радиосигнала ниже определенных значений, установленных контроллером RNC. Ухудше­ние сигнала определяется по результатам постоянных измерений в оборудо­вании абонента UE и на БС. Критерий качества сигнала для режима переда­чи обслуживания может использоваться как в нисходящем, так и в восходя­щем направлениях каналов.

Критерий нагрузки (трафика). Переход в режим передачи обслужива­ния инициируется, если пропускная способность соты достигла максиму­ма или превосходит ее. В этом случае большая часть абонентской нагрузки у границ соты может быть передана соседней соте с меньшей загрузкой. При использовании режима передачи обслуживания такого рода нагрузка в системе может быть распределена более равномерно и можно достигнуть более эффективного распределения покрытия и емкости системы, адапти­ровав их к требованиям абонентской нагрузки. Передача обслуживания по критерию трафика может выполняться по приоритетам или по числу по­вторных попыток.

Число операций передачи обслуживания непосредственно зависит от уровня мобильности абонентов UE. Если мы предположим, что UE поддер­живают движение в одном направлении, то можно будет сказать, что чем быстрее движется UE, тем больше операций передачи обслуживания должна выполнять сеть UTRAN. Чтобы избежать ненужных передач обслуживания UE, двигающихся с высокой скоростью, обслуживание таких UE можно пе­редать, например, из микросоты в макросоту. В то же время когда абонент UE двигается медленно или вообще стоит, то он может быть передан на об­служивание из макросоты в микросоту, чтобы повысить уровень сигнала и снизить расход энергии батареи.

Решение о выполнении передачи обслуживания всегда принимает конт­роллер RNC, который в данный момент обслуживает абонента, за исключе­нием передачи обслуживания по соображениям трафика. В последнем случае решение может принимать также коммутационный центр мобильной связи MSC. В дополнение к сказанному выше может быть и много других причин для проведения операции по передаче обслуживания, например изменение услуг.

 

5.3.1.1.2. Процесс передачи обслуживания

 

На рис. 5.13 показан процесс выполнения передачи обслуживания, состоя­щий из трех основных фаз: измерения, принятия решения и исполнения. Обсуждаемый здесь процесс передачи обслуживания относится в основном к системе WCDMA. Однако поскольку рассматриваются основные принципы, то они верны для любого вида сотовой связи.

Проведение измерений для передачи обслуживания занимает цен­тральное место с позиций характеристик системы. Во-первых, из-за суще­ствования зависимости между состоянием в соте и мобильностью абонен­та (напряжение сигнала в радиоканале из-за замираний и затухания в трак­те прохождения может радикально изменяться). Во-вторых, повышение числа сообщений об измерениях UE или об операциях выполнения сетью передачи обслуживания повышает общий объем сигнализации, что нежела­тельно.

Для целей передачи обслуживания и в течение соединения UE непрерыв­но измеряет напряженность сигнала соседних сот, а результаты сообщает сети (контроллеру радиосети) во многом тем же способом, как это делает контроллер RNC в системе WCDMA.

В соответствии с техническими условиями TS 25.331 3GPP измерения, проводимые UE, можно сгруппировать различным образом в зависимости от того, что должно быть измерено. Перечень видов измерений следующий:

•  Одночастотные измерения, включающие измерения напряженности в физических нисходящих каналах для сигналов на одной и той же час­тоте.

•  Межчастотные   (двухчастотные)   измерения,   включающие   измерения напряженности в физических  нисходящих каналах для сигналов на разных частотах.

•  Межсистемные измерения, охватывающие измерения напряженности в физических нисходяших каналах, которые принадлежат к другим сис­темам доступа (не UTRAN), например GSM.

 

Рис. 5.13. Упрошенный процесс передачи обслуживания

•  Измерения величины исходящего (восходящего) трафика абонента.

•  Измерения качества, включающие измерения параметров качества, на­пример коэффициент ошибок блоков нисходящей линии.

•  Внутренние измерения — измерения уровня мощности передачи UE и уровня сигнала, принимаемого UE.

 

Но измерения могут быть последовательно распределены по следующим критериям:

 

•  изменения лучшей соты;

•  изменения уровня сигнала в первичном совмещенном контрольном ка­нале CPICH;

•  изменения уровня сигнала в первичном физическом канале управления Р-ССРСН;

•  изменения уровня защищенности, т. е. отношения сигнал-помеха SIR1;

•  изменения уровня мощности сигнала 1SCP2;

•  периодичности отчетов;

•  времени переключения.

 

Таким образом, технические требования WCDMA содержат различные критерии измерений для обеспечения механизма передачи обслуживания. Для улучшения характеристик системы ключевым моментом является выбор наиболее подходящей процедуры измерений и соответствующего критерия, а также интервалов фильтрации для использования в процессе передачи об­служивания. Нагрузка на сигнализацию при передаче обслуживания может быть оптимизирована нахождением компромисса при согласовании крите­рия передачи обслуживания, выполняемых измерений и модели трафика, ис­пользуемой при планировании сети.

Фаза принятия решения включает обобщенное оценивание соединения по критериям качества QoS и сравнение его с нормируемыми значениями качества QoS, а также с оценками соседних сот. В зависимости от результа­тов этих сравнений может быть принято решение о том, передавать или не передавать обслуживание.

Обслуживающий контроллер радиосети SRNC проверяет, подходят ли зна­чения, указанные в протоколе измерений, под критерий переключения. Если они соответствуют, то это разрешает проведение передачи обслуживания.

При принятии решения о передаче обслуживания используется два основных подхода:

 

•  переключение на основе опенки сети NEHO3;

•  переключение на основе оценки абонента МЕНО4.

 

В случае оценки сети (NEHO) решение принимает обслуживающий кон­троллер радиосети SNRC, при оценке абонента (МЕНО) решение принимает­ся в основном оборудованием абонента UE. При комбинированном принятии решений по критериям NEHO и МЕНО решение принимается совместно SNRChUE.

Заметьте, что даже при использовании критерия МЕНО, окончательное решение о проведении передачи обслуживания делается контроллером SNRC. Причина кроется в том, что контроллер RNC отвечает за всю систему управ­ления радиоресурсами RRM, и поэтому он осведомлен обо всей нагрузке в сети и владеет другой необходимой для выполнения передачи обслуживания информацией.

Принятие решения о переключении основывается на протоколе измере­ний, проводимых абонентским оборудованием UE и базовой станцией БС, а также на наборе критериев, установленных алгоритмом передачи обслужива­ния. Алгоритмы передачи обслуживания (переключения) как таковые не со­ставляют предмет стандартизации, а, скорее всего, представляют аспекты, зависящие от реализации системы. Поэтому преимущества алгоритмов пере­дачи обслуживания используются произвольно, основываясь на достигнутых параметрах, с учетом измерительных возможностей элементов сети, распре­деления нагрузки в сети, аспектов планирования, сетевой инфраструктуры в целом и общей стратегии оператора в отношении трафика.

Общие принципы, подведенные под фундамент алгоритмов передачи об­служивания, представлены на рис. 5.14. В данном примере предполагается, что критерии принятия решения основываются на напряженности контроль­ного сигнала, сообщаемой абонентским терминалом UE. В примере исполь­зуются следующие понятия и параметры:

 

• Верхний порог: уровень, при котором напряженность сигнала при со­единении достигает максимального допустимого значения в отноше­нии требований качества QoS.

 

Рис. 5.14. Основной   принцип,   положенный   в  основу   алгоритма   передачи обслуживания

 

•  Нижний порог: уровень, при котором напряженность сигнала при со­единении находится на минимальном допустимом уровне с точки зре­ния удовлетворения требований к качеству QoS. Следовательно, уро­вень сигнала на должен опускаться ниже данного значения.

•  Гарантийный запас: заранее определенный параметр, который устанав­ливается для точки, в которой уровень напряженности сигнала сосед­ней соты В начинает превышать напряженность сигнала данной соты А на определенную величину и/или в течение определенного времени.

•  Список активации  («боевой  набор»):  перечень ответвлений сигнала (сот), по которым мобильный терминал UE одновременно соединен с сетью UTRAN.

 

Предположим, что мобильный терминал UE, находящийся в соте А, дви­жется в направлении соты В. Так как UE движется в направлении В, то уро­вень контрольного сигнала соты А, в которой находится UE, ухудшается, приближаясь к нижнему порогу, показанному на рис. 5.14. Это может приве­сти к переключению обслуживания по следующим этапам:

 

1.  Напряженность сигнала А становится равной заданной величине ниж­него порога. В то же время по результатам измерений абонентского терминала UE, контроллер RNC знает, что уже присутствует сигнал соты В (см. рис. 5.14) с приемлемой величиной напряженности, спо­собной улучшить качество соединения. Поэтому RNC добавляет сиг­нал В в список активации. С этого момента UE располагает двумя од­новременно действующими соединениями с UTRAN и, таким образом, извлекает преимущества суммарного сигнала, состоящего из сигналов А и В.

2. С этого момента качество сигнала В превосходит качество сигнала А. Поэтому контроллер RNC сохраняет эту точку в качестве исходной для расчета запаса по передаче обслуживания.

3.  Если напряженность сигнала В становится равной или лучше заданно­го нижнего порога, то сигнал способен удовлетворять требованиям со­единения к качеству QoS. В то же время напряженность суммарного сигнала превышает заданный верхний порог, что вызывает дополни­тельные помехи в системе. Тогда контроллер RNC изымает сигал А из списка активации.

 

Заметьте, что размер списка активации может изменяться, но обычно он содержит от 1 до 3 сигналов. В данном примере размер списка равен 2, в пе­риод времени между 1-м и 3-м этапами.

Так как направление движения абонента UE изменяется случайным об­разом, то возможно его возвращение в ячейку А сразу же после первого пе­реключения обслуживания. Это влечет так называемый эффект «пинг-понга», который плохо влияет на систему в смысле ее пропускной способно­сти и общих характеристик. Использование гарантийного запаса или пара­метров гистерезиса представляет лучшее средство защиты от нежелательных передач обслуживания, которые приводят к появлению дополнительной на­грузки сигнализации в сети UTRAN.

 

5.3.1.1.3. Виды передачи обслуживания

 

В зависимости от используемых механизмов передача обслуживания может быть трех видов: жесткая, мягкая и очень мягкая (незаметная). Жесткая пе­редача обслуживания в дальнейшем может быть разделена на одночастотную и двухчастотную. В системе UMTS поддерживаются все эти методы.

Если во время переключения старое соединение отбрасывается перед со­зданием нового соединения, то такой тип переключения называется жесткой передачей обслуживания. При этом сигналы одновременно не присутствуют, и, кроме того, образуется очень короткий провал связи, незаметный боль­шинству пользователей.

При двухчастотном жестком переключении несущая частота в новой соте отличается от старой частоты, на которой работало оборудование абонента UE. Если же значение новой частоты остается прежним, равным старой не­сущей частоте, то такое переключение называется одночастотным переклю­чением.

На рис. 5.15 и 5.16 показаны ситуации с переключением, в которых со­седние БС могут передавать те же самые или различные частоты соответст­венно.

На рис. 5.15 соседние контроллеры RNC из-за стратегии сетевого плани­рования или особенностей передачи не связаны с интерфейсом lur и, следо­вательно, плавное переключение невозможно. При таких обстоятельствах для поддержания безобрывного соединения и мобильности абонента при пе­реходе от одной БС к другой используется только одночастотное переключе­ние. Фактически это приводит к двухчастотной схеме переключения, при ко­торой задействуется также коммутационный центр мобильной связи MSC.

 

 

Рис. 5.15. Одночастотная жесткая передача обслуживания

 

Рис. 5.16. Двухчастотная жесткая пере-     Рис. 5.17. Межсистсмная передача обслу-дача обслуживания                                                                   живания

 

 

Вообще-то в WCDMA повторно используются те же частоты (коэффици­ент повторного использования частот равен единице), т. е. все базовые стан­ции передают одни и те же частоты и все рассматриваемые абонентские устройства UE совместно используют тот же частотный ресурс сети. Но это не означает, что повторное использование частот1 не может использоваться в WCDMA вообще. Поэтому если в сотах из каких-либо соображений исполь­зуются различные несущие частоты, то для обеспечения тракта переключе­ния из одной соты в другую в пределах группы сот требуется двухчастотный режим.

Двухчастотный режим передачи обслуживания применяется также в сети с иерархической структурой ячеек HSC2 между ее различными уровнями, на­пример макросотами и микросотами, использующими в одной зоне покры­тия различные несущие частоты. В этом случае двухчастотный режим пере­ключения используется не только потому, что иначе оборудование UE поте­ряло бы соединение с сетью, но также для того, чтобы улучшить системные показатели в смысле повышения пропускной способности и показателей ка­чества обслуживания QoS. Двухчастотный режим передачи обслуживания всегда реализуется на основе оценки сети NEHO.

Кроме того, двухчастотное переключение может происходить между дву­мя разными радиосетями доступа RAN, например между различными систе­мами GSM и WCDMA. В этом смысле используется понятие «межсистемной передачи обслуживания» (рис. 5.17). Межсистемная передача обслужива­ния — это всегда разновидность двухчастотного переключения, поскольку в различных системах используются различные частоты.

Возможность выполнения межсистемной передачи обслуживания под­держивается системой WCDMA благодаря специальному режиму функцио­нирования — режиму компрессии, известному также как режим выделе­ния интервалов времени. С точки зрения системы WCDMA величина коэф­фициента расширения SF в канале может быть снижена, если терминал UE находится в режиме выделения интер­валов времени. Как следствие, соеди­нение на радиоинтерфейсе использует только часть пространства в цикле ка­нальных интервалов WCDMA. Остав­шиеся канальные интервалы могут ис­пользоваться оборудованием UE для других целей, например для измерения сигналов соседних сот GSM. Другими словами, этот механизм представляет собой способ взаимодействия между GSM и UMTS, необходимый в услови­ях сети доступа UTRAN.

 

Кроме того, режим выделения интервалов времени может быть получен при снижении скорости передачи данных с использованием верхних уровней управления и снижением скорости следования символов совместно с мультиплексирова­нием на физическом уровне. Когда оборудование UE использует интер­фейс Uu в этом режиме, то содержание кадра WCDMA немного «сжимает­ся», создавая временное окно, через которое терминал UE может видеть и декодировать информацию вещательного канала управления (ВССН) GSM. Дополнительно системы RAN WCDMA и BSS GSM могут передавать друг другу идентификационную информацию по каналам ВССН, и таким обра­зом UE может получить эту информацию самостоятельно.

Межсистемная передача обслуживания между WCDMA и GSM применя­ется в районах сосуществования этих систем. Межсистемное переключение требуется также для взаимного дополнения зон покрытия. Кроме того, оно может быть использовано для управления нагрузкой между системами WCDMA и GSM, когда радиопокрытие этих систем совпадает. Могут быть и другие соображения в пользу межсистемной передачи обслуживания, напри­мер запросы UE определенных услуг и абонентская подписка.

Межсистемная передача обслуживания проводится на основе оценки сети — NEHO. Однако абонентский аппарат UE должен уметь полностью поддерживать процедуру межсистемной передачи обслуживания. Возмож­ность межсистемного переключения обслуживания контроллер RNC опреде­ляет по конфигурации радиосети, по данным соседних сот и другим контро­лируемым параметрам. То же относится к контроллеру BSC со стороны GSM.

Если новое соединение устанавливается прежде, чем разрушается старое соединение, то такой режим в отличие от жесткого режима переключения называется мягким или плавным. В системе WCDMA основной тип переда­чи обслуживания представляет одночастотный мягкий режим. Как видно из рис. 5.18, соседняя станция БС привлекается в мягкий режим передачи об­служивания на той же частоте.

Мягкая передача обслуживания между двумя сотами, принадлежащими разным БС, не обязательно выполняется одним и тем же контроллером. В любом случае контроллер RNC, проводящий мягкое переключение, дол­жен координировать исполнение мягких переключений на интерфейсах Iur. При мягком переключении и исходная, и адресуемая соты работают на од-ной и той же частоте. При вызовах с коммутацией ка­налов абонентский аппарат фактически почти все время выполняет мягкие переклю­чения, если окружающая ра­диосеть состоит из сот ма­лого размера. Есть две разно­видности мягкого режима пе­редачи обслуживания: очень мягкий (плавный) и плав­ный-плавный.

При очень плавном режи­ме   передачи    обслуживания новый сигнал добавляется, или исключается из списка активации, или заме­щается более сильным сигналом другого сектора, который находится под контролем той же базовой станции (см. рис. 5.19).

При очень плавном режиме БС ведет передачу в один сектор, а прием ве­дет из нескольких секторов. В этом случае аппарат абонента UE располагает активной радиосвязью в сети через несколько секторов данной БС.

Когда плавный и очень плавный режимы переключений происходят од­новременно, то говорят о мягком-мягком или плавном-плавном режиме пе­реключения. Плавный-плавный режим может наступить, например, при проведении переключения между контроллерами RNC, когда в это же время при добавлении сигнала из другой соты в список активации UE этот же но­вый сигнал добавляется через соседнюю ячейку, контролируемую дру­гим RNC.

С точки зрения плавного режима передачи обслуживания и списка акти­вации для описания составляющих многолучевого тракта используют два по­нятия: микро- и макроразнесение каналов в соте.

Микроразнесение означает такое положение, при котором составляющие многолучевого распространения объединяются в базовой станции так, как по­казано на рис. 5.20. В системе WCDMA используется многолучевое распро­странение сигналов. Это означает, что приемник RAKE на БС, который уже был представлен в разделе 5.2.3, может обнаружить, выделить и объединить сигналы, принятые по радиотрактам. На практике сигнал, посланный в радио­тракт, отражается от земли, воды, домов и т. д., и на приемном конце можно «видеть» несколько копий, которые поступают в приемник с небольшой раз­ницей по фазе и времени. Микроразнесение на уровне БС функционально объединяет сигналы, поступившие по различным трактам одной соты, а в слу­чае БС со многими секторами сигналы, поступающие от различных секторов, также можно отнести к мягкому режиму передачи обслуживания.

Так как абонентский аппарат UE может работать с сотами различных БС и даже различных контроллеров радиосети RNC, то на уровне RNC сущест­вует функция макроразнесения. Поскольку на RNC отсутствует приемник RAKE, то средства объединения сигналов в данном случае будут отличаться от используемых на уровне БС. При макроразнесении используется другой подход, основанный на качестве потока данных, при котором объединяются

 

Рис. 5.20. Микроразнесение на уровне базовой станции ВС

 

или выбираются необходимые потоки. На рис. 5.21 показан случай, когда абонентский аппарат UE использует список активации из трех сот, одна из которых связана с другим RNC. Сначала базовые станции БС объединяют сигналы собственной зоны покрытия, а затем происходит объединение циф­ровых потоков на уровне RNC.

Основная идея плавного и очень плавного режима передачи обслужива­ния состоит в том, что субъективное качество вызова будет лучше при фор­мировании «окончательного» сигнала из нескольких сигналов, образованных при многолучевом распространении. В системе GSM качество сигнала зави­сит от используемой мощности сигнала на передаче; грубо говоря, чем боль­ше мощность, тем выше качество. В системе WCDMA передаваемая мощ­ность аппарата не может быть существенно больше, так как слишком высо­кий уровень мощности будет блокировать работу других абонентов, поэтому лучший способ повысить субъективное качество вызова дает использование многолучевого распространения.

 

В заключение можно констатировать: из-за того, что в мягком и очень мягком режиме передачи обслуживания терминал UE использует более од­ной радиолинии на интерфейсе Uu, то пропускная способность сети радио­доступа расходуется расточительно. В то же время при разумном использова­нии мягкого и очень мягкого режимов передачи обслуживания возрастает добавленная емкость, полученная из-за снижения помех и, следовательно, пропускная способность системы фактически увеличивается. Еще один за­служивающий внимания момент относительно мягкого и очень мягкого ре­жимов состоит в том, что при очень мягком режиме пропускная способность транспортной сети используется лучше, чем при мягком режиме передачи обслуживания. Когда суммирование выполняется на уровне БС и макрораз­несение не используется, система использует преимущества многолучево­го распространения и одновременно минимизирует транспортные ресурсы. Из этих соображений БС WCDMA, как правило, сначала всегда расширяется за счет разбиения на секторы. Если разбиение на секторы больше невозмож­но, то вводятся новые несущие сигналы WCDMA на новых частотах.

Сеть UMTS с позиций системной организации обеспечивает следующие режимы передачи обслуживания:

•  внутри БС и между сотами (очень мягкий режим);

•  между БС, включая жесткий и мягкий режимы;

•  между RNC, включая жесткий, плавный и плавный-плавный режимы;

•  между MSC;

•  между SGSN (часть узла поддержки GPRS);

•  межсистемный.

 

5.3.1.2. Регулирование мощности при RRM

 

В сотовых системах CDMA регулирование мощности занимает очень важное место. Эти системы не могут работать без точного механизма регулирова­ния мощности. В последующих разделах мы сначала опишем причины, по которым регулировка мощности так важна в этих системах сотовой связи, и представим основные аргументы, подтверждающие этот факт. Затем мы опи­шем типы механизмов управления, используемые в радиодоступе WCDMA с частотным разделением направлений — WCDMA-FDD.

Основные причины использования механизма регулирования мощности заключаются в проблеме ближнего конца (см. предыдущий раздел), зависи­мости емкости системы WCDMA от помех и ограниченной мощности источ­ников UE. В отличие от систем многостанционного доступа с частотным и временным разделением каналов (МДЧР и МДВР соответственно), которые ограничены по частоте, система WCDMA ограничена величиной помех. В МДЧР и МДВР регулирование мощности используется для снижения по­мех между сотами, которые возрастают при повторном использовании час­тот, а в системе WCDMA регулирование мощности главным образом нацеле­но на снижение помех внутри соты. Решение этих задач требует оптимиза­ции передаваемой мощности, т. е. мощность каждого передатчика настраива­ется на уровень требуемых показателей качества QoS. Определение нужной величины уровня мощности передачи — непростая задача при непредсказуе­мых изменениях условий распространения в радиоканалах.

Какими бы ни были условия радиотракта, уровень принимаемой мощно­сти должен быть приемлемой величиной, например, на БС должен поддер­живаться такой уровень в восходящей линии, который обеспечивал бы тре­буемые показатели качества QoS. Задача управления мощностью заключается в подстройке мощности на нужном уровне, но без какого-либо излишнего превышения мощности, излучаемой аппаратом UE. Это гарантирует, что с учетом существующих в системе помех передаваемая мощность находится на требуемом уровне — ни больше ни меньше.

Параметры многолучевого распространения и технические характеристи­ки системы WCDMA (например, совместно используемая полоса и эффект влияния на ближний коней) оказывают существенное влияние на систему управления мощностью WCDMA, направленную на преодоление препятст­вий, обусловленных условиями распространения и свойствами радиоволн. Без регулирования мощности такие явления, как замирания и радиопомехи снижают стабильность системы и в конечном счете чрезвычайно снижают характеристики системы.

Доведение емкости системы до максимально возможных значений — это бесценное свойство как для производителей оборудования, так и для опера­торов сотовых сетей. Пропускная способность максимальна в случае, когда передаваемая мощность каждого абонентского аппарата регулируется таким образом, что их сигналы приходят на БС с минимальным требуемым значе­нием защищенности (отношением сигнала к помехам — SIR). Если сигнал от абонента поступает на БС с меньшей величиной мощности, то требуемые качественные показатели QoS радиосоединения могут не соответствовать нормам. Если же мощность принимаемого сигнала завышена, то хотя пара­метры передачи данного абонента в порядке, но помехи, создаваемые им всем остальным абонентам, работающим в том же канале, возрастают и мо­гут привести к неприемлемым показателям качества связи для этих абонен­тов, если только их число не будет уменьшено.

В силу того что общая полоса частот системы WCDMA используется одно­временно, абоненты могут испытывать воздействие шумоподобной помехи от других пользователей. Если механизм управления мощностью отсутствует или плохо работает, то совместно используемая полоса частот создает ряд проблем, называемых влиянием «близкий—далекий». В этой ситуации сигнал мобильного телефона, находящегося вблизи от обслуживающей базовой стан­ции БС, может превышать сигналы удаленных терминалов, поступающие на эту же БС. Рисунок 5.22 иллюстрирует ситуацию, при которой может возник­нуть эффект «близкий—далекий». Основные факторы, создающие проблему «близкий—далекий» — это изменения затухания в трактах одновременно рабо­тающих пользователей, которые находятся на разных расстояниях от БС, дис­персия замираний и другие отклонения мощности сигналов абонентов, вы­званные свойствами распространения радиоволн (описанных в главе 3).

В системе WCDMA эффект «близкий—далекий» может быть смягчен бла­годаря регулированию передаваемой мощности, методам разнесения, мягким режимам передачи обслуживания, многопользовательским приемникам и, в более общем случае, приемникам, стойким к влиянию эффекта «близкий-далекий». Так как эффект «близкий—далекий» представляет главный недо­статок с точки зрения влияния на характеристики системы WCDMA, то

Рис. 5.22. Влияние  разности  расстояний  (проблема  «близкий—далекий»)  в системе WCDMA. Dl, D2 — расстояния между UE и БС

 

смягчение его действия составляет основную задачу механизма управления мощностью. Этот механизм оказывает существенное влияние на пропускную способность системы.

 

 

5.3.1.2.1. Принципиальные подходы, используемые в управлении мощностью

 

По уже приведенным соображениям относительно просто определить, что с точки зрения приемника базовой станции БС оптимальная ситуация в вос­ходящей линии состоит в том, что мощность сигнала оборудования UE од­ного абонента всегда должна быть равна мощности сигнала UE другого або­нента, независимо от их расстояния до БС. В этом случае защищенность SIR будет оптимальной и приемник БС способен установить максимальное чис­ло каналов. Однако в действительности радиоканал чрезвычайно нестабилен, и требуемые радиоуслуги могут отличаться для различных пользователей или даже для того же пользователя в течение одного сеанса радиосвязи. Поэтому мощность, передаваемая абонентским оборудованием UE, должна регулиро­ваться очень точно и с использованием эффективных методов.

Для достижения этого регулирование мощности было хорошо изучено, и как результат еще до внедрения системы CDMA было разработано множест­во алгоритмов регулирования. Среди них распределенные, централизован­ные, синхронные, асинхронные, итеративные и неитерационные алгоритмы. Большинство современных алгоритмов в качестве опорной величины для принятия решения в системе регулирования передаваемой мощности ис­пользуют отношение сигнал-помеха SIR или уровень мощности.

Основной принцип систем централизованного управления мощностью СРС состоит в том, что они поддерживают централизованный механизм управления всей мощностью по всей сети доступа. Для этого требуется цент­ральное управляющее устройство — контроллер, который должен знать все соединения в сети радиодоступа RAN.

В противоположность централизованному методу СРС методы распреде­ленного регулирования мощности не используют центральный контроллер. Вместо этого они распределяют механизм регулирования в сети радиодосту-па RAN по направлению к ее границам. Это их свойство определяет особый интерес к таким методам. Централизованный подход СРС привносит допол­нительные осложнения, задержки и уязвимость сети. Основное преимущест­во алгоритма распределенной системы регулирования заключается в том, что он может адаптивно реагировать на изменения показателей качества QoS, что чрезвычайно важно в системах сотовой связи с пакетными режимами пе­редачи, таких как WCDMA.

 

5.3.1.2.2. Механизм управления мощностью в UTRAN

(WCDMA с частотным разделением направлений (дуплексом) - WCDMA-FDD)

 

В системе WCDMA управление мощностью используется в обоих направле­ниях — восходящем и нисходящем. Регулирование мощности в нисходящем направлении в основном ориентировано на минимизацию помех с соседни­ми сотами и их компенсацию, а также на достижение приемлемых значений защищенности SIR. Однако регулирование мощности в нисходящем направ­лении не так важно, как регулирование в восходящем направлении. Для нис­ходящих каналов регулирование мощности применяется еще и потому, что это улучшает характеристики системы благодаря регулированию помех от со­седних ячеек.

Основная задача регулирования мощности восходящих каналов заключа­ется в смягчении проблемы «близкий—далекий» с помощью создания таких уровней передаваемой мощности всех аппаратов соты, чтобы принимаемые уровни были, насколько это возможно, ближе друг к другу для равных пока­зателей качества QoS. Поэтому в восходящих каналах для смягчения помех внутри соты и эффекта «близкий—далекий» используется тонкое регулирова­ние мощности передачи аппаратов. Заметьте, что механизм регулирования мощности, принятый в WCDMA, в принципе основан на распределенном регулировании.

Принцип управления мощностью, используемый в GSM, совершенно не обеспечивает требования системы WCDMA, и поэтому в WCDMA использу­ется другой подход к данной проблеме. В GSM регулирование мощности в соединении выполняется один или два раза в секунду, а система WCDMA, которая по своей природе критична к уровню мощности, подстраивает мощ­ность в соединении 1500 раз в секунду, т. е. цикл регулировки уровня мощ­ности повторяется в каждом радиокадре выделенного канала DCH. Очевид­но, что такой шаг регулирования значительно быстрее, чем в GSM.

В системе WCDMA для управления регулированием мощности использу­ется два разных механизма, показанных на рис. 5.23. Это следующие два ме­ханизма;

 

•  разомкнутая цепь регулирования мощности — OLPC;

•  замкнутая цепь регулирования мощности — CLPC, которая состоит из внутренней и внешней цепей регулирования мощности.

 

 

Рис. 5.23. Основные   принципы   регулирования   мощности,   используемые вWCDMA

 

При совместном использовании всех этих различных методов регулиро­вания мощности, сеть UTRAN извлекает пользу из преимуществ СРС, а так­же из механизмов внутреннего и внешнего регулирования, с тем чтобы под­держивать значение защищенности SIR на нужном уровне.

 

5.3.1.2.3. Разомкнутая цепь регулирования мощности — OLPC

 

Разомкнутая цепь регулирования мощности OLPC в основном используется для подстройки мощности в восходящей линии. Абонентский аппарат UE подстраивает свою мощность передачи, основываясь на оценке уровня сиг­нала в контрольном канале CPICH, принимаемого от базовой станции БС в свободные периоды времени до начала передачи по физическому каналу со случайным доступом PRACH. Дополнительно абонентский терминал UE в свободные периоды получает информацию о допустимых параметрах мощ­ности по логическому каналу управления ВССН соты. Терминал UE опреде­ляет потери в тракте и по ним с учетом данных, полученных по каналу ВССН, способен оценить приемлемый уровень мощности для использования в соединении.

Рисунок 5.24 иллюстрирует принцип регулирования мощности с разомк­нутой цепью OLPC применительно к случаю восходящей линии. При этом UE оценивает напряженность сигнала, измеряя уровень принятой мощности контрольного сигнала БС (нисходящая линия) и подстраивает уровень соб­ственной передачи обратно пропорционально уровню принимаемого конт­рольного сигнала. Чем сильнее принимаемый сигнал, тем ниже уровень мощности сигнала, передаваемого абонентским оборудованием UE.

В случае WCDMA с разделением дуплексных направлений по частоте од­ного метода OLPC недостаточно для подстройки передаваемой мощности терминала UE, так как параметры замираний в радиоканале изменяются бы­стро и независимо от направления канала. Поэтому для компенсации этих

 

 

Рис. 5.24. Разомкнутая цепь регулирования мощности в восходящей линии

 

быстрых изменений напряженности сигнала необходим также механизм CLPC. Тем не менее регулирование с разомкнутой цепью OLPC полезно на начальном этапе для определения начального значения передаваемой мощ­ности и смягчения помех, вносимых трактом, затухание в котором распреде­лено по логарифмически нормальному закону, а также эффектов дифракции.

 

5.3.1.2.4. Замкнутая цепь регулирования мощности — CLPC

 

Регулирование CLPC используется для подстройки передаваемой мощности, после того как соединение по радиоканалу уже установлено. По существу, его задача заключается в компенсации влияния быстрых изменений напря­женности радиосигнала, и, следовательно, оно должно быть достаточно бы­стрым для реагирования на эти изменения.

Рисунок 5.25 иллюстрирует принцип регулирования мощности с замкну­той цепью CLPC в системе WCDMA применительно к восходящему направ­лению. В этом случае БС дает абонентской станции UE команды о повыше­нии или понижении передаваемой мощности в цикле 1,5 кГц (1500 раз в се­кунду) шагами по 1, 2 или 3 дБ. Решение о повышении или понижении мощности принимается на основе оценки БС величины защищенности SIR. Принимая сигнал от оборудования UE, БС сравнивает его напряженность с определенной пороговой величиной. Если передаваемая мощность UE пре­вышает пороговое значение, то БС посылает на UE команду управления мощностью ТРС1 с указанием понизить передаваемую мощность. Если при­нимаемая мощность ниже обозначенного порога, то БС посылает UE коман­ду с указанием повысить передаваемую мощность. Следует подчеркнуть, что различные измеряемые параметры, такие как защищенность SIR, напряжен­ность сигнала, коэффициент ошибок по циклам и коэффициент ошибок по битам, могут использоваться для сравнения качества принятого сигнала и принятия решения о необходимости регулирования.

Заметьте, что метод CLPC используется также для регулирования мощ­ности в нисходящем канале. В этом случае БС и UE меняются ролями. Те­перь UE сравнивает напряженность сигнала, принятого от БС, с заданным порогом и посылает на БС команду ТРС на проведение соответствующего регулирования мощности.

Механизм регулирования CLPC в WCDMA включает варианты внутрен­него и внешнего контура регулирования. Что мы уже говорили относительно внутреннего контура регулирования? Это самый быстрый контур регулирования в WCDMA,

 

 

Рис. 5.25. Замкнутая цепь регулирования мощности в восходяшсй линии

 

и поэтому его иногда называют быстрым регулированием мощности.

Другой вариант CLPC представляет механизм OLPC. Основная задача OLPC заключается в поддержании нужной защищенности SIR при управле­нии мощностью внутреннего контура так, чтобы поддержать требуемый уро­вень качества. Благодаря макроразнесению контроллер RNC осведомлен о текущих условиях и качестве радиоканалов, и поэтому способен опреде­лить допустимые уровни передаваемой мощности в соте и требуемые значе­ния защищенности SIR, которые нужны БС для определения команд ТРС. С яелью поддержания качества радиоканалов контроллер RNC использует методы управления мощностью для подстройки требуемой защищенности SIR и контролирует любые изменения качества в каналах. При выполнении всего этого сеть способна компенсировать изменения в условиях распростра­нения на радиоинтерфейсе и достигнуть максимально возможного качества по показателям коэффициентов ошибок по битам и по циклам (кадрам). По существу, OLPC проводит тонкую регулировку параметров внутренней цепи регулировки мощности.

Методы регулировки OLPC и CLPC совместно оказывают существенное влияние на срок жизни аккумулятора абонентского терминала и общую про­пускную способность любой сотовой системы и, в частности, мобильной си­стемы, построенной на принципе CDMA.

 

5.3.1.2.5. Управление мощностью в отдельных случаях

 

Кроме обычных способов управления мощностью, используемых в системе WCDMA, для специальных случаев предусмотрены дополнительные средства. Они включают контроль передаваемой мощности в режиме мягкой передачи обслуживания, метод управления мощностью с возможностью выбора стан­ции SSDT1 и метод компенсации (режим выделения интервалов времени).

 

Рис. 5.26. Принцип управления мощностью в системе WCDMA при мягкой передаче обслуживания

 

Мощность, передаваемая абонентским терминалом UE в режиме мягкой передачи обслуживания, подстраивается по наиболее приемлемым командам регулирования ТРС, поступающим от разных БС, с которыми UE поддержи­вает одновременную радиосвязь (рис. 5.26). В этом случае команды ТРС, по­лучаемые абонентским оборудованием UE от нескольких БС одновременно, могут существенно отличаться друг от друга. Это может быль результатом не­достаточной защищенности команд управления мощностью от ошибок или просто следствием сетевых условий. Это ставит абонентский терминал UE в противоречивую ситуацию. Основной подход к разрешению этой проблемы заключается в том, что если хотя бы одна команда ТРС призывает понизить передаваемую мощность, то UE понижает свою мощность. В режиме мягкой передачи обслуживания UE может использовать порог для обнаружения на­дежных команд, по которому может решать, понижать или повышать свою мощность на передаче.

Другое решение представляет метод управления мощностью с возможно­стью выбора станции — SSDT. Принцип, лежащий в основе метода SSDT, состоит в том, что БС с наиболее мощным сигналом динамически выбирает­ся в качестве одной передающей станции БС (рис. 5.27). При этом другие БС, с которыми данный абонентский терминал UE имеет в данный момент радиосвязь, отключают свои выделенные каналы DPDCH, а передаваемая мощность подстраивается по командам ТРС БС с наиболее сильным сигна­лом. Есть основания считать, что этот метод снижает помехи в нисходящем направлении, возникающие в режиме мягкой передачи обслуживания.

В режиме компенсации (режим выделения интервалов времени) передача и прием БС и UE прерываются на определенное время, с тем чтобы предо­ставить время для проведения радиоизмерений частот, например в режиме межсистемной передачи обслуживания. При этом работа механизма под­стройки передаваемой мощности также прерывается. В этом случае прини­маемые команды управления мощностью (например, восходящей линии UE) позволяют повышать или понижать мощность на передаче большими шага­ми так, что она может достичь нужной защищенности SIR с максимально возможной скоростью.

 

Рис. 5.27. Принцип управления мощностью с возможностью выбора станции SSDT (Site Selection Diversity Technique). Все  соты  включены  в список активации,  но руководит только лучшая

 

 

5.3.1.3. RRM: регулирование мощности по входу АС и планировщик пакетов PS

 

Система радиодоступа WCDMA имеет собственные ограничивающие факто­ры; некоторые из них обусловлены используемыми принципами, а другие зависят от окружения. Наиболее важные и одновременно наиболее сложные для управления ограничения представляют помехи, возникающие в радио­тракте. Любой терминал UE при соединении с сетью генерирует сигнал. Этот сигнал с точки зрения других UE может интерпретироваться как поме­ха. Когда сотовая сеть WCDMA наконец спланирована, то один из основных критериев, лежащих в основе планирования, определяется по допустимому уровню помех, при котором предполагается корректная работа сети. Опреде­ление планируемых порогов для подгонки уровней передаваемых сигналов UE представляет собой актуальную задачу и может устанавливать целый на­бор практических ограничений производительности радиоинтерфейсов.

Для большей определенности защищенность SIR должна устанавливаться именно в этом контексте. С точки зрения планирования радиосети сеть тео­ретически устойчива до тех пор, пока в соте не превышен установленный уровень защищенности SIR. Это, по существу, означает, что на входе прием­ника БС уровни сигнала и помехи должны быть разными настолько, что­бы обеспечивать возможность отделения сигнала (кода) от других сигналов, использующих ту же самую несущую. Каждый абонентский аппарат UE, ис­пользующий несущие сигналы данной соты, «поглощает» часть защищенно­сти SIR (отношения сигнал—помеха), и сота используется до своего макси­мального уровня, при котором приемник БС еще способен выделять сигнал (сигналы) из несущей.

Основная задача управления по входу АС заключается в проведении оценки того, возможно ли в системе доступа установление нового соедине­ния без потерь условий работы уже существующих вызовов (рис. 5.28). То есть алгоритм управления по входу АС должен предсказывать нагрузку соты,

Рис. 5.29. Зависимость допустимого уровня помехи от нагрузки в соте

 

если будут устанавливаться новые вызовы. Заметьте, что так же контролиру­ется наличие передающих ресурсов. Используя алгоритм АС, контроллер ра­диосети RNC принимает или отклоняет решение о предоставлении доступа.

Можно теоретически определить, имеется ли непосредственная зависи­мость между защищенностью SIR или допустимой помехой и нагрузкой в соте. Выразив нагрузку соты через коэффициент нагрузки LF1 в качестве па­раметра, выражающего долю нагрузки соты, как показано на рис. 5.29, и обозначая допустимую помеху /, получим следующее выражение:

Вычисляя величины допустимых помех при различных коэффициентах нагрузки, получим график, показанный на рис. 5.29.

Рис. 5.30. Основные характеристики сеанса пакетного соединения

 

Из графика ясно видно, что при помехе в соте свыше 70% условия управления становятся очень сложными. Это объясняет, почему радиосеть WCDMA рассчитывается обычно на величину ожидаемой нагрузки, эквива­лентную величине нагрузки 0,5 (50%). Это значение обеспечивает надежную норму, при которой сеть работает стабильно с наибольшей вероятностью.

Природа трафика реального времени RT' и относительного времени NRT2 в системе UMTS требует тщательного регулирования и балансировки трафика. Способы регулирования трафика RT и NRT различны. Основная рпшииа заключается в том. что для услуг реального иремсни КГ (канальное соединение) несущий радиосигнал RAB постоянно поддерживается в выде­ленном состоянии. При предоставлении услуг относительного времени NTR (пакетное соединение) состояние канала изменяется в зависимости от изменений скорости передачи, а также загрузки системы. Таким обра­зом, изменения скорости передачи и параметры выбросов нагрузки пакетов должны быть учтены при регулировании пакетного трафика методом управ­ления по входу.

Рисунок 5.30 иллюстрирует основные параметры пакетного соединения, используемого в Интернете при сеансе быстрого просмотра. При таком па­кетном соединении для получения данных пользователь обычно посылает в Сеть запрос с адресом WWW. В ответ Сеть загружает данные с запрошенного

Рис. 5.31. Общие принципы, положенные в основу планировщика пакетов PS

 

адреса — обычно это страница на языке HTML1. Запрошенный адрес может также проводить загрузку документов — файлов. На следующем этапе боль­шинство пользователей обычно тратят определенное время на изучение ин­формации, называемое временем чтения. Во время чтения системе АС нет необходимости поддерживать несущие радиосигналы RAB в активном состо­янии, и радио ресурсы можно использовать для других целей, например, для входящих или исходящих соединений с коммутацией каналов или пакетов. Тем временем, информация сеанса пакетного соединения сохраняется на верхнем уровне. Таким образом, когда пользователь после прочтения захочет загрузить следующую страницу, то все настройки данного соединения еще сохранены и доступны.

Механизм контроля по входу АС регулирует пакетные соединения с вы­бросами трафика (т. е. трафик с четко выраженным случайным временем по­ступления), число пакетов в сеансе, время чтения и число пакетов в течение вызова. Поэтому контроль по входу АС должен использовать очень сложную модель трафика и статистические методы для оптимального управления требу­емыми несущими радиосигналами RAB. Это может быть реализовано с помо­щью планирования несущих радиосигналов RAB в относительном времени NRT и допуска, организации очереди или отклонения вызовов с трафиком ре­ального времени RT. На контроль по входу возлагается ответственность за об­служивание и управление качеством QoS в принятых несущих радиосигналах RAB и за их влияние на общие характеристики сети доступа UTRAN.

Рисунок 5.31 иллюстрирует принцип пакетного планирования. Как видно, основные принципы и этапы планирования могут быть сведены к следую­щему:

1. Планировщик пакетов PS в контроллере радиосети RNC (или в БС при высокоскоростном пакетном доступе HSDPA) принимает поток данных, поступающих по радиоканалам, относящимся к одной или нескольким радиолиниям. Поступающий поток данных может уже иметь полную или частичную систему приоритетов, основанную на необходимых показате­лях и условиях линии. Но в случае необходимости (исходя из текущего состояния радиолинии и т. д.) даже эта часть функций планирования должна пересматриваться планировщиком пакетов PS.

2.  Пакеты данных собираются из предварительно выровненной исходной последовательности  и  выстраиваются  согласно  приоритетам  пакетов или потоков. Атрибуты, признаки соединения поддерживаются прото­колами верхнего уровня 2Ь. При согласовании с состоянием текущей линии, радио- и физическими ресурсами содержание последовательно­сти требуемых параметров качества QoS может соответствовать или не соответствовать требуемым условиям. В первом случае исходные уста­новки сохраняются и по возможности подстраиваются под соответст­вующий радиоканал по требованиям к качеству QoS, а также к услови­ям и пропускной способности радиоканала. Но, если пространство для поддержки предварительно установленного качества QoS отсутствует, то задание показателей качества QoS и согласование с нужным радио­каналом должны быть проведены еще раз. В этом случае исходные тре­бования QoS, текущее состояние канала и радиоресурсов задаются на новой   основе   с   пересмотром   приоритетов   пакетов,   формирования окончательных данных о показателях QoS, а также о соответствии ис­пользуемых радиоканалов.

3. Окончательная расстановка пакетов и планирование их потока выпол­няется для соответствующей линии, т. е. для линии с лучшими показа­телями QoS.

 

5.3.1.4. RRM: кодовое обслуживание

 

Каналообразующие и скремблируюшие коды, используемые в соединениях на интерфейсе Uu, обслуживаются контроллером RNC. В принципе БС мо­жет обслуживать их на уровне соты, но тогда система может вести себя не­стабильно (например, при мягкой передаче обслуживания на уровне RAN), если контроллер RNC регулирует радиоресурсы другим способом. Если коды обслуживаются контроллером RNC, проще разместить порты данных Iub при многолучевом соединении. Однако фактически генерация кодов выпол­няется в основном на БС.

Для правильного функционирования интерфейсу Uu необходимы коды двух видов: одни коды должны в определенной степени коррелировать-ся между собой, другие — должны быть ортогональны и не коррелироваться между собой вообще. Каждая сота использует один скремблируюший код. Абонентский терминал UE способен опознавать коды и различать по ним соты. Для каждого скремблирующего кода контроллер RNC располагает на­бором канализирующих кодов. Этот набор одинаков для всех скремблирую-щих кодов. Информация канала ВСН закодирована со скремблирующим ко­дом. Поэтому абонентский терминал UE для доступа в соту должен сначала

 

Рис. 5.32. Общее количество скремблируюших и канализирующих кодов и их взаимосвязь.

512 кодов в блоке х 16 скремблирующих кодов = 8192 кода, прону­мерованных от 0 до 8191

 

найти верный скремблирующий код. После установления соединения между сетью и UE используемые каналы должны быть разделены. Для этой цели используются канализирующие коды. Информация, передаваемая по интер­фейсу Uu, с помощью расширяющего кода каждого канала увеличивает свой объем. В свою очередь, используемый расширяющий код представляет про­изведение скремблируюшего и канализирующего кодов.

Различные типы и методы использования кодов, а также их влияние на общие характеристики системы WCDMA предполагают, что для выделения и перераспределения управляющих кодов используется интеллектуальный ме­ханизм. Мы можем подтвердить верность этого утверждения тем, что число доступных кодов ограничено, особенно в нисходящем направлении. Так, в случае нисходящей линии, общее число генерируемых скремблирующих кодов составляет 218 -1 =262 143 кода, пронумерованных от 0 до 262 142. При этом используются не все скремблирующие коды. Скремблируюшие коды разделены на блоки по 512, каждый из которых имеет один первичный скремблирующий код и 15 вторичных скремблирующих кодов (рис. 5.32).

Первичные скремблирующие коды содержат п=16 · i кодов, где i = 0, ..., 511. Здесь i-й вторичный набор содержит 16·i + k  кодов, при k = 0, ..., 15. Между каждым первичным скремблирующим кодом и 15 вто­ричными скремблирующими кодами существует однозначная взаимосвязь, так что /-и первичный скремблирующий код соответствует /-му набору скремблирующих кодов.

Из сказанного выше следует, что в наличии есть k = 0, 1, ..., 8191 код. Ис­ходя из технических требований TS 25.213 проекта 3GPP, каждый из этих кодов связан с четным и нечетным альтернативным скремблирующим ко­дом, которые могут использоваться в сжатых кадрах. Четный альтерна­тивный   скремблирующий   код,   соответствующий   k+9му  коду,   имеет  номер k + 9192, а нечетный альтернативный скремблирующий код, соответству­ющий k-му коду — номер k+ 16 384. Далее набор первичных скремблирую-щих кодов разделяется на 64 группы скремблирующих кодов, каждая из которых состоит из 8 первичных скремблирующих кодов. Каждая j-я группа скремблирующих кодов состоит из первичных скремблирующих кодов 16·8·j+ 15·k, где j = О, 1, ..., 63 и k = 0, 1, ..., 7.

Каждая сота располагает одним и только одним первичным скремблиру-ющим кодом. Первичный общий физический канал управления ССРСН все­гда передается с использованием первичного скремблирующего кода. Другие физические каналы нисходящего направления могут передаваться с исполь­зованием либо первичного, либо вторичного скремблирующего кода из на­бора, связанного с первичным скремблирующим кодом соты.

В случае восходящей линии ситуация отличается, так как в этом случае в распоряжении имеются миллионы скремблирующих кодов. Число скремб­лирующих кодов, выделенных для восходящей линии, равно 224. Все восходя­щие каналы должны использовать или короткие или длинные скрембли-рующие коды. Исключение представляет канал пакетного доступа PRACH, в котором используется только длинный скремблирующий код. Поэтому в сис­теме WCDMA для восходящих каналов проблема кодов не так критична, как в нисходящих линиях.

Каналообразующие коды, используемые в нисходящем и восходящем на­правлениях передачи, имеют разные коэффициенты расширения SF и, сле­довательно, различные скорости передачи символов. Всего можно использо­вать 256 канализирующих кодов, а коэффициент SF показывает, сколько из них задействовано в соединении. Поэтому чем больше коэффициент SF, тем лучше используются каналообразующие коды и радиоресурсы. При высоких скоростях передачи данных коэффициент SF принимает относительно малое значение. Это приводит к ситуации, когда пользователь высокоскоростных каналов передачи данных расходует большую часть емкости кодов радиоин­терфейса.

Каналообразующие коды по своей природе ортогональные или, по край­ней мере, имеют такие свойства. «Ортогональность» в этом случае означает, что каналообразующие коды в перечне из 256 кодов выбираются таким обра­зом, что их взаимные влияния малы настолько, насколько это возможно. Это необходимо для получения хороших условий разделения каналов. Одна­ко, коды пользователя и соты (скремблирующие) должны обладать хороши­ми корреляционными свойствами. Каналообразующие коды обладают этими свойствами, и это составляет основную причину, по которой каналообразую­щие и скремблирующие коды используются совместно.

Каждая сота системы WCDMA обычно использует один скремблирую­щий код в нисходящем направлении — единственный код в рамках данной системы, который работает в основном так же, как идентификатор ID соты. Идентификаторы ID присваиваются абонентским терминалам UE для целей распознавания в сети, а уникальные скремблируюшие коды — для верного распознавания радиоволн. Эти скремблирующие коды используют псевдо­случайные последовательности, т. е. не всегда ортогональны. Для такого скремблирующего кода в соте имеется набор каналообразующих кодов, ис­пользуемых для разделения сигналов и ортогональных по своей природе.

5.3.2. Функции управления сетью доступа UTRAN

 

Для обеспечения функций обслуживания и управления несущими радиосиг­налами RAB сети UTRAN, особенно для создания услуг радиотрактов RAB, к алгоритмам регулирования радиоресурсов RRM необходимо добавить дру­гие функции, которые могут быть классифицированы следующим образом:

 

•  система информационного вещания;

•  установка случайного доступа и несущих радиочастот сигнализации;

•  обслуживание RAB;

•  функции безопасности UTRAN;

•  управление мобильностью ММ на уровне UTRAN;

•  поддержка базы данных;

•  определение местонахождения терминалов UE.

 

5.3.2.1. Система информационного вещания

 

Одна из важнейших функций контроллера RNC состоит в информационной поддержке системы. Информационная система используется для обслужива­ния радиосоединений между абонентом UE и сетью доступа UTRAN и управления всей работой UTRAN. Контроллер ведет радиопередачу элемен­тов информационной системы для содействия сети UTRAN в выполнении регулирующих функций, обеспечивая UE необходимой для работы в сети UTRAN информацией, например критериями радиоизмерений, поисковой индикацией, информацией о радиотрактах, вспомогательными данными для задач определения местоположения и т. п. Системная информация может приниматься UE как в незанятом состоянии, так и в любом рабочем режиме, идентифицированном в сети UTRAN. Кроме того, могут использоваться ин­формационные услуги, например предоставление базовой сети возможности использования радиопередач. При необходимости для поддержания контакта UE с UTRAN контроллер RNC использует системное информационное ве­щание (режим передачи от одной точки ко всем пунктам сети).

С точки зрения структуры протокола функционирование информацион­ной системы в режиме вещания составляет часть системы управления радио­ресурсами RRC, заканчивающуюся на контроллере RNC.

 

Рисунок 5.33 иллюстрирует структуру системной информации, которую контроллер RNC вместе с классами информации использует в качестве основы для разбивки и планирования управляющей системной информации. Как видно, элементы информационной системы организованы на базе веду­щего информационного блока MIB1, двух необязательных блоков планирова­ния SB2 и системных информационных блоков SIB3, которые содержат теку­щую информацию системы. Технические условия TS 25.331 3GPP опреде­ляют до 17 различных типов блоков SIB, некоторые из которых могут содер­жать также подблоки SIB. Блок MIB содержит исходную информацию и данные о числе блоков SIB в соте, необходимые для планирования. Он может содержать

Рис. 5.33. Структура системной информации в сети UTRAN

 

также исходную информацию и данные об одном или двух блоках SIB, которые, в свою очередь, представляют исходную информацию и данные для планирования последующих блоков SIB. Таким образом, толь­ко MIB и SIB могут содержать информацию для планирования блоков SIB.

Контроллер RNC может использовать блоки SIB для различных целей, например, блок SIB № 1 используется для информирования UE о времени и расчетах, используемых в незанятом режиме и при вызове. Это объясняется тем, что блоки SIB имеют различные характеристики и специально сгруппи­рованы по скоростям повторений и важности. Второй пример дают блоки SIB № 2 и SIB № 3, которые контроллер RNC использует для информирова­ния UE о мобильности ММ на уровне UTRAN, выборе соты и повторном выборе соответственно.

Контроллер RNC может осуществлять процесс конструирования совмест­но с БС (например, при модификации планирования информационной систе­мы). Тем не менее функции регулирования информационной системы цели­ком принадлежат контроллеру RNC. Выполнив структурирование данных сис­темной информации, контроллер RNC отправляет эту информацию на БС для радиопередачи на терминалы UE. Базовая станция БС, исходя из ситуации на радиоинтерфейсе, информирует RNC о возможности радиопередачи систем­ной информации через интерфейс Uu (рис. 5.34).

Рис. 5.34. Радиопередача системной информации

 

5.3.2.2. Установка случайного доступа и несущих радиочастот сигнализации

 

Прежде чем контроллер RNC сможет передать какой-либо запрашиваемый радиосигнал RAB на БС, ему нужно создать соединение для передачи сиг­нализации между терминалом UE и базовой сетью CN. В этом контексте технические условия TS 25.990 3GPP определяют сигнальное соединение как канал квитирования между UE и CN для передачи информации высше­го уровня между логическими объектами уровня NAS1. Чтобы реализовать это, контроллер RNC использует соединения управления ресурсами RRC для создания несущих радиоканалов сигнализации SRB2 между UE и UTRAN, по которым передается сигнальная информация соединений. При создании каналов сигнализации SRB контроллер RNC использует сначала несущие ра­диочастоты RB системы управления радиоканалами RLC для преобразования и передачи сигнальной информации по сети UTRAN к UE. Напомним, что RB определяется как услуга, предоставляемая слоем управления RNC для доставки данных абонента между UE и RNC. Однако сначала RB использу­ются также для задач сигнализации (рис. 5.35).

Весь процесс стартует при включении питания аппарата UE и его переходе в незанятое состояние. После включения UE пытается установить соедине­ние с сетью UTRAN. Терминал UE ищет походящую соту сети UTRAN, вы-

Рис. 5.35. Роль контроллера RNC и соотношения между несущими радиочас­тотами SRB, RB, сигнализацией канала и RAB

 

бирает соту, обеспечивающую приемлемое качество услуг и настраивает свой канал управления. Это известно как «кемпинг — размещение в соте». Кемпинг включает розыск соты, отыскание и определение скремблирующего кода и цикловой синхронизации соты. Розыск соты производится за несколько шагов.

На первом шаге UE использует общий для всей соты передаваемый в синхронизирующем канальном интервале первичный синхронизирующий код канала синхронизации SCH. На втором шаге UE использует канал SCH для вторичной синхронизации цикла (кадра), вхождения в цикловой синхро­низм и идентификации кодовой группы соты, найденной на первом шаге. На третьем и последнем шаге UE определяет точный первичный скрембли-рующий код, который используется в соте сети UTRAN. Если оборудование UE идентифицировало первичный скремблирующий код, то может быть определен первичный физический общий канал управления Р-ССРСН и мо­жет быть прочитана системная и специальная информация соты, передавае­мая RNC.

В этом отношении терминал UE должен быть осведомлен о том, каким способом контроллер RNC структурировал и спланировал системную ин­формацию (на основе информационных блоков MIB, SB и SIB). Если иден­тификатор наземной мобильной сети общего пользования PLMN, принятый в информационном блоке MIB по каналу ВСН, соответствует той сети PLMN (или их перечню), которую искал терминал UE, то он может продол­жить считывание информации из канала ВСН, например, параметры конфи­гурации общих физических каналов в соте (включая канал PRACH и вторич­ный канал ССРСН).

В противном случае UE может сохранить признаки найденной сети PLMN для возможного использования в будущем и возобновить поиск нуж­ной соты.

Рис. 5.36. Установление соединения управления радиоресурсами (RRC)

 

Обычно начальный поиск сети PLMN наиболее затруднителен для або­нентского оборудования UE, так как ему для нахождения верного скрембли-рующего кода приходится сканировать множество таких кодов. Получив ин­формацию, необходимую для захвата контролируемой RNC базовой станции БС, терминал UE может затребовать «запрос доступа» сети UTRAN, перехо­дя из незадействованного режима в режим соединения.

С этого момента контроллер RNC принимает на себя функции управле­ния в смысле радиопередачи системной информации и управления соответ­ствующей БС, с которой UE пытался установить радиосвязь. Как только эта функция выполнена, контроллер RNC активно участвует в управлении доступом, обеспечивая требуемое содержание сообщений RRC в канале случайного доступа RACH при установлении соединения по запросам UE. В этом смысле RNC играет центральную роль в распределении радиокана­лов при проверке идентичности UE, причины запроса соединения RRC и производительности UE, что помогает RNC выделить данному UE нужные радионесущие RB для целей сигнализации. Исходя из этой информации, контроллер RNC принимает решение, выделять или не выделять данному UE каналы сигнализации RB для передачи оставшейся части информации, установления доступа и предоставления после этого всех услуг. Если конт­роллер отклоняет запрос на предоставление доступа, то UE через опре­деленный отрезок времени может возобновить попытку установления до­ступа.

Как показано на рис. 5.36, независимо от направления, из которого был сделан запрос услуг высшего уровня, запрос канала управления RRC на пре­доставление несушей радиочастоты сигнализации SRB всегда исходит от UE. При получении контроллером RNC запроса RRC на установление соедине­ния он через интерфейс Iub выделяет БС радиоканал, через который UE бу­дет организовывать радиосвязь. В этом контексте радиоканал понимается как логическая связь между одним UE и одной точкой доступа UTRAN, a также физические действия по созданию одной или нескольких несущих RB для радиопередачи. Если этот этап успешно завершен, то контроллер RNC шформирует UE об установлении соединения RRC, a UE в ответ посылает годтверждение установления соединения RRC.

Теперь канал сигнализации SRB между RNC и UE готов и, следователь­но, RNC может преобразовывать и передавать информацию сигнализации и несущие радиосигналы доступа RAB между базовой сетью CN и UE. Следует отметить, что независимо от того, сколько существует каналов сигнализации и несущих RAB между CN и UE, между UE и UTRAN есть только один ка­нал управления RRC. Функция контроллера RNC — реконфигурировать не­обходимые услуги нижнего уровня, на основе количества каналов сигнализа­ции и радиоканалов доступа RAB, которые следует передать.

 

5.3.2.3. Управление несущими радиосигналами

 

Когда канал сигнализации SRB между сетью и UE установлен, как это уже описано выше, RNC выделяет требуемые несущие радиосигналы RAB для организации передачи между абонентом UE и сетью UTRAN. Таким обра­зом, RNC создает впечатление, что между базовой сетью CN и абонентом UE организован постоянный канал.

После запроса RAB проводит обмен информацией между UE и базовой сетью CN, используя канал сигнализации, подключая его к RNC для даль­нейших действий. В этом отношении основная функция RNC заключается в анализе атрибутов запрашиваемых несущих радиосигналов RAB, оценке не­обходимых радиоресурсов и отображении запрашиваемых RAB в несущие радиосигналы. Поэтому контроллер RNC охватывает все эти функции управ­ления в отношении поддержки RAB, а также задачи конфигурирования до­ступных радиоресурсов.

Как видно из рис. 5.35, в канале управления RRC между RNC и UE ра­диосигналы RAB передаются по радиоинтерфейсу, а в протоколе приклад­ной части сети радиодоступа RANAR1 между RNC и базовой сетью CN — через интерфейс lu. В этой связи RNC действует как преобразователь про­токолов между сетью радиодоступа RAN и базовой сетью CN. Контроллер RNC, используя информацию о наличных радиоресурсах, вписывает запра­шиваемые RAB в несущие радиоканалы и управляет нижним уровнем услуг.

Для оптимизации используемых радиоресурсов, а также распределения общей полосы частот и физических ресурсов сети, совместно используемых различными операторами, сеть UTRAN может поддерживать и сообщения вне сети доступа — в базовой сети. Для исполнения этого протокол управле­ния RRC организует в сети доступа прямую прозрачную передачу сообщений базовой сети CN. При этом в такие сообщения вставляется специальный указатель базовой сети CN, и распределительные функции оборудования UE и SRNC используют этот индикатор для отправки сообщений в соответству­ющую сеть CN и наоборот. Таким способом достигается необходимая мо­бильность (ММ) в зоне UE и базовой сети CN. 5.3.2.4.  Безопасность сети доступа UTRAN

Безопасность радиосвязи представляет вторую важную функцию, поддержи­ваемую контроллером RNC. RNC выполняет и контроль целостности, и шифрование. Контроль целостности обеспечивает защиту каналов сигнали­зации UE и сети UTRAN на радиоинтерфейсе, а шифрование используется для защиты передачи абонентских данных между UE и сетью UTRAN. Сиг­нализация и данные пользователя защищаются контроллером RNC с помо­щью определенных алгоритмов проверки целостности и шифрования. В этом отношении для контроля целостности сигнальных сообщений необходимо генерировать случайные числа и использовать зависимые от времени счет­ные величины. С помощью этих же алгоритмов RNC распознает и дешифру­ет принятые сообщения. Алгоритмы и другие аспекты, касающиеся вопросов безопасности UMTS, подробно рассматриваются в главе 9.

 

5.3.2.5.  Управление мобильностью ММ на уровне сети UTRAN

 

К управлению мобильностью ММ на уровне сети UTRAN относят те функ­ции, которые контроллер RNC создает для поддержки контакта абонентско­го терминала UE с сотой сети UTRAN с учетом мобильности абонента сети типа трафика или используемых несущих радиосигналов RAB.

Как уже упоминалось в разделе 5.3.1, природа трафика сети UMTS су­щественно отличается от обычного трафика сетей с коммутацией каналов. Это означает, что сеть UTRAN может разделять ресурсы радиосигналов RAB с различным уровнем качества QoS. Поэтому необходимо использова­ние более сложного механизма для более эффективной эксплуатации ра­диоресурсов и с тем, чтобы несущие радиосигналы RAB, насколько это возможно, соответствовали требованиям к качеству QoS. Для соответст­вия этим требованиям алгоритм управления радиоресурсами RRM должен в большей мере отвечать адаптивному управлению мобильностью ММ, чем это было в случае 2G.

В результате для UMTS была разработана концепция иерархической сис­темы ММ и переходных состояний в управлении радиоресурсами RRC, ко­торая включает и ММ уровня сети UTRAN. Эта система значительно обнов­лена по сравнению с системой ММ в GSM, представлявшей подсистему ба­зовой сети CN. При таком подходе терминал UE во время сеанса радиосвязи в зависимости от вида соединения в сети UTRAN и скорости движения мо­жет находиться в различных состояниях. Управление состояниями UE по ре­зультатам отслеживания его мобильности с учетом требований к несущим RAB и вариантов скорости передачи возлагается на контроллер RNC.

Краеугольным камнем мобильности на уровне UTRAN служат понятия соты, регистрационной зоны UTRAN — URA1, временного идентификатора радиосети UTRAN — U-RNTI2 и модели переходов состояний радиосигна­лов RAB. Кроме того, в UTRAN включена внутренняя система ММ для раз­деления разных логических функций RNC и интерфейса Iur.

По определению регистрационная зона URA охватывает несколько сот. Она известна только UTRAN и, следовательно, невидима базовой сетью CN. Это означает, что, когда бы терминал UE ни устанавливал соединение RRC, его местоположение известно сети UTRAN с точностью до зоны URA. Каж­дый раз, когда терминал UE входит в новую зону URA, он должен провести процедуру коррекции URA. По имеющимся интерфейсам между контролле­рами RNC поддерживает процедуру URA, которая в принципе может охва­тывать различные зоны RNC.

Согласно техническим требованиям TS 25.401 проекта 3GPP R99 времен­ный идентификатор регистрационной зоны RNTI1 используется в сети UTRAN для идентификации терминалов UE и в сообщениях сигнализации между UE и UTRAN. Для обеспечения внутренней мобильности UTRAN ис­пользуется четыре типа идентификаторов RNTI:

 

•  RNTT обслуживающего контроллера SRNC (S-RNTI);

•  RNTI дрейфующего контроллера RNC (D-RNTI);

•  RNTI соты (C-RNTI).

•  RNTI сети UTRAN (U-RNTI).

 

Идентификатор S-RNTI выделяется одновременно с установлением со­единения RRC. Это выполняется обслуживающим контроллером SRNC, с которым UE установил соединение RRC. Благодаря этому средству терминал UE может сам идентифицировать SRNC, a SRNC может связаться с UE.

Идентификатор D-RNTI выделяется дрейфующим контроллером RNC (DRNC) при установлении контекста. Он используется для поддержки соеди­нения и контекста UE на интерфейсе Iur.

Идентификатор С-RNTI, который выделяется при входе UE в новую соту, используется для идентификации управляющего контроллера CRNC, с которым UE организовал связь по каналу управления RRC. Таким способом UE может сам идентифицировать CRNC, a CRNC также может определить UE. Данный идентификатор используется, когда UE работает в соте по кана­лу FACH.

Идентификатор U-RNTI выделяется UE при наличии соединения RRC и идентифицирует данный UE в сети UTRAN. Он используется в качестве иден­тификатора UE в запросе доступа при смене соты, когда образуется соедине­ние RRC для данного UE и поиска исходящей сети UTRAN (включая соответ­ствующие обратные, подтверждающие сообщения).

Выделение и поддержка этих идентификаторов возлагается главным об­разом на RNC.

Понимание роли RNC, идентификаторов UE и концепции URA позволя­ет нам вернуться к вопросу о том, как объединить все это с концепцией из­менения состояний, для обеспечения внутренней мобильности UTRAN и управления радиоресурсами RRM. Основной принцип, положенный в осно­ву метода, обеспечивающего переход состояний RRC, показан на рис. 5.37 и может быть подытожен в следующем виде:

•  Радиосвязь отсутствует: место UE известно только базовой сети CN (с   точностью   до   области   местоположения   и/или   маршрутизации

 

в соответствии с концепцией определения местоположения на уровне базовой сети, которая будет описана в главе 6). Это означает, что в сети сохраняется информация о местонахождении абонента в соответ­ствии с последней активностью системы ММ при контакте UE с базо­вой сетью.

•  Радиосвязь по общему каналу: если радиосвязь установлена по общим каналам (например, FACH и СРСН), то местонахождение UE известно с точностью до соты. Эта информация обновляется посредством про­цедуры, называемой «обновление соты». Данная процедура может ис­пользоваться при наличии низкоскоростной передачи данных между UTRAN и UE.

•  Радиосвязь по выделенному каналу DCH: в этом случае сеть UTRAN располагает  выделенными   ресурсами   связи   —   как  минимум,   один выделенный канал DPDCH и один DPCCH, но в зависимости от ис­пользуемой полосы частот может быть несколько каналов  DPDCH. Местонахождение UE известно на уровне соты. В зависимости от типа соединения могут производиться различные процедуры управления ра­диоресурсами RRC. Если выделенные каналы используются для предо­ставления услуг высшего класса качества QoS, например телефонный вызов с коммутацией каналов, то UTRAN и UE выполняют процедуры передачи обслуживания. Если каналы используются для предоставле­ния услуг невысокого класса, например просмотра Интернета, которые допускают задержки и промежуточное хранение, то передача обслужи­вания может не производиться. Вместо этого UE использует процедуру обновления соты для извещения UTRAN о своем местонахождении, т. е. о месте передачи данных по радиоканалу.

•  Радиосвязь в соте по пейджинговому каналу РСН (Paging Channel): если UE занял канал доступа FACH или выделенный канал DCH, но данные для передачи отсутствуют, то UE переходит в режим канала РСН. В этом состоянии UE может отслеживать удобные случаи для приема в режиме с перерывами DRX1 и «слушать» пейджинговый ка­нал. При этом положение UE известно с точностью до соты, которую иногда называют «домашней сотой».

•  Радиосвязь в состоянии URA РСН: если радиосвязь установлена UE по каналам  FACH или  DCH,  но объем передачи данных между UE и UTRAN не существенен или если мобильность терминала UE высока, то во избежание периодического обновления сот и для освобождения выделенных радиоресурсов состояние UE может быть переведено в ре­жим URA РСН. В этом случае местонахождение UE известно только на уровне URA и, следовательно, для определения положения UE с точностью до соты этот UE должен быть найден с помощью RNC сети UTRAN. Примером может служить процесс мобильного определения местоположения, когда нужна точность до соты. В этом режиме сеть UTRAN имеет преимущества от наличия интерфейса Iur между RNC и URA.

•  Незанятый режим: незанятый режим RRC эквивалентен состоянию, при котором UE и UTRAN не имеют радиосвязи, например, когда UE выключен. В этом состоянии сеть не располагает фактической инфор­мацией о местонахождении UE.

 

5.3.2.6.      Поддержка базы данных

 

Так же как и контроллер базовой станции BSC сети GSM, контроллер RNC хранит информацию, называемую базой данных радиосети. Это база данных, в которой хранится информация о сотах. В базе данных хранится информа­ция о сотах, которые находятся под управлением данного контроллера RNC. Котроллер передает эту информацию в соответствующую соту, которая через интерфейс Uu распределяет ее по терминалам UE. База данных радиосети содержит большое количество важной информации о соте; сведения об ис­пользуемых в ней кодах составляют только часть этой информации.

Информацию базы данных радиосети условно можно разделить следую­щим образом:

•  Идентификационная   информация  соты:   коды,   идентификационный номер соты ID, место размещения идентификатора ID и область марш­рутизации идентификатора ID.

•  Информация об управлении мощностью: разрешенные уровни мощ­ности в восходящих и нисходящих направлениях каналов в зоне по­крытия соты.

•  Информация о передаче обслуживания: качество связи и параметры трафика, включаемые в процесс передачи обслуживания.

•  Информация об обстановке: информация о соседях (для использова­ния в GSM и WCDMA) Эти списки предоставляются терминалу UE, который затем проводит радиоизмерения окружения в качестве предва­рительного этапа операций передачи обслуживания.

 

5.3.2.7.      Определение местонахождения терминала UE

 

Еше одна важная функция, выполняемая контроллером RNC, — управление механизмом определения местонахождения UE в сети UTRAN. Для этого RNC выбирает подходящий метод позиционирования и контролирует, как этот метод работает в рамках сети UTRAN и в оборудовании UE. RNC также координирует ресурсы UTRAN, используемые при определении местонахож­дения терминала UE.

Используя сетевые методы определения местонахождения, контроллер RNC вычисляет оценку координат места и фиксирует полученную точность. Для проведения измерений по определению места или помощи в таком определении RNC контролирует также число блоков определения местона­хождения на базовых станциях — LMU/BS.

Так как определение местонахождения терминалов UE рассматривается в сети UMTS как добавочная услуга, то мы более обстоятельно опишем ее в главе 8.