6.8. Организация связи и вхождение в синхронизм
Родовое планирование
Все базовые станции (БС) в системе
cdma2000 используют одну и ту же пару коротких I и Q “вдовых
последовательностей, каждая длиной п
х 2" символов. Идентификация соседних
SC осуществляется по величине так называемого псевдосдвига
(PN offset). Измеряя псевдосдвиг
одной и той же кодовой последовательности, мобильная станция может легко
отличить одну базовую станцию от другой.
Минимальный сдвиг между
кодами разных БС принят равным п
х 64 х P, где P — параметр
повторного использования кодов, зависящий от топологии сети и ряда других
факторов. В многочастотной системе МС-CDMA параметр п равен 1. Это означает, что величина кодового сдвига
будет фиксированной, несмотря на то, что общая занимаемая полоса возрастает по
мере роста числа несущих частот n (n=1, 3, 6, 9 и
12).
В варианте системы
DS-CDMA величина минимального сдвига прямо пропорциональна чиповой
скорости, т.е. n=l для R=1,2288 Мчип/с,
п=3 для R=3,6864Мчип/с, n=6 для R=7,3728, n=9 для
R=11,0592 Мчип/с, n=12 для R=14,7456Мчип/с.
Использование
одной и той же кодовой последовательности с различными псевдосдвигами
между базовыми станциями упрощает процедуру поиска, начального вхождения в
синхронизм и распределения кодов между пользователями различных сот.
Принципы организации абонентского доступа
Еще до выхода в эфир мобильная станция
осуществляет поиск наиболее предпочтительных кодов для приема пилот-сигнала. Процедура поиска
начинается с вычисления взаимнокорреляционных
характеристик коротких абонентских кодов и кодов сигналов, принимаемых m разных базовых станций. Вычисление продолжается до тех
пор, пока подходящая пара не будет обнаружена. Мобильная станция выбирает тот
код прямого пилотного канала, который соответствует
наиболее сильному сигналу базовой станции.
После того, как
произошел захват пилот-сигнала,
начинается процесс выделения синхросигнала прямого канала (F-SYNC). Такая
процедура возможна, поскольку границы кадра всегда синхронизированы с
разверткой пилот-сигнала.
Другими словами, граница кадра синхроканала всегда
сдвинута относительно системного времени на величину псевдослучайного сдвига
принимаемого сигнала F-PICH. Пилот-сигнал содержит синхросообщение,
позволяющее однозначно идентифицировать базовую станцию и определить состояние
генератора длинного кода. В синхросообщении также
указывается номер версии протокола и скорость передачи по вызывному каналу. Суперкадр F-SYNC равен 80 мс и состоит из трех “ременных
интервалов, каждый длительностью 26,67 мс.
Механизм установления
связи основан на использовании понятия “попытка доступа” (access
attempt). В сетях пакетной передачи под успешной
попыткой доступа подразумевается процедура передачи одного сообщения и приема
сигнала подтверждения приема. Одна попытка доступа состоит из одной или более субпопыток (subattempt). Каждая субпопытка, “свою очередь, включает нескольких пробных
последовательностей доступа (рис. 6.9).
Каждый короткий запросный пакет,
передаваемый по каналам R-ACH или R-СССР, называется пробой доступа (access probe). Он состоит из
преамбулы и запросного сообщения. Преамбула передается только по пилотному каналу R-PICH. Длина преамбулы равна целому числу
интервалов N, каждый длительностью 1,25 мс. Число интервалов в преамбуле
указывается базовой станцией и зависит от скорости поиска кодовых
последовательностей, радиуса соты, характеристик многолучевости
и др. Допускается также нулевая длина преамбулы (т.е. преамбула отсутствует).
Скорость поиска зависит от конфигурации аппаратных средств базовой станции
(параллельный поиск и т.д.). Длина слотов указывается базовр1
станцией. Чтобы уменьшить задержку для различных каналов доступа, начало
передачи каждого канала смещено во времени.
В системе cdma2000
применяются ортогональные широкополосные сигналы, которая при асинхронной
работе мобильных станций становятся квазиортогональными.
Вследствие этого такая система очень чувствительна к помехам неортогональности, возникающими между мобильными станциями.
Чтобы снизить уровень
помех при установлении доступа, предложен метод передачи, п1в котором в каждом
последующем запросе уровень мощности увеличивается от исходного значения Рр до максимального Р„= Р, + h Р (m — 1), где m — число проб доступа в одной субпопытке.
В системе используется алгоритм с настойчивой стратегией осуществления
доступа передача запросов продолжается до тех пор, пока не будет
получено подтверждение приема. Чтобы избежать конфликтов при доступе, время
повторной передачи для каждой мобильной станции рандомизировано
и задается случайным образом. Если не получено подтверждение приема, то
мобильная станция ждет в течение определенного времени.
Рис. 6.9. Последовательность попыток
установления доступа
RS — случайный интервал между
последовательностями проб доступа.
ТА — время ожидания ответа на запрос.
RT — случайное время, изменяемое при
каждой пробе доступа.
Ро — мощность сигнала в
первой попытке доступа.
БР — приращение мощности.
6.9. Процедура мягкого и
жесткого хэндовера
В процессе работы мобильная станция
непрерывно контролирует уровень пилот-сигнала
от разных базовых станций и регистрируется в той сети, в которой обеспечиваются
наилучшие условия приема сигналов, если уровень принимаемого сигнала превышает
установленные пороги.
В cdma2000 используются
два типа порогов. Первый порог выбирается таким, чтобы обеспечить нормальный
режим когерентной демодуляции пилот-сигнала.
Второй порог определяет уровень, до которого может спадать входная мощность.
Ниже этого значения когерентное детектирование становится малоэффективным.
Запас между двумя пороговыми уровнями (так называемый гистерезис) позволяет
избежать эффекта “пинг-понга”, который может возникнуть вследствие быстрых
флуктуаций уровня принимаемого пилот-сигнала.
Основываясь на этой информации, мобильная станция определяет наиболее
предпочтительный набор базовых станций.
Когерентное сложение
разнесенных сигналов осуществляется с помощью следящего многоканального КАКЕ
приемника. Когда сигнал от одной базовой станции становится слабый, то КАКЕ
приемник автоматически переключается на тот канал, уровень пилот-сигнала в котором максимальный.
Что же касается сигналов, передаваемых
мобильной станцией, то они обрабатываются на базовой станции в режиме мягкого хэндовера. Принимаемые
сигналы от различных секторов одной базовой станции могут объединяться в
контроллере на посимвольной основе, а принимаемые сигналы от различных базовых
станций — на покадровой основе. В результате такой
процедуры хэндовера увеличивается зона покрытия и пропускная способность обратного канала.
Механизм мягкого хэндовера обеспечивает соединение без прерывания
обслуживания. Пространственное разнесение позволяет уменьшить вероятность
ошибок в зоне обслуживания и повысить помехоустойчивость в областях приема с
напряженной электромагнитной обстановкой.
Несмотря на то, что мягкий хэндовер улучшает в целом
характеристики системы, на его организацию неизбежно расходуются сетевые
ресурсы, что при неблагоприятных условиях приводит к снижению пропускной
способности. В прямом канале избыточный хэндовер уменьшает пропускную способность системы, т.к. для
его реализации потребуется большая мощность на базовой станции. Что же касается
организации хэндовера в обратном канале, то на это
расходуется больше сетевых ресурсов, что, в конечном итоге, увеличивает
стоимость аппаратуры.
Введение динамического
регулирования уровней, при которых происходит переключение каналов на базовой
станции, позволяет эффективно решить проблему мягкого хэндовера.
Дело в том, что существуют области, в которых уровень принимаемого сигнала
очень мал, т.е. в них требуется низкий порог принятия решения. В ряде других
областей, наоборот, уровень пилот-сигнала может быть
чрезмерно высок, а следовательно, для принятия решения
необходим более высокий порог.
Принципы динамического регулирования
порогов при приеме двух пилот сигналов (F- Р1СН1 и F-PICH2) от разных базовых
станций иллюстрируются на рис. 6.10. Обнаружение пилот-сигнала
2 (ПС2) происходит в тот момент времени, когда он
пересекает заданный фиксированный пороговый уровень Tl
(т.1). При дальнейшем нарастании уровня сигнала, т.е. по мере приближения
мобильной станции к базовой, он пересекает второй пороговый уровень Т2 (динамический). В этот момент происходит регистрация и
начинается контроль за его изменениями. В т.З мобильная станция получает
команду добавить ПС2 в так называемый “активный набор” (active
set). При движении мобильной станции в
противоположном направлении от первой базовой станции пилот-сигнал 1 (ПС1) убывает и в т.4 его уровень спадает ниже ПС2. В точке 5
измеряется уровень пилот-сигнала
1 и включается таймер (это необходимо, чтобы избежать ложных переключений при
флуктуациях сигнала). При дальнейшем спадании уровня в т.б
мобильная станция получает приказ удалить пилот сигнал 1 и после того, как его
уровень спадает ниже второго порога, он удаляется из “активного набора”
мобильной станции.
Рис. 6.10. Временная диаграмма мягкого
хэндовера с использованием
динамических порогов
Система cdma2000 обеспечивает возможность
предоставлять услуги для всех абонентов, работающих в сетях cdmaone
(IS-95). Переключение на сеть стандарта IS-95 в режиме мягкого хэндовера может происходить на границе зоны обслуживания
при работе на одной и той же частоте. Возможность предоставления хэндовера осуществляется для абонентов, как в прямом, так и в обратном направлениях.
Жесткий (или межчастотный) хэндовер с
существующими CDMA системами обеспечивается на основе известной процедуры МАНО
(Mobtle Assisted HandOff). Однако, чтобы обеспечить
обратную совместимость и организовать режим частотного сканирования, в системе
cdma2000 процедура жесткого хэндовера должна быть
расширена. Предлагаемые усовершенствования позволяют осуществить эту процедуру
без прерывания связи, но этот режим обеспечивается лишь в варианте
многочастотной CDMA.
6.10. Способы разнесения на передаче
Одним из эффективных методов снижения
требуемого отношения сигнал-помеха является пространственное разнесение. В
системе cdma2000 это обеспечивается за счет разнесения антенн на базовой
станции. Конкретная реализация варианта разнесения зависит от выбранного варианта
построения система: МС-CDMA или DS-CDMA.
Наиболее просто
пространственное разнесение реализуется в варианте многочастотной CDMA,
поскольку многочастотный сигнал передается через каждую из разнесенных антенн
и не требуется дополнительного усложнения терминала. Прием сигнала
осуществляется одновременно на нескольких несущих.
Принцип многочастотного
разнесения на передаче иллюстрируется на 6.11, где приведена многоантенная конфигурация системы при разном числе несущих
частот (И=З, N=6). Частотно-пространственное
разнесение осуществляется следующим образом. Входной поток данных расщепляется
на N независимых потоков, каждый из которых передается на отдельной
несущей. Если все несущие будут переданы через одну антенну, то это
соответствует обычному варианту построения системы (разнесение отсутствует). В
варианте трехантенной системы излучение каждой из 3-х
несущих может осуществляться через отдельную антенну,
что обеспечивает трехкратное пространственно-частотное разнесение. Чтобы
повысить эффективность системы, частотный разнос между
несущими на первой антенне, по возможности, должен быть максимальным.
Аналогичным образом может быть реализовано разнесение при 6 несущих.
Как видно из рис. 6.11,
несущие на входах разных антенн подобраны таким образом, чтобы они обеспечивали
максимальную эффективность частотного разнесения.
Рис. 6.11.
Многочастотное разнесение на передаче при различных конфигурациях антенн А, В, С и числе несущих частот N
а) 3 несущих (N = 3)
б) 6 несущих (И = 6)
На мобильной станции прием
пространственно разнесенных сигналов обеспечивается с помощью многоканального RAKEприемника, который
обрабатывает одновременно все 1ч' несущих. Каждый канал RAKEприемника
настроен на прием многолучевых составляющих какой-либо несущей.
Так как пилот-сигнал распределен равномерно по всем каналам, то нет
необходимости вводить вспомогательные пилот-сигналы
для оценки характеристик многолучевого канала.
Повышение помехоустойчивости системы cdma 2000 с
расширением спектра (вариант DS-CDMA) основано на
использовании так называемого ортогонального разнесения на передаче OTD (Orthogonal Transmit Diversity). Метод OTD реализуется следующим образом.
Кодированные биты разделяются на два или более потоков в зависимости от числа
используемых антенн. Потоки передаются через разные антенны с использованием
кодов Уолта.
Чтобы ослабить взаимное
влияние сигналов в каналах с гладкими замираниями, коды в каждой из
антенн являются ортогональными.
Следует отметить, что
процедура расщепления информационной последовательности на два потока и
их передача с помощью ортогональных кодов не снижает эквивалентного числа
абонентских кодов, которое остается таким же, как и в случае отсутствия OTD.
Алгоритм выбора кодовых
последовательностей Уолша при двух антеннах
следующий, Допустим, что в канале без разнесения код Уолша
Wz имел длину 2, при этом скорость передачи символов
в канале равна R. Кодированный поток данных при разнесении на передаче
расщепляется на два потока, каждый из которых передается с половинной скоростью
R/2. Вследствие этого каждый из двух потоков может расширяться
последовательностью Уолша, имеющей длину 2 ". Из
этого следует простой способ формирования двух кодов Уолша
на основе Wg, т.е. [Wg, Wg] и [Wg, — Wg].
В
отличие от многочастотного метода, где энергия одного и того же пилот-сигнала равномерно распределена по всем несущим,
ортогональное разнесение требует использования различных пилот-сигналов
в каждой из антенн. Другими словами, общий пилот-сигнал может передаваться, как
и ранее через первую антенну, а вспомогательный пилот-сигнал — через вторую
антенну. При этом обеспечивается когерентная демодуляция сигналов, принимаемых
с двух антенн.
6.11.Особенности реализации режима TTD
В режиме cdma2000/TDD используются те же
схемы кодирования, модуляции и обработки сигналов, что и в случае cdma2000/FDD.
Что же касается отличий, то они в основном связаны с различной структурой кадра
и необходимостью введения защитных канальных интервалов. В схеме разделения
входного потока на 1 и Q каналы, применяется тот же алгоритм передачи символов
управления мощностью. По сравнению с FDD принципиально потребуется лишь
введение двух дополнительных устройств: формирователя защитных интервалов и
генератора пакетов TDD.
Двусторонняя радиосвязь
в режиме TDD обеспечивается на одной несущей с временным уплотнением каналов
передачи и приема, что позволяет сделать систему CDMA более гибкой в части
использования выделенных полос частот. Кроме того, более простыми средствами в
такой системе реализуется пространственное разнесение на базовой станции и
управление мощностью в радиолинии. Трафик в прямом и обратном
каналах в режиме TDD может быть как симметричным, так и асимметричным.
Основные преимущества режима TDD заключаются в том, что двусторонняя передача
данных обеспечивается в одной полосе частот, т.е. не требуется парный диапазон
частот, упрощается процедура поиска сот и более эффективно распределяются
каналы между сотами.
Максимальная зона
обслуживания в режиме TTD ограничена величиной защитного промежутка ht, вводимого на границе канального интервала (рис. 6.12).
При защитном промежутке 52,08 мкс и точности синхронизации временных
интервалов на базовой станции + 3 мкс максимальный радиус зоны
обслуживания равен 7 км.
Мобильная станция имеет
сходную с БС структуру кадра, но приемные и передающие временные
интервалы инвертируются, т.е. переставляются местами. В кадре
длительностью 20 мс организуется 8 пар канальных интервалов. Каждая пара
состоит из одного передающего Тх и одного приемного Rx интервала. Все интервалы имеют одинаковую длительность,
равную 1,25 мс. Аналогичным образом может быть организован кадр длительностью 5
мс, однако он будет содержать всего две пары канальных интервалов.
Рис. 6.12. Структура кадра в режиме TDD
В проекте cdma2000 минимальный защитный
временной интервал выбран равным 52,08 мкс (в варианте МС-CDMA)
или 69,44 мкс (в варианте DS-CDMA). Схема реализации режима TDD для скорости
передачи 76,8 кбит/с приведена на рис. 6.13. На вход
системы поступает кодированный поток, состоящий из 1536 символов на кадр (длина
кадра 20 мс). После его разделения на синфазный и
квадратурные потоки, число символов в каждом канале соответственно уменьшается
до 768. При 16-интервальной структуре кадра в каждом канальном интервале
передается пакет из 96 символов. Формирование защитных интервалов
осуществляется путем исключения в каждом из 16-ти каналов 4-х последних
символа. После введения защитных интервалов в QPSK сигнале образуются четыре
“пустых” интервала с общей длительностью 104,17 мкс.
Рис. 6.13. Структурная схема TDD модулятора
Схема формирования
защитных интервалов функционально объединена с устройства, обеспечивающим
“вставление” битов управления мощностью РС в кодированный поток данных. Эта
операция осуществляется аналогичным образом, что и в режиме FDD.
Расширение спектра
осуществляется путем перемножения входного потока со скоростью 38,4 кбит/с с 16-битовым кодом Уолша. Выходной
поток со скоростью 644,4 кбит поступает на генератор TDD пакетов. В нем он
разделяется на 8 сегментов с защитным интервалом между ними, равным четырем
символам. Прерывистый поток с синфазного и кводатурного каналов объединяется в комплексном перемножителе.
Предложения по
использованию режима TDD в системе cdma2000 проработаны еще недостаточно
глубоко и требуют дальнейших исследований.
Концепция WCDMA была практически
одновременно разработана в Японии (ARIB) и Европе (ETSI SMG2). В Европе работы
проводились в рамках программы UMTS (концепция а), и та- 80й проект получил
название UTRA (UMTS Terrestrial Кайо
Access). Именно его идеология и легла в основу еще
трех предложений, поступивших в ITU от разных регионов мира: WCDMA NA, WIMS
(США) и CDMA II (Ю.Корея). В дальнейшем практически идентичные проекты были
объединены в единое предложение, в котором за основу взяты технические решения,
предложенные в WCDMA и UTRA" для парного диапазона частот.
Концепция перехода к
IMT-2000, которую исповедуют в Японии (WCDMA), достаточно близка к европейскому
подходу UTRA. В обоих проектах выбраны идентичные чиповые
скорости (базовый вариант), практически одинаковая канальная структура, методы
расширения спектра, принципы организации хэндовера и
др.
Система WCDMA
обеспечивает возможность работать в широком диапазоне чиповых
скоростей: от 3,84 Мчип/с до
15,36 Мчип/с. Взаимосвязь
между чиповой скоростью и скоростью передачи данных в
системе WCDMA иллюстрируется на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Взаимосвязь между информационной и чиповой скоростью
В
качестве базовой в обоих проектах выбрана чиповая
скорость 3,84 Мчип/с. При такой скорости
обеспечивается передача информационного потока 2,048 Мбит/с, что гарантирует
возможность обеспечения межсистемного хэндовера типа
PDC/WCDMA (Япония) или GSM/WCDMA (Европа).
Чтобы обеспечить
независимые условия работы базовых станций (внутри и вне помещений) в случаях,
когда не требуется точная взаимная синхронизация, применяется режим асинхронной
синхронизации между разными сотами. В отличие от cdma2000 не требуется внешний
источник синхронизации, например, приемник сигналов спутниковой системы GPS.
Это особенно важно для внутриофисных применений (подвальные этажи зданий,
метрополитен и т.п.), где могут устанавливаться малогабаритные базовые станции,
которые на короткие сроки должны подключаться к общей сети.
Шаг сетки частот в
WCDMA, так же, как и в проекте UTRA, выбран кратным 200 кГц, что позволяет
гибко изменять разнос несущих и, таким образом, повышает спектральную
эффективность системы в реальной помеховой
обстановке. Частотный план системы зависит от конкретных сценариев развертывания.
Поскольку ширина спектра
на одной несущей не превышает 5 МГц, то для операторов, располагающих,
например, спектром 15 МГц, появляется возможность организации связи
одновременно на трех несущих в рамках единой иерархической сотовой структуры.
Разнесение каналов с шагом 200 кГц позволяет на границах полосы пропускания
иметь различные защитные полосы от 4,2 до 5,4 МГц. В зависимости от конкретной помеховой обстановки можно выбирать разные защитные
интервалы между соседними участками спектра, выделенными двум различным
операторам. Данная ситуация иллюстрируется на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Частотный план WCDMA (с тремя операторами А, В и С)
Двухуровневая схема
расширения спектра основана на использовании расширяющих и скремблирующих
кодов. В канале “вниз” скремблирующие коды назначаются отдельно для каждой
сети, а в канале “вверх” определяются уникальным образом для каждого абонента.
Расширяющие коды являются ортогональными, что позволяет сделать их общими для
всех сот сети и минимизировать, таким образом, уровень взаимных помех между
абонентами внутри одной соты.
Обнаружение сигнала обеспечивается путем
когерентного детектирования пилот-сигнала.
Чтобы уменьшить задержку в схеме управления мощностью передатчика, пилот-сигналы в канале “вниз”
мультиплексируются по времени. Это решение также положительно сказывается на
упрощении схемы приемника мобильной станции. С другой стороны, для режима
“вверх” предлагается I/Q мультиплексирование пилотных
символов совместно с передаваемыми данными. Метод I/Q мультиплексирования
обеспечивает непрерывную передачу символов пилот-сигнала и данных, учитывая, что их расширяющие
коды различаются. Такое решение позволяет также уменьшить влияние
электромагнитной обстановки и снизить требования к усилителю мощности
передатчика мобильной станции Что же касается основных технических
характеристик технологии WCDMA в режиме FDD, то они были приведены в предыдущем
разделе (см. табл. 6.4).
7.2. Обобщенная архитектура сети радиодоступа
Состав сети WCDMA
На рис. 7.3 представлена обобщенная архитектура
системы IMT-2000/УМТБ, которая в общих чертах отражает ее концепцию построения.
Разработанная на основе системного подхода, архитектура содержит два
укрупненных уровня декомпозиции:
— верхний,
который не связан непосредственно с предоставлением доступа (non-access stratum);
— нижний, который
обслуживает все элементы системы, в той или иной степени связанные с
организацией радиосвязи и обеспечением доступа (access
stratum).
Для верхнего уровня
услуги предоставляются через так называемые точки доступа к услугам SAP (Service Access Point), которые на рис. 7.3 показаны в виде овалов.
Рис. 7.3. Обобщенная архитектура UIVITS (5АР
— точка доступа к услугам)
Кроме горизонтальных
уровней (верхнего и нижнего) существуют три вертикальных сетевых слоя: абонентский, наземная сеть WCDMA/UTRAN (UTRA Network) и базовая сеть CN (Core Network). На рис. 7.3 двумя вертикальными пунктирными
линиями показаны интерфейсы между этими сетевыми элементами.
Отличительными
особенностями предлагаемой архитектуры являются:
— логическое разделение
сигнализации и каналов трафика;
— макроразнесение, которое
полностью обрабатывается в сети UTRAN;
— разделение функций
сети UTRAN и базовой сети CN, хотя принципиально они могли бы быть реализованы
в одном и том же оборудовании.
Сеть UTRAN состоит из
нескольких RNS (Radio Network
Subsystem) подсистем, соединенных с базовой сетью
через интерфейс Iu и связанных друг с другом через
интерфейс lur. Каждая RNS подсистема ответственна за
предоставление ресурсов, необходимых для установления соединения между
определенной мобильной станцией и сетью UTRAN (WCDMA). Если мобильная станция
связана с двумя RNS подсистемами (что возникает в процессе ее перемещения), то
одна из них является обслуживающей (serving RNS), а
другая— пассивной (drift
RNS). Хотя пассивная RNS непосредственно не связана с базовой сетью, но,
взаимодействуя через обслуживающую RNS, она способна
оперативно предоставлять ресурсы для установления соединения с мобильным
абонентом.
Важную роль в RNS
выполняет контроллер RNC (Radio Network
Controller), который обеспечивает рациональное
использование радиоресурсов и осуществляет хэндовер. К каждому контроллеру подключены от одного до
нескольких логических узлов В, которые соединены с RNC
через интерфейс Iub. В задачу логических узлов входит
контроль за сложением и разделением разнесенных сигналов и обеспечение макроразнесения в пределах одного узла В
(рис. 7.4).
Рис. 7.4. Наземная сеть радиодоступа UMTS (UTRAN)
Логический узел В реализует функции базовой станции (БС), которая
обеспечивает обслуживание до 3-х секторов, предоставляя до 3-х несущих на один
сектор. В. сети обеспечивается многопользовательское детектирование, мягкий хэндовер и реализация всех остальных функций радиоинтерфейса: прием и передача радиосигналов, их
обработка и формирование групповых потоков данных. В задачи узла В также входит осуществление межсетевого интерфейса и
взаимодействие с контроллером радиосети RNC.
Интерфейсная структура
В сети UTRA используются три типа
интерфейсов, каждый из которых выполняет определенные функции:
lu — определяет точку
взаимодействия между подсистемой RNS и базовой сетью;
lur — предназначен для соединения между
двумя RNS (обслуживающей и пассивной RNS)-
lub — определяет стык между
контроллером RNC и узлом В.
Сигнализация через
интерфейс lu осуществляется с помощью протокола RANAP
(Radio Access Network Application Part), который определяет все процедуры взаимодействия
между базовой сетью и сетью радиодоступа WCDMA.
Протокол RANAP также обеспечивает возможность конвейерной передачи сообщений в
прозрачном режиме между базовой сетью и абонентским оборудованием, т.е. без
промежуточной обработки информации в радиосети WCDMA.
С помощью протокола
RANAP обеспечивается распознавание конкретного абонентского оборудования на протокольном
уровне, что необходимо для управления сигнализацией. Протокол обеспечивает
передачу в прозрачном режиме управляющей информации верхних уровней (не
связанных с обеспечением радиодоступа и определяемых
на уровне SAP), трансляцию различных типов запросов о выделении ресурсов, а
также выполнение функций выбора оптимальной конфигурации.
Интерфейс lur является открытым. Он определяет характеристики
взаимодействия между двумя подсистемами (обслуживающей и пассивной RNS).
Функции, выполняемые интерфейсом lur, зависят от вида
обслуживания (информационный обмен, сигнализация). Информационные потоки
включают в себя кадры данных, текущие оценки качества услуг, синхропараметры и др. Потоки сигнализации содержат сведения
об удалении/добавлении соты в пассивную RNS,
используемых радиоресурсах и т.д.
Между обслуживающей
и пассивной RNS регулярно передаются так называемые Iur
потоки данных (lur data streams), с помощью которых обеспечивается макроразнесенный прием. Так, если пассивная RNS выполняет
сложение разнесенных сигналов, то все необходимые данные она получает от обслуживающей RNS и наоборот.
Сигнализация через
интерфейс Iur осуществляется с помощью протокола
RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part), который определяет все процедуры взаимодействия между обслуживающей и пассивной RNS. Интерфейс lub регламентирует характеристики стыка между контроллером
RNC и узлом В (логический узел ответственен за
обеспечение радиообмена с мобильной станцией). Вопрос о том, будет ли интерфейс
lub открытым или нет, пока не решен.
Можно выделить три
группы потоков, передаваемых через интерфейс Iub и
определяющих процедуры взаимодействия контроллера RNC и узла
В:
— прикладные потоки, связанные с сигнализацией (добавление или
исключение сот, '-.: контролируемых узлом В и др.);
—
блоки
данных радиообмена в линиях “вниз” и “вверх”;
— оценки качества каналов “вверх” и синхропараметров.
Между контроллером и
узлом В передаются lub
потоки данных, которые обеспечивают макроразнесенный
прием. Их характеристики такие же, как и ранее описанного lur
потока данных.
7.3. Услуги и функции канального и сетевого уровней
Архитектура радиоинтерфейса
WCDMA
Архитектура сети радиодоступа
WCDMA является трехуровневой и включает: физический (Б1),
канальный (Ь2) и сетевой (L3) уровни. В свою очередь каждый канальный уровень
L2 подразделяется на два подуровня: управление доступом к каналу (1.2/ЬАС) и
управление доступом к среде (Б2/МАС).
На сетевом уровне (L3) и подуровне LAC
совокупность протоколов разделяется на две области: управления или сигнализации
(С-plane) и абонентскую (U-plane). В С-области имеется несколько сетевых подуровней,
самый нижний из которых отвечает за управление радиоресурсами
и обозначается как RRC (Radio Resource
Control). Подуровень RRC имеет непосредственный интерфейс
с подуровнем LAC.
Полная структура
протоколов приведена на рис. 7.5. Уровни и подуровни на рисунке представлены в
виде блоков, а точки доступа к услугам SAP (Service Access Point) показаны в виде
овалов. Каждый из перечисленных уровней и подуровней имеет четко определенный
интерфейс. В результате реализация какого-либо протокола не зависит от
остальных уровней. Что же касается протоколов более высоких подуровней (L3),
таких как управление мобильностью (ММ — Mobility Management) и управление
вызовами (СС — Call Control),
то они не отображены на рисунке.
Отметим, что данная
модель составлена в соответствии с рекомендациями ITU-R М.1035 и
рассматривается как эталонная (справочная) модель анализа структуры протоколов,
определяющих порядок взаимодействия между объектами разных уровней.
Рис. 7.5. Архитектура радиоинтерфейса
WCDMA
Канальный уровень
является транспортной средой между верхними и физическим уровня- ми. Он обеспечивает механизмы управления сетевыми
ресурсами и поддержку протоколов с учетом различных требований по
достоверности, качеству обслуживания и времени ожидания. Согласно приведенной
на рис. 7.5 структуре радиоинтерфейса, подуровни
L2/МАС и
L2/LAC образуют границу
раздела между физическим и сетевым уровнями. Разделение канального уровня на
два подуровня позволяет разграничить их области управления.
Каждый из двух
рассматриваемых подуровней выполняет свои функции. Первый подуровень L2/LAC
отвечает за организацию логических каналов (типа “точка-точка”) между
равноправными объектами сетевого уровня.
Функции второго
подуровня МАС значительно расширены. Он управляет доступом к
радиоканалам и координирует использование радиоресурсов
между различными логическим каналами подуровня LAC. Протоколы подуровня
МАС должны обеспечить такое распределение ресурсов, чтобы свести к минимуму
конфликты между обслуживаемыми объектами (мобильными станциями). И, наконец,
подуровень МАС ответственен за доставку показателей качества обслуживания,
которые могут запрашиваться обслуживаемыми LAC объектами (напр., резервные радиоресурсы, приоритеты и др.).
В число основных задач,
решаемых на подуровне МАС, входят все рабочие процедуры, связанные с доступом к
физическому уровню. Таких процедур несколько: уплотнение и разуплотнение
потоков данных, объединение служебных сообщений с информационными потоками и
другие. В течение сеанса связи на подуровне МАС обеспечивается выбор формата
для каждого транспортного канала в зависимости от скорости источника и имеющихся
oграничений по радиоресурсам. В зависимости от выбранного формата один или
более протокольных блоков (PDU) более верхних уровней могут быть отображены в
один или несколько транспортных блоков, состоящих из одного или более кадров
(10 мс). Процесс установления или модификации транспортных каналов, и
соответственно, выбора транспортных форматов обрабатывается RRC протоколом.
В процессе отображения
данных в транспортные каналы и выбора транспортных форматов МАС может
присваивать сообщениям различные категории срочности. Выбор приоритета будет
зависеть от вида обслуживания, требований по допустимым задержкам и др.
Идентификация
производится при передаче данных по транспортным каналам общего пользования.
Когда адрес мобильной станции содержится в сообщении, передаваемом по каналу
вниз, или, когда МС использует канал доступа RACH, возникает необходимость
идентификации МС в рабочей полосе. Поскольку на подуровне МАС обрабатывается
вся информация о доступе и осуществляется мультиплексирование услуг, то
логично, что идентификация абонентов так же будет производиться на этом уровне.
При работе нескольких
мобильных станций в общем канале доступа RACH неизбежно возникают конфликты. Их
обработку также осуществляют МАС-протоколы.
Представленный перечень выполняемых функций,
конечно, не является полным. В функции подуровня МАС также входят динамическое
распределение радиоресурсов, осуществляемое с помощью
протокола RLCP (Radio Link Control Protocol). Такой протокол
поддерживает 3 режима взаимодействия мобильной станции с сетью:
— достоверный режим, в
котором RLCP использует специальные протоколы с защитой: от ошибок (ARQ и др.),
что гарантирует надежную доставку сообщений;
— недостоверный режим,
характеристики которого в основном определяются радиоканалом и в меньшей мере
сетевыми процедурами;
— прозрачный режим, при
котором RLCP пропускает поток данных без обработки и добавления служебных
символов.
Самый нижний уровень
стека протоколов — физический. На этом уровне реализуются все функции,
связанные с обеспечением непосредственного доступа к радиоканалу: обработка
модулирующих и демодулирующих последовательностей,
синхронизация, переключение режимов приема и передачи и управление мощностью
передатчика.
Услуги и функции сетевого подуровня RRC
На сетевом уровне управление ресурсами
обеспечивает подуровень RRC (С-область на рис. 7.5). Он выполняет все сетевые
процедуры, связанные с обработкой управляющей информацией, циркулирующей между
мобильными абонентами и сетью WCDMA. В число его основных функций входит
установление, переконфигурирование и разъединение соединений в каналах
сигнализации и радиодоступа, включая процедуры,
связанные с перемещением мобильных станцией. Построение базовой сети на основе
протоколов СС и ММ, уже используемых в GSM, является одним из основных вариантов
в UMTS.
Сетевые процедуры
предусматривают два режима управления: общий и выделенный. В режиме общего
управления обеспечивается обработка широковещательной информации (не связанной
с предоставлением доступа конкретной станции) в определенной географической
зоне. Широковещательная информация передается в непомехозащищенном
режиме, т.е. без подтверждения приема, а улучшение вероятности доставки
обеспечивается за счет многократной передачи одних и тех же сообщений. Протокол
RRC может реализовывать различные алгоритмы повторной передачи.
В выделенном режиме
управления обеспечиваются услуги, связанные с установлением/разъединением
соединения и обработкой сообщений, передаваемых по этим соединениям. По
сравнению с общим режимом управления для выделенных каналов должны
использоваться более надежные линии связи, гарантирующие, что сообщения типа СС
и ММ передаются в пункт назначения с заданной достоверностью, и что они не
будут потеряны, например, в процессе хэндовера.
Наряду с вышеперечисленными функциями сигнализации и управления доступом
протокол RRC будет обеспечивать управление мощностью с помощью внешней схемы
регулирования.
7.4. Структура логических и транспортных каналов
Логические каналы
Одна из отличительных особенностей
технологии WCDMA — гибкая и многовариантная
конфигурация каналов радиообмена и
протоколов установления связи (рис. 7.6), которая характеризуется тремя типами
каналов:
— логические каналы (logical channel), обслуживаемые
на подуровне Ь2/LAC и обеспечивающие взаимодействие
между протоколами 1.2/МАС и более высокими уровнями;
— транспортные каналы (transport channel), обслуживаемые
на подуровне Ь2/МАС и обеспечивающие взаимодействие
между протоколами физического и более высоких уровней;
— физические каналы (physical channel), формируемые на
самом нижнем уровне Ll (на рис. 7.6 не
показаны).
Логические каналы
предназначены для организации взаимодействия между равноправными объектами
сетевого уровня, причем каждый из них выполняет свои определенные функции. В
соответствии с рекомендацией ITU-R M.1035 все логические каналы разделяются на
две группы: каналы управления (ССН) и каналы трафика (ТСН). По каналам
управления передаются вызывные и служебные сообщения, сигнализация, команды
управления мощностью и диаграммой направленности антенны. Каналы трафика, как
следует из их названия, служат для передачи информационных потоков.
Рис. 7.6. Архитектура WCDMA на канальном и физическом
уровнях
В свою очередь каналы управления
подразделяются на три типа: общие каналы (СССН), выделенные каналы (DCCH) и
жестко закрепленные каналы управления (за определенной мобильной станцией).
Сообщения, которые передаются по общему каналу, подразделяются на
широковещательные, запросы на предоставление доступа, квитанции, вызывные и
короткие абонентские пакеты.
Рассмотрим кратко
функции основных каналов, используемых в WCDMA: ВССН — широковещательный канал
управления с конфигурацией типа “точка- многоточка”, который предназначен для передачи управляющей
информация в широковещательном режиме от базовой станции ко всем мобильным.
FACH — однонаправленный
канал для передачи управляющей информации со стороны сети в сторону мобильных
станций (используется в случае, если местонахождение мобильной станции
известно).
РСН — однонаправленный
канал, который предназначен для передачи вызывных сигналов со стороны сети к
мобильным станциям.
RACH — однонаправленный
канал, предназначенный для обеспечения произвольного доступа в линии связи от
мобильных станций к базовой. При одновременном доступе
нескольких станций возможны конфликты при доступе.
В системах WCDMA
организуются три типа выделенных каналов с конфигурацией типа “точка-точка”
(DCCH, DTCH и UPCH), которые обеспечивают организацию двусторонней радиосвязи
между базовой и мобильной станцией. Основное отличие между разными каналами в
том, что они предназначены для передачи различного вида информации. Так,
управляющая информация передается по каналу DCCH, трафик сетей с коммутацией
каналов — по DTCH, а пакетная информация — по каналу UPCH.
При передаче данных в широком диапазоне
скоростей принят метод пакетной передачи данных, обеспечивающий асимметричный
трафик в направлениях связи “вверх/вниз”. Метод пакетной передачи хорошо
согласуется с принципом адаптивных каналов, скорость передачи которых
изменяется в зависимости от трафика. Например, для низкоскоростного трафика в
каждом направлении “вверх” и “вниз” может использоваться общий физический канал
типа РАСН или RACH. Если же объем трафика достаточно высокий, то для передачи
выбирается канал типа UPCH. Последний тип канала управления, получивший
обозначение ЬССН (Leash Control
Channel), был предложен ITU [12] для систем,
работающих в режиме, ориентированном на установление соединения.
Низкоскоростной канал LCCH закреплен за мобильной станцией и передача по нему
осуществляется регулярно, в том числе и при отсутствии полезной нагрузки (с
целью контроля). В настоящее время в протоколах CDMA такой канал не
используется. Типы логических каналов, которые применяются в WCDMA, приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1. Типы логических каналов
Транспортные каналы
Основной задачей транспортных каналов
является предоставление услуг физического уровня для более высоких уровней.
Такие каналы описывают, как и с какими характеристиками
данные передаются через радиоинтерфейс. Транспортные
каналы, так же как и логические, в зависимости от способа организации связи
подразделяются на две группы (рис. 7.7):
— общие каналы ССН (типа
“точка-точка”), в которых не требуется идентификация мобильной станции в
рабочей полосе частот;
— выделенные каналы DCH
(типа “точка-точка”), в которых мобильная станция однозначно идентифицируется
физическим каналом, т.е. определенным кодом и частотой.
Общие каналы доступны
группе абонентов, т.е. связь организуются одновременно
между базовой и несколькими мобильными станциями. В этом режиме не требуется
идентификация мобильных станций в рабочей полосе частот.
В проектах WCDMA и UTRA
нашли применение четыре типа общих (BCCH, FACH, PCH, RACH) и три типа
выделенных каналов (DTCH, SDCCH и АССА). По выделенному каналу связь
осуществляется между базовой и одной из мобильных станций. Каждая мобильная
станция имеет свой отличительный признак “код-частота”.
По каналу FACH
передается управляющая информация по линии “вниз” (от базовых станций к мобильным). Канал может быть использован также для
управления диаграммой направленности антенны. Возможно использование медленного
и быстрого управления мощностью. Запрос об идентификации мобильной станции
передается в рабочей полосе.
При работе нескольких
мобильных станций в одном канале доступа RACH неизбежно возникают конфликты. Их
обработку осуществляют протоколы МАС подуровня. Управление мощностью
осуществляется по схеме с разомкнутой обратной связью. Когда мобильная станция
использует канал доступа RACH, то возникает необходимость ее идентификации в
рабочей полосе.
Рис. 7.7. Иерархическая канальная структура
WCDMA
Совмещенный канал АССА
используется для передачи управляющей информации совместно с потоком данных.
Обычно он состоит из двух подканалов, один из которых низкоскоростной (SACCH),
а другой высокоскоростной (FACCH). Первый тип канала SACCH обычно используется
для управления мощностью. По нему с базовой станции передаются команды
изменения уровня выходной мощностью передатчика, а с мобильной на базовую — данные измерения уровня входного сигнала
приемника. Второй тип канала FACCH служит для передачи команд переключения
частоты при переходе мобильной станции из одной соты в другую. Некоторое
различие между проектами WCDMA и UTRA в том, что в первом используется только один
тип выделенного канала (DTCH), а во втором — три (DTCH, SDCCH и АССА).
7.5. Структура физических каналов
Типы физических каналов
Различают три типа физических каналов:
общие, выделенные и маркерные (последний тип каналов на рис. 7.7 не показан). По
общему физическому каналу передается вызывная, управляющая и абонентская
информация, а также символы пилот-сигнала,
которые могут приниматься одновременно всеми абоненты, обслуживаемыми данной
секторной антенной.
Выделенный канал,
предназначен для организации связи с конкретным пользователем. По нему
передаются абонентские данные, управляющая информация, вспомогательные пилот
символы управления диаграммой направленности антенны, биты управления мощностью
и информация о скорости передачи в канале.
Физические каналы
определяют качественные характеристики передаваемой информации и способы (или
режимы) ее передачи. Отличительными признаками физического канала являются:
код, частота и фазовый сдвиг (I/Q) каналов. Радиоинтерфейс
%СРМАЮТКА позволяет образовывать 7 общих или выделенных физических каналов,
приведенных в табл. 7.2.
Таблица 7.2. Типы физических каналов
Выделенные и общие каналы
Разделение каналов передачи данных и
управления осуществляется на физическом уровне. Технология WCDMA поддерживает два
режима пакетной передачи данных, выбор которых зависит от размеров передаваемых
сообщений. Короткие пакеты передаются по общему каналу, что не требует
выделения отдельного канального ресурса. Передача длинных пакетов
осуществляется по выделенному каналу. В случае, когда длина пакета превышает допустимую (время устанавливается по таймеру), то сообщение
автоматически разбивается на два или более пакетов.
Выделенный канал DPDCH
может разделяться между несколькими абонентами (от кадра к кадру) при передаче
“вниз”. При этом абоненты могут использовать один ортогональный код, так как
каждый пакет сопровождается независимой служебной информацией. Выделенный канал
наиболее подходит для работы в условиях пиковой нагрузки, когда в одном
направлении (“вниз”) группе абонентов передаются интенсивные потоки данных,
например, целые Web-страницы.
Передача информации по
линии “вверх” осуществляется по двум каналам DPDCH и DPCCH. Первый из них
предназначен для передачи данных, генерируемых на канальном или сетевом уровне,
т.е. доставляемых по транспортному канала DCH. На
каждое соединение может приходиться один или несколько каналов DPDCH. Возможен
также вариант, когда канал DPDCH не передается.
Другой канал DPCCH
предназначен для передачи управляющей информации: пилот - сигнала, команд
управления мощностью TPC (Transmit Power
Control) и
указателя
транспортного
формата TFI (Transport Format Indicator). Указатель транспортного формата используется для
оповещения приемника о текущем состоянии и параметрах транспортных каналов,
передаваемых в DPDCH.
В WCDMA кадр длиной Т=10
мс разделен на 15 канальных интервалов,
каждый длиной 0,625 мс. Суперкадр образуется
из 72 кадров и имеет длину Т=720 мс. Структура кадра для выделенных каналов
DPDCH и DPCCH приведена на рис. 7.8 (линии “вверх”) и рис. 7.9 (линия “вниз”).
Основное различие в структуре кадров
DPDCH и DPCCH в линиях связи “вверх” и “вниз” состоит в том, что в первом
случае каналы передаются с кодовым уплотнением (рис. 7.8), а во втором — с
мультиплексированием во времени (рис. 7.9). На рисунках число передаваемых
битов во временном интервале обозначается индексами: Np'f„(пилот-сигнал),
Итрс (биты управления мощностью) и Nqp~ (указатель формата кадра).
Рис. 7.8. Структура кадра для каналов
ОРОСИ/DPCCH (линия “вверх”)
Рис. 7.9. Структура кадра для каналов
DPDCH/DPCCH (линия “вниз”)
Параметр k (рис. 7.8) определяет общее число битов на канальный
интервал. Он связан с коэффициентом расширения спектра соотношением
SF=256/2", где к=0...6, т.е. коэффициент расширения SF может изменяться в
пределах от 4 до 256.
Заметим, что DPDCH и DPCCH каналы могут
передаваться с различными скоростями и иметь различные коэффициенты расширения
SF. В случае, когда требуемая скорость передачи по одному каналу “вниз”
превышает пропускную способность одного физического канала, может применяться мультикодовая передача, при которой организуется несколько
параллельных каналов в одном и том же канальном интервале длиной 0,625 мс, При мультикодовой передаче коэффициенты расширения SF в
различных каналах могут отличаться.
В прямом канале WCDMA
общий пилот-сигнал не предусматривается. Пилот символы передаются персонально
каждому абоненту в начале каждого КИ. По сравнению с системой cdma2000 такой
способ организации связи в прямом канале имеет недостаток, так как энергия пилот-сигнала расходуется
нерационально (общая энергия пилот-сигнала велика, в
то время как абонент получает только небольшую ее часть). Естественно, что это
сказывается на условиях когерентного приема особенно при высокой скорости движения
мобильной станции, так как за время, прошедшее между символами пилот-сигнала (10 мс), параметры о
фазе принимаемого сигнала могут устаревать.
Кроме выделенных каналов
в линии “вниз” организуются два типа общих каналов CCPCH (первичные и
вторичные), Первичный канал используется для передачи широковещательной
информации, поступающей с транспортного канала ВССН с фиксированной скоростью
32 кбит/с (SF=256). Кадр имеет аналогичную структуру, что и выделенный каны (рис. 7.8), однако размеры временного интервала
являются фиксированными. В одном таком интервале передаются пилот-сигнал (8
битов) и данные (12 битов), т.е. отсутствуют биты управления мощностью TPC и
указатель формата TFI.
Вторичный общий канал
используется для передачи вызывных и служебных сигналов (FACH и PCH). В отличие
от первичного канала скорость передачи в нем может быть переменной. Структура
канального интервала совпадает с ранее описанной, однако, длина передаваемого
сегмента может быть переменной, т.е. 20 2", где к=0...6.
Perch
канал
Кроме двух основных типов физических
каналов (общих и выделенных) в системе WCDMA организуется третий, так
называемый, маркерный канал (Perch channel). Такой канал аналогичен по своему назначению пилотному каналу, который передается базовой станцией в
широковещательном режиме, но с расширенными функциональными возможностями.
Структура Perch канала отличается от обычного пилотного
канала и состоит из трех мультиплексированных во времени частей (рис. 7.10).
Первая часть канального интервала - это
общий пилот-сигнал, используемый для
установления первоначальной синхронизации мобильной станции с
базовой. Во второй части канального интервала содержатся данные об используемых
логических каналах. Третья часть — поисковые коды, с помощью которых мобильная
станция может идентифицировать базовую станцию.
Чтобы убыстрить
процедуру поиска все символы Perch канала (кроме
поисковых кодов), передаются с использованием только одного сигнала с
расширением спектра. Два различных немодулированных поисковых кода объединяются
в групповой сигнал, что позволяет использовать ортогональные кодовые
последовательности Голда.
К достоинствам
предлагаемой структуры относится ее высокое быстродействие. Что жс касается недостатков, то они, в основном, связаны со
снижением доли излучаемой энергии пилот-сигнала,
поскольку он занимает лишь часть канального интервала.
Рис. 7.10. Кадровая структура Perch канала
7.6. Принципы взаимного отображения каналов
Между логическими, транспортными и
физическими каналами существует однозначная взаимосвязь. Число логических
каналов обычно значительно больше, чем транспортных, т.е. каждый транспортный
канал соответствует одному или нескольким логическим каналам (рис. 7.11).
Рис. 7.11. Взаимосвязь логических, транспортных и
физических каналов
Переход от транспортных к физическим
каналам также сопровождается уменьшением их числа, т.е. каждый физический канал
может соответствовать одному или нескольким транспортным каналам. Поток данных
при переходе информации из одного канала в другой трансформируется на уровне
канальных интервалов, кадров и данных сигнализации.
Отметим, что
пейджинговый канал PCH и канал доступа FACH отображаются на общий физический
канал “вниз”, а канал доступа RACH — на общий физический канал “вверх”.
Пейджинговый канал
разделяется на несколько групп
в одном суперкадре и вызывная информация передается в
каждой группе (рис. 7.12). Каждая группа PCH может занимать до 4 канальных
интервалов и состоять из б информационных частей: 2-х
блоков PI (Paging Indication
— индикации входящих вызовов) и 4-х блоков MUI (Mobile
User Identifier—
идентификация мобильных абонентов).
В каждой группе блок
исходящих вызовов PI передается перед MUI. Во всех группах 6 блоков данных
распределены по определенному закону в 24 канальных интервалах, т.е. фактически
образуется 144 группы. Путем сдвига исходной группы на 4 КИ образуется новая
группа. Все 288 групп могут быть распределены в одном вторичном физическом
канапе управления общего пользования Secondary CCPCH.
Рис. 7.12. Диаграмма отображения пейджингового
канала РСН в физический канал
Метод пакетной передачи
хорошо согласуется с принципом адаптивных каналов, скорость передачи которых
изменяется в зависимости от трафика. Например, для низкоскоростного трафика в
каждом направлении “вверх” и “вниз” может использоваться общий физический канал
типа FACH или RACH. Если же трафик достаточно интенсивный, то выбирается для
передачи канал типа UPCH.
Схема отображения
прямого канала доступа в общий физический канал иллюстрируется на рис. 7.13.
Возможны 2 режима передачи управляющей информация в направлении от базовой
станции к мобильным: FACH-Ь (FACH Long)
и FACH-S (FACH Short). В первом режиме передаются
длинные сообщения, а во втором — более короткие. Формат кадра предусматривает
образование до 4 подканалов FACH-S, которые уплотнены во времени в одном кадре
(см. рис. 7.13).
Рис. 7.13. Метод отображения транспортного
канала FACH в физический канал
7.7. Мультиплексирование, канальное кодирование и
перемежение
Мультиплексирование услуг
Для более эффективного использования
физического канала WCDMA при передаче низкоскоростной информации
предусматривается мультиплексирование в одном физическом канале DPDCH
нескольких низкоскоростных потоков данных. Процедура отображения транспортных
каналов с разными показателями качества (QoS) в один
или несколько физических каналов получила название мультиплексирование услуг
(рис. 7.14).
Наиболее простая
ситуация возникает, когда мультиплексируются услуги с одинаковым показателем
качества QoS. Для этих видов услуг достаточно
процедуры сверточного кодирования и перемежения. При
передаче данных с различными требованиями к обслуживанию реализуется механизм
согласования скорости, который позволяет обеспечить заданные требования к
качеству связи и помехоустойчивости. Выходные потоки с блока канального
кодирования и перемежения (см. рис. 7.14) являются одинаковыми во всех каналах.
Рис. 7.14. Структура мультиплексирования
услуг
Если же объем информации
в одном транспортном канале слишком велик и не может быть обработан в одном
канале, то такой поток разбивается на блоки меньшего размера, которые могут
независимо кодироваться и перемежаться.
Канальное кодирование
Полная процедура формирования
кодированного потока данных включает 2 этапа (рис. 7.15). На первом
осуществляется канальное кодирование (возможно, совмещенное с
мультиплексированием и перемежением), статическое согласование скоростей, межкадровое перемежение и мультиплексирование транспортных
каналов. Основным фактором, определяющим выбор кодирующей цепочки, является требуемое
отношение сигнал/шум Eb/No для различных типов
трафика. Такое согласование является статическим, т.е. не изменяется от кадра к
кадру.
Когда различие в
требованиях к Eb/No
для
различных видов информации устранено, начинается второй этап кодирования.
Основная его цель — привести в соответствие переменную скорость
мультиплексированного потока данных со скоростью передачи в радио- канале. Такое согласование скоростей является
динамическим в линии “вверх”, т.е. изменяющимся от кадра к кадру, и статическим
в линии “вниз”. Рассмотрим кратко характеристики каждого из перечисленных
методов кодирования.
Рис. 7.15. Схема кодирования транспортных
каналов
В WCDMA применяются
четыре типа кодирующих цепочек: сверточное
кодирование, каскадное кодирование (внешний код Рида-Соломона + перемежение
внешнего кода + сверточный код), турбо-кодирование и
специальное кодирование. Благодаря использованию нескольких схем кодирования
появляется возможность получить выигрыш в различных условиях эксплуатации. Так,
сверточный код обычно используется для передачи
трафика от речевых кодеков, где требуется обеспечить вероятность ошибки на бит
(BER) не более 10'. Сверточный код со скоростью R=l/3 может найти применение в низкоскоростных каналах, а
со скоростью R=1/2 — в каналах управления. Кодовое ограничение во всех
вариантах выбрано равным К=9. Турбо-кодирование
осуществляется со скоростью R= 1/3 или R='1/2 при кодовом ограничении К=З. Параметры кодирования для различных транспортных
каналов приведены в табл. 7.3.
При передаче данных
требуется обеспечить вероятность ошибки не более 10. В этих каналах сверточное кодирование используется в сочетании с кодом
Рида-Соломона и перемежением. Основные параметры для сверточного
кодека приведены в табл. 7.4.
Таблица 7.3. Параметры кодирования для
различных типов транспортных каналов
Таблица 7.4. Коэффициенты многочлена сверточного кода (значения
даны в восьмеричной форме)
Турбо-кодирование
предполагается применять в высокоскоростных каналах со скоростью передачи 32
кбит/с и вероятностью ошибки не более 10'. Турбо-коды со скоростью кодирования R=l/3. или R=l/2 предназначены
для замены составного кода (Рид-Соломон + сверточный
код).
Сравнительные
характеристики помехоустойчивости для двух вариантов кодирования приведены в
Приложении 3. Более детально эти вопросы в настоящее время исследуются в ETSI.
Перемещение и согласование скоростей
Глубина перемежения в транспортных
каналах зависит от требований к задержке информации и может принимать четыре
градации: 10 мс (перемежение в пределах одного кадра), 20 мс, 40 мс и 80 мс.
Закон перемежения основан на использовании метода многошагового перемежения МП
(Multi-Stage Interleaving).
Примеры законов канального перемежения символов в случае использования сверточного кодирования приведены в приложении 3.
Аналогичные законы перемежения могут быть реализованы для выделенного канала
DCH и при турбо-кодировании.
Внешнее перемежение
используется в тех случаях, когда передача осуществляется на интервале,
превышающем длину одного кадра (10мс). Перемежение осуществляется на ширину
блока, определяемого длиной кода Рида-Соломона. Глубина поблочного перемежения
изменяется в пределах от 20 мс до 150 мс.
Специальные коды применяются для
расширения функциональных возможностей радиоинтерфейса
и позволяют адаптировать определенный класс кодов под конкретные виды услуг
(рис. 7.16). Одним из типичных применений таких кодов является неравномерная
защита от ошибок для некоторых типов речевых кодеков. Речевой поток разбивается
на пакеты, каждый из которых передается с разной степенью помехозащищенности.
Возможны и. другие варианты специального кодирования. Ф"
Рис. 7.16. Виды канального кодирования и
перемещения
Специальное кодирование
В системе WCDMA предполагается
использовать два режима согласования скоростей:
— статическое
согласование, осуществляемое достаточно редко, обычно каждый раз, когда
транспортный канал добавляется в сеть или удаляется из нее;
— динамическое
согласование, изменяемое от кадра к кадру, т.е. каждые 10 мс.
Статическое согласование скорости преследует
цель изменить скорость кодированного
транспортного канала таким образом,
чтобы, с одной стороны, выполнялись заданные требования к качеству
обслуживания, а, с другой стороны, затрачивались минимальные ресурсы системы.
Кроме того, если скорость источника сообщений превышает максимальную скорость
транспортного канала, то также требуется согласование скорости.
Технически статическое
согласование реализуется путем использования двух процедур: периодического
исключения каждого символа и п-кратного повторения
символов. Следует отметить, что хотя статическое согласование всегда
осуществляется до операции мультиплексирования транспортных каналов, скорости
согласования в разных транспортных каналах должны быть взаимоувязаны.
Динамическое согласование
каналов осуществляется после операции мультиплексирования и позволяет
согласовать мгновенную скорость группового транспортного канала с пропускной
способностью физического канала.
Другая альтернатива
мультиплексированию услуг — многокодовая передача,
при которой информация одновременно передается по нескольким каналам DPDCH.
Выбор параметров для однокодовой и мультикодовой передачи иллюстрируется в Приложении 3.