7.8. Расширение спектра и модуляция
Ортогональные коды переменной длины
Возможность адаптации системы к различным
скоростям передачи обеспечивается за счет использования специальных
каналообразующих кодов (channelization code). Принцип их образования иллюстрируется
на рис. 7.17, где приведено кодовое дерево, позволяющее генерировать
ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения спектра, т.е. OVSF
(Orthogonal Variable Spreading Factor) коды.
Каждый уровень кодового
дерева определяет кодовые слова длиной SF (SF — коэффициент расширения
спектра). Полное кодовое дерево содержит 8 уровней, что соответствует
коэффициенту SF=256 (на рис. 7.17 показаны лишь 3 нижних уровня).
Рис 7.17. Кодовое дерево для генерации OVSF
кодов
Из рисунка видно, что каждый
последующий уровень удваивает возможное число каналообразующих кодов. Так, если
на уровне 2 может быть образовано только 2 кода (SF=2), то на следующем 3-ем
уровне уже генерируется 4 кодовых слова (SF=4) и т.д.
Таким образом, ансамбль
OVSF кодов не является фиксированным, а зависит от коэффициента расширения SF,
т.е. фактически от скорости передачи в канале.
Важно отметить, что не
все последовательности, генерируемые кодовым деревом, могут одновременно быть
реализованы в одной и той же соте. Код не может быть выбран для использования,
если на пути от него до корня дерева существует хотя бы один уже используемый
код, иначе нарушится их ортогональность.
Каналообразующие коды
для широковещательного транспортного канала ВССН выбраны одинаковыми во всех
сотах системы, а следовательно, они не изменяются в процессе сеанса связи. В
других случаях каналообразующий код может изменяться (например, в процессе
хэндовера или в случае оперативной смены режима работы). Оповещение о смене
канала “вниз” осуществляется по выделенному каналу DCH.
Для передачи кодовых
слов транспортного формата (TFI) используется биортогональный блочный код
(32,6). Кодовое слово TFI длиной 32 бита равномерно распределяется по 15
канальным интервалам (КИ) в пределах одного кадра, т.е. два самых старших
разряда (бита) передаются в первом КИ, следующих два бита — во втором КИ и т.д.
Короткие и длинные коды
В линии “вверх” могут быть использованы
короткие и длинные скремблирующие коды. В первом случае кодовые
последовательности сз могут быть представлены в виде комплексной
последовательности сз= с, + !со, где C) и со — расширенные коды касами, каждый
длиной 256 символов. Такие коды в проекте WCDMA называют короткими кодами, и их
используют, если предполагается выполнить многопользовательское (совместное)
детектирование. Короткий код принципиально может быть изменен в течение сеанса
связи, однако это происходит лишь в исключительных ситуациях. Как уже
говорилось ранее, его использование требует кодового планирования в сети.
Во втором случае последовательности сз=
c> + jc представляют собой фрагменты кода Голда длиной 40 960 чипов. Такие
коды в системе WCDMA называют длинными кодами и используют в прямом канале для
разделения базовых станций. Так как система асинхронна, то соседние БС имеют различные
ПСП, повторяемые каждые 10 мс. Асинхронный принцип построения сети базовых
станций делает систему WCDMA независимой от внешнего источника синхронизации.
Длинный код
предполагается применять в тех сотах в линии “вверх”, где не используется режим
многопользовательского детектирования. Информация о том, какой длинный код
может быть использован в линии, мобильная станция определяет лишь после того,
как был принят короткий код. В этом случае никакого предварительного кодового
планирования в сети не требуется.
Длинный код образуется
путем посимвольного сложения по модулю 2 двух в последовательностей,
генерируемых различными генераторами. Первая последовательность формируется с
использованием многочлена вида я|(х)=1 +X' +X", а вторая — многочлена в
(х)= 1 +Х~~+X4'. Результирующая последовательность образует ансамбль кодов
Голда.
Код квадратурной
компоненты генерируется путем циклического сдвига на 1024 бит кода синфазного
канала. Период длинного кода в линии “вверх” ограничен длиной одного кадра (10
мс).
В линии “вниз”
используется 512 скремблирующих кодов, которые разделены на 32 группы по 16
кодов в каждой. Группирование кодов позволяет обеспечить более быстрый поиск
сот, особенно при первоначальном вхождении в синхронизм. В этом случае код
образуется путем сложения по модулю 2 двух т-последовательностей, генерируемых
генераторами, многочлены которых имеют вид g,(x)=1 +X'+X" и gz(x)=1 +X + Х
+X' +X' .
Модуляция
Модуляция в WCDMA осуществляется в два
этапа. Вначале осуществляется QPSK модуляция в канале данных. Каждая пара битов
входного потока отображается в один символ в 1 и Q каналах. Расширение спектра
осуществляется с использованием двух различных кодов. После сложения
действительной и мнимой части сообщения осуществляется операция скремблирования
кодом св.
На втором этапе для
расширения спектра также используется QPSK модуляция, но со сглаживанием.
Фильтры p(t) обеспечивают коэффициент сглаживания равный 0,22. Упрощенная
схема, поясняющая принципы расширения спектра и модуляции для выделенных каналов
DPDCH и DPCCH, приведена на рис. 7.18.
Рис. 7.18. Схема расширения спектра и
модуляции для каналов DPDCH и DPCCH (линия “вверх”)
7.9. Проблемы управления мощностью:
Эффективная работа системы СОМА возможна
лишь в случае, когда осуществляется регулировка мощности, обеспечивающая
выравнивание уровней сигнала от мобильных различных станций на входе базовой
станции. Управление мощностью позволяет не только снизить уровень взаимных
помех, но и уменьшить энергопотребление мобильной станции, поэтому такая
процедура применяется как в режиме частотного, так и временного дуплексного
разделения. Возможны три способа управления мощностью в линии “вверх”:
— замкнутая схема
управления;
— разомкнутая схема
управления;
— внешняя петля
регулирования.
Замкнутая петля
управления обеспечивает более высокую точность и меньшую инерционность,
обеспечивая отслеживание достаточно быстрых изменений сигнала, вызванных
многолучевыми замираниями.
Основным критерием, по
которому оценивается уровень мощности, является отношение сигнал/шум (S/N),
измеряемое в замкнутой петле БС-МС-БС на базовой станции по тестовому сигналу.
Базовая станция оценивает уровень сигнала в канале DPCHH на выходе RAKE
приемника. Одновременно базовая станция оценивает общий уровень помех на
заданной частоте и генерирует оценку отношения сигнал-помеха (SIR — Signal
Interference Ratio). После этого формируется ТРС (Transmit Power Control)
команда в соответствии со следующим правилом: если (S/N)i > ($1К)„то команда
Лтрс = — 1 (мощность уменьшить) если (S/N)i < (SIR)~, то команда. Брр с =
+1(мощность увеличить).
Регулировка мощности
осуществляется с шагом Лтрс=0,25-1,5 дБ. Размер шага является переменным, что
необходимо при работе в различных режимах работы.
В случае мягкого
хэндовера применяется следующая процедура управления мощностью. На базовой
станции оценивается качество канала по принимаемому сигналу. В случае, если
значение входного сигнала ниже заданного порога, то передается команда на
увеличение мощности. Мобильная станция сравнивает команды Лтрс, принимаемые от
различных базовых станций, и увеличивает свою мощность только в том случае,
если все команды указывают на необходимость увеличения мощности, т.е.
принимаемые уровни от всех БС на приемнике ниже заданного порога. Если хотя бы
одна из команд указывает на необходимость снижения мощности, то мобильная
станция будет по-прежнему уменьшать мощность передатчика. В случае же, когда
одновременно приняты несколько команд на снижение мощности от разных базовых
станций, то мгновенно увеличивается шаг управления мощностью, что обеспечивает
ее еще более быстрое снижение.
Разомкнутая схема
управления позволяет лишь грубо отрабатывать изменения уровня сигнала от
мобильной станции на входе приемника базовой станции. Ее основная задача—
обеспечение одинаковых уровней приходящей мощности от отдельных мобильных
станций.
Внешняя петля
регулирования основана на косвенной оценке отношения сигнал-помеха SIR,
которая определяется расчетным путем. Такая оценка качества вычисляется
независимо для каждого соединения. Кроме того, внешняя петля регулирования
может перераспределять мощность между различными каналами, например, между
DPDCH и DPCCH в линии “вверх”.
Предполагается, что
линия “вниз” менее подвержена искажениям из-за системных помех и многолучевых
замираний сигнала, поскольку на базовой станции всегда имеется энергетический
запас.
Кроме поддержания качества канала линии
“вниз” функции регулирования мощности придается другое значение — выравнивание
нагрузки от разных сот системы. Чем больше сота загружена, тем меньшую мощность
излучает базовая станция и тем больше сокращается радиус соты, а следовательно,
тем меньшую помеху создают абоненты в соседних сотах.
Рассмотрим процесс
регулирования мощности в обратном канале. Каждый абонентский терминал
непрерывно передает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На
основании этой информации базовая станция распределяет излучаемую мощность
между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечивалось приемлемое
качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает большее
затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель
регулировки мощности в обратном канале — оптимизация площади соты.
Предлагаемые алгоритмы
обеспечивают работу мобильной станции при минимально возможном уровне мощности,
который достаточен для сохранения качества. В случае, когда один абонент
использует одновременно режим реального и нереального времени, то замкнутая
схема регулирования применяется в обоих режимах. Обобщенные параметры
управления мощностью приведены в табл. 7.5.
Таблица 7.5. Основные характеристики
управления мощностью в режиме FDD
7.10. Установление синхронизации и вхождение в
синхронизм
Синхронизирующий канал SCH создается в
линии “вниз” и используется для поиска сот. Выполнен он в виде двух каналов:
первичного и вторичного SCH. Первичный синхрокод состоит из немодулированного
ортогонального кода Голда длиной 256 битов и имеет хорошую апериодическую
автокорреляционную функцию. Кодовая последовательность конструируется с использованием
двух т-последовательностей длиной 255 символов. Первая последовательность
использует многочлен вида я1(х)= 1 +Х + Х' +Х" +Х', вторая — а,(х)=1 +Х'+Х
+Х+Х.
Вторичный синхрокод
состоит из 16 периодически повторяющихся последовательностей немодулированных
ортогональных кодов Голда, каждый длиной 256 символов. Он передается
параллельно с первичным синхросигналом. Каждый вторичный синхрокод выбирается
из 17 различных кодов Голда (CI,...,С17).
Трехэтапная процедура поиска
Начальная синхронизация осуществляется в
три этапа. Первая фаза установления соединения основана на сегментированной
синхронизации (slot synchronization) мобильной станции с базовой. На этом этапе
происходит поиск первичного синхросигнала SCH, передаваемого по выделенному
физическому каналу. В первичном синхросигнале в начале каждого временного
интервала передается ПСП длиной 256 элементарных символов (чипов). В качестве
такой последовательности используется немодулированный ортогональный код Голда,
передаваемый один раз в течение кадра длительностью 10 мс. Первичный
синхросигнал является общим для всех базовых станций.
Мобильная станция
отслеживает первичный синхрокод с помощью согласованного: Фильтра или другого
аналогичного устройства. Поскольку первичный код Голда — общий для всех базовых
станций, то на выходе согласованного фильтра наблюдается большое число
“пичков”, каждый из которых соответствует определенной базовой станции. Выделяя
наибольший из “пичков”, можно точно определить начало временного интервала.
Таким образом, на первом
этапе мобильная станция реализует процедуру вхождения в синхронизм по наиболее
сильному сигналу базовой станции. Для обеспечения большей надежности накопления
выборок на выходе согласованного фильтра применяется некогерентный прием
первичного синхрокода. Успешно завершив первый этап синхронизации, мобильная
станция переходит ко второй фазе — установлению кадровой синхронизации и
определению кодовой группы обнаруженной базовой станции. Эта процедура основана
на выделении вторичного синхронизирующего сигнала, в котором в начале каждого
слота передается один из 17 возможных кода Голда длиной 256 чипов.
Посылка во вторичном синхросигнале повторяется
каждый кадр. Поскольку вторичный синхрокод выбирается из 17 различных кодовых
последовательностей, то для его обнаружения используется соответственно 17
корреляторов. Обрабатывая сигналы с выходов всех 17 корреляторов, приемник
записывает в память 32 возможных комбинации ПСП в кадре и 16 циклических
сдвигов (всего 512 значений). После этого решающая схема определяет, у какой
пары “код Голда/циклический сдвиг” коэффициент корреляции максимальный.
Наибольшее значение определяет номер кодовой группы, а следовательно, и наборы
кодов, используемых в канале ВССН.
На третьей
заключительной фазе установления синхронизации производится идентификация одной
из 16 возможных последовательностей в кодовой группе. Процедура определения
длинного кода сводится к посимвольной корреляции первичного ССРСН кода со всеми
кодовыми последовательностями, входящими в кодовую группу. Зная исходную
кодовую последовательность, мобильная станция однозначно идентифицирует
широковещательное сообщение ВССН и, при необходимости, устанавливает
суперкадровую (мультикадровую) синхронизацию.
Организация доступа
Процедура доступа мобильной станции к
обслуживающей базовой станции строго регламентирована и включает следующие
шаги.
1 шаг. Вхождение
в синхронизм с базовой станцией, реализуя вышеописанную трехэтапную процедуру
установления синхронизации.
2 шаг. Прием
широковещательного сообщения ВССН и извлечение из него следующих параметров:
преамбулы и используемых в сети скремблирующих кодов, рабочей сигнатуры
(последовательность символов преамбулы), канальных интервалов доступа,
коэффициентов расширения SF, текущего уровня помех на входе приемника базовой
станции и уровня излучаемой мощности в канале ССРСН.
3 шаг. Выделение
кода преамбулы и скремблирующих кодов сообщения.
4 шаг. Определение коэффициента
расширения SF для информационной части сообщения.
5 шаг. Оценка
уровня сигнала в линии “вниз” по первичному ССРСН и определение требуемого
уровня мощности в линии “вверх” на основании полученной от базовой станции
информации о помеховой обстановке.
6 шаг. Применение
рандомизированной процедуры определения окна доступа и сигнатуры.
7 шаг. Ожидание в
течение установленного контрольного времени подтверждения приема с базовой
станции. Если подтверждение не получено, то по истечении установленного
тайм-аута станция повторяет процедуру установления связи, начиная с шага 5.
Типичная реализация
приемника базовой станции для выделения кода преамбулы пакета доступа приведена
на рис. 7.19. Входной сигнал поступает одновременно на согласованный фильтр
(СФ) и ВАКЕ приемник. На выходе СФ включен коррелятор преамбулы. На опорный
вход коррелятора поступает код преамбулы.
С помощью пикового
детектора и блока оценки выделяются границы пакета доступа для принимаемого
кода преамбулы. Эта оценка используется для синхронизации ВАКЕ приемника.
Многостанционный доступ
обеспечивается с использованием протокола типа “сегментированная Алоха” по
физическому каналу PRACH (Physical RACH). Различные каналы доступа сдвинуты
относительно начальной границы кадра на произвольное число временных
интервалов. Длительность элементарного интервала доступа равна 1,25 мс.
Рис. 7.19. Приемник базовой станции в канале
доступа
Пакет доступа состоит из
преамбулы длиной 1 мс и информационной части сообщения длиной 10 мс. Между
преамбулой и сообщением предусмотрен защитный временной интервал длиной 0,25
мс. Код преамбулы является основным признаком, по которому можно отличить одну
базовую станцию от другой, т.е. любые две соседние соты должны использовать
различные коды преамбулы. Такой принцип организации доступа требует введения
кодового планирования в сети.
Преамбула состоит из
16-символьной сигнатуры, вид которой указан в табл. 7.6. Каждый символ
сигнатуры (Pi) является комплексным числом вида (+1~1). Символы (Pi)
расширяются с использованием 256-элементного ортогонального кода Голда.
Информационная часть
пакета доступа генерируется аналогичным образом, что и в выделенном канале
“вверх”, т.е. включает два подканала, передаваемые параллельно. По синфазному
(1) каналу передаются данные, по квадратурному (Q) каналу чередуется передача
пилот-сигнала и полезной информации (запросный пакет или короткие абонентские
сообщения). Коэффициент расширения SF подканала данных может принимать значения
SFc (256,128,64,32), которые однозначно определяют скорость передачи 16, 32, 64
или 128 кбит/с. Управляющая часть пакета, содержащая пилот-сигнал и информацию
о скорости, передается с коэффициентом расширения SF =256. Пакет содержит
следующие поля данных: идентификатор мобильной станции (16 битов),
запрашиваемый вид услуг (3 бита), исходный абонентский пакет и проверочные
символы (8 битов).
Таблица 7.6. Структура сигнатуры преамбулы кода
доступа
В WCDMA предложена гибкая схема
обеспечения автоматического переключения вызова на другой канал, основанная на
использовании одночастотного, межчастотного и межсистемного хэндовера.
Различают хэндовер без
смены частоты, когда связь осуществляется в пределах одной соты на одной
несущей частоте, и хэндовер со сменой частоты несущей, когда речь идет о
переключении на соседнюю базовую станцию.
На рис. 7.20 показана типичная ситуация, возникающая
при организации хэндовера. Мобильная станция постоянно контролирует уровень
принимаемого сигнала от соседних базовых станций и сравнивает его с заданными
порогами. Отчет о полученных оценках регулярно высылается на базовую станцию. В
нем указывается активный набор базовых станций, уровень которых превышает
установленные пороги. Измеренные данные передаются через “старую” БС (А) в
контроллер радиосети RNC, который устанавливает в новой БС (В) синхронизацию
режима передачи от станции В к терминалу абонента. Синхронизация производится с
шагом 256 чипов, что обеспечивает ортогональность между кодами в линии “вниз” и
дает возможность использовать когерентный КАКЕ-приемник в мобильном терминале.
Интересное решение
предложено в WCDMA для осуществления межчастотного хэндовера. Скорость передачи
по физическому каналу увеличивается в два раза, так что все данные одного кадра
оказываются переданными за время, равное Т/2, где Т — длина кадра. В
освободившемся временном интервале мобильная станция может осуществлять поиск
сигнала на других частотах, перестроив свой радиоканал. Таким образом,
технология WCDMA принципиально допускает выполнение межчастотного хэндовера
мобильной станцией с единственным радиоканалом.
Рис. 7.20. Асинхронные операции мягкого хэндовера
Межчастотный хэндовер
очень важен при организации сетей сотовой связи с разветвленной структурой. Для
реализации этих операций используются эффективные измерительные процедуры:
сегментированная передача “вниз” и двухканальный приемник. В сегментированном
режиме приемник мобильного терминала осуществляет поиск на других частотах, не
ухудшая условий приема данных от базовой станции, соединение с которой уже
установлено.
Для мобильных
терминалов, оборудованных антенной с мультиразнесенным приемом, возможно
периодическое переключение на другие измеряемые частоты, при этом ранее
установленное соединение не разрывается.
Переключение канала
связи между сетями WCDMA и GSM — принципиальное требование при разработке
систем нового поколения. Предлагаемое решение заключается в использовании
мультикадровой структуры, в которой суперкадр или последовательность кадров по
120 мс обеспечивают эквивалентные временные сегменты, что и в сети GSM.
Межсистемный хэндовер
менее критичен, чем внутрисистемный, к помеховой обстановке. Поэтому оценки
отношения сигнал/шум у терминалов WCDMA не обязательно должны совпадать с теми
измерениями уровня сигнала, которые получены в терминале GSM.
Терминал WCDMA FDD может
проводить параллельные измерения уровня сигнала на других частотах и в других
режимах работы FDD, TDD или на несущих GSM. Чтобы обеспечить плавный хэндовер
между различными системами (UTRA и GSM), обе технологии должны обменяться
информацией об используемых частотах в зоне обслуживания и обеспечить
синхронизацию терминала, что может быть реализовано на совмещенной базовой
станции WCDMA/GSM. Терминал, работающий в режиме GSM, должен получать от
совмещенной базовой станции по общему каналу дополнительную информацию о
параметрах сигналов WCDMA. '
Процедура хэндовера в режимах
FDD/TDD может быть реализована при использовании двухрежимного терминала. Длина
кадра в обоих режимах одинакова и равна 10 мс, что упрощает процедуру
автоматического переключения вызова на другой канал, когда терминал переходит
из соты WCDMA FDD в соту WCDMA TDD или наоборот.
В режиме FDD это
достигается за счет того, что в кадре имеются свободные интервалы, которые
могли бы быть использованы для приема сигнала на другой частоте. Еще проще
провести измерения сигналов на другой частоте в режиме TDD, где передаваемая
информация уже сжата во времени. Таким образом, можно не прерывая передачу FDD,
осуществить прием на несущей частоте TDD или наоборот.
Задача межрежимного FDD/TDD хэндовера
может быть значительно упрощена, если базовые станции в своих широковещательных
сообщениях будут указывать номера сот, работающих в том или ином режиме (FDD
или TDD), а также используемые расширяющие/скремблирующие коды.
7.12. Методы борьбы с замираниями
Одна из основных проблем, которая успешно
решена в системах 3-го поколения — это обеспечение устойчивой работы
абонентского терминала (мобильной станции) без использования традиционных
методов разнесенного приема, которые требуют введения дополнительных каналов
разнесенного приема. Классификация методов разнесенной обработки сигналов,
используемых в мобильной связи, приведена в табл. 7.7.
Таблица 7.7. Методы разнесенной обработки
сигналов, используемые в WCDMA
Среди методов,
приведенных в табл. 7.7, не все в одинаковой степени эффективны при их
использовании в WCDMA. Так, наиболее простой способ разнесенной передачи,
связанный с введением задержки, практически непригоден, так как вызовет
увеличение уровня взаимных помех и потребует введения дополнительного КАКЕ
приемника в мобильной станции. Основное отличие нижеприведенных технических
решений основано на обеспечение ортогональности между сигналами различных
передающих антенн за счет использования кодового или временного разделения.
Рассмотрим принцип
ортогонального разнесения на передаче OTD (Orthogonal Transmit Diversity),
который для случая двух антенн реализуется следующим образом. Кодированные биты
разделяются на два потока, каждый из которых передается через одну из антенн.
Для расширения спектра используются различные каналообразующие коды, что
обеспечивает ортогональность между передаваемыми потоками разных антенн и
подавление взаимных помех в каналах с гладкими замираниями. Следует отметить,
что процедура расщепления информационной последовательности на два потока
данных и их передачи с помощью ортогональных кодов не снижает эквивалентного
числа абонентских кодов, которое остается таким же, как и в случае без OTD.
Схема обработки
разнесенных сигналов в КАКЕ приемнике с OTD иллюстрируется на рис. 7.21.
Рис. 7.21. Схема ВАКЕ приемника в режиме OTD
Следует отметить, что
пилот-сигнал также расщепляется и передается через две антенны, что
обеспечивает возможность его когерентного детектирования на приеме. Данные
обрабатываются в двух параллельных каналах КАКЕ приемника. Поскольку сигналы
принимаются одновременно с одной и той же задержкой (в каждом луче), то никакой
дополнительной буферизации или временного сдвига данных не требуется. Этот
значительно упрощает реализацию и снижает стоимость приемника мобильной
станции.
Предлагаемая структура является достаточно
гибкой и может быть легко расширена на большее число антенн. Что же касается
реализации режима OTD на базовой станции, то в ней обеспечивается групповая
обработка и используются те же методы модуляции, кодирования и мультикодовой
передачи. Таким образом, все усложнения в основном связаны лишь с введением
дополнительной антенны и приемопередающей аппаратуры.
Рис. 7.22. Структурная схема передатчика базовой
станции с коммутацией каналов
Упрощенная схема
разнесения на передаче с коммутацией каналов для WCDMA в режиме FDD приведена
на рис. 7.22. Канал пилот-сигнала, биты управления мощностью TPC и указатель
формата TFI вместе с потоком данных объединяются в групповой сигнал, который
после расширения спектра коммутируется и передается через одну из антенн. Закон
коммутации задается на базовой станции или определяется на мобильной станции,
которая по каналу сигнализации связана с базовой.
В системе с коммутацией
каналов не требуется вносить никаких изменений в канальную структуру. В этом
варианте используются те же методы канального кодирования, перемежения и
согласования скоростей, которые обычно применяются в выделенных каналах связи.
Что же касается общих транспортных каналов и канала синхронизации SCH, то они
передаются в режиме FDD без разнесения (только через одну из антенн).
Диаграмма формирования
коммутируемых потоков данных (для двух антенн) приведена на рис. 7.23. Кадр
состоит из 15 временных интервалов, которые расщепляются на 2 потока: в одном
из них собраны только четные, а другом — нечетные временные интервалы. Каждый
из потоков передается через свою антенну. В этом варианте структура
передаваемых пакетов и их содержание сохраняется без изменения, однако,
пропускная способность снижается.
Рис. 7.23. Временная диаграмма расщепления потоков данных
Еще один вариант
разнесения на передаче STD (Selection Transmit Diversity) основан на
использовании информации об уровне пилот-сигнала и введении быстродействующего
замкнутого контура управления мощностью.
Вариант разнесения
реализуется следующим образом. В случае отсутствия мягкого хэндовера антенна
базовой станции динамически переключается на основании данных анализа условий
распространения, передаваемых с мобильной станции. Сигнал управления антенной
AS (antenna selection) формируется и передается аналогичным способом, что и
биты управления мощностью TPC, однако с более низкой скоростью (ориентировочно
400 Гц). Упрощенная схема передающей части базовой станции для этого варианта
приведена на рис. 7.24.
Рис. 7.24. Схема разнесения с автовыбором
8.1. Сравнительный анализ характеристик систем с FDD и
TDD
В соответствии с концепцией IMT-2000 в
системах 3-го поколения предполагается использовать два метода дуплексного
разноса: FDD для парного диапазона частот и TDD для непарного. В режиме FDD в
качестве базового варианта выбран метод радиодоступа WCDMA, а в режиме TDD —
метод TD-CDMA (предложение UTRA TDD). При чиповой скорости 3,84 Мчип/с (базовая
скорость) минимально необходимая полоса для работы системы 3-го поколения равна
2 х 5 МГц (Н)Р и 5 МГц(ТРП).
Комбинированное
использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой и позволяет изменять
пропускную способность в зависимости от условий распространения сигналов,
выделенного оператору частотного ресурса и видов услуг. Принципы
функционирования системы в режимах FDD и TDD иллюстрируются на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Принципы функционирования системы в
режимах FDD и TDD
Канальная структура для
логических и физических каналов в режимах TDD и FDD принята стандартной. Все физические
каналы TDD также имеют трехуровневую структуру и содержат суперкадры, кадры и
канальные интервалы (КИ). Большинство основных параметров, таких как чиповые
скорости, методы кодирования и демодуляции, являются общими для обоих вариантов
построения системы.
Так как в режиме TDD
используется один и тот же частотный диапазон для линий “вверх” и “вниз”, то
характеристики замираний в прямом и обратном каналах в сильной степени
коррелированы. Поэтому для компенсации замираний и других отрицательных эффектов
распространения радиоволн используются одинаковые методы управления мощностью и
перестройки адаптивных антенн.
В UTRA TDD не требуется высокая точность
управления мощностью при реализации мягкого хэндовера. Дуплексный режим с
временным разделением особенно подходит для передачи асимметричного трафика.
Для связи по линиям “вверх” и “вниз” используется одна и та же частота, что
упрощает конструкцию адаптивных антенн, приемопередатчиков и реализацию базовых
станций.
Другое преимущество
режима TDD состоит в более простой реализации однорежимного TDD терминала, что
обусловлено отсутствием дуплексера. Что же касается возрастания аппаратурной
сложности при реализации двухрежимного абонентского терминала FDD/TDD, то она
также незначительна по сравнению с обычным FDD терминалом.
Трафик в сети может быть
симметричным или асимметричным. При частотном дуплексном разделении назначение
каналов в линиях “вниз” и “вверх” осуществляется независимо, т.е. можно
выделить разное число несущих в каждом из направлений связи. В режиме TDD
асимметричный трафик обеспечивается за счет выделения различного числа
временных интервалов в линиях “вверх” и “вниз”. Сравнительные характеристики
технологий WCDMA FDD и UTRA TDD приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Сравнительные характеристики
WCDMA FDD и UTRA TDD
Главное преимущество
совместимости режимов TDD и FDD состоит в упрощении и удешевлении реализации
двухрежимных FDD/TDD терминалов. Это достигается за счет использования одних и
тех же микросхем, что и в однорежимных радиотелефонах. На верхних уровнях
протоколы в режимах TDD и FDD обрабатываются идентичным образом. В результате
применения общих процедур и единой канальной структуры свойства режима TDD
могут полностью совпадать с общими свойствами WCDMA (набор протоколов верхних уровней,
услуги для прикладных служб, гибкость в предоставлении услуг).
8.2. Особенности построения UTRA TDD
Кодово-временное разделение каналов
Технология UTRA TDD реализует
комбинированную схему многостанционного доступа с кодово-временным разделением
каналов TD-СОМА. Длина кадра в режиме TDD выбрана равной 10 мс, т.е. такой же,
как и в режиме FDD. Полный кадр разбивается на 15 канальных интервалов по 0,625
мс. Внутри одного канального интервала может быть организовано до 8
транспортных каналов, что позволит за время 0,625 мс передать 2560 элементарных
символов кодово-временной матрицы (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Принципы кодово-временного разделения
каналов
Выбор длины канальных
интервалов в UTRA TDD произведен на компромиссной основе. Так, при уменьшении
длины канального интервала упрощается процедура организации радиодоступа,
увеличивается число одновременно обслуживаемых абонентов, и, что самое главное,
не так быстро устаревает информация об изменениях параметров многолучевого
канала, а следовательно, допускается больший разброс по задержке. Однако, с
другой стороны, уменьшение канального интервала приводит к увеличению затрат
пропускной способности на передачу служебной информации и специальной обучающей
последовательности. Исходя из этих соображений в проекте UTRA TDD показано, что
наибольшая эффективность достигается при длительности канального интервала
равной 625 мкс и указанной ниже структуре кадра.
Передаваемый блок
информации в режиме TDD определяют три параметра (частота, код и время передачи),
что позволяет однозначно идентифицировать сигналы мобильных станций и устранить
взаимные помехи между сотами (в рамках одного канального интервала).
Абонентские терминалы в режиме TDD
работают с одинаковой тактовой частотой, что и в режиме FDD (3,84 Мчип/с),
используя QPSK модуляцию. Для снижения уровня внеполосного излучения
генерируются импульсы радиосигнала со сглаженной огибающей (коэффициент
сглаживания 0,22).
Однокодовая и мультикодовая передача
В проекте UTRA предложены два способа
расширения спектра: — мультикодовая передача с фиксированным коэффициентом
расширения спектра (Q=16); — однокодовая передача с переменным коэффициентом
расширения спектра Q=2", где n=1...5.
Комбинируя эти два
способа и выбирая требуемое количество канальных интервалов, можно реализовать
высокоскоростные каналы с различной пропускной способностью. При мультикодовой
передаче с фиксированным коэффициентом расширения спектра внутри каждого
канального интервала длиной 625 мкс может использоваться несколько кодов фиксированной
длины (Q=16). Кодово-временной ресурс одного канального интервала может
выделяться как одному, так и различным абонентам.
В случае однокодовой
передачи с переменным коэффициентом расширения спектра по линии “вверх”
мобильный терминал всегда использует один код, адаптируясь к требуемой скорости
передачи внутри каждого КИ. Благодаря этому разница между пиковой и средней
мощностью может быть существенно снижена, что в конечном итоге позволит
увеличить ресурс работы аккумуляторных батарей мобильного терминала. Технология
UTRA TDD c кодово-временным разделением каналов позволяет также реализовать на
базовых станциях режим многопользовательского детектирования.
По линии “вниз” базовая
станция передает в широковещательном режиме каждому терминалу один пакет
сигналов. Скорость передачи варьируется выбором коэффициента расширения
спектра. При высокой скорости терминалу может выделяться несколько канальных
интервалов подряд. В этом случае вызывает опасение, что терминал из-за своей
ограниченной процессорной мощности сможет обработать пакет данных, содержащийся
только в первом из выделенных интервалов и не успеть принять пакеты, переданные
в последующих интервалах. Исходя из этих соображений, базовая станция будет
формировать единый пакет для всех канальных интервалов, выделенных данному
абоненту. Следовательно, мобильный терминал при работе в нескольких канальных
интервалах должен принять все адресованные ему пакеты. В случае обнаружения в
них “чужих” данных, он может их отбрасывать в процессе детектирования.
Кодирование данных в
UTRA TDD осуществляется в 2 этапа. На первом осуществляется разбиение данных на
блоки, размеры которых зависят от выбор типа кодирующей цепочки, скорости
передачи и требований к отношению сигнал/шум Eb/No, которые различаются для
речи и данных. Эта процедура аналогична той, которая используется в режиме FDD.
На втором этапе
мультиплексированный поток данных разбивается на 2 пакета. Характеристики
выходного кодированного сигнала приведены в табл. 8.2.
Таблица 8.2. Число физических каналов,
требуемых в режиме UTRA TDD
Асимметричная структура кадра
Отличительной особенностью технологии
UTRA TDD является гибкая структура кадра, позволяющая адаптироваться под
различные источники сообщений и сценарии развертывания. Распределение канальных
интервалов может быть произвольным, однако в любой конфигурации, по крайней
мере, один интервал должен быть отведен в каждом направлении связи. Примеры
организации кадра с многоточечной и одноточечной конфигурацией для симметричных
и асимметричных линий в прямом и обратном направлениях связи приведены на рис.
8.3. Разница между двумя способами организации кадра состоит в том, что в одном
случае КИ распределены по длине кадра (рис. 8.3а), а в другом (рис. 8.3б) —
сгруппированы в одной части кадра.
Рис. 8.3. Структура TDD кадра
Структура кадра VTRA TDD
обеспечивает настройку на широкий диапазон асимметричных каналов с соотношением
числа канальных интервалов в линиях “вниз”/“вверх”, изменяемым в пределах от
15:! до 2:14. Различие в коэффициентах асимметрии обусловлено тем, что, по
крайней мере, 2 канальных интервала должны быть выделены в линии “вниз” (каналы
синхронизации SCH) и 1 канальный интервал в линии “вверх” (канал произвольного
доступа RACH).
Примеры канального кодирования в UTRA TDD
Чтобы оценить те конкретные преимущества,
которые обеспечивает технология СОМА при, дуплексной передаче с временным
разделением каналов (TDD), рассмотрим несколько конкретных примеров для
различных видов обслуживания.
Речепреобразующее устройство в UTRA TDD
формирует цифровой сигнал со скоростью 8 кбит/с. Речевой поток разбивается на
блоки по 160 битов, которые генерируются кодером каждые 20 мс. К ним
добавляются 8 проверочных символов, “Х” битов сигнаттизации, которые
генерируются на подуровне 1.АС и конечные биты (tail bits). Кодирование
исходного потока битов осуществляется сверточным кодером (R=1/3). Далее
групповой поток из (528 + ЗХ) битов разбивается на два типа пакетов.
Необходимость их введения обусловлена тем, что в каждом из них на сигнализацию
затрачивается разное число символов: (ЗХ+40) или (ЗХ-24) битов. В режиме TDD,
аналогично, как и FDD, используется QPSK модуляция, при которой каждые 2 бита,
отображаются в один модулированный символ. Процедура канального кодирования и
модуляции в режиме передачи речи иллюстрируется на рис. 8.4.
В отличие от
режима передачи речи, где достаточно обеспечить вероятность ошибки на бит
равную 10', в канале передачи данных используются каскадные коды (внутренний
код Рида-Соломона, внешний код — сверточный) или турбо-коды, что позволяет
снизить вероятность ошибки до 10'. Принципы канального кодирования данных со
скоростью 144 кбит/с поясняются на рис. 8.5.
Информационный поток в
режиме передачи данных со скоростью 144 кбит/с разбивается на блоки по 1440
битов в каждом. После этого осуществляется кодирование кодом Рида- Соломона
(225, 180). В результате кодирования размер блока данных увеличивается до 1800
битов. В процессе формирования группового потока к данным добавляются “Х” битов
сигнализации и конечные биты (8). Сформированный таким образом поток данных
кодируется с использованием сверточного кода со скоростью R=2/3.
Кодированный поток
данных отображается в два блока данных: пакет 1 (10 физических каналов) или
пакет 2 (9 каналов). Кроме того, может быть использована процедура
периодического исключения битов (puncturing), что позволит согласовать скорость
источника сообщений с физическим каналом (на рис. 8.5 процедура согласования
скоростей не отображена).
При передаче потока с
более высокой скоростью 384 кбит/с используются аналогичные принципы
кодирования, однако изменяются конкретные размеры блоков данных, в частности
параметры кодера Рида-Соломона (245, 200). Кроме того, увеличивается
необходимое число физических каналов с 9/10 до 24/26 соответственно.
Рис. 8.5. Канальное кодирование при передаче данных со скоростью 144 кбит/с
Типовая структура одного канального
интервала в режиме TDD показана на рис. 8.6. Он состоит из 8 кодовых
последовательностей, каждая из которых включает четыре поля: два поля данных,
обучающую последовательность, расположенную между двумя полями данных
(midample), и защитный временной интервал.
Рис. 8.6. Структура канального интервала
В UTRA TDD
применяются 2 вида информационных пакетов. Основное различие между ними
заключается в использовании разной длины обучающей последовательности. Пакет с
длинной обучающей последовательностью из 512 символов предназначен для линий
“вверх”. С его помощью можно оценить до 8 различных импульсных характеристик
многолучевых каналов. Пакет с короткой обучающей последовательностью, состоящий
из 256 элементов, рекомендован для линии “вниз”. Он позволяет обслуживать до 4
активных абонентов в одном канальном интервале. Основные параметры для пакетов
обоих типов приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.3. Структура пакетов данных 1 и 2
типа
Структура TDD кадра для
каналов управления ВССН и ВАСН содержит три типа полей: для пакета радиомаяка,
каналов RACH (линия “вверх”) и канала ВССН (линия вниз).
Пакет радиомаяка
излучается в начале кадра и передается с максимальной мощностью, что
обеспечивает возможность покрытия всей географической зоны. Для того, чтобы
мобильная станция могла одновременно принимать сигналы от 8 разных базовых
станций, необходимо использовать более длинную обучающую последовательность,
позволяющую оценивать характеристики каналов при наличии временных сдвигов
между базовыми станциями.
С учетом задержки на
распространение, погрешностей установления синхронизации и запаздывания сигнала
в согласованном фильтре общая задержка при приеме сигнала одной БС может
достигать 20-25 мкс. Когда требуется обнаружить сигналы 8 базовых станций
одновременно, длина обучающей последовательности должна быть не менее 200 мкс.
Для передачи пакета
радиомаяка всегда отведен первый временной интервал в кадре. Если этого
недостаточно, то могут быть выделены дополнительные интервалы, что позволяет
гибкая структура кадра.
Мобильная станция
передает пакеты доступа по RACH каналу в случайные моменты времени, что связано
с возникновением конфликтов. Чтобы снизить вероятность конфликтов и увеличить
пропускную способность RACH канала в каждом временном интервале, дополнительно
используется 8 ортогональных кодов. Дальнейшее улучшение состоит в
разделении одного временного интервала (625 мкс) на два подинтервала, каждый
длительностью 312,5 мкс. В каждом подинтервале передается свой пакет доступа.
Все базовые станции
передают сигналы ВССН на жестко закрепленных позициях в кадре (временные
позиции для радиомаяка), причем каждая из них использует один из 8 выделенных
системных кодов. Передача ВССН осуществляется с повышенным уровнем мощности.
Остальные интервалы, незадействованные для ВССН, могут быть использованы для
передачи PCH, SCH и FACH сигналов. Положение этих каналов в кадре обычно
указывается в сообщении ВССН.
Обеспечение высокой
эффективности режима TDD возможно при использовании мультикадровой структуры,
кратной пх 120 мс, или суперкадровой структуры (720 мс). Такое решение
не только упрощает реализацию двухрежимного FDD/TDD терминала, но и позволяет
обеспечить совместимость с GSM. Пакетная структура, свойственная TD-CDMA кадру,
позволяет мобильной станции использовать свободные позиции в мультикадре для
оценки характеристик несущих сигналов. Важно отметить, что это будет
осуществляться одновременно с приемом полезной информации.
8.4. Управление мощностью в режиме TDD
Возможность использования
комбинированного кодово-временного метода детектирования, а не чисто кодового
разделения, резко снижает требования к точности управления мощностью сигнала по
сравнению с технологией WCDMA. В UTRA TDD управление мощностью сигнала
осуществляется на уровне кадров, что является несомненным преимуществом данной
технологии.
Фактически механизм
управления мощностью в режиме TDD аналогичен тому, который используется в
системе GSM. Сбой в радиоканале возникает лишь в том случае, когда невозможно
улучшить прием сигналов с недопустимым качеством за счет управления мощностью
или переключения абонента на соседнюю базовую станцию. В режиме TDD реализуются
следующие принципы управления мощностью:
— все коды,
расположенные в пределах одного и того же канального интервала и относящиеся к
одному и тому же виду услуг, передаются с одинаковой мощностью;
— при работе в режиме
реального времени (RT) в линиях “вверх” и “вниз” используется замкнутая схема
регулирования;
— при работе в режиме
нереального времени (NRT) может применяться как замкнутая, так и разомкнутая
схема регулирования (выбор той иной схемы зависит от оператора);
— определение исходного
значения мощности осуществляется путем оценки потерь на трассе распространения
сигнала от МС до обслуживающей базовой станции.
Предлагаемые в UTRA TDD
алгоритмы обеспечивают работу мобильной станции при минимально возможном уровне
мощности, который достаточен для сохранения качества. В случае, когда один
абонент использует одновременно режим реального и нереального времени, то
замкнутая схема регулирования применяется в обоих режимах. Что же касается
уровня излучаемой мощности, то его значение может отличаться в режимах RT и NRT.
Обобщенные параметры управления мощностью в режиме TDD приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4. Основные характеристики
управления мощностью при TDD
8.5. Принципы обеспечения синхронизации
Вхождение в синхронизм
Принцип синхронизации в режиме TDD во многом
схож с тем, который был реализован в варианте FDD. Синхронизирующий канал SCH
также разделяется на два канала, один из которых — первичный SCH, а другой —
вторичный SCH
В качестве первичного
синхрокода SCH используется немодулированный ортогональный код Голда длиной 256
символов.
Принципиальное отличие
от режима FDD состоит в том, что первичный и вторичный синхрокоды излучаются не
одновременно, а поочередно: вначале первичный SCH, а затем, с временным сдвигом
на t,д; вторичный $СН. Величина сдвига выбирается с учетом задержки,
необходимой для проведения вычислений, связанных с определением характеристик
радиоканала.
Установление
синхронизации осуществляется в два этапа. На первом мобильная станция
производит поиск первичного синхрокода SCH, который выбирается одинаковым для
всех базовых станций сети. Обнаружение сигнала осуществляется с помощью
согласованного фильтра, максимальный сигнал, на выходе которого соответствует
выделяемой базовой станции.
На втором этапе
осуществляется установление точной кадровой синхронизации и, кроме того,
производится вычисление временного сдвига 1, измерение характеристик
радиоканала с помощью обучающей последовательности и определение параметров
кодовой последовательности ВССН. Для этих целей используется вторичный синхронизирующий
код, выбираемый из 17 различных кодов Голда (С1,...,C17}. При использовании в
каждом канальном интервале 8 кодовых последовательностей область
неопределенности при приеме сигналов составит 17 позиций.
Вторичный
синхронизирующий код содержит всю необходимую информацию о канале ВССН (номер
канального интервала, тип кода и др.). Структура канала ВССН, такая же, как и у
обычного канала трафика ТСН. Разница лишь в том, что для повышения надежности в
одном кадре для ВССН отводится больший системный ресурс.
Принцип синхронизации базовых станций
Для обеспечения нормальной работы системы
1.УТКА TDD требуется точная кадровая синхронизация между базовыми станциями.
Концепция построения синхронной сети основана на использовании трех
иерархических уровней:
— синхронизация в подзоне
(строго регламентируется)
— синхронизация в основной
зоне (регламентируется);
— синхронизация на
глобальной основе (факультативная).
Принцип синхронизации базовых станций
поясняется на рис. 8.7. Синхронизация в подзоне может быть осуществлена с
помощью радиомаяка основной зоны. Радиомаяки всех базовых станций должны быть
засинхронизированы с радиомаяком основной зоны. Два первых уровня синхронизации
могут быть обеспечены с использованием наземных станций или магистральных
каналов. Каждая основная зона/подзона фактически является синхронизируемой
сетью. Третий уровень синхронизации может быть реализован за счет использования
спутниковых, радиорелейных или кабельных линий. Для целей синхронизации также
пригодна GPS система, однако, европейские компании опасаются, что до тех пор,
пока эксплуатацию системы обеспечивает Министерство обороны США, нет гарантий,
что информация GPS всегда будет доступна.
Основное достоинство
предлагаемой концепции в том, что каждая подзона может работать автономно, даже
если синхронизация в ней будет потеряна.
Синхронизация базовых
станций может быть осуществлена по радиомаяку ведущей базовой станции (обычная
БС с расширенными возможностями) через системный радиоинтерфейс.
Синхропараметры передаются по специальным логическим каналам, в линии “вниз”.
Для этих целей могут быть зарезервированы временные интервалы в каждом 10-м или
100-м кадре, что эквивалентно потерям пропускной способности не более 0,1%.
Рис. 8.7. Принципы синхронизации базовых
станций в режиме TDD
Режим TDD является достаточно гибким,
позволяющим реализовывать новые протоколы ретрансляции, такие как
многостанционный доступ с управляемыми возможностями ODMA (Opportunity Driven
Multiple Access). Дополнительные возможности предоставляются при незначительном
увеличении сложности и стоимости аппаратно-программных средств.
Технология ODMA является
перспективной платформой для обеспечения прямой ретрансляции между мобильными
станциями, позволяя увеличить зону покрытия и максимальную скорость передачи
информации, а также снизить излучаемую мощность и, как следствие, уменьшить
уровень взаимных помех.
Метод ODMA обеспечивает
пакетную передачу между источником и получателем информации через промежуточные
ретрансляционные узлы (выделенные стационарные ретрансляторы или мобильные
станции-ретрансляторы). Благодаря TDD каждый узел может принимать сообщения от
других узлов, что позволяет ему формировать таблицу связности и оценивать
потери на трассе, а также задержку в сети. С помощью таблиц связности
обеспечивается маршрутизация пакетов и отслеживается динамическое состояние
сети. Следует отметить, что на формирование маршрутной таблицы расходуются
незначительные сетевые ресурсы.
Метод ODMA позволяет
передавать данные от одного абонента к другому, минуя базовую станцию. Каждый
абонент может принимать широковещательное сообщение в большой зоне
обслуживания. В широковещательном сообщении указывается, какой из физических
каналов пригоден для конвенционального использования, и какой канал
резервируется для организации прямой связи, обеспечиваемой в непарных полосах
частот.
Общий канал базовой
станции может быть использован для начальной идентификации и определения
местоположения мобильного абонента. Дополнительное преимущество режима широковещательной
передачи состоит в том, что он позволяет избежать любых нарушений на приеме до
начала регулярной передачи данных.
На рис. 8.8 приведен
пример того, как режимы TDD и традиционной двусторонней радиосвязи
“мобильный-мобильный” могут быть организованы в одном и том же кадре,
разделенном на две части. Первая часть кадра используется для обычного TDD, а
вторая отведена для конвенциональной связи. Общий ресурс конвенциональной связи
подразделяется на ресурсы вызывных каналов и каналов трафика. Вызывной канал
имеет аналогичные характеристики, что и канал доступа RACH, т.е. обеспечивает
доступ с конфликтами. Передача по каналу трафика осуществляется лишь после
того, как завершена процедура согласования по вызывному каналу.
Рис. 8.8. Структура кадра в совмещенном
режиме ODMA/TDD
Для повышения пропускной
способности используется многокодовая передача, что позволяет избежать
дополнительной задержки, возникающей при ODMA.
В процессе работы каждой
мобильной станции требуется информация о своих соседях, с которыми она может
поддерживать связь. Технология ODMA предоставляет такую возможность. Система
может генерировать зондирующие (пробные) пакеты аналогично процедуре RACH,
чтобы определить ближайших соседей и найти адрес сквозной адресации. Когда мобильная
станция первоначально входит в сеть, она не имеет информации о своих соседях, и
ее лист регистрации пустой. Используя механизм передачи коротких пакетов (проб
доступа), мобильная станция постепенно накапливает информацию о соседних
станциях, работающих в активном режиме.