Модель оценки характеристик системы cdma2000
Модель развертывания системы
Модель развертывания системы IМТ-2000
охватывает 5 вариантов организации связи: внутренняя (внутри офисная) связь
(indoor), наружняя/внутренняя связь (indoor/outdoor), связь с малоподвижными
объектами (скорость до V=3 км/час), связь с высокоподвижными объектами
(скорость до Ч=120 км/час) и смешанный режим организации связи.
Моделирование
проводилось для четырех типов каналов, которые выбраны в соответствии с рекомендациями
ITU-R М.1225:
— речевой канал с малой
задержкой;
— LDD (Low Delay Data) —
передача данных с коммутацией каналов, при которой допускается малая задержка в
сети;
— LCD (Long Constrained
Data) — передача данных с коммутацией каналов, при которой допускается
ограниченная задержка;
— UDD (Unconstrained
Delay Data) — передача данных, ориентированная на пакетный режим работы сети.
Основные характеристики
для четырех типов каналов и трех вариантов организации, связи приведены в табл.
Пl.l.
Таблица П1.1. Основные параметры IMT-2000 для
различных режимов работы
При передаче пакетной
информации длина блока данных распределена по экспоненциальному закону со
средним значением 12 кбайт в прямом канале и 2,25 кбайт в обратном канале.
Требования по допустимой вероятности ошибки для различных видов услуг в
IМТ-2000 изменяются от 10 ' (речь) до 10 ~ (данные). В качестве базового
показателя помехозащищенности используется вероятность ошибки на кадр FER
(Frame Error Rate), равная 5 — 15%
(табл. П1.2).
Модель системного уровня
Цель создания системной модели —
адекватное отображение всех условий функционирования системы с учетом различных
механизмов ее управления и условий распространения радиоволн, а также ряда
других вопросов, возникающих на физическом и сетевом уровне.
Таблица П1.2. Требования по допустимой
вероятности ошибки
Методика основана на
оценке спектральной эффективности по двум ключевым показателям. Первый из них
характеризует суммарную пропускную способность в Мбит/с на соту, а второй
определяется как отношение рабочей нагрузки (в Эрл) к размеру зоны обслуживания
(в км).
При оценке эффективности
системы предполагается, что интенсивность переходов абонента из одной соты в
другую (хэндовер) зависит от числа доступных (активных) пилот сигналов в каждой
точке обслуживаемой территории. Выигрыш за счет хэндовера численно определяется
как отношение числа удачных соединений к общему числу попыток.
Движение мобильных
станций не моделируется, т.е. они располагаются в фиксированных точках на все
время разговора. В каждой позиции вычисляются уровни пилот-сигналов, приходящие
от всех базовых станций данной зоны, и мобильная станция переводится в режим
хэндовера, если сигналы от всех базовых станций ниже “Х” уровня (например, Х=б
дБ).
Предлагаемая методика
основана на разделении всей зоны обслуживания на соты с примерно одинаковой
плотностью размещения базовых станций. Области с высокой плотностью размещения
абонентов обычно находятся в центральной части города, а с низкой — в
периферийной части города или пригороде. В качестве примера в табл. П1.3
приведены результаты расчета числа попыток вызова (ВНСА) в ЧНН",
заимствованные из [31].
Таблица П1.3. Число попыток вызова ЧНН
Результирующая
спектральная эффективность определяется по формуле [40]:
рабочий трафик =
плотность абонентов х (BECA/абонента/3600) х Т
где ВНСА — число попыток вызова в ЧНН, Т,
— длительность вызова. В3 Оценка пропускной способности производилась только
для внутренних (окруженных другими) сот в гексогональной структуре. Вокруг исследуемой
соты должны располагаться, как минимум, две мешающие соты. Число мобильных
станций в каждой соте является случайным числом, определяемым в соответствии с
пуассоновским распределением. Для речевых вызовов показатель активности
определялся стандартной марковской моделью.
Модель передачи данных
При определении характеристик системы в
режиме пакетной передачи использовались две модели. Первая, традиционная модель
обслуживания М/М/1", и вторая, более реалистичная, основанная на трафике
сети Internet. В случае, когда использовалась модель М/М/1, среднее время между
моментами прихода пакетов определялось по пуассоновскому закону. Трафик в сети
Internet имеет асимметричный характер и характеризуется тремя типами потоков
данных.
Класс А
Модель трафика
класс А (типа telnet) определяет сеансовую структуру в случае передачи коротких
пакетных сообщений в прямом и обратном каналах. Трафик имеет следующие
характеристики:
Класс В
Модель класса В
описывает трафик web-сервера в прямом канале, т.е. ориентируется на передачу
длинных файлов. Трафик имеет следующие характеристики:
Класс С
Класс С определяет
трафик, который соответствует модели web-сервера в обратном канале. Данный
трафик характеризует поток запросов и пакетов подтверждения приема, переданных
по прямому каналу.
Модель распространения
Сети сотовой связи моделируются в
предположении, что базовая станция расположена в центре гексогональной соты.
Диаграмма направленности каждой базовой станции может быть всенаправленной или
секторной. Потери на трассе определяются в соответствии с рекомендацией ITU-R
М.1225.
Расчет энергетики
радиолиний проводился для случая, когда мобильные станции равномерно
распределены по обслуживаемой территории, а базовые станции оснащены двумя
передающими и двумя приемными антеннами.
Выигрыш за счет
хэндовера определяется как разница между запасом на замирания для изолированной
соты (аналитическая модель расчета в виде круга) за вычетом реального значения,
получаемого на модели многослотовой структуры. В случае жесткого хэндовера
запас вычисляется как разница между двумя наилучшими путями переключения
каналов. В случае мягкого хэндовера выигрыш определялся как запас на замирания,
вычисляемый как среднее для двух путей мягкого переключения каналов.
Спектральная плотность
помех в прямом канале рассчитывалась в виде отношения уровня помех в остальных
сотах (с которыми не поддерживается хэндовер) к уровню помех в данной соте. При
этом предполагается, что мобильная станция принимает два сигнала равной
интенсивности (разные пути хэндовера), а третий сигнал на 6 дБ ниже.
Моделирование производилось для случая, когда приращение спектральной плотности
шума и внутрисистемных помех (Io+No)/No изменялось дискретно с шагом 0,01 дБ.
Расчет энергетики линий
“вниз” и “вверх” для различных условий эксплуатации и чиповой скорости 3,6884
Мчип/с (базовый вариант) приведен в табл. П1.4-П1.5.
Принципы формирования сигналов в cdma2000
В разделе 6 были рассмотрены различные
типы логических каналов и методы отображения транспортных каналов в физические.
Однако их простой анализ не дает полного представления об особенностях
построения cdma2000. В данном приложении более детально освещены вопросы, каким
же образом происходит преобразование информационных символов в кодированный
поток данных. Уникальность технологии с кодовым разделением каналов состоит в
том, что каждый логический канал отображается в физический индивидуальным
образом, т.е. отличается не только своими функциональными возможностями и
скоростью передачи, но и типом используемого кода и его параметрами.
Для иллюстрации
возможностей технологии cdma2000 рассмотрим особенности формирования
кодированных потоков данных для разных типов каналов.
Пилотные и пейджинговые каналы
Схема формирования общего пилот сигнала в
прямом канале приведена на рис. П2.1. Для передачи пилот сигнала используется
код Уолша, состоящий из одних “О”. Как видно из рис. П2.1, при его формировании
не используются дополнительные методы кодирования и перемежения. Излучение
пилот сигнала осуществляется непрерывно в широковещательном режиме. При такой
передаче он может быть принят одновременно всеми мобильными станциями,
расположенными в зоне обслуживания базовой станции.
Рис. П2.1. Схема плотного, пейджингового и
синхронизирующего каналов
Однако общий плотный
канал применим не во всех случаях. Так, если антенна базовой станции разделена
на секторы, в каждом из которых формируется узкий луч, то такой пилот-сигнал не
может быть использован для оценки характеристик каналов. Во вспомогательных каналах
передачи пилот сигнала (CAPICH и DAPICH) используются более сложные алгоритмы
формирования физических каналов (в. данном приложении не приводятся).
Структура выделенных и общих каналов
Параметры кодирования в общем, канале
управления F-СССН аналогичны тем, которые реализованы в пейджинговом канале
F-РСН.
В случае выделенного
канала управления F-DCCH (скорость передачи равна 9,6 кбит/с) используется
циклический избыточный код CRC из 16 или 12 символов при длине кадра 5 или 20
мс соответственно, а также сверхточный код с параметрами R=1/2, К=9 и блочный
перемежитель.
Обратный общий канал
управления R-ССН предназначен для первоначального установления соединения с
базовой станцией и передачи ответов на сообщения, принятые по прямому
пейджинговому каналу F-РСН. Для связи в канале R-ССН используется протокол
случайного доступа. Канал однозначно идентифицируется по длинному адресному
коду. По каналу R-DCH передается в направлении базовой станции абонентский
трафик, управляющая информация и сигнализация.
Функции канала доступа
R-АСН и общего канала управления R-CCCP во многом совпадают. Оба канала
предназначены для организации доступа и передачи сообщений подуровня МАС с
мобильной станции на базовую. Основное отличие R-CCCP от канала доступа R-АСН
заключается в обеспечении больших функциональных возможностей. Например, по
каналу R-CCCP осуществляется процедура доступа с малым временем ожидания,
требуемым для эффективной работы в режиме передачи пакетов.
Многостанционный доступ,
осуществляемый по каналам R-АСН и R-СССН, основан на использовании алгоритма
типа “сегментированная Алоха”, что обеспечивает высокую вероятность доставки
пакетов при конфликтах. Для организации доступа выделяются один или несколько
физических каналов.
Принципы формирования
сигналов в канале R-АСН сходны с основным каналом R-FCH. Основная разница лишь
в том, что по нему данные передаются с фиксированной скоростью 9,6 кбит/с или
4,8 кбит/с (табл. П2.1). В обычном режиме используется скорость 9,6 кбит/с.
Переход на более низкую скорость 4,8 кбит/с осуществляется в случае ухудшения
условий приема по команде базовой станции. Такая команда обычно передается в
широковещательном сообщении. Если же мобильная станция не в состоянии обеспечить
требуемые характеристики радиолинии, то она может автономно переходить на более
низкую скорость, однако только в следующей попытке доступа (в течение одной
попытки скорость не изменяется).
Таблица П2.1. Основные характеристики каналов В-АСН и
В-СССН
Канал R-CCCP
обеспечивает передачу информации со скоростью 9,6 кбит/с, 19,2 кбит/с и 38 4
кбит/с. Режим работы со скоростью 9,6 кбит/с идентичен тому, который
используется в R-АСН (рис. П2.2). Более высокоскоростные режимы требуют
увеличения мощности мобильной станции на 3 дБ (19,2 кбит/с) или 6 дБ (38,4
кбит/с) относительно той, которая была установлена в режиме 9,6 кбит/с. В
зависимости от помеховой обстановки основные параметры доступа могут изменяться
по команде с базовой станции. Длина кадра зависит от скорости передачи и может
принимать следующие значения: 20 мс (9,6 кбит/с), 10 и 20 мс (19,2 кбит/с) и 5,
10 и 20 мс (38,4 кбит/с).
Рис. П2.2. Структурная схема канала доступа
Основные и дополнительные каналы
Конфигурация логического канала F-FCH для
режима передачи RS1 приведена на рис. П2.3. Всего образуются 5 логических
цепочек с выходной скоростью 576 бит/кадр (длина кадра 20 мс) или 144 бит/кадр
(длина 5 мс). В реальных условиях работы выбор схемы кодирующей цепочки будет
зависеть от помеховой обстановки и может динамически изменяться в процессе
работы.
Параметры канального
кодирования в свою очередь также зависят от скорости входного потока R/п (где
R=9,6 кбит/с для режима RS1, а n=l, 2, 4, 8). В каждой цепочке (канале)
используется циклический избыточный код (CRC). Число добавляемых проверочных
символов зависит от скорости передачи R/п и составляет от 12 до 6. Кроме того,
во всех кодирующих цепочках добавляются 8 конечных битов. Эти биты необходимы,
чтобы упростить процедуру декодирования сверхточного кода на приеме.
Для кодирования данных
во всех режимах работы основного канала используется сверхточный код с
параметрами R=l/3, К=9. При передаче со скоростью R/п (п>1) применяется n-кратная
повторная передача. Чтобы обеспечить согласование переменного входного и
фиксированного кодированного потока данных (576 бит/кадр), применяется
процедура периодического исключения (“вырезание>) битов. Так, в цепочке 3
(скорость R/4) исключается каждый 9-й символ.
Приведенный выше пример
описывает только один режим работы системы. Аналогичные кодирующие цепочки
могли бы быть построены и для других логических каналов. Чтобы упростить
описание параметров кодирования в различных вариантах построения cdma2000, они
представлены в табличном виде (табл. П2.2 и П2.3). В случае расширения спектра
при более высоких скоростях передачи (число несущих N=6, 9 или 12) сохраняется
тот же принцип формирования логических каналов, хотя и с другими параметры
сверточного кодирования: (R=1/2,K=9), (R=1/3, K=9) или (R=1/4,
K=9).Чтобы не усложнять описание системы эти варианты не
приводятся.
Таблица П2.3. Структура организации каналов
F-FCH и R-FCH (длина кадра 5 мс)
Дополнительный канал
F-SCH мо1кет функционировать в двух различных режимах. В первом режиме скорость
передачи данных не превышает 14,4 кбит/с. Определение скорости на приеме
осуществляется в автоматическом режиме по входному потоку данных. Аналогично,
как и при приеме данных по основному каналу F-FCH, в канале F-SCH реализованы
два скоростных ряда RSI и RS2. Структура и параметры кодирования данных в них
аналогичны F-FCH (длина кадра 20 мс).
Во втором режиме
обеспечивается высокоскоростная передача данных. Номинал скорости передачи
заранее известен на приеме, т.е. отпадает необходимость в его автоматической
селекции на приеме. Вместо сверточного кодирования в дополнительном канале
используется турбо-кодирование (К=4). Если при сверточном кодировании
передается избыточная последовательность из 8 битов (encoder tail), то в случае
турбо-кодирования формируются б избыточных и 2 резервных бита.
Другое отличие состоит в
том, что в один и тот же момент одновременно могут быть задействованы несколько
F-SCH каналов (мультикодовая передача). Каналы с отличающимися кодами и разными
законами перемежения имеют различные уровни мощности на приеме, а
следовательно, обеспечивают различную вероятность ошибок на кадре. Кроме того,
повышение достоверности может быть обеспечено за счет повторной передачи
недостоверных кадров. Значения скоростей передачи в дополнительном канале при различных
чиповых скоростях приведены в табл. П2.4.
Структура каналов в
обратном направлении имеет некоторые отличия. В направлении “абонент базовая
станция” используются: один основной канал R-FCH, один или два дополнительных
каналов, а также плотный и выделенный канал управления R-DCCH. Структура
обратного канала приведена на рис. П2.4.
Образование двух
дополнительных каналов R-SCH1 и R-SCH2 обеспечивается за счет использования
двухсимвольной функции Уолша (на рис. П2.3 не показана). Такая структура обеспечивает
большие функциональные возможности по сравнению со случаем, когда используется
только один дополнительный канал.
Увеличение числа
основных и дополнительных каналов осуществляется с помощью 4-х символьного кода
Уолша, а канала управления R-DCCH — 8-символьным кодом Уолша.
Пилотный канал R-PICH,
дополнительный канал R-SCH2 и выделенный канал управления R-DCCH передаются по
синфазному каналу, а основной R-FCH и дополнительный R- SCH1 каналы — по
квадратурному
каналу. Расширение спектра осуществляется за счет комплексного умножения с 1 и
Q псевдослучайными последовательностями, имеющими период, равный 2 (26,66 мс).
Особенности кодирования и перемещения в WCDMA
Одноподовая и мультикодовая передача данных
В системе WCDMA возможны два режима
работы системы: одноподовая и мультикодовая передача. Длина передаваемого
пакета после кодирования и согласования скорости определяется в виде';
Одноподовая передача:
640x2 — М битов;
Мультикодовая передача:
(640x2 — М,) + (L 1) х (640x2 — М2) бит, где Ь — число
блоков из М2 битов.
Значения коэффициентов
N, М, М1 М2 приведены в табл. П3.1.
Таблица П3.1. Значения коэффициентов N и М
при однокодовой и мультикодовой передаче
Для обеспечения
вероятности ошибки не более 10' в режимах однокодовой и мультикодовой передачи
данных возможны две альтернативные схемы кодирования. В первом случае
используется каскадный код, в котором в качестве внешнего кода используют код
Рида-Соломона (RS), а внутреннего кода — сверточный код (СС). Вторая схема
кодирования основана на использовании только турбо-кодирования.
Сравнительные
характеристики помехоустойчивости в режимах LCD и UDD для различных условиях
эксплуатации приведены в табл. П3.2. Данные получены путем моделирования в
каналах с замираниями и аддитивным белым гауссовским шумом. Моделирование
проводилось в соответствии с рекомендациями ITU-R М.1225.
Таблица П3.2. Сравнительные характеристики
помехоустойчивости для двух вариантов кодирования
Таблица П3.2. (продолжение)
Канальное многошаговое перемещение
Закон перемежения в WCDMA основан на
использовании метода многошагового перемежения МП (Multi-Stage Interleaving).
Метод MIL основан на преобразовании исходной кодированной последовательности,
состоящей из L символов, где 1„„= [0,1, 2,...,(1;1)] в матрицу L=[NxM], которая
имеет следующий вид
Таким образом, принцип
MIL перемежителя заключается в последовательной построчной записи входных
кодированных символов и последующем их считывании по столбцам. Выходная
последовательность, в которой изменен порядок следования символов, имеет
следующий вид:
1.„,„= [[О, М,...,(N — 1) М] [1,
(М+1),.....,(N — 1)(М+1)] [(М — 1), (2М — 1),....,(N M — 1)]]
В зависимости от
типа логического канала и метода кодирования законы перемежения могут быть
разные. Данная ситуация для случая канального сверхточного кодирования
иллюстрируется в табл.'П3.3.
Таблица ПЗ.З. Законы перемежения символов для разных
типов логических каналов
Гибкая канального
структура WCDMA позволяет адаптироваться под различные виды трафика и условия
эксплуатации. Глубина перемежения в транспортных каналах зависит от требований
к задержке информации и может принимать 4 градации: 10 мс (перемежение в
пределах одного кадра), 20 мс, 40 мс и 80 мс. Следует отметить, что перемежение
не вносит избыточности, а только производит перестановку символов или битов.