Стандарт GSM900

Физические каналы определяют качественные показатели и режимы передачи информации. Их главные характеристики - код, частота  и фазовый сдвиг. Они также  подразделяются на общие (СРСН) и выделенные (DPCH) каналы. По общему каналу управления (ССРСН) передается вызывная управляющая  информация. Для передачи символов пилот-сигнала используется отдельный канал синхронизации (SCH).

Для организации связи с конкретным пользователем выделен специальный  канал DPCH, по которому передаются как информация абонента, так и управляющие сигналы, вспомогательные пилот-символы управления диаграммой направленности антенны, а также биты управления мощностью и прочие служебные данные.

Уникальность технологии с кодовым  разделением каналов состоит  в том, что каждый логический канал отображается на физический «индивидуально», с присущими ему скоростью передачи и кодом.

Так как число каналов на сетевом  уровне значительно больше, чем на канальном, то в одном транспортном канале обычно объединяют несколько  низкоскоростных логических (рис. 16). При переходе от транспортного к  физическому уровню каналы тоже можно  объединять, при этом принято канал вызова РСН и канал доступа FACH отображать на общий физический канал «вниз», а канал доступа RACH - на общий физический канал «вверх».

Поток данных при передаче информации из одного канала в другой трансформируется на уровне канальных интервалов, кадров и данных сигнализации. Например, канал  вызова разделяется на несколько групп в одном суперкадре, и вызывная информация передается в каждой группе.

Метод пакетной передачи, используемый в CDMA-системах, хорошо согласуется с принципом  адаптивных каналов, скорость передачи которых изменяется в соответствии с графиком. Если трафик низкоскоростной, то может использоваться один физический канал СРСН для нескольких ЛК (FACH, RACH и др.). Если же трафик достаточно высокоскоростной, то выбирается для передачи ЛК типа UPCH.

Рис. 16. Взаимное отображение физических, транспортных и логических каналов

 

 

 

Стандарт GPRS(GeneralPacketRadioService) позволяет увеличить эту скорость до 115,2 Кбит/с и более. Система GPRS обеспечивает мобильных пользователей высокой скоростью передачи данных и оптимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Интернет/ Интернет. Она обеспечивает пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно оптимизируя услуги передачи данных в сетях стандарта GSM, обеспечивает практически мгновенное установление соединения, использует сетевые ресурсы и занимает участок частотного диапазона только в моменты фактической передачи данных, что гарантирует чрезвычайно эффективное использование доступной полосы частот и позволяет делить один радиоканал между несколькими пользователями. Система поддерживает все самые распространенные протоколы передачи данных в сети, в частности Internet-протокол IP, что позволяет абонентам сети подключаться к любому источнику информации в мире.

В настоящий момент данная технология активно развивается, многие коммерческие варианты систем планируется запустить  в течение 2001 года. Операторы сотовой  связи указывают, что деньги при передаче данных будут браться за объем переданных данных, а не за время пользования сетью. Такой метод тарификации позволит резко увеличить привлекательность WAP и иных услуг подобного рода. Этот стандарт предоставит потребителям «бесшовное» соединение, например через интерфейсы TCP/IP или Х.25, с существующими системами передачи данных, что позволит обеспечить поддержку самых разнообразных приложений: от низкоскоростной системы обмена сообщениями до работы с высокоскоростной корпоративной ЛВС. Система GPRS реализуется путем простого добавления новых узлов пакетной обработки данных и модернизации существующих для обеспечения маршрутизации пакетов данных от мобильного терминала до шлюзового узла. Шлюзовой узел обеспечит обмен с внешней сетью пакетной передачи данных для реализации доступа к сетям Интернет/ Интернет, например, к базам данных.

Кроме того, GPRS позволит реализовать услугу многоточечной передачи (мультивещания); в данный момент ее нельзя осуществить  на базе существующей системы передачи данных в сетях GSM по коммутируемому каналу. Многоточечную передачу можно  будет осуществить между провайдером телекоммуникационных услуг фиксированной сети и группой мобильных абонентов с терминалами GPRS.

Протокол GPRS

  Протокол GPRS (General Packet Radio Service) используется для передачи данных в любых сетях GSM. Это позволяет сетям GSM быть совместимым с Internet. GPRS использует пакетную технологию для эффективной передачи неравномерного трафика. Протокол поддерживает скорость передачи от 9,6 Кб/с до более чем 150 Кб/с на одного пользователя.

  Основными характеристиками протокола  GPRS являются эффективное использование  радио- и сетевых ресурсов, а также полностью прозрачная поддержка протокола IP. GPRS оптимизирует использование сетевых и радиоресурсов. Протокол GPRS использует радиоресурсы только в тех случаях, когда реально требуется принять или передать данные. Используя пакетную технологию, этот протокол позволяет приложениям использовать сетевые ресурсы только тогда, когда пользовательские приложения имеют данные для передачи через сеть. Таким образом, протокол адаптирован к неравномерному характеру графика пользовательских приложений.

  Еще одной важной характеристикой  GPRS является обеспечение немедленного  соединения и высокая пропускная  способность. Поддерживаются приложения, базирующиеся на стандартных  протоколах передачи данных, таких,  как IP и Х.25. В GPRS обесточиваются 4 различных уровня качества обслуживания. Для поддержки приложений передачи данных Протокол GPRS использует несколько новых сетевых узлов, в дополнение к сетевым узлам, применяемым в GSM PLMN. Эти узлы отвечают за маршрутизацию графика и реализацию других функций обмена с внешними сетями коммутации пакетов, поиск абонентов, выбор ячеек, роуминг и многие другие функции, требуемые для обеспечения работы сотовой сети. Кроме того, GPRS использует протоколы GSM SMS и GSM MM (последний в GPRS называется GMM).

 

 

 

  Рис.3 Расположение стека протокола  GPRS в эталонной модели OSI

Глава 3.3 :: Расширение и сжатие

 

На  рис. 3.2 показаны основные операции при  расширении и сжатии спектра системы DS-CDMA.

 

 

 

Рис. 3.2. Расширение и сжатие в DS-CDMA

 

Предполагается, что здесь данные пользователя представляют собой битовую последовательность с двухпозиционной фазовой манипуляцией (BPSK), передаваемую со скоростью R, где биты данных пользователя имеют значения ±1. Операция расширения в этом примере - это умножение каждого бита данных пользователя на последовательность из 8 кодовых битов, называемых чипами. Мы предполагаем, что это относится также к модуляции расширения, использующей BPSK. Мы видим, что полученные в результате расширения данные передаются со скоростью 8 R и имеют такой же случайный (шумоподобный) вид, что и код расширения. В этом случае можно сказать, что мы использовали коэффициент расширения равный 8. Затем этот широкополосный сигнал передается по беспроводному каналу на приемный конец.

  При сжатии мы умножаем расширенные  данные пользователя/последовательность  чипов, бит за битом на те же самые 8 кодовых чипов, которые использовали во время расширения этих битов. Как показано на рисунке 3.2, исходная битовая последовательность пользователя отлично восстанавливается при условии, что мы имеем также точную синхронизацию расширенного сигнала пользователя и точную копию кода расширения (сжатия).

Умножение скорости передачи сигналов на коэффициент 8 соответствует расширению (на коэффициент 8) занимаемого спектра частот расширенным сигналом данных пользователя. Благодаря этому достоинству системы CDMA чаще называют системами с расширенным спектром. Сжатие восстанавливает ширину полосы частот пропорционально R сигнала.

Принцип действия корреляционного приемника  для CDMA показан на рис. 3.3. Верхняя  половина рисунка показывает прием полезного собственного сигнала. Как и на рис. 3.2, здесь мы видим операцию сжатия при идеально синхронизированном коде. Затем корреляционный приемник интегрирует (т.е. суммирует) получающиеся произведения (данные код) для каждого бита пользователя.

 

 

Рис. 3.3. Принцип действия корреляционного  приемника CDMA

Нижняя  половина рис. 3.3 демонстрирует влияние  операции по сжатию, когда оно относится  к сигналу CDMA другого пользователя, сигнал которого, как полагают, был  расширен с использованием другого кода расширения. Результат умножения сигнала помехи на собственный код и интеграция получающихся произведений приводят к тому, что значения сигнала помехи оказываются близкими к 0. Как можно видеть, амплитуда собственного сигнала увеличивается в среднем на коэффициент расширения 8 относительно амплитуды сигнала пользователя другой создающей помехи системы, т.е. корреляционный прием позволил увеличить полезный сигнал на коэффициент расширения, в данном случае в 8 раз, по сравнению с сигналом помехи, присутствующем в системе CDMA. Этот эффект называется "выигрышем в отношении сигнал/шум при обработке сигнала" и является фундаментальным показателем для всех систем CDMA и вообще для всех систем с расширенным спектром. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигнала - это то, что делает системы CDMA робастными в отношении внутренней интерференции, а это необходимо для повторного использования имеющихся несущих с частотой 5 МГц на географически близких расстояниях.

 

Приведем  пример с реальными параметрами WCDMA. Передача речи со скоростью 12,2 Кбит/с дает выигрыш при обработке равный 25 дБ = 10 log10(3,84e6/12,2e3). После сжатия необходимо, чтобы мощность сигнала, как правило, была на несколько децибел выше мощности помехи и шума. Необходимая плотность мощности по отношению к плотности мощности помехи в данной книге обозначается как Eb/N0, где Eb энергия или плотность мощности на бит пользователя и N0 плотность мощности помехи и шума. Для передачи речи Eb/N0 обычно составляет порядка 5,0 дБ, и необходимое отношение широкополосного сигнала к помехе будет поэтому 5,0 дБ минус выигрыш при обработке = 20,0 дБ. Другими словами, мощность сигнала может быть на 20 дБ ниже мощности помехи и теплового шума, а приемник WCDMA все еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущей C/I. Благодаря расширению и сжатию C/I в WCDMA может быть ниже, чем, например в GSM. Речевой трафик в GSM требует C/I = 9 12 дБ.

Поскольку широкополосный сигнал может быть ниже уровня теплового шума, его прием  затруднен без знания расширяющей последовательности. По этой причине системы с расширенным спектром впервые нашли военное применение, где широкополосный характер сигнала позволяет скрыть его под постоянно действующим тепловым шумом.

Отметим, что в любой заданной ширине полосы частот канала (скорости передачи чипов) мы будем иметь больший выигрыш  при обработке для более низких скоростей передачи данных пользователя, чем для более высоких. В частности, для скорости передачи данных пользователя 2 МГц выигрыш при обработке  составляет менее 2 (=3,84Мчип/с ? 2Мбит/с=1,92, что соответствует 2,8 дБ), и робастность сигнала WCDMA по отношению к помехе явно компрометируется. Характеристики WCDMA при высоких скоростях передачи приводятся в разделе 11.4.

Как базовые станции, так и подвижные  станции, для режима WCDMA используют по существу этот тип корреляционного  приемника. Однако из-за многолучевого  распространения (и возможно, при множестве приемных антенн) необходимо использовать соответствующее множество корреляционных приемников для того, чтобы восстановить энергию от многих лучей и/или антенн. Такая совокупность корреляционных приемников называемая "пальцами", ("тратами"), составляет то, что включает в себя понятие приемника Rake CDMA. Мы опишем работу приемника Rake CDMA. Более подробно в следующем разделе, но перед этим мы сделаем несколько заключительных замечаний относительно преобразования расширение/сжатие при использовании его в беспроводных системах.

Важно понять, что само по себе расширение/сжатие не обеспечивает какого-либо улучшения  сигнала для беспроводных применений, В самом деле, выигрыш в отношении  сигнал/помеха при обработке получается за счет увеличенной ширины полосы частот при передаче (умноженной на величину выигрыша при обработке).

Все преимущества WCDMA идут мимо широкополосных качеств сигнала при рассмотрении на системном уровне, а не на уровне отдельного радиоканала:

  Выигрыш в отношении сигнал/помеха  в совокупности с широкополосным  характером сигнала предполагает  возможность полного повторного  использования частоты, коэффициент  повтора равен 1, в различных  сотовых ячейках беспроводной  системы (т.е. частота повторно  используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться  для получения высокой эффективности использования спектра.

  Совместное использование многими  пользователями одной и той  же широкополосной несущей для их связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей системы усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности по сравнению с системами, где при планировании необходимо ориентироваться на помехи для худшего случая.

Однако, оба вышеуказанных преимущества требуют применения жесткого управления мощностью и мягкого хэндовера для того, чтобы избежать блокирования сигналом одного пользователя другим. Управление мощностью и мягкий хэндовер будут рассматриваться в этой главе далее.

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

Многолучевые  радиоканалы и прием Rake

Распространение радиоволн в канале наземной подвижной  связи характеризуется наличием большого числа отражений, дифракцией и затуханием энергии сигнала. Причиной всему этому являются естественные препятствия, например здания, холмы  и т. д., а результатом оказывается  многолучевое распространение. Многолучевое распространение ведет к двум последствиям, которые мы будем рассматривать в данном разделе.

Энергия сигнала (относящаяся, например к одному чипу сигнала CDMA) может поступать  в приемник в четко различимые моменты времени. Поступающая энергия "вмазывается" в определенный профиль задержки при многолучевом распространении: см., например рис. 3.4. Интервал задержки в городских и пригородных районах обычно составляет от 1 до 2 мкс, хотя в некоторых случаях в холмистых районах наблюдались задержки до 20 мкс при достаточно высокой энергии сигнала. Длительность чипа при скорости передачи 3,84 Мчип/с равна 0,26 мкс. Если разница по времени многолучевых составляющих будет по крайней мере 0,26 мкс, то приемник WCDMA сможет разделить эти многолучевые компоненты и сложить их когерентно при многолучевом распространении. Задержку длительностью 0,26 мкс можно получить, если разница в протяженности лучей составит по крайней мере 78 м (скорость света ? скорость передачи чипов = 3,0·108 мс-1 ? 3,84 Мчип/с). При скорости передачи чипов около 1 Мчип/с разница в длинах лучей многолучевых составляющих должна быть около 300 м, что невозможно получить в небольших ячейках. Поэтому легко видеть, что WCDMA с тактовой частотой 5 МГц может обеспечить многолучевое разнесение в небольших ячейках, что невозможно в системе IS-95.