SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Přístup WCDMA v systémech UMTS

Transkript

1 SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Přístup WCDMA v systémech UMTS Vypracoval: Pavel Mach

2 Úvod Sítě třetí generace budou implementovány do existujících sítí druhé generace. Koncept využití mobilních sítí třetí generace předpokládá alespoň zpočátku úplné pokrytí území systémem GSM a malé oblasti pokryté systémem UMTS. Původní myšlenkou UMTS bylo nabídnout tuto službu tam, kde se koncentrují potenciální UMTS uživatelé, tedy ve velkých městech a v hustě obydlených oblastech.pro hlasové služby se tedy alespoň v blízké budoucnosti bude stále používat systém GSM. Pro sítě třetí generace byla zvolena technologie CDMA (Code Division Multiple Access), což je přístupová metoda kódového dělení. Pro UMTS je použita její varianta WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), širokopásmová přístupová metoda. V CDMA neexistuje žádné časové dělení a všichni uživatelé používají přidělené frekvenční pásmo po celou dobu. K rozeznání různých uživatelů, kteří používají jedno frekvenční pásmo současně, se používá uživateli přidělený binární kód. Spektrum se skládá z jednoho párového pásma ( MHz MHz) a jednoho nepárového pásma ( MHz MHz). Přístupové metody W-CDMA Duplexní metoda FDD (Frequency Division Duplex) UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access - UMTS pozemský rádiový přístup) pro duplexní metodu FDD využívá jako metodu mnohonásobného přístupu širokopásmovou W- CDMA (Wideband CDMA) s rozprostíráním přímou posloupnosti DS-CDMA (Direct Sequence CDMA). Na obrázku 3.1 je nastíněna metoda DS-CDMA. Uplink FDD Downlink frekvence DS - CDMA čas kód frekvence Obr. 3.1 Znázornění techniky DS-CDMA Datový signál v základním pásmu je pomocí kombinace s rozprostírajícím signálem DS CDMA rozprostřen do širšího frekvenčního pásma. Tento rozprostírající signál má mnohem vyšší bitovou rychlost než signál kódovaný. U rozprostírajícího signálu se však nehovoří o bitech ale o čipech (chip) a o čipové rychlosti (chip rate). Poměr čipové rychlosti

3 rozprostírajícího kódu a bitové rychlosti kódovaného signálu se nazývá rozprostírající faktor (spreading factor). Rozprostřený signál je dále modulován a vysílán. Na straně přijímače je přijat rozprostřený signál a pomocí stejného (známého) kódu, jakým byl signál rozprostřen je opět obnoven. Důležitou podmínkou při obnově signálu je správná synchronizace přijatého signálu a kódu. Tento princip je zobrazen na obrázku 3.2. Obr. 3.2 Princip DS-CDMA (blokové schéma) Následující obrázek 3.3 zobrazuje výše popsaný princip ve frekvenční oblasti. Ukázán je pouze případ, kdy dochází k rozprostírání signálu. V případě obnovy signálu by došlo k obdobné situaci, proces by ale probíhal opačným směrem. Dále by bylo nutné brát v úvahu správnou synchronizaci. Obr. 3.3 Princip DS-CDMA (frekvenční schéma) Tímto způsobem je zakódováno více uživatelských kanálů najednou a po následné multiplexaci se vysílají všechny najednou ve stejném pásmu. Všechny přijímače v dané oblasti tedy přijmou všechny zakódované kanály a pomocí svého, unikátního, kódu obnoví pouze signál jim příslušející. Režim FDD poskytuje maximální přenosovou rychlost 384 kbit/s. Využití proto najde v budoucím pokrytí městské a venkovské zástavby. Nabízí vysoký stupeň mobility. Přenosová rychlost módu FDD se mění na základě aktuální potřeby uživatele. Většinu spektra pro UMTS využívá právě režim FDD, doporučeno však je kombinovat párové a nepárové frekvence.

4 Duplexní metoda TDD (Time Division Duplex) V režimu TDD využívá UTRA (UMTS Terrestrial Radio Acces) jako metodu mnohonásobného přístupu širokopásmovou W-CDMA v kombinaci s časovým rozdělením vzestupných a sestupných tras. Jde tedy o kombinaci TDMA/CDMA a metoda je nazvána TD-CDMA (Time Division CDMA). Mnoho parametrů (délka rámce, počet časových intervalů,..) je zde shodných s režimem FDD, některé se odlišují. Výhodou tohoto režimu je jednoduché vytvoření asymetrické komunikace, kdy je v každém směru použita jiná přenosová rychlost. Na obrázku 3.4 je nastíněna metoda TD-CDMA. Uplink Downlink TDD čas TD - CDMA čas kód frekvence Obr. 3.4 Znázornění techniky TD-CDMA Zde také jako v režimu FDD jsou informace přenášeny v rámcích o délce trvání 10 ms. Rámce jsou dále děleny na 15 časových intervalů (slotů) o délce 0,667 ms, jenž jsou přiděleny různým uživatelům. Protože se využívá duplexní techniky TDD, mohou se některe časové intervaly v rámci používat pro sestupnou trasu a jiné pro vzestupnou. Dělení mezi těmito směry je proměnlivé a je vždy nastavováno podle aktuální situace, pouze první časový slot slouží vždy pro trasu sestupnou. V celém rámci se může nacházet jeden bod změny směru (Single Switching Point) nebo může být směr komunikace měněn několikrát (Multiple Switching Points). Viz. obrázek 3.5.

5 Obr. 3.5 Příkladů rozdělení časových intervalů pro jednotlivé směry Vedle tohoto časového dělení je zde uvnitř časových intervalů pro další oddělení jednotlivých kanálů použito rozprostírajících kódů (maximálně 16). Tento princip je znázorněn na obrázku 3.6. Obr. 3.6 Použití rozprostírajících kódů V rámci jednoho slotu je tak umožněna současná komunikace na více uživatelských kanálech. Pro přidělování kódu uživatelům existují dvě možnosti: a) Více kódů s konstantním rozprostřením (Multi Code with Fixed Spreading). Přenosová rychlost v rámci jednoho časového intervalu je stále stejná a přenosová kapacita pro konkrétního uživatele v tomto slotu je zvyšována přidělováním dalších kódů, které jsou pak používány současně. Tyto kódy mohou být přiděleny jednomu uživateli nebo mohou být rozděleny mezi uživatelů více. b) Jeden kód s proměnlivým rozprostřením (Single Code with Variable Spreading). Různým uživatelům v rámci jednoho časového slotu jsou přidělovány různé rozprostírající kódy, ale jeden uživatel má vždy přidělen pouze jediný kód. Jestliže uživatel požaduje větší přenosovou rychlost, je zvýšena přenosová rychlost tohoto časového intervalu, tedy snížen rozprostírající faktor přiděleného kódu. Přenášené bity jsou tedy v režimu TDD znovu děleny do rámců a časových intervalů. V jednotlivých časových intervalech jsou dále bity přenášeny v blocích, označovaných jako burst. Každý burst obsahuje řídicí informace a uživatelská data rozprostřená rozprostírajícím kódem. Na závěr každého burstu je vložena ochranná doba (Guard Period). Počet přenášených bitů tedy závisí na rozprostírajícím faktoru, definován je pouze počet čipů. Obrázek 3.7 ukazuje dělení bitů do rámců a časových intervalů.

6 Obr 3.7 Dělení do rámců a časových intervalů Existují dva základní typy burstů podle počtu přenášené informace v datové části a ve vložené části pro řídicí informace (midamble): a) Burst typu 1 - může být použit na vzestupné i sestupné trase nezávisle na počtu uživatelů v časovém intervalu b) Burst typu 2 - může být použit na vzestupné trase při počtu uživatelů v časovém slotu menším než 4 a sestupné trase nezávisle na počtu uživatelů v časovém intervalu Režim TDD je určen především pro pokrytí hustěji zastavěné městské části, tedy míst kde je vysoká koncentrace uživatelů a kde je potřeba nabídnout vysokou přenosovou rychlost. Hodí se pro vyšší přenosové rychlosti do 2 Mbit/s při malé mobilitě do 10 km/h. Což je ale v současné době nedostačující, a proto je níže popsána metoda zvyšující tuto rychlost až na špičkově 14,4 Mbit/s pro download. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HSDPA je systém, který zvyšuje rychlost stahování dat. HSDPA je založeno na několika inovacích architektury UMTS sítě, díky nimž se dosahuje nižšího zpoždění, rychlejších reakcí na změnu kvality kanálu a zpracování H-ARQ, tedy hybrid automatic repeat request, hybridního automatického požadavku na opakování přenosu. Základnové stanice se nyní namísto RNC starají o plánování a řízení přímo na Vrstvě 1, většina funkcí MAC (Medium Access Control, Řízení přístupu k médiu) důležitých právě pro zpoždění a rozptyl dat je z RNC přesunuta na Node B. Díky tomu data urazí kratší trasu než se dekódují. Snižují se tím tedy nároky na dobu jejich přenosu, ale i na RNC, ale naopak je potřeba výkonnější hardware pro Node B. Pro HSDPA je definovaný nový typ transportního kanálu nazvaný High-Speed Downlink Shared CHannel (HS-DSCH). Tento transportní kanál umožní více uživatelům sdílet dynamicky vzdušné rozhraní a to až o špičkových rychlostech 14,4 Mbit/s. V HS- DSCH jsou použity 2 ms časové přenosové intervaly (TTI) a pevný rozprostírací faktor 16, umožňující využívat 15 paralelních kódů pro uživatelský provoz a signalizaci. Kanál HS- DSCH používá modulaci QPSK a 16-QAM (která je výkonější, ovšem jen v příznivějších podmínkách), adaptaci linky a retransmisi na fyzické vrstvě pomocí H-ARQ. Řízení HSDPA

7 přenosu má na starosti kanál High-Speed Shared Control CHannel (HS-SCCH), jenž přenáší informace o použité modulaci, rentrasmisi a další řídící informace. Pokud se nepodaří dekódovat data přenášená na radiovém kanálu, terminál UE okamžitě požaduje o znovu přenesení dat tzv. retransmisi. Zatímco dříve byla retransmise požadována od RNC, v HSDPA je prováděna už Node B. Retransmisi může Node B nabídnout rovnou ze svého vyrovnávacího buferu, takže k ní dojde velmi rychle. Tyto operace jsou pojmenovány jako hybridní automatický požadavek na opakování přenosu H-ARQ. Díky HSDPA se do UMTS systému dostaly určité prvky decentralizace. Funkce, které byly dříve blíže přimknuté k jádru sítě, se postupně přesunula blíže uživateli, čímž se zkrátila doba nutná pro přenos dat a v případě chyby přenosu také pro jeho opakování. Eliminuje se tedy zpoždění a rozptyl. Pro obsloužení Indikátorů kvality kanálu (CQI Channel Quality Indications) a signalizace ACK/NACK pro H-ARQ směrem od terminálu je definován uplink kanál High- Speed Dedicated Physical Control CHannel (HS-DPCCH). Na tomto kanálu sbírá Node B CQI každého aktivního uživatele a následně plánuje z těchto dat přidělení přenosového kanálu HS-DSCH. Díky tomu lze tuto schopnost rychlého plánování HSDPA výhodně zúročit pomocí adaptivní modulace a kódování, čímž se k uživateli dostane maximální možná rychlost dat, s jakou si linka jeho kvality dokáže poradit. Modulační a kódovací schémata jsou dynamicky měněna podle kvality radiové linky, zatímco výkon zůstává konstantní. Ve specifikaci UMTS systému podle Release 6 je počítáno také s podobným kanálem pro přenos dat od uživatele do sítě, tedy uplink. Jmenuje se Enhanced Uplink for Dedicated CHannels (EUDCH) a z HSDPA vlastně reverzně přebírá všechny vlastnosti. Špičková rychlost u tohoto kanálu dosahuje 2 Mbit/s. Řízení výkonu Mobilní stanice používající CDMA pracují na stejné frekvenci a proto se přímo mezi nimi může vyskytovat rušení. Kdyby dvě stanice, různě vzdálené od základnové stanice, vysílaly stejným vysílacím výkonem, uživatelé blíže základnové stanici by nad vzdálenějšími dominovali a signál vzdálených uživatelů by byl velmi silně rušen. Tento problém je nutno vyřešit právě vhodným řízením vysílacího výkonu jednotlivým mobilních stanic. Dalším přínosem je potom menší spotřeba energie mobilní stanicí a zvýšení kapacity sítě. Řízení vysílacího výkonu (Power Control) je velmi důležitou činností uvnitř systému UMTS mezi mobilními stanicemi a základnovými stanicemi Node B. Vysílací výkon může být regulován ve dvou směrech, a to uplink - vysílá mobilní stanice a downlink - vysílá Node B. Řízení výkonu má dva zkladní principy: a) Zpětná uzavřená smyčka (Closed Loop Power Control) b) Zpětná otevřená smyčka (Open Loop Power Control)