01 Introduction to UMTS Ru

Введение в UMTS

перевод с англ. Борисов Павел

+7(920)629-90-95

Системный курс

Введение в UMTS Учебное пособие


2 перевод с англ. Борисов Павел

+7(920)629-90-95

Информация, изложенная в настоящем документе, может быть изменена без предварительного уведомления и описывает только тот продукт, который определен во введении этой документации. Данный документ предназначен для использования клиентами компании Nokia Networks' только в целях, заявленных в соглашении, согласно которому он предоставлен. Никакая часть этого материала не может быть воспроизведена или передана в любой форме, любым способом без предварительного письменного разрешения Nokia Networks’. Документ был подготовлен для использования профессионалами и должным образом обученным персоналом, клиент принимает полную ответственность, используя его. Nokia Networks’ с готовностью рассматривает замечания клиентов как часть процесса непрерывного развития и усовершенствования документации. Информацию или заявления относительно пригодности, способности, работы упомянутых аппаратных средств и программных продуктов, данные в этом документе нельзя рассматривать как исчерпывающие. Такая информация должна быть определена в соглашении, заключенном между Nokia Networks’ и клиентом.

Тем не менее, Nokia Networks’ предприняла все возможные усилия чтобы гарантировать, что инструкции, содержащиеся в документе, адекватны и не содержат фактических ошибок и упущений. При необходимости специалисты Nokia Networks’, разъяснят вопросы, которые не могут быть охвачены документом.

Ответственность Nokia Networks' за любые ошибки в документе ограничена лишь исправлением ошибок. В ЛЮБОМ СЛУЧАЕ, являющимся результатом использования этого документа или информации из него Nokia Networks НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ОШИБКИ В ЭТОМ ДОКУМЕНТЕ ИЛИ ЗА ЛЮБЫЕ ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НИХ УБЫТКИ, (ВКЛЮЧАЯ ФИНАНСОВЫЕ ПОТЕРИ).

Этот документ и продукт, который он описывает, защищен авторским правом согласно действующему законодательству. Логотип NOKIA - зарегистрированная торговая марка Nokia Corporation. Другие названия продуктов, упомянутые в этом документе, могут являться торговыми марками соответствующих компаний, и они упомянуты только в целях идентификации.

Copyright © Nokia Networks Oy 2005. Все права защищены.



+7(920)629-90-95

Содержание 1 Задачи раздела. .............................................................................................................................. 4 2 История происхождения ............................................................................................................. 5 2.1 Процесс разработки спецификаций UMTS ............................................................................. 9 2.2 Структура сети UMTS ............................................................................................................... 14 3 Эволюция сети ............................................................................................................................. 19 3.1 Отправная точка – базовый вариант GSM ............................................................................. 19 3.1.1 Сетевые элементы GSM ......................................................................................................... 19 3.2 Появление новых возможностей в GSM ................................................................................ 21 3.3 Фаза развития 2+ GSM и появление IN .................................................................................. 22 3.3.1 Возможности IN ...................................................................................................................... 23 3.4 Увеличение скорости доступа в GSM сетях ....................................................................... 23 3.4.1 Преимущества высокоскоростной передачи и услуги на ее базе ................................... 24 3.5 Появление в GSM пакетной передачи .................................................................................... 25 3.6 Увеличение скорости передачи данных при помощи EDGE ............................................ 26 3.7 Путь к созданию универсальной системы связи .................................................................. 28 3.7.1 Развитие UMTS ....................................................................................................................... 29 3.7.2 Потенциал развития в информационном обществе ......................................................... 29 3.8 IP решения для организации связи «точка-точка» в 3 G ..................................................... 30 4 Основы теории радиоинтерфейса и начала WCDMA .................................................. 31 4.1 Принципы радиосвязи ............................................................................................................. 31 4.1.1 Дуплексный режим связи .................................................................................................... 31 4.1.2 Форматы данных и принципы организации радиоинтерфейса .................................... 32 4.1.2.1 Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) ....................... 34 4.1.2.2 Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA) ........ 35 4.1.2.3 Множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA) ....................... 36 4.1.2.4 Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). .......................... 38 4.2 Происхождение CDMA ............................................................................................................ 39 4.3 Принципы CDMA ..................................................................................................................... 40 4.3.1 Кодирование в CDMA ....................................................................................................... 41 4.3.2 Расширение спектра в CDMA ............................................................................................ 43 4.4 Мотивы использования WCDMA в UMTS .......................................................................... 45 4.4.1 Особенности WCDMA в UMTS ......................................................................................... 46 5 Предоставляемые услуги ............................................................................................................ 48



+7(920)629-90-95

1 Задачи раздела Задача этого раздела – дать слушателям начальные знания, необходимые для того, чтобы понять, как развивалась система UMTS. Среди тем, охваченных главой - выявление исторических факторов, двигающих вперед развитие систем и эволюцию мобильных сетей связи. Кроме того, студент должен приобрести знания о различных типах радиоинтерфейсов и перечне ключевых преимуществ системы UMTS как для оператора связи, так и для конечных пользователей.

После того как раздел будет изучен, участник должен быть способен без использования каких-либо источников:

Перечислить минимум три значимых события в процессе эволюции CDMA сетей

Перечислить четыре основные сетевые подсистемы UMTS версии 99

Объяснить как для поддержки дополнительных услуг и технологий развиваются существующие GSM сети

Назвать четыре основные технологии радиодоступа

Перечислить минимум три ключевых преимущества WCDMA и сетей 3G как для оператора связи, так и для конечного пользователя.



+7(920)629-90-95

2 История происхождения Известно три различных поколения сетей мобильной связи. Первое поколение, 1G, объединяет под своим названием аналоговые и цифро-аналоговые системы мобильной связи, разработанные в конце 1980-х, такие как NMT (Nordic Mobile Telephone) или AMPS (American Mobile Phone). Подобные сети предлагали пользователям только основные услуги, и акцент делался на речевых услугах и сервисах, основанных на передаче речи. Стандарты первого поколения были преимущественно национальными разработками, и очень часто детально описывались только после того, как сети были уже построены. По этой причине сети первого поколения были несовместимы друг с другом. Мобильные телекоммуникации в то время рассматривались как нечто диковинное, и это придавало значимости услугам сетей фиксированной связи.

С ростом потребности в мобильной связи росла и потребность в создании глобальной системы связи. Международное объединение приступило к детальному описанию того, как должна выглядеть система мобильной связи второго поколения, 2G. Акцент в системах второго поколения делался (и делается) на совместимости стандартов и их прозрачности; система должна быть глобальной, и пользователи должны иметь возможность получать доступ, по существу, в любой точке, где доступны эти услуги. По некоторым причинам политического характера концепция глобализации не достигла всецелого успеха, и на рынке присутствовало несколько систем второго поколения. Из них коммерческий успех завоевали GSM (Global System for Mobile communications) и ее модификации. GSM, несомненно, превзошла все ожидания: как технические, так и коммерческие.

Ожидается, что третье поколение, 3G, завершит процесс глобализации в мобильных телекоммуникациях. Здесь снова вовлечены национальные интересы. Так же могут быть предвидены некоторые трудности. Для систем третьего поколения, таких как UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), cdma2000, и UWC-136 (Universal Wireless Communication) было стандартизовано несколько решений.

Стандарт третьего поколения UMTS в большей части основывается на технических решениях GSM по двум причинам. Во-первых, GSM – технология, преобладающая на рынке, а во-вторых - инвестиции, сделанные в GSM, должны быть использованы максимально. Основываясь на этом, организации-разработчики стандартов создали



+7(920)629-90-95

концепцию развития мобильных телекоммуникаций на ближайшие 10 лет. По этой концепции некоторые требования к UMTS могут быть вкратце перечислены так:

Разрабатываемая система должна иметь детальную спецификацию (подобно GSM). Разработанные спецификации должны иметь силу по всему Миру.

Система должна иметь очевидные преимущества в сравнении с GSM по всем аспектам. Однако, в начальной фазе(зах) она должна быть совместима по меньшей мере с GSM и ISDN.

Стандартом должна поддерживаться технология мультимедиа и все ее составляющие

Технология радиодоступа в 3G должна быть универсальной

Услуги, оказываемые абонентам должны предоставляться независимо от чего-либо: радиодоступ и сетевая инфраструктура не должны как-либо ограничивать услуги. То есть платформа технологии – это одно решение, а услуги, реализованные на этой платформе – другое решение.

В ходе изучения деятельности по созданию стандартов, подобных UMTS, полезно познакомиться с историей происхождения и развития беспроводных систем связи вообще, а так же и таких как GSM и CDMA. Временная шкала значимых событий в развитии GSM и CDMA представлена в следующей таблице.

Таблица 1. Значимые события в развитии

Год события

Событие

1900 В декабре Реджинальд Фессенден впервые совершил передачу человеческого голоса с помощью радио

1906 Первая радиопередача (так же Реджинальд Фессенден)

1948 Джон Пирс пишет заметку, описывающую CDMA уплотнение

1949 Клод Шеннон и Джон Пирс описывают важнейшие результаты



+7(920)629-90-95

CDMA

1956 Запатентован RAKE приемник, с подавлением многолучевого распространения сигнала

1970 CDMA используется в некоторых военных телекоммуникационных и навигационных системах

1980 Изучение узкополосного CDMA для сотовых мобильных систем

1981 Nokia представляет систему Nordic Mobile Telephone (NMT).

1982 Конференция администраций почт и связи европейских государств (CEPT) по совместному предложению скандинавских стран и Нидерландов основывает группу экспертов подвижной связи (Groupe Speciale Mobile)

1983 Представлена система Advanced Mobile Phone (AMPS)

1985 Международный союз электросвязи (МСЭ) начинает разработку системы Future Public Land Mobile Telecommunication Systems (FPLMTS)

1986 В Париже тестируются 8 экспериментальных GSM сетей

1987 Меморандум понимания (MoU); услуги системы GSM будут предложены всей западной Европе. Урегулирование параметров системы и подготовка чернового варианта рекомендаций

1989 Законченные рекомендации и спецификации GSM

1990е Исследование широкополосного ~5 Мгц CDMA для сотовых систем связи

1991 7 января с помощью оборудования Nokia официально был сделан первый в Мире телефонный звонок в сети GSM

1992 Система GSM развернута в столицах и международных аэропортах. Начинает реализовываться DCS 1800. В феврале



+7(920)629-90-95

Всемирная Административная Радиоконференция назначает полосу частот для мобильных систем связи третьего поколения во всем Мире в диапазонах 1885 – 2025 МГц и 2110 – 2200 Мгц

1993 Большинство европейских городов имеют GSM покрытие. В США стандартизована система мобильной связи второго поколения, использующая узкополосный CDMA. Система названа IS-95 (Intermediate Standard 95)

1994 ARIB в Японии формирует специальную группу для разработки радиоинтерфейса FPLMTS

1995 GSM покрывает главные транспортные пути между крупными городами

1996 Для повышения осведомленности формируется форум UMTS. В декабре SMG2 Европейского института стандартизации электросвязи формирует научную группу для UTRA.

1997 Международный союз электросвязи (МСЭ) во время WARC-97 изменяет название FPLMTS на International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). МСЭ запрашивает предложения по технологии доступа для радиоинтерфейса IMT-2000 (RTTs).

1998 В июне МСЭ получает десять предложений по наземной реализации RTTs и пять - для спутниковой. Среди них CDMA 2000 от США, ARIB W-CDMA от Японии и UTRA от Европы. Для координации разработок совместной системы третьего поколения на базе ядра GSM и радиоинтерфейса UTRA формируется 3GPP.

1999 Европейский институт стандартизации электросвязи для координации европейских разработок сети третьего поколения запускает проект UMTS. В январе четыре оператора Финляндии получают лицензию на услуги связи третьего поколения.

2003 Начало коммерческого использования системы WCDMA



+7(920)629-90-95

2005 Первый запуск в коммерческую эксплуатацию сети с HSDPA

2.1 Процесс разработки спецификаций UMTS

Поскольку ожидалось, что система третьего поколения будет глобальной, всемирной и общей, то группа по разработке так же стала глобальной (смотри следующий список). Вдобавок к группе по спецификации, процесс разработки вовлек и кооперацию операторов и производителей оборудования.

Рисунок 1. Состав разработчиков 3G



+7(920)629-90-95

В качестве «генераторов» выступали четыре международных разработчика:

ITU-T (Сектор Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи)

Эта организация обеспечивает на практике все спецификации телекоммуникационной отрасли, которые формализованы по своей природе. А, следовательно, формирует рекомендации, обязательные для исполнения производителями оборудования и властями всех стран. С помощью ITU-T был разработан стандарт IMT2000, International Mobile Telephone – 2000. Стандарт IMT-2000 представляет собой систему взглядов на то, как должна произойти эволюция мобильных систем связи второго поколения в третье. И что более важно, для систем 3G в нем были начертаны различные типы радиоинтерфейсов. (смотри рисунок ниже)

Рисунок 2 структура IMT-2000 и 3G стандарты

ETSI (Европейский институт стандартизации электросвязи)

Этот участник сыграл большую роль в разработке и улучшении спецификаций стандарта GSM. ETSI подразделяется на несколько рабочих групп, называемых SMG. Каждая рабочая группа имеет собственную область разработки. В связи с прошлым GSM, ETSI и в этой работе сыграла главенствующую роль.



+7(920)629-90-95

ARIB (Ассоциация Радиоиндустрии и Бизнеса)

ARIB руководит исследованиями и разработками, устанавливает стандарты, проводит консультации по управлению частотным ресурсом, сотрудничает с другими зарубежными организациями и обеспечивает распределение частот для введения цифрового телевещания. Руководить этой деятельностью совместно с ARIB могут и операторы связи, и вещательные компании, и производители оборудования, и др.

ANSI (Американский национальный институт стандартов)

ANSI - американская организация по стандартизации, которая выдает лицензии с целью обеспечения порядка в телекоммуникационной отрасли этой части мира. По некоторым причинам политического характера роль ANSI, связанная с UMTS относительно невелика. ANSI концентрировалась в основном на соревнованииях по выбору технологии радиоинтерфейса 3G, названной cdma2000.

В порядке обеспечения принципа глобальности, а так же для полного управления процессом разработки UMTS, была основана отдельная организация, названная 3GPP (партнерский проект 3G). 3GPP была создана для работы над разработкой стандарта совместно с организациями, перечисленными выше. Результатом деятельности 3GPP стал законченный набор спецификаций, определяющих функциональность, методики и аспекты обслуживания в сети.



+7(920)629-90-95

Рисунок 3. 3GPP– главный участник процесса стандартизации UMTS

Поскольку существовали некоторые причины политического характера, исход не был так прост, как это описано; глобальная система – значит глобальный бизнес, и поэтому с целью выбрать, или выделить какие-то из предлагаемых решений оказывалось давление. Эти политические дебаты необыкновенным образом задерживали работу по стандартизации, и, в конце концов, была основана организация, которой вменялась забота об унификации решения. Эта организация, OHG, намеревалась найти общее понимание в обеспечении глобальности. Результаты ее работы были использованы и в качестве исходных данных для 3GPP, и в будущих реализациях 3G. OHG приняла свое возможно самое важное решение в апреле-мае 1999г, когда была предложена единая кодовая скорость последовательностей, используемых в организации WCDMA радиоинтерфейса. Этот параметр напрямую влиял на емкость системы и ее реализацию, и был, пожалуй, самым главным фактором задержки при разработке спецификаций UMTS. Цель работы OHG - изменить спецификации таким образом, чтобы все варианты методов радиодоступа были совместимы друг с другом, и могли заменять друг друга. Это гарантировало бы истинную глобальность 3G сетей.



+7(920)629-90-95

Первая версия стандарта UMTS была готова в декабре 1999 г. Она получила название UMTS 99. В этом варианте участники 3GPP сконцентрировались на двух основных аспектах:

Создание новой технологии радиоинтерфейса. Новое решение для организации радиоинтерфейса в 3G должно использовать ресурсы более эффективно по сравнению с 2G. Вдобавок к этому, оно должно быть очень гибким в отношении обеспечиваемых скоростей передачи данных, позволяя предоставлять широкий спектр услуг.

Технология радиодоступа в UMTS основана на принципах множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). В версии UMTS 99 CDMA применялся на несущей частоте с шириной полосы в 5Мгц. Это и есть причина, по которой в некоторых регионах Мира UMTS называют WCDMA (широкополосной CDMA).

В версии UMTS 99 определены два возможных решения для организации радиоинтерфейса:

режим FDD, совмещающий принципы CDMA с дуплексным разнесением по частоте, т.е. когда нисходящий (от BS к MS) и восходящий (от MS к BS) каналы передаются на двух различных частотах, с полосой 5 МГц каждая

режим TDD, совмещающий принципы CDMA с дуплексным разнесением во времени, т.е. когда нисходящий и восходящий каналы передаются с помощью одной несущей частоты с полосой 5 МГЦ, но с разделением по времени.

Эволюция сетей: в наше время GSM – доминирующая на рынке технология. В контексте сохранения инвестиций, сделанных огромным числом операторов, эволюция сетей позволит использовать при вводе UMTS уже существующие сетевые инфраструктуры. В стандарте UMTS 99 это было достигнуто путем применения решений по организации Подсистемы Сети и Коммутации (CN) GSM для сетей UMTS.

Следующими версиями спецификаций от 3GPP стали Версия 4, утвержденная в марте 2001 г, и Версия 5, утвержденная в Марте/Июне 2002 г. В этих версиях изменения технологии и самой подсистемы радиодоступа были незначительными.



+7(920)629-90-95

Основное внимание уделялось Подсистеме Сети и Коммутации и инфраструктуре услуг. Версия 4 включала спецификацию услуги обмена мультимедийными сообщениями (MMS) и новое решение для организации радиоинтерфейса систем в Китае - TD-SCDMA (синхронный вариант CDMA с временным мультиплексированием). Хотя в Версии 4 и были сделаны первые шаги на пути к концепции «ALL IP», полную спецификацию она получила лишь в Версии 5, в том числе и на IMS (мультимедийная подсистема с IP).

2.2 Структура сети UMTS

Очевидным недостатком сети GSM является та ширина полосы, которая предлагается конечному пользователю. Изначально, значение ширины полосы, выделяемой абоненту, было адекватным, но с развитием технологий увеличивались и требования пользователей. Новые услуги (такие как Интернет) становятся более массовыми, а поэтому ширина полосы - недостаточной. Это и стало главной причиной начала разработок стандарта сотовых систем нового поколения. Как ранее было упомянуто, радиоинтерфейс в 3G должен быть универсальным. Грубо говоря, это значит, что радио подсистема сети должна быть более функционально обособлена, чем в системе GSM. Для того чтобы пояснить это, и детально описать, посмотрим на части сети 3G, которые участвуют в установлении соединения:

Рисунок 4. структурная схема 3G сети



+7(920)629-90-95

Метод множественного доступа, используемый между абонентским оборудованием (User Equipment, UE) и сетью радиодоступа (Radio Access Network, RAN), называется широкополосным многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA). 3GPP нацелена на разработку открытого интерфейса, в том числе и в RAN, с целью гарантировать возможность участия нескольких производителей. Несмотря на это, разумно полагать, что операторы не станут выбирать множество производителей ни для решений RAN, ни для решений Подсистемы Сети и Коммутации (CN). В GSM для передачи информации между различными сетевыми элементами использовалось временное уплотнение (Time Division Multiplexing, TDM). В UMTS в качестве метода передачи в транспортной сети выбрана технология асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode, ATM). Основное отличие TDM и ATM состоит в том, что при TDM, для передачи информации между сетевыми элементами использовались временные интервалы (timeslots). В ATM – иначе, данные во всей сети передаются секциями (пакетами) фиксированного размера. Пакет ATM состоит из 48 информационных байт и 5 байт заголовков. Интерфейсы внутри CN и между CN и другими сетями так же могут быть рассмотрены как открытые, но возможны и некоторые национальные ограничения/улучшения/расширения. Сеть 3G может быть так же представлена как совокупность уровней управления, которые покрывают определенные части сети.

Рисунок 5. Уровни сетевого управления в 3G



+7(920)629-90-95

Управление радиоресурсами (RRM) полностью покрывается RAN и абонентским оборудованием (UE), вовлекая процедуру управления распределением каналов. Ядро сети отвечает за управление мобильностью (MM) управление сетевыми соединениями (SM) и вызовами. Функционирование зависит от того какой тип соединения используется, с коммутацией каналов (CS), или же с коммутацией пакетов (PS). Функции высшего слоя между UE и CN обычно называются управлением связью (CM). CM включает такие элементы как управление вызовами (CC), дополнительные услуги (SS) и услуги по передаче коротких текстовых сообщений (SMS). В разделе «Управление трафиком UMTS» эти уровни управления будут описаны подробнее.

Новшеством, которое привнес в сети 3G WCDMA, является широкополосный радиодоступ, позволяющий оператору предоставлять абонентам совершенно новые виды услуг. Приблизительные значения скоростей, которые как планируется, будут обеспечены в WCDMA, приведены на рисунке 6. В сетях 3G скорость передачи данных, доступная абоненту, зависит от скорости его передвижения. Нужно отметить, что скорости, представленные здесь, в основном представляют интерес в случаях, когда рассматриваются услуги по передаче данных. Привычные нам услуги, основанные на принципе коммутации каналов, такие как обычные голосовые вызовы, не требуют подобных скоростей. Однако, например, если абонент желает использовать услуги высокоскоростного доступа к сети Интернет или видеотелефонии, то скорость передачи данных ограничена теми значениями, которые изображены на рисунке 6.

Спецификации 3GPP разработаны таким образом, чтобы отделить комплекс услуг от физической платформы. Это означает, что услуги независимы от физической реализации сети. В сетях GSM для передачи данных от терминала к сети использовались каналы передачи данных (traffic channels). В UMTS между терминалом пользователя и сетью формируется однонаправленный канал. Этот канал может иметь различную скорость передачи и качество, и выделяется в зависимости от перечня услуг, которыми пожелал воспользоваться абонент. Абонент так же может использовать различные каналы для различных услуг одновременно.



+7(920)629-90-95

Рисунок 6 Скорости доступа 3G

Как уже говорилось ранее, сети 3G будут готовы к передаче данных всех форматов. Трафик, передаваемый через 3G сеть, может быть разделен на две группы по принципу коммутации: с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Трафик, предаваемый по принципу коммутации каналов, обычно требует обеспечения режима «реального времени» (то есть при передаче не должна возникать задержка, или время возникающей задержки должно быть постоянным). Привычные нам речевые или видеозвонки как раз и являются видом такого трафика. Трафик, передаваемый по принципу коммутации пакетов, не имеет таких жестких требований к обеспечению режима реального времени, а хорошим примером такого вида трафика является интернет-соединение. Основываясь на такой классификации трафика, сами услуги, порождающие трафик, подразделятся на услуги с поддержкой режима «реального времени» (Real-Time (RT)) и услуги без такой поддержки (Non-Real-Time (NRT)). Для сетей 3G и услуг, которые в них реализованы, определены следующие значения:



+7(920)629-90-95

Таблица 2 Скорости доступа в 3G в зависимости от скорости движения абонента

Условия Режим «реального времени» (фиксированная задержка 20-300 мс)

Без режима «реального времени» (задержка изменяется в пределах 20-300 мс)

сельская местность (скорость движения < 250 км/ч)

144-384 Кбит/с 144-384 Кбит/с

город/пригород (скорость движения < 150 км/ч)

384-512 Кбит/с 384-512 Кбит/с

в помещениях (скорость движения < 10 км/ч)

2 Мбит/с (при особых условиях)

2 Мбит/с (при особых условиях)



+7(920)629-90-95

3 Эволюция сети Как же система GSM может быть модернизирована, чтобы отвечать возросшим требованиям операторов сотовой связи и их абонентов? При изучении данного вопроса легко представить себе, что существует несколько шагов по такому воплощению. С другой стороны различные силы, принимают позицию «за» или «против» определенных шагов в техническом развитии. Большинство сетей поддерживают UMTS благодаря развитию на основе GSM. Некоторые органы государственной власти объявили, что нет необходимости реализовывать каждый шаг, описанный здесь, и исходя из опыта, для того, чтобы гарантировать финальный успех и лучшую работу оборудования, постепенно должна быть выполнена сложная техническая концепция.

3.1 Отправная точка – базовый вариант GSM

Рисунок 7 Структурная схема базовой GSM сети

3.1.1 Сетевые элементы GSM

Сеть радиодоступа в GSM называется BSS (Base Station Subsystem – Подсистема Базовых Станций) и состоит из следующих элементов:

• BSC (Контроллер Базовых Станций) обеспечивает управление радиоканалами и радиоресурсами.



+7(920)629-90-95

• BS (Базовая приемопередающая Станция) представляет собой терминал сети, который формирует радиоинтерфейс, используемый для доступа к сети Мобильными Станциями (MS), и обеспечивающий связь.

• TCSM (Транскодер и Субмультиплексор) представляет собой преобразователь канального кода, позволяющий использовать в BSS более эффективные методы канального кодирования (с помощью транскодирования) и сократить транспортные расходы (с помощью субмультиплексирования).

Подсистема сети и коммутации (NSS) - система коммутации в GSM, состоит из следующих частей:

MSC (Центр Коммутации Подвижной Связи) осуществляет коммутацию каналов связи и отвечает за большинство соединений, служащих для управления.

VLR (Гостевой Регистр Положения) содержит информацию о подписке и идентификационную информацию обо всех активных абонентах, находящихся в данной части радиосети. Природа данных, хранящихся в ГРП непостоянна, когда абонент меняет свое местоположение, меняются соответственно и данные в VLR.

HLR (Домашний Регистр Положения) - хранилище неизменяющихся данных об абонентах. HLR содержит так же информацию о местоположении абонента, но со степенью точности – до конкретного VLR.

AC (Центр Аутентификации) хранит информацию для аутентификации абонентов

EIR (Регистр Идентификации Оборудования) содержит идентификационную информацию, относящуюся к мобильному оборудованию, а не к абонентам.

На рисунке 7 представлены основные части сети GSM в соответствии с требованиями спецификаций. То есть, включая все возможные открытые и закрытые интерфейсы. Сеть, описанная выше, всегда появляется на первом шаге, когда новый или существующий оператор начинает свой бизнес. В такой сети абоненту доступны все виды основных услуг:

Речевые, передача данных с коммутацией каналов со скоростью до 9.6 Кбит\с, прием и передача факсов.



+7(920)629-90-95

Переадресация вызовов, запрет вызовов, ожидание вызова, удержание вызова, конференцсвязь.

3.2 Появление новых возможностей в GSM

Спецификация стандарта GSM определяет интерфейсы, которые позволяют добавить к системе новые возможности. С помощью этих интерфейсов оператор связи может подключить платформу дополнительных услуг (VAS). Типовая платформа VAS состоит из двух элементов: Службы коротких текстовых сообщений (SMS) и Службы голосовой почты (VMS). В остальном отношении сеть GSM остается такой же, как и в предыдущей фазе развития.

Рисунок 8 Дополнительные услуги в GSM

Служба коротких текстовых сообщений (SMS) реализовала свой потенциал коммерческой эксплуатации. Изначально SMS совсем не рассматривалась в качестве услуги, и пользование ей было очень дешевым. Однако (в некоторой степени это даже странно), абоненты приняли эту услугу, и в настоящее время значительная доля трафика в сетях GSM приходится именно на SMS.



+7(920)629-90-95

Другим важным результатом является достигнутая емкость сети. В этой фазе развития емкость обычно значительно возрастает, и разница между аналоговыми и цифровыми стандартами в этом отношении становится очевидной.

3.3 Фаза развития 2+ GSM и появление IN

В базовом стандарте GSM управление услугами относительно хорошо реализовано. Однако эти услуги не являются достаточно гибкими. Иными словами, базовая GSM предлагает широкий набор услуг для массового пользователя. Для того чтобы изменить ситуацию, в сеть была интегрирована система IN (Интеллектуальная сеть). Платформа IN предоставляет оператору инструменты для создания совершенно новых видов услуг, а так же модификации уже существующих услуг, основываясь на абонентских требованиях.

Рисунок 9 GSM с интегрированной системой IN



+7(920)629-90-95

3.3.1 Возможности IN

Противостояние мошенничеству - одна из основных проблем операторов. С этой целью базовая сеть GSM содержит два регистра: AuC и EIR. Однако наличие этих регистров не может гарантировать того, что абоненты будут платить по своим счетам. IN, пожалуй, наиболее простой и гибкий путь создания сервиса Prepaid, при котором у каждого абонента имеется личный счет (оплаченный авансом) с кредитным балансом. Во время каждого звонка баланс счета постоянно контролируется. Если баланс принимает значение «0» совершить звонок становится невозможно. Естественно, платежеспособные абоненты после этого снова покупают эфирное время путем пополнения своего баланса.

Платформа Интеллектуальной сети имеет следующие преимущества:

Возможность дифференцирования услуг, и их конкуренции между собой

Выделение классов абонентов в абонентской базе с операторской точки зрения

Лучшее использование платформы услуг: компоненты VAS используются в службах IN

3.4 Увеличение скорости доступа в GSM сетях

Скорости передачи данных в базовом варианте GSM низки. Потому, для устранения этого недостатка появилась новая концепция. Технология была названа HSCSD (Высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов) и имела более эффективные методы канального кодирования. Такая надстройка обеспечивала абонентам скорости доступа порядка 40-60 Кб/с и требовала незначительного изменения существующих сетевых элементов.



+7(920)629-90-95

Рисунок 10 Высокоскоростная передача данных в GSM

3.4.1 Преимущества высокоскоростной передачи и услуги на ее базе

Технология HSCSD улучшила возможность передачи данных. При этом физические радиоканалы распределялись между HSCSD абонентами по требованию, и только один физический канал был гарантирован для каждого абонента. По этой причине оператор мог оптимизировать использование радиоинтерфейса, распределяя приоритеты между обычными и HSCSD абонентами. Набор различных методов кодирования позволял осуществлять динамическое управление количеством избыточной информации, добавляемой к абонентским данным. Такой подход применялся с целью максимально увеличить пропускную способность радиоинтерфейса.

У мобильных телефонов обычно небольшие экраны. По этой причине, интернет-странички не могут отображаться на них должным образом. Для решения этой задачи была изобретена технология WAP (протокол мобильной интерактивной связи с Интернет). Это универсальный способ путешествовать по сети Интернет прямо с



+7(920)629-90-95

мобильного телефона, без применения каких-либо дополнительных устройств доступа. Грубо говоря, WAP изменила природу мобильных устройств – от простых мобильных телефонов – к терминалам данных. Мобильные телефоны смогли использовать WAP, а фактически браузер, основанный на ASCII (Американский стандартный код обмена информацией).

3.5 Появление в GSM пакетной передачи

GPRS (пакетная радиосвязь общего назначения) – технология, позволяющая передавать по радиоканалу GSM пакетные данные. Для этого требуется изменение программной и аппаратной реализации существующих сетевых элементов, и появление новых. Термин IP backbone относится к той части сети, которая отвечает за управление коммутацией пакетов и подключение к Интернет и другим сетям. Сердце сети с коммутацией пакетов состоит из двух важнейших элементов: SGSN (узел обслуживания абонентов GPRS) и GGSN (шлюзовой узел GPRS, узел маршрутизации). В добавок к этому, IP backbone содержит и другие маршрутизаторы, брандмауэры и DNS (сервер доменных имен).

Рисунок 11 Пакетная передача в GSM



+7(920)629-90-95

С точки зрения MSC пакетный трафик не однороден: пакетный трафик использует свободные временные интервалы (timeslots) радиоканала, и поэтому скорость пакетной передачи постоянно изменятся во времени. Это основная причина, по которой пакетная передача в сетях 2G не имеет точного значения QoS (показатель качества сервиса). О показателе качества пакетной передачи в сетях 2G говорят, что он стремится к максимальному, но не гарантирован.

С точки зрения оператора, пакетная передача в любом случае увеличивает трафик, и временные интервалы, неиспользуемые голосовым трафиком, используются эффективно. Скоростное беспроводное соединение достигнуто; теоретически, при идеальных условиях, скорость передачи может достигать примерно 150 Кб/с. В настоящее время абоненты могут ожидать реальных скоростей в 30-40 Кб/с. Пакетная передача не приводит к расточительству ресурсов сети (как HSCSD с ее работой на одном физическом канале). В связи с наличием различных услуг, предоставляемых операторами или третьими сторонами, очень эффективно используются технологии WAP и SMS .

3.6 Увеличение скорости передачи данных при помощи EDGE

С помощью существующих знаний и технологий можно еще больше увеличить скорость передачи данных, до 384 Кб\с для услуг на базе коммутации каналов, и до 473 Кб\с для услуг пакетной передачи. Это достигается путем введения нового метода модуляции (8PSK) совместно с эффективными методами кодирования в радиоканале. Такие методы совместимы с уже существующими в GSM, и они составляют концепцию, названную EDGE. Заметьте, что наличие такого ресурса как свободные временные интервалы (timeslots) и качество передачи, влияют на значение скорости доступа, которая может быть достигнута.



+7(920)629-90-95

Рисунок 12 EDGE в GSM

Этот шаг, в связи с политикой по лицензированию (специфичные требования в некоторых странах), вероятно, станет конечной точкой развития части операторов. С другой стороны, некоторые операторы могут пропустить эту фазу, и сделать следующий шаг на пути своего развития.

EDGE использует всё заложенное в GSM, включая технологию множественного доступа радиоинтерфейса (TDMA). На этом шаге значительно изменился метод канального кодирования, но не изменилась спектральная эффективность: для передачи трафика используются все те же временные интервалы, которые использовались и в обычном GSM. Так же и с точки зрения планирования сети не изменилось использование частот. Изменения в системе коснулись организации передачи и распределения временных интервалов.



+7(920)629-90-95

3.7 Путь к созданию универсальной системы связи

В стандарте 3G совершенно другое определение понятия «услуга»: все предоставляемые услуги должны быть независимы от платформы реализации. Это действительно обеспечивает свободу для развития услуг, предоставляемых сторонними кампаниями. Будет предоставляться множество услуг, и большинство из них в той или иной форме будет основано на доступе к Интернет. Вдобавок, представляющими интерес станут услуги по передаче изображений и видеозвонки.

Рисунок 13 Структурная схема UMTS

Если существует возможность (а так же потребность и лицензия), то оператор может открыть совершенно новый уровень предлагаемых услуг. На этой фазе развития вводится новая технология широкополосного радиодоступа, которая в первое время предоставит,



+7(920)629-90-95

грубо говоря, ту же скорость доступа, что и технология EDGE. Новая технология радиодоступа требует появления новых элементов в радиосети: RNC (Контроллер радиосети) и BS (базовая станция). В спецификациях 3GPP базовая станция определяется как узел B (Node B). Новая технология радиодоступа, введенная на этой фазе, способствует более эффективному использованию спектра, данные передаются, и скорость передачи больше не привязана к временным интервалам. Когда планировался метод радиодоступа, особое внимание уделялось передаче пакетного трафика.

3.7.1 Развитие UMTS

UMTS, как и GSM, разрабатывалась в нескольких версиях. Когда технология становится более совершенной, услуги становятся более интеллектуальными и вовлекаются во все области жизни. В будущем структура сети значительно изменится. Параллельно будут существовать несколько методов радиодоступа. Широкополосные системы связи потребуют изменений в сетевом и в трансмиссионном оборудовании. Существует тенденция к тому, что скоро объем пакетного трафика будет превышать объем трафика с коммутацией каналов. Ожидается, что трафик с коммутацией каналов будет использоваться только в исключительных случаях, например для предоставления сервисов с поддержкой режима «реального времени», т.к. они должны иметь высокий показатель качества услуг.

3.7.2 Потенциал развития в информационном обществе

Сотовая сеть UMTS интегрирована с обществом. Широко распространены и некоторые другие технологии (например, цифровая подпись). Предлагается возможность объединения многих технологий в одно решение. К примеру, банковские и бизнес операции могут проводиться почти полностью удаленно, с мобильного телефона. Терминал стандарта 3G – это больше чем просто телефон. Он может выступать в роли страхового свидетельства, паспорта, кошелька и т.д.

Модель бизнеса тоже претерпит изменения. В обыкновенной 2G сети большинство услуг предоставлял оператор связи. В сети UMTS оператор может быть представлен как поставщик радиоканала. Поставщики услуг используют ресурсы поставщиков радиоканала для предоставления услуги, а контент услуги для поставщика услуг предоставляется поставщиком контента. Такая система создаст множество сложностей, которые будут решаться по мере интеграции UMTS с другими сетями и технологиями.



+7(920)629-90-95

3.8 IP решения для организации связи «точка-точка» в 3 G

В версии 99 стандарта UMTS было представлено решение для радиоинтерфейса, позволяющее организовать множество услуг на базе мультимедиа. Решение для организации трансмиссионной сети в UMTS основано на технологии ATM, которая гарантирует гибкость при организации сети. Однако CN (подсистема сети и коммутации) UMTS до сих пор базируется на CN GSM, и это может наложить на мультимедийные услуги некоторые ограничения.

В 4 и 5 версиях UMTS было определено решение оборудования обработки вызовов с совмещенным шлюзом мультимедиа. Это позволило организовать эффективную передачу в CN для услуг как на базе коммутации каналов так и на базе коммутации пакетов. Спецификации однозначно определяют в качестве решения для организации CN IP и ATM. Таким образом, это означает эволюцию подсистемы сети и коммутации.

Рисунок 14. 3G IP. Большая часть трафика – IP



+7(920)629-90-95

4 Основы теории радиоинтерфейса и начала WCDMA Радиоинтерфейс – довольно сложная часть сети UMTS, особенно если сравнивать с сетями 2G (такими как GSM). Следующие разделы познакомят вас с общими принципами организации радиоинтерфейса, что в свою очередь поможет лучше понять особенности интерфейса WCDMA.

4.1 Принципы радиосвязи

4.1.1 Дуплексный режим связи

Существует три способа организации связи:

• Симплексный

• Полудуплексный

• Дуплексный

Симплексный метод использовался с начала 1900-х годов. Это связь в одном направлении, например, как в АМ и ЧМ радиовещательных станциях. При симплексном методе используется одна несущая частота, на которой работает один или несколько приемников.

Полудуплексный метод реализует связь в двух направлениях. Однако в каждый момент времени может говорить только один человек, поскольку полудуплексный метод использует только одну частоту. Полудуплексный метод часто называют PTT («нажал – говори»).

Дуплексный метод реализует двунаправленную связь на двух различных частотах. Одна частота используется для передачи, а другая - для приема. Такой подход используется в современных сотовых системах связи. Существует два общих способа для реализации дуплексной передачи:

• FDD (дуплексная связь с частотным разделением каналов)

В этом случае частотные ресурсы распределяются в системе связи. Часть частотного диапазона выделяется только для нисходящего канала (передача от BS к MS), в то время как оставшаяся часть диапазона выделяется только для восходящего канала (передача от



+7(920)629-90-95

MS к BS). Иными словами, дуплексная связь организована за счет использования различных частотных диапазонов, что означает разнесение нисходящего и восходящего каналов по частоте.

• TDD (дуплексная связь с временным разделением каналов)

В этом случае одна несущая частота используется для организации и нисходящего и восходящего каналов. Передача организована с помощью временных кадров. В каждом временном кадре некоторое время отводится для передачи по нисходящему каналу, а оставшееся время отводится на передачу по восходящему каналу.

Рисунок 15 FDD и TDD

4.1.2 Форматы данных и принципы организации радиоинтерфейса

Существует два основных формата данных, используемых в системах связи: аналоговый и цифровой. В коммерческой эксплуатации аналоговый формат появился с 1900 года, в то время как цифровой – только в 1990г. Отличие между аналоговым и цифровым форматом состоит в том, что когда используется аналоговый, по радиоканалу передается голос человека, в то время как цифровой формат использует для представления голоса



+7(920)629-90-95

последовательности 0 и 1. Если кто-либо настроится на частоту, которая используется для аналоговой передачи, то он сможет услышать разговор. В этой же ситуации для цифрового формата, наблюдателю, прежде чем услышать разговор потребуется декодировать последовательности 0 и 1.

В системах связи существует четыре основные технологии организации радиоинтерфейса:

• FDMA (множественный доступ с разделением частот)

• SDMA (множественный доступ с пространственным разделением)

• TDMA (множественный доступ с временным разделением)

• CDMA (множественный доступ с кодовым разделением)

И FDMA и SDMA были представлены в аналоговых системах. TDMA и CDMA технологии основаны на цифровом формате данных.

Рисунок 16 Различие между цифровым и аналоговым форматом



+7(920)629-90-95

4.1.2.1 Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA)

В декабре 1900г, Реджинальд Фессенден впервые совершил передачу человеческого голоса по радио. Эта первая линия связи была длиной около полутора километров. Шесть лет спустя он впервые запустил радиовещание. Вскоре после этого стала использоваться технология множественного доступа с частотным разделением каналов. Различные станции, работающие на одной и той же территории, можно было услышать, настроившись на соответствующие частоты. Такой подход в основе современной FDMA; частотный диапазон разбивается на полосы, которые выделяются конкретным абонентам. FDMA иcпользуется и в сотовых системах связи. Одна из частот используется для приема, и одна – для передачи, таким образом, реализуется дуплексная связь. Таким же образом множество абонентов может работать одновременно, каждый используя индивидуальную частоту.

Рисунок 17 При использовании FDMA абоненты осуществляют передачу одновременно,

используя различные частоты.

В первых системах сотовой связи (1940-1960е) использовались более низкие, по сравнению с современными, частоты и более высокая мощность передачи.



+7(920)629-90-95

4.1.2.2 Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA)

В 1946г проектировщики компании Bell Telephone System предложили разработать широкомасштабную систему, которая смогла бы удовлетворить возрастающие потребности пользователей в беспроводной связи. Идея состояла в том, чтобы разбить большую территорию на более маленькие части, названные сотами. В каждой соте должна использоваться частота, отличная от частоты, на которой работает соседняя сота, что предотвратит интерференцию. Эта идея лежит в основе технологии множественного доступа с пространственным разделением каналов; одна и та же частота может использоваться несколько раз на одной и той же укрупненной территории. Преимуществом этой технологии является увеличение емкости системы. Простейший способ увеличить зону обслуживания при использовании FDMA – увеличить мощность передачи. Однако увеличение мощности вызывает проблему интерференции, и требует увеличения расстояния, через которое частоты могут использоваться повторно. При использовании SDMA можно увеличить территорию обслуживания путем увеличения количества сот. Современные системы используют высокие частоты и низкие мощности передачи. Это влечет снижение уровня интерференции, и уменьшение расстояния повторного использования частот. Такая технология появилась в предложенной в начале 1980-х годов системе AMPS. Хотя это и было большим достижением в обеспечении емкости сети, вскоре оно себя исчерпало. Разработчики с целью увеличить емкость сети внесли некоторые изменения в эту схему. Один подход состоял в еще большем уменьшении размера сот, и увеличении их количества на новых, еще не охваченных сетью территориях. Альтернативный вариант предлагал использовать в сотах еще одну частоту, позволяя таким образом совершать одновременно два звонка из одной соты. Но ни тот, ни другой вариант не способны были решить проблем, вызванных ограничениями технологии, при которой на одной частоте мог совершаться только один звонок.



+7(920)629-90-95

Рисунок 18 SDMA

4.1.2.3 Множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA)

Следующим шагом в обеспечении большей емкости сети стало не только распределение частот по отдельным сотам, но и деление этих частот на отдельные временные слои. Изначально, на одной частоте может осуществляться только один звонок, но с использованием множественного доступа с временным разделением, множество абонентов могут совершать звонки с использованием одной частоты, находясь в одной и той же соте. Эта идея лежит в основе TDMA; разделяя частоты на временные интервалы можно обеспечить одновременный доступ нескольких абонентов к одной и той же частоте. Коммерчески доступными системами, использующими эту технологию стали системы D-AMPS и GSM. D-AMPS была изобретена в конце 1980-х годов, а GSM появилась в 1990г. Эти две системы не совместимы друг с другом. D-AMPS представляет из себя цифровую надстройку над существующей аналоговой системой AMPS, позволяющей увеличить емкость. GSM же является самостоятельным продуктом с полностью цифровым ядром.



+7(920)629-90-95

Рисунок 19 TDMA

Рисунок 20 TDMA делит несущую частоту на временные интервалы



+7(920)629-90-95

4.1.2.4 Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов так же основана на цифровом формате. При использовании CDMA несколько передатчиков может работать одновременно на одной и той же частоте. Полезная информация на передающей стороне кодируется, а затем передается. В радиоканале сигналы различных передатчиков «смешиваются». На приемной стороне используется тот же код, что и на передающей. Этот код и позволяет приемнику выделить полезную информацию из смеси различных сигналов множества передатчиков, работающих на одной и той же частоте в одно и то же время. Часто это представляют в виде слоев, как это показано на рисунке ниже. В контраст с классическими системами на базе технологий FDMA и TDMA, в соседних сотах может использоваться одна и та же частота. Фактор повторного использования частот в CDMA составляет единицу.

Рисунок 21 CDMA



+7(920)629-90-95

Рисунок 22 цифровой метод CDMA использует кодовое разделение каналов

4.2 Происхождение CDMA

CDMA – вид метода расширения спектра; относится к группе цифровых методов, которые использовались военными во время Второй Мировой Войны. Чрезвычайно удобен для армии по двум причинам:

Обеспечивает защиту от вражеских помех, потому что широкополосный сигнал практически не подвержен интерференции.

Обеспечивает скрытость передачи

И хотя CDMA гипотетически мог использоваться уже с конца 1940-х, он не был доступен для гражданского использования в течение последующих сорока лет. Главной причиной стало отсутствие в то время недорогих цифровых СБИС, которые бы уменьшили стоимость и вес терминалов.



+7(920)629-90-95

4.3 Принципы CDMA

Технологию CDMA можно представить как комнату, в которой люди разговаривают на разных языках. Давайте представим, что генеральный директор проводит встречу с гостями из различных стран. Наш хозяин говорит на нескольких языках, и самостоятельно проводит встречу. Он требует, чтобы каждый гость говорил на своем родном языке. Так же он в качестве посредника берется переводить различных гостей, если они пожелают общаться друг с другом; участвовать в нескольких таких разговорах ему не составляет труда. Он может понимать различных собеседников, говорящих одновременно, благодаря тому, что все они говорят на разных языках. Время от времени директор просит некоторых сильно увлеченных гостей говорить немного тише, а тех, кто говорит тихо, - более громко, так, чтобы он мог их лучше слышать.

С течением времени количество гостей увеличивается. Поскольку количество одновременно говорящих людей становится больше, общая громкость возрастает. Хозяин просит гостей, находящихся вблизи от него, говорить тише, в то время как тех, кто находится на удалении от него, он просит говорить громче.

Действие CDMA очень похоже на такое собрание. Генеральный директор, проводящий встречу – это наша базовая станция, а гости – мобильные станции. Различные языки соответствуют различным кодам в системе CDMA. Базовая станция благодаря использованию различных кодов может общаться с удаленными мобильными станциями, даже если они одновременно ведут передачу. Каждая MS использует уникальный код.

Рисунок 23 Многонациональная встреча



+7(920)629-90-95

4.3.1 Кодирование в CDMA

Рисунок 24 Общий принцип передачи

В CDMA с ее расширением спектра при помощи прямой последовательности передача происходит непрерывно. Для передачи бита данных от передатчика пользователя (имеется в виду сотовый телефон) к приемнику (имеется в виду БС) требуется строго определенная энергия. Значение этой величины зависит от расстояния между передатчиком и приемником, наличия преград на пути распространения радиосигнала, и т.д. Энергию можно представить как «ящик», имеющий определенный объем.

Значение энергии (объем ящика) постоянно, но размеры ящика могут изменяться. Как мы видели, объем ящика зависит от полосы частот, мощности передатчика и длительности передачи. В системе UMTS полоса частот постоянная. Оставшиеся две величины – мощность и длительность передачи могут изменяться. Высокая скорость передачи означает передачу множества символов за секунду, соответственно длительность передачи каждого отдельного бита должна быть минимальной. Поэтому, для того, чтобы сохранить объем нашего «ящика» постоянным, должно быть увеличено значение мощности передачи каждого отдельного бита. Если же скорость передачи снижается, меньшее число бит передается за секунду, следовательно, возрастает длительность каждого бита. Так как энергия, требуемая для передачи одного бита, не изменяется, то объем нашего «ящика» так же остается неизменным. Следовательно, требуется меньшая мощность передачи.



+7(920)629-90-95

Рисунок 25 CDMA

В системах связи, основанных на расширении спектра прямой последовательностью с CDMA (таких как WCDMA), каждому абоненту назначается определенный код/коды, т.е. каждый абонент использует индивидуальный код. Эти коды названы расширяющими последовательностями. Нужно заметить, что один и тот же абонент в определенных ситуациях может использовать несколько расширяющих последовательностей. Полезная информация и расширяющая последовательность перемножаются, этот процесс назван расширением спектра. После этого информация передается на одной общей несущей частоте.

Если скорость информационной последовательности низка, для передачи требуется небольшая мощность. На рисунке 25 такая ситуация отображена узким слоем.

Если скорость информационной последовательности высока, для передачи требуется большая мощность. На рисунке 25 такая ситуация отображена широким слоем.



+7(920)629-90-95

4.3.2 Расширение спектра в CDMA

Существует несколько методов расширения спектра:

При расширении спектра прямой последовательностью, спектр передаваемого сообщения расширяется путем перемножения его на специфичную для каждого абонента кодовую последовательность, которая называется расширяющей последовательностью.

При расширении спектра методом частотных скачков используется вся широкая полоса частот, выделенная на систему. В соответствии с индивидуальным кодом абонента, происходит периодическое изменение частоты несущей узкополосного сигнала.

При расширении спектра методом временных скачков для каждого абонента в зависимости от его кодовой последовательности происходит включение и отключение передатчика на промежутки времени равной длины. В системе GSM, ситуация иная – временные интервалы не специфичны для абонентов.

Расширение спектра прямой последовательностью использовалось как в системах с CDMA второго поколения (IS-95), так и в новых системах третьего поколения (WCDMA, UMTS и cdma2000).

Давайте наглядно представим процесс расширения спектра. У нас есть информационная последовательность с характерным значением мощности на бит. Расширяющая последовательность похожа на гигантский грузовик, который едет прямо по нашим битам. Биты «сплющиваются» и расплываются по земле. Мощность, которая прежде определялась высотой импульсов, так же «сплюснута». Мощность распределилась по спектру, поэтому мощность, приходящаяся на отдельный участок полосы, уменьшилась. Это и есть наша цель. Сторонним наблюдателям, не знающим, каким образом информация была «сплющена», очень трудно определить, что осуществляется сеанс связи. Все они будут слышать лишь шум возросшего уровня.



+7(920)629-90-95

Рисунок 26 Расширение спектра

В системах с расширением спектра прямой последовательностью все абоненты одновременно используют одну и ту же полосу частот. Полоса частот не делится на временные интервалы, как это было реализовано в системе GSM. При желании, все абоненты могут осуществлять передачу одновременно. Спектр информационной последовательности расширяется по всей частотной полосе с помощью уникальных для каждого абонента псевдослучайных последовательностей, называемых расширяющими кодовыми последовательностями. Передаваемый сигнал занимает полосу частот, большую, чем требуется для передачи информации. Биты в расширяющей последовательности называют «чипсами» (от англ. «chips»). В условиях работы множества абонентов, на приемнике мы будем иметь наш сигнал с расширенным спектром, смешанный с сигналами других абонентов. Приемник будет качественно декодировать исходное сообщение до тех пор, пока уровень шума не достигнет предельного значения. Вот почему говорят, что каждый абонент разделяет с другими общий ресурс мощности в системе.



+7(920)629-90-95

4.4 Мотивы использования WCDMA в UMTS

Спецификации стандарта UMTS включают в себя описание услуг связи третьего поколения. Возможность предоставления мультимедийных услуг требует более высокой организации системы по сравнению с существующими стандартами. Система UMTS облегчит продвижение новых беспроводных мультимедийных услуг, полностью поддерживая как пакетную передачу, так и передачу с коммутацией каналов (например, Интернет и традиционную наземную телефонную связь). Изначально, UMTS разрабатывалась для оказания услуг высокоскоростной передачи данных и пакетной передачи на скоростях до 2 Мбит/с для неподвижных объектов, и до 384 Кб/с для движущихся абонентов.

В версии UMTS 99 существует два различных метода WCDMA:

FDD (дуплексная связь с частотным разделением каналов)

FDD служит для организации дуплексной связи с частотным разнесением каналов. Используется две различные полосы частот (по 5 МГц каждая) – одна для передачи по нисходящему каналу, вторая – по восходящему.

TDD (дуплексная связь с временным разделением каналов)

TDD служит для организации дуплексной связи с временным разнесением каналов. При этом для установления связи по нисходящему и восходящему каналам используется одна частота.

В режиме FDD в одном направлении связи может происходить непрерывная передача. Режим TDD имеет больше общего с GSM. Передаются пачки импульсов. Причиной этому служит тот факт, что передача по нисходящему и восходящему каналам должна происходить на одной и той же частоте, но в различные промежутки времени. Применение режима FDD видится удачным решением для достижения максимального покрытия. Применение режима TDD особенно эффективно, когда приходится иметь дело с ассиметричным трафиком. Из-за этого, и из-за того, что передача осуществляется пачками импульсов, применяется он в основном в пико- и микросотах. В обоих методах используются прямые последовательности CDMA. Из-за того, что используются несущие с шириной 5 МГц , метод организации радиоинтерфейса назван WCDMA (широкополосным CDMA).



+7(920)629-90-95

4.4.1 Особенности WCDMA в UMTS

WCDMA дает UMTS ряд преимуществ, например:

Эффективное использование радиочастотного спектра

Для CDMA систем легко применять различные технологии, повышающие эффективность использование спектра частот. Например, в GSM для передачи речевого сигнала каждому абоненту выделяется один физический канал. Если происходит прерывистая передача, то некоторые временные интервалы физического канала остаются незадействованными. Однако эти временные интервалы не могут быть использованы и для других целей. В системе UMTS несколько мобильных станций осуществляет передачу на одной и той же частоте, в одно и то же время. По этой причине, каждый из каналов связи накладывает интерференционные помехи на каналы мобильных телефонов, работающих на этой же частоте. В UMTS поддерживается прерывистая передача по радиоканалу. Следовательно, если мобильный телефон «молчит», когда нечего передавать, уровень интерференции сокращается, и соответственно возрастает емкость радиоинтерфейса. Другая функция, реализованная в UMTS – мультиплексирование пакетного и голосового трафика. Если абоненту в данный момент не требуется передавать речевой сигнал, то время «молчания» используется для передачи пакетного трафика.

CDMA использует одни и те же частоты в смежных сотах. По этой причине не требуется такого частотного планирования, которое характерно для систем типа FDMA/TDMA, и иногда является достаточно сложным. И это главная причина увеличения эффективности радиоинтерфейса WCDMA.

Низкая мощность передачи мобильными станциями

При помощи передовых технологий, реализованных в приемниках, CDMA может улучшить качество приема. В мобильных станциях CDMA требуемая мощность передачи может быть значительно уменьшена по сравнению с системами TDMA. При работе в FDD режиме, при котором не используется передача пачек импульсов, уровень максимальной мощности может поддерживаться достаточно низким. Режим непрерывной передачи также позволяет избежать проблем электромагнитной совместимости, возникающих при импульсной передаче, например проблем со слуховыми аппаратами или медицинским оборудованием.



+7(920)629-90-95

Ресурсы прямого и обратного каналов используются независимо

Для каждого пользователя могут быть назначены различные скорости передачи в прямом (нисходящем) и обратном (восходящем) каналах. Таким образом, CDMA поддерживает асинхронную передачу, такую как, например, TCP/IP.

Разнообразие скоростей доступа

Широкая полоса WCDMA обеспечивает более высокие скорости передачи данных. Кроме того, она в одной и той же полосе обеспечивает и услуги высокоскоростной передачи данных, и передачи с низкой скоростью.

Усовершенствованный метод борьбы с многолучевостью распространения

Широкая полоса WCDMA позволяет обрабатывать больше, по сравнению с CDMA 2 G, копий сигнала, полученных в результате многолучевости распространения. Для этой цели используется так называемый RAKE приемник. Он позволяет снизить уровень требуемой мощности, и таким образом снизить влияние интерференции. Результат – еще более возросшая спектральная эффективность.

Преимущества статистического уплотнения

Широкополосная несущая в WCDMA системах обеспечивает размещение на ней большего числа каналов/абонентов. Эффект статистического уплотнения так же увеличивает эффективность использования частоты. Такая эффективность в узкополосных системах очень мала по причине того, что количество пользователей, одновременно работающих на одной несущей частоте, ограничено.

Увеличенное время работы в режиме ожидания

Широкополосная несущая позволяет улучшить передачу по каналам управления. Мобильная станция прослушивает каналы управления не постоянно, а только в строго определенные (для каждой станции) моменты, что позволяет увеличить время работы в режиме ожидания.



+7(920)629-90-95

5 Предоставляемые услуги

Абоненты готовы платить за дополнительные услуги, которые им предлагаются. Вот почему операторы уделяют много внимания расширению списка услуг, предлагаемых абонентам.

Доступ к широкому ряду интегрированных, дружественных пользователю сервисов, предоставляемых операторами и поставщиками услуг. Такие услуги доступны независимо от сети, в которой обслуживается абонент, или его терминала, при условии того, что поддерживаются одинаковые возможности.

Расширенная возможность управления услугами, обеспечивающая возможность сконфигурировать параметры услуг и приложений. Такое управление может включать настройку параметров пользовательского интерфейса, если аппарат поддерживает эту возможность.

Упрощенный ввод в эксплуатацию и модернизация услуг благодаря возможности загрузки в пользовательский терминал новых приложений, при минимальном участии абонента.

• Беспроводной доступ к сети Интернет – доступ к информации в любом месте и в любое время

• Обмен мультимедийными сообщениями

• Электронная почта

• Удаленный доступ к рабочему месту

• Улучшенное качество обслуживания

• Поддержка аудио/видео клипов

Если от введения UMTS выигрывают абоненты, то выигрывают и операторы связи:

• Новые возможности сервиса (означает новые возможности в построении бизнеса оператора)



+7(920)629-90-95

• Увеличение доходов от возросшего голосового/интернет трафика

• Использование другого спектра частот (увеличение емкости)

01 Introduction to UMTS Ru

Documents

Transcript of 01 Introduction to UMTS Ru