Технология W-CDMA

Технология W-CDMA

(Wideband CDMA)

Технология 3-го поколения.

1. Введение

  В Европе развитие стандарта беспроводной мультимедиа технологии третьего поколения – Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система (UMTS) – приобретает более резкие очертанияы.

Доставка широкополосных услуг мультимедиа требует дополнительных ресурсовк, по сравнению с сегодняшними беспроводными стандартами. Ericsson начал проводить исследования в этой области с 1989 г., фокусируясь на Широкополосной технологии Множественного Доступа с Кодовым Разделением или WCDMA. Играя лидирующую роль в проекте Европейского Содружества под названием CODIT с 1992 по 1995, Ericsson подтвердил, что WCDMA является эффективной технологией для передачи высокоскоростных данных, включая текст, графику и видео. Перспективный воздушный интерфейс WCDMA, оптимизированный для гибкости сервиса, был определён проектом CODIT.

2. Система CODIT

Проект CODIT разработан Европейским Содружеством в рамках исследовательской программы RACE по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципах кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра (DS-CDMA) по технологии W-CDMA .

Концепция системы CODIT базируется на использовании несинхронизированных базовых станций и обеспечивает:

• сотовую топологию сети;
• открытый радиоинтерфейс с изменяемой от 0,5 до 2,0 Мбит/с скоростью передачи сообщений;
• возможность пакетной передачи данных с прямым выходом на сети ISDN;
• эффективное и гибкое использование частотного ресурса;
• возможность работы с несинхронизированными базовыми станциями;
• поддержку многих операторов;
• емкость для массового рынка;
• гибкость для дальнейшего развития сети и т.д.

В системе CODIT предусматриваются три значения тактовой частоты для "расширяющей" псевдослучайной последовательности (ПСП): 1 МГц; 5 МГц и 20 МГц, что соответствует трем полосам частот радиоканалов 1МГц; 5 МГц и 20 МГц (узкополосный, среднеполосный и широкополосный).

Узкополосный канал ориентирован на передачу речи и низкоскоростных данных в условиях ограниченной пропускной способности сот. Среднескоростной канал обеспечивает более широкий набор услуг с одновременной передачей как низкоскоростных, так и среднескоростных данных. Рассматривается возможность достижения заданного качества связи за счет варьирования скорости передачи и мощности излучения. Широкополосный канал в основном предназначен для передачи данных с высокой скоростью в сотах с малой емкостью.

Общая схема формирования и передачи сообщений в системе CODIT показана на рис.1 Широкий диапазон предоставляемых услуг связи по видам и скоростям передачи реализуется за счет обеспечения в системе фиксированных и свободно изменяющихся параметров. Управление параметрами передачи осуществляется подсистемой управления ресурсами (услуги, скорости передачи, необходимая полоса частот). Эти параметры являются исходными для подсистемы, конфигурирующей тракт передачи. Общие процессы формирования сигнала включают:

• канальное кодирование (блочное, сверточное);
• перемежение;
• уплотнение;
• формирование кадра;
• расширение спектра;
• контроль уровня мощности сигнала, излучаемого передатчиком;
• прерывистую передачу речи на основе использования детектора активности речи;
• формирование и преобразование частот.

Управление конфигурацией тракта передачи, осуществляется сигнальными процессорами. Каждый сигнальный процессор контролирует установку параметров, определяемых подсистемой управления тракта передачи. Когда приходит вызов, подсистема управления ресурсами связи определяет конфигурацию системы в соответствии с запрашиваемыми услугами и существующий ресурсами. Каждый логический канал имеет свою схему кодирования и перемежения. Канальное кодирование и схема расширения спектра адаптивно изменяются в соответствии с поддерживаемыми изменяющимися требованиями к скорости передачи и распределения частот.

Управление конфигурацией тракта передачи осуществляется фиксированными шагами через 10 мс. Для параметров передачи на каждом шаге (скорость передачи, схема кодирования, схема расширения спектра и т.д.) могут вводиться изменения. Каналы трафика (ТСН) и каналы управления (DCCH) уплотняются в физические каналы передачи данных (PDCH). Эти каналы добавляются в формируемые пакеты данных, излучаемые каждые 10 мс в CDMA кадре.

Физические пакеты могут быть трех типов:

1. нормальный физический пакет;
2. компрессированный физический пакет (половина CDMA кадра);
3. физический пакет со случайным доступом.

Структура каналов в системе CODIT основана на определенном количестве логических каналов, размещаемых на физических каналах. На рис.2 показана общая структура каналов в системе CODIT, включая "расширение" по спектру.

Выбор псевдослучайного кода (PN) для "расширения" сигнала по спектру в CODIT зависит от типа канала. Длинный PN код дает большую гибкость в организации каналов передачи и обеспечивает большой алфавит сигналов в системе. Короткие коды используются в каналах управления, для быстрой синхронизации и установления вызова в системе.

Рис. 1

CODIT . Стркутура каналов

Рис..2

В системе CODIT используются различные схемы перемежения. Речевой канал (TCH/S) подвергается перемежению на интервале 10 мс, тогда как каналы передачи данных подвергаются перемежению на интервале до 120 мс.

Система DS CDMA требует эффективного управления мощностью передачи для ближних и дальних абонентских станций. В системе CODIT управление мощностью осуществляется как по линии "вверх" так и по линии "вниз". Управление мощностью "вверх" (подвижной станции) - необходимое условие работы системы, тогда как управление "вниз" используется в целях увеличения емкости сети.

Контроль уровня мощности "вверх" подразделяется на медленный и быстрый. Медленный контроль используется для управления качеством связи, установления границ зоны обслуживания и порогов для быстрого контроля. Быстрый контроль управления использует замкнутую и открытую петли управления.

Управление мощностью сигнала подвижной станции по замкнутой петле осуществляется по результатам измерений параметров сигналов базовой станцией. Это управление используется для ослабления влияния быстрых замираний и осуществляется с минимально возможной задержкой.

В системе CODIT это происходит путем уплотнения результатов измерений в физический канал управления (PCCH) без кодирования и перемежения.

Управление "вниз" обеспечивает требуемое качество связи путем регулировки мощности излучения передатчика базовой станции.

В состав оборудования CODIT входит:

• MS - подвижная станция;
• BTS - базовая станция;
• RNC - контроллер радиосети;
• MCN - узел управления подвижной сетью.

Протокол радиоинтерфейса предусматривает использование гибкой многоскоростной передачи и подобен протоколу стандарта DECT.

Концепция системы CODIT использует одну и туже несущую частоту в соседних сотах (размерность кластера К=1). Концепция поддерживает смешанную архитектуру сотовой сети, когда различные группы сот работают в разных полосах радиочастот.

Управление "эстафетной передачей" (handover) может быть реализовано несколькими способами. В пределах одной группы (уровня) сот оно может быть реализовано с макроразнесением, когда подвижная станция в процессе переключения связана одновременно с несколькими базовыми станциями (мягкий режим переключения).

В случае "эстафетной передачи" с изменением несущей частоты (при переходе подвижной станции от одного сотового уровня к другому) непрерывность связи обеспечивается использованием двухчастотных приемопередатчиков, поддерживающих сигнализацию на двух частотах, либо переходом на режим с временным разделением, называемый "компрессированным режимом", когда информация, передаваемая MS и BTS в 10 мс-ом кадре CDMA, сжимается в два раза за счет изменения скорости PN кода. При этом мощность передаваемых сигналов удваивается. Вторая половина этого кадра используется для измерений и сигнализации в соседнем радиоканале.

3. Дальнейшее развитие

 Основываясь на концепции CODIT, Ericsson разработал основы тестов 5 МГц WCDMA и начал их апробацию в 1996. Это было началом того, что может оказаться крупнейшим исследовательским проектом Ericsson после разработки коммуникационного стандарта Глобальной Мобильной Системы (GSM)

В случае "эстафетной передачи" с изменением несущей частоты (при переходе подвижной станции от одного сотового уровня к другому) непрерывность связи обеспечивается использованием двухчастотных приемопередатчиков, поддерживающих сигнализацию на двух частотах, либо переходом на режим с временным разделением, называемый "компрессированным режимом", когда информация, передаваемая MS и BTS в 10 мс-ом кадре CDMA, сжимается в два раза за счет изменения скорости PN кода. При этом мощность передаваемых сигналов удваивается. Вторая половина этого кадра используется для измерений и сигнализации в соседнем радиоканале.

Кроме того, система WCDMA Ericsson будет предоставлять большую гибкость в скорости передачи данных пользователя, что является одним из краеугольных камней концепции WCDMA, разработанной в проекте CODIT. Переменная скорость передачи данных – начиная с 8 кбит/с и вплоть до 384 кбит/с может определяться для различных и множественных абонентов на каждой 5 МГц несущей. Более того, услуги с различным требованием к качеству, такие как речь и пакетные данные, могут поддерживаться с отличной пропускной способностью и покрытием.

Беспроводная технология третьего поколения, которую представляет Ericsson, основывается на современной структуре сетевого протокола, которая более похожа на структуру протокола, используемого в сетях GSM, чем на сигнальные методы, использовавшиеся в ранних сотовых и узкополосных беспроводных сетях.

Система WCDMA будет также соединена последним минисотовым протоколом передачи с Асинхронным Режимом Передачи (ATM) – известным как Адаптированный уровень 2 ATM (AAL2). Этот протокол будет использоваться для передачи данных между базовой станцией и центром коммутации подвижной связи через контроллеры базовых станций. Стандартизированный в начале 1997 Форумом ATM, AAL2 позволяет большему числу пакетов данных передаваться более эффективно и с меньшей задержкой. Таким образом, данные передаются только когда абонент находится в активном соединении. Это развитие протокола ATM разрешает почти 300 голосовым соединениям передаваться через стандартную T1/E1 линию, где раньше могли передаваться только 30 голосовых соединений. Такой же выигрыш возможен при передаче данных. Поскольку AAL2 предоставляет функции, необходимые для “мягкого” handoff между несущими, всё это решительно снижает стоимость передачи данных.

Система WCDMA Ericsson представляет новый метод развертывания технологии CDMA, включающий минисоты и адаптивные антенны. Используя когерентную демодуляцию как в обратном, так и в прямом каналах, система WCDMA может обслуживать в восемь раз больше абонентов на эквивалентную полосу, чем существующие узкополосные системы. Это будет обеспечивать пропускную способность для более чем:

• 100 одновременных разговоров на несущую при использовании 8 кбит/с вокодера;

• 50 одновременных пользователей Интернет на несущую, каждый из которых работает, непосредственно используя скорость передачи данных 384 кбит/с (это предполагает пользователей, просматривающих Всемирную Паутину в полностью загруженной системе).

Усовершенствования Ericsson технологии с кодовым разделением включают новый метод handoff между несущими WCDMA. Названная Между-Частотный Handoff (IFHO) эта новая технология облегчает использование микросот с малой мощностью. IFHO позволяет, также, установку микросот в порядок, называемый Иерархическая Сотовая Структура (HCS). Это делает возможным, например, использование микросоты для увеличения пропускной способности в офисном здании, на крыше которого, в тоже время, установлена макросота. Ericsson успешно развернул технологию HCS в системах второго поколения с временным уплотнением, таких как стандарты GSM и IS-136. Используемые вместе, IFHO и HCS дают отличие в планировании системы с кодовым разделением и создают большую мощность сети WCDMA, чем существующие узкополосные системы. WCDMA, также, полностью поддерживает использование само-юстирующихся антенн (AAA), технологии, в которой излучение антенны направляется на каждого абонента. Это является полезным в местах, где возможно ограничение радиочастотного спектра для широкополосного оборудования. Используя технологию AAA, прикрепленный к станции абонент может обслуживаться с широкополосными услугами и как пропускная способность, так и покрытие могут постоянно улучшаться.

В отличие от узкополосных систем, каждое терминальное соединение WCDMA может поставлять до шести различных услуг – начиная с голоса и до комбинации услуг по передачи данных, таких как факс, электронная почта и видео. Каждая из шести услуг может оптимизироваться как требуемая скорость передачи данных и специфичный стандарт качества. Для обеспечения оптимальной гибкости и устранения интерференции между абонентами, работающими с различной скоростью на одной РЧ несущей, система WCDMA использует, также, специальные широкополосные коды, называемые Ортогональный Фактор с Переменным Расширением (OVSF-коды).

Другим усовершенствованным свойством технологии WCDMA является мощнейший метод Полного Подавления Интерференции, который исключает интерференцию от других абонентов, и также, увеличивает пропускную способность. Он обнаруживает мешающих абонентов и исключает интерференцию в ряде случаев, которые могут происходить в узкополосных системах CDMA. Такая технология исключения интерференции позволяет WCDMA работать с микросотами большой пропускной способности, когда непредвиденная интерференция скорее может произойти по сравнению с обстановкой в макросоте.

Разработка WCDMA также ликвидировала необходимость в синхронизации между базовыми станциями, которые в узкополосном оборудовании требовали использования GPS приёмников на каждой базовой станции для установления спутниковой триангуляции и обеспечения микросекундной точности радиопередачи.В качестве синхронизации выступают тактовые импульсы, поступающие от контроллера базовых станций. Каждая базовая станция может обслуживать до шести секторных антенн, по две несущие на каждый сектор (ширина несущей в WCDMA составляет 5 МГц). Выходная мощность передающей аппаратуры составляет 20 Вт на сектор.

Характеристики в широкополосных приложениях также оптимизируются, поскольку Широкополосный CDMA эксплуатирует многолучевое распространение более эффективно, чем узкополосные системы. Это нивелирует проблему замираний, которые являются частым случаем в узкополосном оборудовании. Работая с низким порогом (Eb/No) приёмника, технология WCDMA улучшает пропускную способность и покрытие, особенно внутри помещений. В случае улучшения частотного разноса, становится возможным достигать выигрыша в пропускной способности от 30 до 60 процентов, в зависимости от обстановки.

4. Положительные стороны

 W-CDMA удовлетворяет основным требованиям, как IMT-2000, так и UMTS. В настоящее время обсуждается возможность признания W-CDMA объединенным проектом ETSI, ARIB т T1P1, т.е. Европы, Японии и США.
Преимущества W-CDMA:

• Эффективное использование радиоспектра (эффективная модуляция, статистическое уплотнение каналов с учетом пауз в речи, динамическое распределение каналов;
• Отказ от частотного планирования за счет использования одной полосы частот
• Низкая мощность передатчика мобильной станции по сравнению с TDMA
• Для линий "вверх" и "вниз" используются независимые ресурсы, кроме того, просто реализуется ассиметричная передача, что повышает эффективность использования ресурса.
• В одной полосе можно образовать несколько подканалов - низкоскоростных для речи и факсов, высокоскоростных для видеосвязи и Internet
• Эффект статистического мультиплексирования позволяет увеличить число подканалов на одной несущей.
• Снижено энергопотребление мобильной станции за счет эффективного режима sleep-mode.
• Отсутствует синхронизация на базе GPS.