Стандарт GSM900

Кроме того, для определенного значения временной задержки обычно имеется  множество лучей почти равной длины, по которым распространяется радиосигнал. Например, лучи с разницей по длине равной половине длины волны (при частоте 2 ГГц это приблизительно 7 см) поступают фактически одновременно по сравнению с лучами, имеющими разность хода 78 м и между которыми возникает задержка равная длительности чипа (при скорости передачи 3,84 Мчип/с). В результате в приемнике, который перемещается даже на меньшие расстояния, имеет место подавление полезного сигнала, называемое бы-стрыми замираниями. Подавление полезного сигнала лучше всего представляется как сложение нескольких взвешенных векторов, которые получают фазовый сдвиг (обычно длина радиоволны по модулю) и затухание вдоль заданного направления в определенный момент времени.

На  рис. 3.5 показан примерный вид  быстрого замирания, воспринимаемый по поступающей энергии сигнала  при конкретном значении временной  задержки при движении приемника. Мы видим, что мощность принимаемого сигнала  может резко падать (на 20 - 30 дБ), когда  происходит фазовое подавление за счет отражений при многолучевом распространении. В определенных геометрических условиях, вызывающих явления замирания и  рассеяния, изменения сигнала, обусловленные быстрыми замираниями, происходят на несколько порядков чаще, чем изменения среднего профиля задержки при многолучевом распространении.

 

 

Рис. 3.4. Многолучевое распространение приводит к получению многолучевого профиля  задержки

Статистика  в отношении средней энергии  принимаемого сигнала за короткий период обычно хорошо описывается рэлеевским распределением. Эти перепады энергии, обусловленные замираниями, делают прием передаваемых битов данных без ошибок делом весьма затруднительным, поэтому в WCDMA необходимо принимать соответствующие контрмеры. Такие контрмеры по борьбе с замираниями приведены ниже.

  Рассеянная энергия сигналов  с задержкой складывается за  счет использования множества  каналов Rake (корреляционных приемников), настроенных на те значения задержки, с которыми поступают сигналы со значительной энергией.

Для смягчения проблемы, связанной с  замиранием мощности сигнала, используются быстрое управление мощностью и  разнесенный прием приемником Rake.

  Используются протоколы мощного  кодирования, перемежения и повторения  передачи для увеличения избыточности  и разнесения по времени сигнала,  и тем самым оказывается помощь  приемнику в восстановлении битов  пользователя, подвергшихся воздействию  замираний. 

Динамика  распространения радиоволн обусловливает  следующие принципы работы при приеме сигналов CDMA.

Определить  позиции временной задержки сигналов, поступающих со значительной энергией и выделить для них корреляционные приемники, т.е. те тракты каналы Rake, которые настроены на эти пики. Сетка измерений по длительности для получения профиля задержки при многолучевом распространении составляет величину порядка одного чипа (обычно в пределах 0,25 0,5 длительности чипа) со скоростью обновления порядка десятых долей миллисекунд.

В каждом корреляционном приемнике требуется  проследить быстро изменяющиеся значения фазы и амплитуды, обусловленные  процессом битовых замираний, и  убрать их. Этот процесс слежения должен быть очень быстрым при скорости обновления порядка 1 мс или меньше.

Просуммировать  демодулированные и отрегулированные по фазе символы во всех активных трактах и передать их в декодер для дальнейшей обработки.

 

 

Рис.3.5. Быстрые рэлеевские замирания, вызванные многолучевым распространением

На  рис. 3.6 обозначены тракты приема 2 и 3 путем  изображения символов модуляции (BPSK или QPSK), а также мгновенного состояния  канала в виде взвешенного комплексного вектора. Для оказания содействия решению  по тракту 2 WCDMA использует известные  пилотные символы, которые применяются для зондирования канала и получения оценки состояния канала в дан-ный момент времени (значения взвешенного вектора) для конкретного тракта. Затем принятый символ вращается в обратную сторону с тем, чтобы устранить вращение фазы, вызванное каналом. Такие канально компенсированные символы затем могут просто складываться для восстановления энергии во всех поло-жениях, имеющих задержку. Такая обработка называется также сложением по максимальному отношению (MRC).

 

 

Рис. 3.6. Принцип сложения по максимальному  отношению в приемнике Rake CDMA

В соответствии с этими принципами на рис. 3.7 представлена блок-схема приемника  Rake с тремя трактами. Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями.

Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль  задержки при многолучевом распространении  используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника  Rake с наибольшими пиковыми значениями.

В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный фильтр), выполняется на ASICs (специализированных интегральных схемах), тогда как обработка на уровне символа (устройство оценки канала, фазовращатель, сумматор) реализуются с помощью DSP (процессора цифровой обработки сигналов). Хотя и существуют некоторые различия между приемниками Rake и WCDMA на подвижной станции и базовой станции, все основные принципы работы, представленные здесь, одинаковы.

 

 

Рис. 3.7 Блок-схема приемника Rake WCDMA

 

И наконец, мы отмечаем, что множество  приемных антенн может приспосабливаться  так же, как множество лучей, принимаемых  от одной антенны: просто путем использования  дополнительных трактов Rake к антеннам мы можем принять всю энергию от множества лучей и антенн. С позиции приемников Rake по сути нет разницы у этих двух видов разнесенного приема.

HSDPA — High Speed Downlink Packet Access

 

 

 

Рис. 1. Будущее развитие технологий передачи данных

Эта технология, как следует из её названия, принадлежит к семейству решений, использующих пакетную передачу данных. К этому семейству принадлежат  и уже описанные нами GPRS и EDGE. Физически, HSDPA является «надстройкой» к сетям WCDMA/UMTS, поэтому нередко её называют «третьим с половиной» поколением или 3,5G. «Половинка» в этом неформальном названии обоснована ещё и тем, что пропускная способность HSDPA в стартовом варианте составила 1,8 Мбит/с, а теоретический максимум составит 14,4 Мбит/с. Правда, до теоретического максимума пока ещё очень далеко — за два года внедрения технология пока преодолела лишь планку в 3,6 Мбит/с, впрочем, принятая на вооружение многими поставщиками оборудования (в частности, Option) стратегия заключается в том, что вендоры поставляют готовые устройства, заранее поддерживающие более высокую пропускную способность, нежели сегодня способен обеспечить оператор. Им остается только дождаться того светлого дня, когда оператор модернизирует свои базовые станции (а операторам так или иначе приходится периодически менять инфраструктурное оборудование) — и voila - можно загружать из интернета файлы со скоростью 7,2 Мбит/с.

Несомненным плюсом этой технологии является то, что  дальность связи практически  равна дальности охвата сигналом базовой станции (с некоторыми оговорками, о которых мы упомянем в самом  конце), а минусом — то, что  высокая скорость доступна только для  получения (downlink) данных, а для отправки придется довольствоваться базовым для WCDMA значением — 384 Кбит/с. Этот недостаток, как ожидается, будет устранен с появлением технологии HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), а связка HSDPA+HSUPA будет называться просто HSPA (High-Speed Packet Access).

 

 

Рис. 2. Структура и взаимодействие сетей UMTS.

 

 

 

Как было видно на первом рисунке, еще  не исчерпан весь резерв развития технологий GPRS/EDGE, о которых мы уже подробно рассказывали. Для улучшения скорости передачи данных возможно использование  методик оптимизации загрузки частотных  диапазонов, одновременной передачи и приема сигналов, новых модуляционных  схем — это то, что уже придумано, и наверняка найдутся и другие подходы, способные продлить жизненный цикл этих технологий. Однако, являясь надстройками над TDMA, они не дадут качественного рывка вперед — для этого необходим переход на иной физический уровень, каковым является UMTS. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) использует в качестве физического уровня стандарт WCDMA, но в то же время, и унаследованная от прежних поколений инфраструктура будет также включена в систему мобильной связи — не зря же её назвали универсальной.

Как видно на втором рисунке, основу ядра UMTS составляют контроллеры базовой  станции (BSC, Base Stantion Controller), центр коммутации мобильных телефонов (MSC, Mobile Switching Center), регистр домашних пользователей (HLR, Home Location Register), сервер коммутации пакетов (SGSN, Serving GPRS Support Node) и маршрутизатор доступа в интернет (GGSN, Gateway GPRS Support Node). Все эти узлы унаследованы UMTS от GSM/EDGE, более того, как видим, интеграция с WLAN возможна уже на этом этапе.

Если  пользователю одновременно доступны и  сеть GSM, и WCDMA, ядро UMTS будет перераспределять их в зависимости от нагрузки сетей. В тех случаях, когда одна из сетей недоступна — наиболее распространенной ситуацией является та, при которой есть сигнал GSM, но нет покрытия WCDMA, используется физический уровень GSM. Главным отличием WCDMA от GSM является то, что стандарт использует широкие поддиапазоны, в которых передается шумоподобный код (см. статью о CDMA), содержащий данные для всех абонентов. Модифицируя код, WCDMA Release 99 определяет количество трафика, выделенного под голосовую связь и данные, для разных абонентов, каждые 10 мс. С внедрением HSPA это время сокращено до 2 мс. Помимо деления на поддиапазоны, отличающее WCDMA от CDMA, в UMTS, как более высокоуровневом стандарте, предусмотрена QoS (Quality of Service) с несколькими приоритетами:

1. Разговорный — интерактивные данные с минимальной задержкой и контролируемой полосой пропускания, такие как для VoIP и видеосвязи

2. Потоковый — поток данных с  контролируемой полосой пропускания  и некоторыми допустимыми задержками

3. Интерактивный — данные, передаваемые и принимаемые терминалом при «общении» с web-серверами без контроля полосы пропускания и с некоторыми задержками

4. Фоновый — низкоприоритетные данные, например, загружаемые файлы

 

Пропускная  способность каналов связи UMTS Release 99 зависит от фактора распределения (spreading factor, определяет количество каналов связи, закодированных в один поддиапазон) и может достигать 768 Кбит/с (фактор распределения равен четырем). Теоретически, стандарт позволяет назначить три таких «нисходящих» (то есть, направленных от базовой станции к мобильному терминалу) канала для одного абонента, что позволяет достичь пропускной способности в 2 Мбит/с, однако, на практике (не стоит забывать, что чем больше число пользователей, тем выше фактор распределения) фактор распределения в нисходящих каналах фиксируется на уровне восьми, что соответствует 384 Кбит/с. Кроме того, многие операторы намеренно не предоставляют большей пропускной способности, стимулируя абонентов переходить на HSDPA. Для, сравнения, при голосовой связи фактор распределения составляет от 128 до 256.

 

Спецификации  технологии HSDPA были опубликованы в 3GPP Release 5. Технология полностью обратно совместима с UMTS Release 99 и позволяет одновременно предоставлять сервисы голосовой связи и передачи данных UMTS и HSDPA. При этом максимальная теоретическая пропускная способность технологии составляет 14,4 Мбит/с. Для достижения столь высокой спектральной эффективности, потребовалось реорганизовать структуру каналов, использовать как кодовое, так и временное разделение каналов, увеличить уровень модуляционной схемы, а также использовать более быстрые алгоритмы пересылки пакетов и повторной трансляции в случае ошибок. В HSDPA используются каналы HS-PDSCH (High-Speed Physical Downlink Shared Channels). В одном 5-МГц поддиапазоне WCDMA возможна организация до 15 таких каналов с фактором распределения 16. Выделение каналов под нужды разных пользователей изменяется каждые 2 мс:

 

 

 

Рис. 3. Распределение спектра между  абонентами.

Заметное  «неравноправие», хорошо видное на рисунке, связано с тем, что приоритет  предоставления каналов отдается тем пользователям, у которых наилучшее качество сигнала. Таким образом, «быстрые» пользователи «получают» кусочек трафика и «переваривают» его в то время, пока уровень сигнала невысок, в ожидании «лучших времен». За уровнем сигнала, напомним, система следит с интервалом в 2 мс.

 

 

Рис. 4. Распределение спектра между  абонентами в зависимости от условий  приема.

В HSDPA применяются модуляционные схемы WCDMA QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying) и 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Об этих модуляционных схемах мы также упоминали в статье, посвященной EDGE. В первой модуляционной схеме в одном символе передается два бита данных, во второй — четыре. Однако последняя модуляционная схема может быть задействована лишь в том случае, если этого позволяет уровень сигнала, а точнее — соотношение сигнал/шум. Вне зависимости от того, какая модуляционная схема используется в текущий момент, данные передаются в виде избыточного кода, содержащего собственно данные и дополнительные биты (простейший пример избыточного кода — число плюс контрольная сумма, состоящая из одного бита), количество которых может достигать до четверти от длины пакета.

Что касается усовершенствований в области  алгоритмов повторной отправки пакетов  в случае их некорректного приема, то в новой технологии Fast Hybrid ARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat Request), в отличие от GPRS/EDGE, корректность приема пакетов отслеживается как базовой станцией, так и терминалом (телефоном), а повторно передаваемые пакеты чередуются с успешно передаваемыми («гибридность» алгоритма, по замыслу разработчиков, увеличивает вероятность успешного приема благодаря «схожести» таких групп пакетов).

 

 

 

Таблица 1. Варианты реализации HSDPA.