Общая характеристика стандарта UMTS

Как было сказано в гл.1, европейский стандарт 3-го поколения UMTS развертывают на базе действующих сетей GSM. Структура интегрированной сети приведена на рис. 3.1. К существующей в GSM подсистеме пользовательских услуг и коммутации, которая включает как коммутаторы каналов MSC/VLR, GMSC, так и коммутаторы пакетов SGSN, GGSN, и образует ядро сети CN (Core Network), подключены как действующие подсети базовых станций GSM BSS, так и наложенные на них новые сети радиодоступа UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).

Рис. 3.1. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM

Сети UTRAN могут использовать две взаимоувязанные технологии радиодоступа с кодовым разделением UTRA-FDD и UTRA-TDD. В состав UTRAN входят контроллеры RNC (Radio Network Controller) и узлы базовых станций (Node B), каждый из которых может состоять из одной (в несекторизованных сотах) или 3-х (в секторизованных сотах) BTS. В мобильную станцию MS (UE – User Equipment по терминологии UMTS), работающую в совмещенной сети GSM/UMTS, вставляют USIM (Universal SIM-карту). Как и в GSM, в USIM записаны индивидуальный номер абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и временные номера TMSI (Temporary MSI), P-TMSI (Packet –TMSI), присваиваемые абоненту на время сеанса связи.

При работе UTRAN с коммутируемыми каналами, следующими от MSC/VLR, включают промежуточный блок IWF/TC (Interworking Function/ Transcoder). Этот блок выполняет функции сопряжения разных интерфейсов и преобразует скорости сигналов телефонии и данных. В состав CN входит также модуль CSE (CAMEL Service Environment) предоставления интеллектуальных услуг CAMEL.

Базовый вариант на основе технологии UTRA-FDD (W-CDMA) предусматривает передачу информации с чиповой скоростью 3,84 Мчип/с в полосе 5 МГц при дуплексном разносе сигналов двух направлений 190 МГц. Эффективная полоса обработки сигнала в приемнике составляет 3,84 МГц. Различным скоростям передачи информации соответствуют различные значения коэффициента расширения спектра SF.

Соотношения между скоростью передачи символов и коэффициентом расширения спектра при В_чип = 3,84 Мчип/с приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

SF
Скорость, ксимв/с									7,5

Для разделения каналов в UTRA-FDD применены каналообразующие ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения SF (Orthogonal Variable Spreading Factor Code - OVSF). Иначе говоря,в стандарте UTRA-FDD каналообразующие кодовые последовательности упорядочены по Адамару.. Каждый код будем обозначать как C_ch,SF,n. Структуру формирования кодовых последовательностей поясняет рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принцип формирования ортогональных кодов

При увеличении SF в 2 раза для образования следующей группы кодов используем алгоритм Адамара:

.

Так, при SF=4 получим 4 кода

,

а при SF=8 будет 8 кодов

.

Кроме каналообразующих, в UTRA–FDD применяют различные скремблирующие коды – длинные и короткие. Чиповая скорость скремблирующих кодов, как и каналообразующих, составляет 3,84 Мчип/с.

Рассмотрим длинные скремблирующие коды вниз, которыми закрыты BTS. Это коды Голда (предложены Р. Голдом). Код Голда образуют путем сложения по mod2 двух различных m-последовательностей x(n) и y(n). Обе последовательности имеют одну и ту же длину L и их тактирует единый тактовый генератор. Результирующая последовательность также является m-последовательностью длиной L. Меняя начала циклических сдвигов последовательностей x(n) и y(n), получаем L=2ⁿ–1 последовательностей Голда. Скремблирующие коды вниз реализованы на основе двух генераторных полиномов 18 степени:

g₁(x) = 1 + X⁷ + X¹⁸ (3.1)

g₂(x) = 1 + X⁵ + X⁷ + X¹⁰ + X¹⁸, (3.2)

где значок “+” означает сложение по mod2. Схема формирования скремблирующих последовательностей вниз представлена на рис. 3.3.

Обозначая коды, генерируемые полиномами (3.1) и (3.2) как x(i) и y(i), а n – начальный сдвиг генератора x(i) относительно y(i), получаем n-ую последовательность Голда

z_n(i) = x((i+n) mod (2¹⁸-1)) + y(i), i = 0,……2¹⁸ –2

Комплексный скремблирующий длинный код вниз обозначим как S_dl,n(i):

S_dl,n(i) = z_n(i) + j z_n((i + 131072)mod(2¹⁸ –1)), i = 0,1….38399 (3.3)

Этим скремблирующим кодом закрывают кадры длиной 10 мс (38400 чипов).

Рис.3.3. Формирователь скремблирующих кодов вниз

В направлении вниз используют модуляцию 4-ФМ[1], то есть сигнал передают на двух ортогональных поднесущих в виде

s(n) = I(n) cos wt + j Q(n) sin wt,

где I(n) и Q(n) – заполненные чипами синфазный и квадратурный информационное сигналы. Процесс получения закодированного сигнала поясняет рис. 3.4.

Рис.3.4. Кодирование сигналов “вниз”

В направлении вниз (BSÞUE) использованы 512 первичных скремблирующих кодов. Первичные коды открывают 512 кодовых рядов (set), каждый из которых, кроме первичного, содержит еще 15 вторичных кодов. Таким образом в направлении вниз используют 512*16 = 8192 скремблирующих кодов, нумеруемых 0…8191. При SF = 256 каждый первичный (вторичный) скремблирующий код может поддерживать вместе с каналообразующим кодом до 256 каналов.

Характеристики каналообразующих и скремблирующих кодов и их использование сведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

	Каналообразующие коды	Скремблирующие коды
Назначение	Вверх. Разделение каналов данных и управления одного UE. Вниз. Разделение каналов различных пользователей.	Вверх. Разделение UE.     Вниз. Разделение секторов (сот).
Длина	Вверх. 2 – 256 чипов[2]. Вниз. 4 – 512 чипов.	Вверх. 38400 (10 мс) Вниз. 38400 чипов.
Число кодов	SF (коэффициент расширения с одним скремблирующим кодом.	Вверх. Несколько миллионов. Вниз. 512*16
Тип кода	Ортогональный с переменным коэффи-циентом расширения.	Коды Голда.

Другой важнейшей характеристикой стандарта UTRA-FDD является кадровая структура. Передача по всем каналам синхронизирована во времени. Сообщения (поток данных) разбивают на отдельные сегменты, внутри которых производят предварительную обработку сигналов.

Базовая длительность кадра составляет 10 мс. Кадр разбит на 15 временных интервалов (time slots): TS0 …TS14, каждый длительностью 2/3 мс (рис. 3.5). В одном TS размещено 2560 чипов. При SF=256 в одном TS передают 10 символов. Кадры объединены в суперкадры; в одном суперкадре 72 кадра, а его длительность составляет 720 мс. Это длина 6 мультикадров каналов трафика стандарта GSM.

При передаче информации по выделенным каналам длительность информационных кадров может составлять 10, 20, 40 и 80 мс. При пакетной передаче данных используют кадры разной длины. Так при высокоскоростной пакетной передаче передают пакеты длительностью 3 TS (2 мс).

. Рабочие диапазоны стандарта UTRA-FDD и соответствующие им абсолютные номера каналов UARFCN (UTRA Absolute Frequency Channel Number) приведены в табл.3.3. Сетка несущих частот в UTRAN равна 200 кГц. Каждый канал имеет номера “вверх” и “вниз”. Частоты F_UL и F_DL даны в мегагерцах. Основным диапазоном, где осуществляют развертывание UTRAN, является диапазон I.

Длительность одного чипа 1/3,84 · 10^-6 с» 0,2604 мкс

Рис. 3.5. Временные характеристики UTRA-FDD

Таблица 3.3

Рабочая полоса	Вверх UE передает, NodeB принимает	Вниз UE принимает, Node B передает
I	1920 - 1980 МГц	2110 -2170 МГц
II	1850 -1910 МГц	1930 -1990 МГц
III	1710-1785 МГц	1805-1880 МГц
IV	1710-1755 МГц	2110-2155 МГц
V	824 - 849 МГц	869-894 МГц
VI	830-840 МГц	875-885 МГц
VII	2500-2570 МГц	2620-2690 МГц
VIII	880 - 915 МГц	925 - 960 МГц
IX	1749.9-1784.9 МГц	1844.9-1879.9 МГц
X	1710-1770 МГц	2110-2170 МГц
XI	1427.9 - 1447.9 МГц	1475.9 - 1495.9 МГц
XII	699 – 716 МГц	729 – 746 МГц
XIII	777 - 787 МГц	746 - 756 МГц
XIV	788 – 798 МГц	758 – 768 МГц
XV	Резерв	Резерв
XVI	Резерв	Резерв
XVII	Резерв	Резерв
XVIII	Резерв	Резерв
XIX	830 – 845МГц	875 – 890 МГц
XX	832 – 862 МГц	791 – 821 МГц
XXI	1447.9 – 1462.9 МГц	1495.9 – 1510.9 МГц
XXII	3410 – 3490 МГц	3510 – 3590 МГц
XXV	1850 – 1915 МГц	1930 – 1995 МГц
XXVI	814 – 849 МГц	859 – 894 МГц

Расположение каналов UTRAN относительно каналов других сетей в районе 2000 МГц показано на рис. 3.6.

GSM-1800 (вниз)

DECT

UTRA TDD

UTRA FDD (вверх)

MSS (вверх)

UTRA TDD

	UTRA FDD (вниз)	MSS (вниз)

Рис. 3.6. Распределение радиочастот для систем подвижной связи

около 2000 МГц