Особенности стандарта CDMA 2000 [23]

Уже в 1995 году компания QUALCOMM предложила к внедрению несколько эволюционных технологий на базе стандарта IS-95, которые на основе объединения нескольких логических каналов CDMA позволяют увеличить в несколько раз скорость передачи данных в прямом канале.

Версия стандарта IS-95B позволяет:

q увеличить скорость до 76,8 кбит/с путем объединения 8 каналов по 9,6 кбит/с;

q повысить точность системы управления мощностью передатчика мобильной станции до 0,25 дБ (вместо 0,5 дБ в IS-95А);

q ввести дополнительные каналы приоритетного доступа и ряд других усовершенствований;

q обеспечить одновременную работу каналов передачи данных и голосового трафика.

С точки зрения классификации технологий сотовой подвижной связи стандарт IS-95B относится к поколению 2,5G.

К системам третьего поколения можно отнести стандарт CDMA2000 1xRTT, который является членом семейства IMT-MC(IMT-2000 Multi Carrier) - стандартов на многочастотную систему CDMA с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом для применения в парных полосах частот. Этот стандарт представляет усовершенствованную версию стандарта IS-95B и обеспечивает одновременную передачу речи и низкоскоростную передачу данных в режиме коммутации каналов (КК ), а также высокоскоростную (до 153 кбит/с) ПД − в режиме коммутации пакетов (КП) при использовании полосы частот 1,25 МГц. Дальнейшее развитие систем семейства стандарта IMT-MC предполагает, что при сохранении стартовой полосы частот будет происходить расширение полосы частот до 20 МГц, широкое использование пакетной передачи данных (сегмент 1xEV-DO) и применение комбинированных систем, рассчитанных как для передачи речи, так и передачи данных в пакетном режиме (сегмент 1xEV-DV).

Сети мобильной связи стандартов cdmaOne иCDMA2000 1X полностью совместимы. В стандарт CDMA20001X введены ряд изменений, улучшающих качество радиоинтерфейса, повышающих скорость передачи данных и обеспечивающих большую пропускную способность сети. Эти изменения в первую очередь касаются архитектуры сети и организации высокоскоростной передачи данных.

Учитывая опыт эксплуатации сетей стандарта cdmaOne, были приняты следующие решения:

1. Для работы на скоростях передачи выше 9,6 кбит/с введены дополнительные каналы, организованные на базе ортогональных канализирующих кодов, которые подстраиваются под требуемые скорости передачи.

2. Обеспечена возможность когерентного приема сигналов в обратном канале за счет введения пилотного сигнала, излучаемого абонентской станцией, который позволяет базовой станции отслеживать частоту и фазу несущей каждой из обслуживаемых абонентских станций.

3. Изменен вид манипуляции с бинарной ФМ на КФМ. При этом длина посылки, а значит и коэффициент расширения удваиваются, так что даже при использовании прежней полосы в 1,25 МГц он оказывается равным 128. Объём ансамбля канализирующих ортогональных кодов Уолша становится вдвое больше, что означает удвоение сотовой ёмкости.

4. В добавление к общему пилотному каналу в прямом канале введены вспомогательные выделенные пилотные каналы (по одному на абонентскую станцию), предназначенные для настройки антенной решётки с адаптивным формированием луча (Smart Antenna), осуществляющей пространственную селекцию индивидуальных абонентских станций или групп абонентских станций. Условия распространения в лучах такой антенны, направленных на разные абонентские станции, различны, поэтому точная их настройка по общему пилотному сигналу невозможна.

5. Расширен диапазон применяемых методов канального помехоустойчивого кодирования. Помимо свёрточных кодов, для высокоскоростной передачи данных используются турбокоды.

Важные усовершенствования касаются также и организации физического уровня. Высокоуровневое представление сетевой модели CDMA 2000 приведено на рис 13.17, где показаны три основные части: ядро сети (Core Network, CN), сеть радиодоступа (Radio Access Network, RAN) и мобильная станция (MS). Базовая сеть (ядро) состоит из двух сегментов, основанных на технологии коммутации каналов (CS сегмент) и на технологии коммутации пакетов (PSсегмент). Ядро сети разделено на две части. Одна часть поддерживает стандарт IS-41 и связана c сетью общего пользования (PSTN). Другая часть поддерживает стандарт беспроводной IP- сети IS-835 и связана с сетью IP (интернетом). Интерфейсы с PSTN и с сетью IP называют аналоговым интерфейсом (Ai) и пакетным интерфейсом (Pi), соответственно. Абонентская (мобильная) станция (MS) и сеть радиодоступа (RAN) связаны между собой через Um-радиоинтерфейс.

Рассмотрим более детально сегмент, основанный на технологии коммутации пакетов (PS сегмент).

Рис 13.17. Структура сети CDMA 2000

Абонентская (мобильная) станция (MS) по сути, является мобильным абонентским терминалом (АТ), предназначенным для работы в сети интернет, содержит терминальное оборудование (Terminal Equipment, TE), являющееся устройством обработки данных, и мобильный терминал (Mobile Terminal, MT), обеспечивающий связь с сетью радиодоступа RAN (рис.13.18). Терминальное оборудование TE может состоять из персонального компьютера или ноутбука. Трафик между TE и MT передается по последовательному интерфейсу Rm в форме потока байтов.

Рис.13.18. Структура абонентской станции (абонентского терминала)

Сеть радиодоступа (RAN) обеспечивает связь между ядром сети CN и абонентской станцией MS. Её главные функции заключаются в обслуживании, управлении вызовами и мобильностью.

Архитектура и интерфейсы сети радиодоступа RAN показаны на рис. 13.19.

В состав RAN входят базовые станции (BTS), контроллеры базовых станций (BSC) и оборудование управления пакетной передачей данных (PCF). Базовые станции может содержать от трёх до шести секторов и связаны с контроллером базовых станций по первичному цифровому каналу 2,048 Мбит/с (T1/E1). Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими базовыми станциями, которые обеспечивают связь с абонентскими станциями через радиоинтерфейс, производит упаковку информации, передаваемой в PDSN и её распаковку при передаче в обратном направлении. Под управлением контроллера базовых станций осуществляются радиоизмерения в каналах радиосвязи, регулируется мощность передатчиков абонентских станций, реализуется процесс инициализации повторной передачи кадров, переданных с ошибками.

Рис. 13.19. Архитектура и интерфейсы RAN

Оборудование управления пакетной передачей данных (PCF) предназначено для того, чтобы в максимальной степени сделать подсистемы сети универсальными и стандартно применимыми в сетях передачи данных. Функции узла управления пакетами может выполнять отдельное устройство, но, как правило, узел интегрирован с BSC, задачи которого заключаются в обеспечении интерфейса обмена между BSC и PDSN (инкапсуляции пакетов), а также в контроле активности и управление режимами работы абонентов. Если абонентская станция находится в «спящем» режиме и получает прибывающий трафик, то PCF буферизирует эти данные и инициализирует вывод абонентской станции из этого режима. Таким образом, этот узел отвечает за режим неразрывной сессии связи (Always On), описанный далее.

При передаче данных в пакетном режиме участвует только сегмент PS ядра сети CN, который содержит оборудование аутентификации (Authentication), идентификации (Authorization) и учета (Accounting), т.е. − сервер(AAA), оборудование доступа к внутренним ресурсам (HA) и узел обслуживания пакетной передачи данных (Packet Data Service Node, PDSN). Последний представляет собой шлюз между RAN и IP сетью.

AAA серверы могут быть классифицированы на три категории: домашний AAA (HAAA), визитный AAA (VAAA) и брокер AAA (BAAA). PCN привязан к RAN через интерфейс A10/A11. Точкой соединения к RAN является PCF. Главная задача PCN заключается в том, чтобы обеспечить абонентской станции (терминалу) свободный доступ к сети IP. Чтобы обращаться к сети IP, абонентский терминал должен получить IP-адрес. Существует два метода, с помощью которых PCN может обеспечить абонентской станции доступ к IP сети: простой и мобильный. Отличием между ними является процедура, в ходе которой был получен IP-адрес, и способ, которым пакеты передаются между абонентским терминалом и IP сетью.

Простой IP доступ. Системная служба доступа динамически назначает IP-адрес абонентскому терминалу. IP-адрес остается неизменным, пока пользователь остается в географической зоне сети. Если он покидает эту зону, то должен получить новый IP-адрес, который является топологически правильным в новой зоне. Функциональная схема простого IP доступа показана на рис. 13.20.

Рис.13.20. Функциональная схема простогоIP доступа

Здесь P-P относится к интерфейсу между двумя PDSN, а P относится к пакетному интерфейсу, основанному на IP.

Мобильный IP доступ. Предполагает поддержку абонентским терминалом IP-адреса при перемещении из одной сети в другую. Назначает IP-адрес домашняя сеть, а не сеть системной службы доступа. Функциональная схема мобильного IP доступа представлена на рис 13.21. При поддержке мобильного IP доступа PCN также исполняет функции Foreign Agent (FA) и Home Agent (HA). Функцию FA выполняет PDSN.

Рис 13.21. Функциональная схема мобильного IP доступа

Отличием фрагмента сети, построенного на технологии коммутации пакетов (PS сегмент), является отсутствие узлов коммутации каналов. Здесь нет центра коммутации мобильной связи (MSC). Вместо него в сети появляется узел, отвечающий за коммутацию пакетов (PDSN) и обеспечивающий работу служб доступа к сетям передачи данных с коммутацией пакетов для мобильных пользователей интернета посредством маршрутизации IP-данных. Таким образом, PDSN является маршрутизатором доступа в интернет. Весь трафик пакетных данных сети проходит через PDSN. За установление связи между абонентским терминалом и PDSN отвечает протокол PPP (Point-to-point Protocol) – протокол «точка-точка» из набора TCP/IP, предназначенный для передачи IP-пакета по коммутируемым и выделенным телефонным каналам. PDSN передает информацию, полученную от абонентского терминала, к домашнему ААА серверу, который производит его аутентификацию. В зависимости от ответа домашнего сервера ААА, PDSN предоставляет или отказывает в услугах пакетной передачи абонентскому терминалу, обрабатывает и пропускает учетную информацию, полученную с PCF на домашний ААА сервер. PDSN имеет IP- адрес и работает как маршрутизатор, передавая пакеты в IP сеть или от IP сети. PDSN регистрирует и обрабатывает пакеты согласно профилю QoS (Quality of Service). Например, основываясь на IP-адресах и номерах портов источника и адресата, PDSN фильтрует поступающий трафик. После фильтрации RAN может обеспечить соответствующий QoS по интерфейсу Um. В случае простого IP обслуживания PDSN может назначить IP-адрес мобильной станции или подтвердить адрес, назначенный домашним ААА сервером. Для мобильного IP доступа PDSN поддерживает функции FA, такие как поддержка процедур мобильной IP регистрации, детуннелирование и передача пакетов абонентскому терминалу. Протокол IKE (Internet Key Exchang) FA устанавливает безопасную связь с HA. PDSN предоставляет абонентскому терминалу собственный динамический адрес и позволяет назначить адрес HA. В течение мобильной IP регистрации абонентский терминал может потребовать специфический IP-адрес, который был бы его собственным адресом, или может позволить HA назначить IP-адрес динамически. Точно так же абонентская станция может указать адрес ее HA. Если IP- адрес не определен, то он динамически назначается PDSN после того, как PDSN получает адрес от HAAA абонентской станции.

13.3.3. Особенности стандарта CDMA 2000 1xEV-DO [22]

Стандарт CDMA20001xEV-DO был принят в 2000 году Ассоциацией индустрии телекоммуникаций США (TIE). Высокая спектральная эффективность сегмента CDMA20001xEV-DO достигается благодаря использованию целого ряда усовершенствований:

q долгосрочной оценки параметров радиоканала и предсказания допустимой скорости передачи;

q адаптации параметров радиоинтерфейса (вида модуляции, относительной скорости кодирования и скорости передачи) в зависимости от ситуации, которая оценивается приемником абонентского терминала и по специальному каналу передается на базовую станцию;

q быстрого выбора обслуживающего сектора (ячейки) по наилучшему отношению сигнал/(шум+помехи);

q временного мультиплексирования (TDM) поверх кодового уплотнения каналов на линии «вниз», при котором системное время делится на кадры, состоящие из 16 временных интервалов (тайм слотов TS) длительностью 1.667 Мс. причем каждому из активных пользователей выделяется в кадре от одного до 16 TS;

q постоянной работе передатчиков базовых станций на максимальной мощности;

q специальных алгоритмов-планировщиков (Sheduling Algorithms) распределения TS между пользователями, которые позволяют реализовать потенциальную возможность увеличения суммарной пропускной способности сектора (Sector Aggregate Throughput) за счет использования разброса и колебаний по времени параметров радиоканалов различных пользователей (Multi-User Diversity);

q гибридной схемы автоматически повторяемого запроса H-ARQ (Automatic Repeat ReQuest) – автоматического запроса на повтор тех блоков данных, в которых обнаружены ошибки,и на переход к другим методам кодирования;

q малой мощности излучения передатчиков базовых станций при отсутствии передачи по каналу трафика на линии «вниз» (малой мощность излучения служебных каналов), что позволяет снизить внутрисистемные помехи.

В стандарте CDMA2000 1xEV-DO используется специфическая технология достижения высоких скоростей передачи данных. При этом учтена асимметричная природа передачи данных по сети IP. Известно, что существенно большие объемы данных передаются от сети к пользователю, чем от пользователя в сеть. Объем трафика по нисходящей линии по отношению к трафику в восходящей линии может изменяться в соотношениях от четырех к одному и до шести к одному, а в некоторых случаях − даже выше. Эта асимметричная картина учтена в технологии 1xEV‑DO, где применяются различные методы доступа к каналам передачи данных по линиям «вверх» и «вниз».

Для передачи данных по линии «вверх» в рассматриваемом стандарте используется классический множественный доступ с кодовым разделением каналов. При этом канал шириной в 1,25 МГц равнодоступен максимум 59 пользователям.

В линии «вниз» использован метод коллективного доступа с временным разделением каналов, что позволяет получить целый ряд преимуществ. Так, в любой момент времени обеспечивается передача полной мощности базовой станции единственному сетевому пользователю. Это определяет передачу пользовательских данных с самой высокой скоростью, достигающей пиковой величины 2,4 Мбит/c, за счет максимально возможного соотношения сигнал/шум на входе приемника терминала доступа.

В стандарте используется протокол IP для передачи данных «без шва» по сети интернет или любой частной IP сети. Поскольку в сети интернет также имеет место асимметричность потоков данных, (поток данных по линии «вниз» намного более высок, чем поток данных по линии «вверх»), эти потоки между терминалом доступа и приемопередатчиком базовой станции тоже являются асимметричными, что заложено в основу рассматриваемого стандарта.

Пиковые скорости передачи данных составляют:

q в канале «вниз» − 2457,6 кбит/с;

q в канале «вверх» − 153,6 кбит/с.

Скорость передачи данных автоматически устанавливается на основании уровня сигнала, измеренного терминалом доступа. Скорость передачи, которая фактически обеспечена для любого терминала доступа, определяется не только степенью его подвижности, но в значительно большей мере − условиями распространения радиоволн.

Структура прямого канала (линия «вниз») показана на рис.13.22. Данные в прямом канале передаются с использованием кодового разделения.

Пилотный канал использует нулевую функцию Уолша. Он используется для начальной синхронизации абонентской станции (автоподстройка фазы, частоты и времени задержки) и оценки параметров прямого канала приёмником абонентской станции. Синхронизация необходима для когерентного приёма сигналов. Измеряя мощность пилотных сигналов базовой станции, абонентская станция может использовать полученные данные при эстафетной передаче и регулировании мощности передатчика.

В сегменте 1xEV-DO в отличие от системы CDMA 2000 1x пилотный канал работает не непрерывно, а только в течение определённых временных интервалов.

Канал управления доступом к среде (Media Access Control, MAC) подразделяется на три канала: управления мощностью линии «вверх» (Reverse Power Control), активности (Reverse Activity) и блокирования управления скоростью (Data Rate Control Lock). Канал блокирования управления скоростью в обратном канале (канал «вверх») используется в кольце управления скоростью, а также при операции эстафетной передачи. Канал активности является общим каналом и используется для индикации степени загрузки линии «вверх». Канал управления мощностью обеспечивает управление мощностью линии «вверх».

Рис.13.22. Структура прямого канала (канала «вниз»)

Канал управления объединяет в себе функции каналов синхронизации и пейджинга. С его помощью абонентская станция получает информацию о точном времени в системе, базовых станциях и т.д.

Каналы трафика в отличие от системы CDMA 2000 1x представляют собой каналы многократного использования сектора, работающие в режиме временного мультиплексирования, который в каждый момент времени обслуживает только одного пользователя. Кодовое разделение позволяет определить конкретного пользователя, который в каждый момент времени обслуживается. Таким образом, в 1xEV-DO используется кодовое разделение каналов в режиме временного мультиплексирования.

Передача данных в канале «вниз» может быть осуществлена на фиксированных значениях скоростей, при этом используются различные типы модуляции и размеры пакетов (табл.13.4).

Передача на различных скоростях вызвана неодинаковыми требованиями к отношению сигнал/помеха для различных режимов. Такое решение позволяет рационально использовать радиоресурсы сети. Скорость назначается абонентам в зависимости от условий, в которых они находятся. Благодаря этому, количество ошибочных пакетов сокращается, и пропадает необходимость в повторной передаче.

Таблица 13.4

Скорость передачи, кбит/с	38,4	76,8	153,6	307,2	614,4	921,6	1228,8	1843,2	2457,6
Количество бит в пакете
Тип модуляции	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	QPSK	8-PSK	16-QAM
Скорость кода	1/5	1/5	1/5	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3

Временная структура линии «вниз» состоит из кадров (фреймов) длительностью 26,6 мс. Все кадры состоят из 16 слотов длительностью по 1,67 мс, что соответствует 2048 чипам. Структура временного слота изображена на рис.13.23.

Рис.13.23. Временная структура активного слота

Слот делится на два подслота, каждый из которых содержит пилотный канал PICH, располагающийся в центре подслота. Симметрично относительно пилотного канала располагаются по два канала управления доступом к среде MAC. В пассивном слоте данные могут отсутствовать. В эти моменты передаётся только служебная информация.

Структура обратного канала (линия «вверх») приведена на рис.13.24.

Данные в обратном канале передаются с использованием кодового разделения. Обратный канал состоит из канала доступа и каналов трафика.

Рис.13.24. Структура обратного канала (канала «вверх»)

Канал доступа необходим для обеспечения соединения абонентской станции с базовой станцией, для регистрации в сети и для передачи служебной информации, передаваемой абонентской станцией. Он состоит из пилотного канала и канала данных. Первый требуется для синхронизации, второй непосредственно для передачи сообщений.

Канал трафика используется для передачи пользовательской и служебной информации. Он состоит из пилотного канала, канала управления доступом к среде, каналов квитирования и данных. Канал управления доступом в свою очередь состоит из каналов индикации скорости и управления скоростью. С помощью первого абонентская станция сообщает скорость передачи данных в обратном канале. Второй используется в процедуре адаптивной модуляции и скорости, о которой будет сказано позже. Канал квитирования необходим для автоматически повторяемого запроса. Данные в канале «вверх» передаются со скоростями от 9,6 до 153,6 кбит/c. Начальная скорость передачи − 9,6 кбит/с. Впоследствии скорость передачи может быть увеличена или уменьшена в зависимости от загруженности базовой станции. Набор скоростей, поддерживаемых системой, приведён в Таблице 13.5.

Таблица 13.5

Скорость передачи кбит/с	9,6	19,2	38,4	76,8	153,6
Количество бит в пакете
Тип модуляции	BPSK	BPSK	BPSK	BPSK	BPSK
Скорость кода	1/4	1/4	1/4	1/4	1/2

В системе CDMA 2000 1xEV-DO быстрая повторная передача кадров, принятых с ошибками, принципиально важна для поддержания высокой скорости передачи данных. Отличительной особенностью этой системы является то, что гибридная схема автоматически повторяемого запроса используется на физическом уровне. Это позволяет существенно повысить скорость обмена информацией. Для реализации её механизма в линии «вверх» появляется канал квитирования. Если абонентская станция получает пакет с ошибками и не может его исправить, то она по каналу квитирования передаёт «1», которая сигнализирует базовой станции о необходимости повторения передачи. Соответственно, испорченные пакеты не проходят на более высокие уровни.

Гибридная схема автоматически повторяемого запроса тесно связана с понятием мультислотовой передачи и осуществляется при помощи чередования 4-х слотов. Таким образом, три интервала по 1,67 мс разделяют моменты передачи слотов, входящих в мультислотовый пакет, что обеспечивает время, необходимое абонентской станции для декодирования части принятого пакета и посылки подтверждения на базовую станцию (сектор) по каналу квитирования линии «вверх». Если сигнал подтверждения получен для всех выделенных слотов, то оставшиеся слоты не передаются и освободившиеся интервалы времени могут быть выделены для передачи других пакетов, в том числе для других пользователей. Досрочное прекращение передачи многослотового пакета увеличивает суммарную скорость передачи данных в системе.

Информация для определённого пользователя передаётся в первом, пятом, девятом и тринадцатом слотах. Промежуток в три слота используется для других абонентов. Он необходим пользователю для демодуляции, декодирования пакета и передачи сообщения по каналу квитирования. Если происходит многократная ошибка, и абонентский терминал пользователя не способен восстановить часть пакета или пакет, то по каналу квитирования передается «1» и передача повторяется.

Чередование четырёх слотов образует четыре независимых потока, каждый из которых может быть использован для передачи пакетов одному или нескольким пользователям одновременно. Последовательная доставка пакетов на более высокие уровни стека протоколов осуществляется благодаря расшифровке преамбулы каждого пакета. Следует отметить, что канал квитирования оказывает минимальное влияние на пропускную способность линии «вверх», так как практически одновременно только один канал квитирования является активным.

В системах подвижной связи ситуация в радиоканалах постоянно меняется в зависимости от характера перемещения абонентской станции, рельефа местности, растительности, окружающей застройки, расстояний до базовой станции, метеоусловий и многих других факторов. Уровень сигнала и соотношение сигнал/помеха подвержены особенно интенсивным колебаниям в условиях плотной городской застройки из-за многолучевого распространения радиоволн. Радиоканалы становятся подвержены изменениям, даже если абонент не перемещается.

Каждая абонентская станция ведёт постоянный анализ сигнальной ситуации в радиоканале и, в частности, принимаемой мощности сигнала от базовой станции. На основе данных анализа абонентская станция определяет оптимальный вид модуляции, скорость кодирования и оценивает возможное значение скорости передачи данных.

Схема управления скоростью передачи приведёна на рис.13.25.

Предположим, что абонент «закачивает» файл данных, открывает страницу интернета. Соотношение сигнал/помеха в радиоканале «вниз» оценивается по пилотному каналу. Абонентская станция выбирает базовую станцию, которая обеспечивает самое высокое качество приёма данных. Ввиду временной задержки от момента оценки канала связи до момента его использования для передачи информации необходимо прогнозирование (предсказание) состояния радиоканала на момент передачи данных. Максимально возможная скорость передачи данных определяется по пороговому значению отношения сигнал/помеха. Далее абонентская станция по каналу управления скоростью посылает индекс управления скоростью передачи данных DRC (Data Rate Control). В соответствии с этим индексом назначаются скорость, размер пакета и количество тайм-слотов. Этот запрос абонентская станция может посылать каждые 1,67 мс.

Рис.13.25. Схема управления скоростью передачи

Во время сеанса связи производится расчёт отношения PER (Packed Error Rate) количества пакетов, принятых с ошибками, к общему количеству принятых пакетов. В зависимости от этого значения корректируется скорость передачи данных в канале трафика, которая может изменяться в течение одного сеанса множество раз. Это особенно полезно в условиях быстрых замираний. Алгоритм динамического изменения скорости повышает эффективность передачи, так как уменьшается число ошибочных пакетов и повторов передач.

Временное разделение каналов на линии «вниз» позволяет программно управлять пропускной способностью. Основное назначение программы – максимизация средней пропускной способности. Помеховая ситуация в канале пользователя представляет собой первичный фактор при определении скорости передачи данных, которую он может получить. Как уже отмечалось, в течение одного сеанса связи динамически изменяется скорость передачи данных. На базовой станции установлена программа распределения пропускной способности. Она учитывает скорости передачи, запрашиваемые различными пользователями, и решает, какой из них будет обслуживаться в каждый конкретный момент времени с требуемой скоростью.

Приоритет каждого отдельного пользователя зависит от следующих факторов:

q превышения величины запрашиваемой скорости относительно остальных пользователей;

q превышения величины запрашиваемой скорости относительно средней скорости рассматриваемого мобильного терминала (МТ);

q времени, прошедшего с момента поступления запроса.

Когда несколько пользователей ожидают возможности передачи информации, условия приёма в каждом конкретном случае могут быть разными. Базовая станция может выделять тайм-слоты в первую очередь тем МТ, для которых в данный момент сложились наиболее благоприятные условия в расчёте на то, что для других МТ через некоторое время условия в радиоканале улучшатся.

Алгоритм, предусмотренный в CDMA2000 1xEV-DO, позволяет использовать преимущества динамического изменения скорости передачи данных. При имеющемся отношении сигнал/помеха в радиоканале для каждого пользователя осуществляется доставка данных на соответствующих пиковых скоростях передачи. Если значение отношения сигнал/помеха в радиоканале ниже минимально допустимого, доставки данных не происходит.

Например, условия радиосвязи приводят к тому, что у одного из пользователей скорость передачи колеблется между низкими и высокими значениями при среднем значении 614,4 кбит/с. В системе CDMA2000 1xEV-DO для этого пользователя будет установлено минимально допустимое значение скорости передачи равное среднему значению. Если при текущем отношении сигнал/помеха эта скорость передачи не может быть реализована, пакеты не передаются.

Для пользователей, которые находятся в худших условиях, предусмотрено постепенное увеличение их приоритета. Чем больше прошло времени с момента запроса, тем выше приоритет. Программа учитывает совокупность всех факторов и решает, какой пользователь будет обслужен первым. Алгоритм рассчитан на то, что пользователи с высоким отношением сигнал/помеха будут обслужены раньше и с большей скоростью. Тем самым, быстрее завершается сеанс передачи данных и, как следствие, улучшается помеховая обстановка для других пользователей. Эффективность алгоритма повышается при увеличении количества подвижных пользователей, состояние радиоканала которых постоянно меняется. Однако, для пользователей, находящихся длительное время в сложной сигнально-помеховой обстановке, алгоритм распределения пропускной способности не в состоянии обеспечить бесперебойную радиосвязь.

Применение программы управления пропускной способностью характерно при передаче данных. Ее использование в системах с голосовым трафиком менее эффективно. Это вызвано тем, что для речевых услуг недопустимо превышение заданного времени задержки при передаче пакетов по сети.

Обмен данными происходит по радиоканалу, поэтому важными являются вопросы безопасности, для достижения которой в радиосети CDMA 2000 1xEV-DO используются новейшие алгоритмы. Для шифрования данных используется «Усовершенствованный стандарт шифрования» (Advanced Encryption Standard, AES), сочетающий в себе простоту и высокую производительность. Процедуры аутентификации включаются сразу после включения питания абонентского терминала (АТ), который в нашем случае состоит из ноутбука (TE) и мобильного терминала (MT).

После включения питания абонентский терминал приступает к инициализации, в течение которой происходит определение типа системы, начальная синхронизация по сигналу пилотного канала, выделение синхросигнала и подстройка системного времени. Далее включается процесс аутентификации в сети CDMA 2000 1xEV-DO. Процесс аутентификации и перехода в режим шифрации приведён на рис.13.26.

При первом подключении АТ обращается к сети, используя свой внутрисистемный номер (IMSI), присваиваемый абоненту оператором. По нему RADIUS сервер находит данные об абоненте: секретные ключи и список услуг, на которые подписан абонент. Затем инициализирует процесс обмена ключами, который основан на протоколе передачи секретных ключей с использованием алгоритма шифрования с открытым ключом (Diffie-Hellman). RADIUS сервер формирует случайное число ANRand и рассчитывает первый открытый ключ:

,

где величины и рассчитываются на основе секретного ключа и внутрисистемного номера IMSI. Этот открытый ключ посылается ниже и вкладывается в сообщение обмена ключами. Получив это сообщение, АТ начинает формировать ответ. Генерируется случайное число ATRand и рассчитывается второй открытый ключ: , где величины g и p рассчитываются на основе секретного ключа и внутрисистемного номера IMSI и соответствуют одноимённым величинам, приведённым выше. Этот ключ вкладывается в сообщение ответа.

Рис.13.26. Процесс аутентификации

Далее происходит расчёт сессионного ключа (SKey). В абонентском терминале и RADIUS сервере он производится соответственно по формулам:

,

.

Если абонент подлинный и знает секретные данные, то сессионные ключи должны совпасть. С помощью них происходит шифрование и формирование ключей аутентификации, которые рассчитываются на обеих сторонах. При их совпадении разрешается процедура назначения IP-адреса.

Для обеспечения надёжной защиты передаваемой по радиоканалам информации система безопасности должна обеспечить некоррелированность формирования ключей, сгенерированных для различных запросов и ответов как одного абонента, так и для запросов и ответов разных абонентов. Выполнение этих требований гарантирует получение независимых сессионных ключей и обеспечивает необходимую стойкость алгоритма шифрования. Если требуется большая безопасность, то возможно применение различных технологий защиты, используемых в интернете. Отдельные файлы можно зашифровывать различными программами. Существуют технологии построения виртуальных сетей, благодаря которым обеспечивается большая защита трафика на всём пути его следования.

После аутентификации происходит процесс назначения IP-адреса. Этот процесс распределения IP-адресов показан на рис.13.27. Абонентский терминал (АТ) запрашивает через базовую станцию соединение с сетью передачи данных (шаг 1). Контроллер базовой станции запрашивает от RADIUS сервера настройки данного АТ, при помощи которых он определяет, имеет ли устройство статический IP-адрес или требует динамического назначения (шаг 2). Если абонентский профиль указывает на динамическую адресацию, то контроллер базовой станции отправляет команду DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) серверу, в котором производится процесс выделения IP-адреса и формирование ответа, направляемого обратно в контроллер базовой станции (шаг 3). Информация об адресе сохраняется на время сессии в RADIUS сервере. Конечным шагом процесса является доставка IP-адреса по радиоинтерфейсу абонентскому устройству (шаг 4). Если абонентский профиль сконфигурирован статическим адресом, то запроса к серверу динамической конфигурации не происходит. IP-адрес может назначаться на всё время нахождения пользователя в сети или на время, определяемое значением таймера. Каждый раз по истечении времени таймера будет назначаться новый адрес. Время таймера – конфигурируемый параметр. Как только IP-адрес назначен, абонентский терминал может начать передачу или приём информации, или перейти в «спящий» режим.

Рис.13.27. Процесс назначения IP-адресов

Система CDMA 2000 1xEV-DO использует интернет как среду распространения и, соответственно, поддерживает все сетевые услуги и протоколы, совместимые с протоколом интернета. Иерархия протоколов показана на рис.13.28.

Рис. 13.28. Иерархия протоколов при работе в режиме мобильного интернета

На рис.13.28 изображена многоуровневая модель взаимодействия сети CDMA 2000 1xEV-DO. При передаче на следующий уровень данные проходят процедуру инкапсуляции, которая представляет собой процесс преобразования, позволяющий осуществить передачу данных через сеть в прозрачном режиме. Формирование инкапсулированного пакета осуществляется путём добавления к нему заголовка и вспомогательной информации. При передаче в сетях с многоуровневой иерархией инкапсулированный пакет содержит несколько заголовков разного уровня. Заголовок содержит информацию, которая является полезной только для соответствующего уровня в каждом сетевом объекте на пути следования данных. Когда пакет будет доставлен получателю и начнёт подниматься по смежным уровням, заголовки соответствующих уровней будут последовательно удаляться.

Протокол беспроводного доступа CDMA 2000 1xEV-DO (Airlink 1xEV-DO) и протокол радиолинии RLP являются физическим уровнем в модели взаимодействия открытых систем OSI. Они создают интерфейсы для подключения систем к физическим средствам соединения (радиоканалу) и передачу последовательности битов. Первый из них также выполняет функцию обнаружения и исправления ошибок. С помощью протокола радиолинии данные от различных АТ собираются в цифровые потоки на линии «вверх». АТ соединён с узлом сервиса пакетной передачи данных по протоколу двухточечного соединения PPP. На этом уровне используется проверка ошибок с помощью циклического избыточного кода CRC.

Интернет – протокол является базовым и соответствует третьему (сетевому) уровню модели OSI. С помощью него создаются виртуальные пути для передачи данных. Сам протокол не исправляет ошибки, а только сообщает об их появлении.

Протокол TCP управления передачей соответствует транспортному уровню, с помощью которого реализуется организация сеанса связи между двумя пользователями в сети. Кроме того, в его функции включается исправление ошибок и, что очень важно, отслеживание прохождения данных по сети. TCP также служит для организации повторной передачи потерянных данных. Протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol) относится к протоколам без установления логического соединения и предназначен для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, входящих в единую сеть с коммутацией пакетов. В отличие от протокола TCP, в протоколе UDP отсутствует подтверждение приёма блоков данных, что делает его намного более простым, но менее надёжным, причем его преимущество заключается в меньшем времени обработки, и следовательно, в малом времени задержки. Оба этих протокола опираются на услуги IP. На этом уровне информация из дейтаграмм посылается в прикладной программе адресату. На прикладном уровне выполняется управление заданиями, идентификация пользователей по паролям, адресам, электронным подписям. Система использует стандартные протоколы OSI и обладает прозрачностью.

Всех абонентов сети, работающих в режиме мобильного интернета, можно разделить на активных и пассивных (бездействующих). Активные принимают или передают информацию в данный момент. Пассивные не передают и не принимают информацию, например, пользователь может просматривать «закачанную» из интернета страницу. В пассивном (спящем) режиме пользователь не задействует радиоресурс сети. Благодаря этому увеличивается пропускная способность сети. Однако, находясь в пассивном режиме, пользователь должен постоянно быть «на связи», а система должна быть способной быстро восстановить необходимое соединение.

Ранее отмечалось, что АТ входит в пассивный («спящий») режим в зависимости от состояния двух таймеров. Один из них находится в мобильном устройстве и может быть настроен пользователем, второй – в сети и контролируется оборудованием управления пакетной передачей данных PCF. По истечении наименьшего времени одного из таймеров абонентский терминал переходит в пассивный режим. Данные, необходимые для восстановления соединения (IP-адрес, состояние радиосеанса и PPP), хранятся в PCF, где сохраняется информация о режиме работы каждого пользователя в данный момент времени. Если устройству, находящемуся в «спящем» режиме, присылается информационный пакет, PCF сохраняет его в своём буфере и даёт команду контроллеру базовой станции на установление канала передачи данных. При этом у АТ сохраняются прежние параметры сеанса связи. Благодаря этому экономится ресурс сети и практически мгновенно восстанавливается соединение. Возможна ситуация, когда восстановление связи невозможно, потому что сеанс PPP был разорван. Это сигнализирует о том, что абонентский терминал был выключен пользователем или вышел из зоны действия сети. В этом случае переданные пакеты вернутся в маршрутизатор по маршруту «Black Hole Route» [39], т.е. исчезнут по прошествии некоторого времени.

13.3.4. Особенности стандарта W-CDMA [21]

Стандарт W-CDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра частот (DS-CDMA). Сети W-CDMA развертывают поверх работающих сетей GSM. Обобщенная архитектура системы W-CDMA/GSM представлена на рис. 13.29.

Рис. 13.29. Архитектура сети W-CDMA/GSM

Ядро CN сети, в которую входят домашний регистр HLR, коммутаторы каналов MSC/VLR, GMSC и коммутаторы пакетов SGSN, GGSN, является общим. В связи с этим основные процедуры протоколов мобильности (Mobility Management, ММ): подключение абонентов к сети, аутентификация абонентов, локализация абонентов и протоколов организации вызовов (Call Control, СС) и услуг (Communication Management, СМ) в сетях W-CDMA схожи с аналогичными процедурами стандарта GSM. К существующей в GSM подсистеме пользовательских услуг и коммутации подключены как действующие подсети базовых станций GSM BSS, так и наложенные на них новые сети радиодоступа UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).

В состав UTRAN ходят контроллеры RNC (Radio Network Controller) и узлы базовых станций. Узел В (Node B) − элемент сетевой инфраструктуры W-CDMA, выполняющий ту же роль, что и базовая станция в сети GSM. В свою очередь Node B может состоять из одной (в несекторизованных сотах) или трех (в секторизованных сотах) BS. В мобильную станцию UE (User Equipment) вставляют USIM (Universal SIM) карту. Как и в GSM, в USIM записаны индивидуальный номер абонента IMSI и временные номера TMSI, P-TMSI, которые присваиваются абоненту на время сеанса связи.

Базовый вариант W-CDMA предусматривает передачу информации с чиповой скоростью 3,84 Мчип/с в полосе 5 МГц при дуплексном разносе сигналов двух направлений 190 МГц. Стандарт W-CDMA работает совместно с сетями GSM и обеспечивает хэндовер. Управление мощностью ведется с шагом 0,25…1,5 дБ со скоростью 1,6 кбит/с. В системе используется когерентный прием в прямом и обратном каналах связи, что приводит к увеличению общей зоны охвата сетью и обеспечивает повышение пропускной способности обратного канала связи.

Другой важнейшей характеристикой стандарта W-CDMA является кодовая структура. Передача по всем каналам синхронизирована во времени. Поток данных разбивают на отдельные сегменты, внутри которых производят предварительную обработку сигналов.

Базовая длительность кадра составляет 10 мс. Кадр разбивают на 15 временных интервалов TS длительностью 2/3 мс (рис.13.30). Каждый TS содержит 2560 чипов. При SF=256 в TS можно передавать 10 символов. Кадры объединяются в суперкадры (в одном суперкадре 72 кадра). Длительность суперкадра составляет 720 мс, а это длина 6 мультикадров канала трафика стандарта GSM (см. п.13.2.1).

Рис. 13.30. Временные характеристики W-CDMA

Для разделения каналов в W-CDMA применены каналообразующие ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения SF (Orthogonal Variable Spreading Factor Code, OVSF). Коды берутся из кодового дерева, которое формируется по алгоритму Адамара. Важно отметить, что код, генерированный кодовым деревом, не может быть выбран, если на пути от него до корня дерева существует хотя бы один уже используемый код. Каждый уровень кодового дерева определяет кодовое слово длиной SF (коэффициент расширения спектра). Полное кодовое дерево состоит из 8 уровней, что соответствует коэффициенту SF=256. На рис. 13.31 представлена начальная структура кодового дерева.

На каждом уровне возможное число каналообразующих кодов увеличивается вдвое. Таким образом, канальное дерево позволяет генерировать ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения SF (OVSF). Эти коды зависят от коэффициента расширения и от скорости передачи в канале.

Рис. 13.31. Принцип формирования каналообразующих кодов

Кроме каналообразующих, в W-CDMA применяют различные скремблирующие коды – «длинные» и «короткие». Чиповая скорость скремблирующих кодов, как и каналообразующих, составляет 3,84 Мчип/с.

«Длинные» скремблирующие коды каналов «вниз» представляют собой коды Голда, которые образуются путем сложения по двух различных М- последовательностей. Обе последовательности имеют одну и ту же длину L, и их вырабатывает один тактовый генератор. Результирующая последовательность также является М -последовательностью длиной L. Меняя начала циклических сдвигов последовательностей, получаем последовательностей Голда. Период «длинного» кода ограничен длиной кадра (10 мс). В направлении «вниз» используются 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» используются скремблирующих кодов. «Короткие» коды (кодыКасами длиной 256 чипов) используют, если выполняется многопользовательское (совместное) детектирование. Использование «короткого» кода требует кодового планирования сети.

Характеристики каналообразующих и скремблирующих кодов и их использования сведены в Таблице 13.6.

Таблица 13.6

	Каналообразующие коды	Скремблирующие коды
Назначение	«Вверх»: разделение каналов данных и управления одного UE.	«Вверх»: разделение UE.
«Вниз»: разделение каналов различных пользователей.	«Вниз»: разделение секторов (сот).
Длина	«Вверх»: 2–256 чипов.	«Вверх»: 38400 (10 мс) или 256 (0,667 мс) чипов. 256 чипов применяют, когда на BS стоят приемники с взаимным подавлением сигналов других каналов передачи.
«Вниз»: 4–512 чипов.	«Вниз»: 38400 чипов.
Число кодов	SF (коэффициент расширения с одним скремблирующим кодом).	«Вверх»: свыше кодов. «Вниз»: 8192 кодов.
Тип кода	Ортогональный с переменным коэффициентом расширения	«Длинные»: коды Голда. используются в канале «вниз» для разделения базовых станций. «Короткие»: коды Касами, используются в канале «вверх».

В W-CDMA для передачи информации и сигнализации используют каналы трех уровней: физический (L1), канальный (L2) и сетевой (L3) (рис.3.32).

На физическом уровне (L1) формируют физические каналы. Этот уровень определяет модуляцию, кодирование и временную структуру передаваемых кадров.

Рис. 13.32. Архитектура протоколов радиоинтерфейса W-CDMA

На канальном уровне (L2) существуют транспортные и логические каналы. Уровень L2 подразделяется на два подуровня: MAC и RLC. Физический уровень предоставляет услуги MAC подуровню через транспортные каналы. В свою очередь MAC подуровень предоставляет услуги подуровню RLC через логические каналы.

Подуровень MAC выполняет следующие функции:

q прикрепление логических каналов к соответствующим транспортным;

q выбор формата передачи в зависимости от скорости передачи источника информации;

q управление приоритетами;

q распределение канального ресурса между отдельными абонентами на общих транспортных каналах;

q мониторинг объема передаваемой информации;

q шифрование сообщений, если логический канал при передачи трафика прозрачен для RLC;

q коммутация пакетов сообщений с одного типа транспортного канала на другой.

RLC подуровень предоставляет услуги протоколам более высоких уровней. При передачи сигнализации протоколы RLC подуровня обрабатывают сигналы сетевого (L3) уровня RRC (Radio Resource Control). Процедуры RRC обеспечивают выделение канального ресурса и передачу сообщений сигнализации более высоких уровней.

При передаче данных могут быть задействованы протоколы PDCP (Packet Data Convergence Protocol) и BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol). PDCP используются только для обработки пакетов данных при пакетной передаче. Он уменьшает заголовки пакетов и нумерует их при передаче с подтверждением. BMC обрабатывает пакеты, которые передаются по каналам общего и группового вещания.

На подуровне RLC выполняют:

q сегментацию и объединение данных;

q формирование пакетов и их заполнение;

q обеспечение требуемого режима передачи;

q повторную передачу при наличии ошибки;

q обеспечение последовательности передаваемых пакетов;

q шифрацию при пакетной передаче данных.

В W-CDMA используются три варианта обработки пакетов на RLC подуровне. При передаче информации потокового или разговорного классов, как правило, используют логические каналы прозрачные для RLC. Для передачи пакетов возможны режимы без подтверждения и с подтверждением. При передаче без подтверждения доставка данных не гарантируется. При передаче с подтверждением обеспечивается доставка пакетов без ошибок за счет алгоритма автоматического повторения передачи.

При передаче сообщений сигнализации подуровень RLC обеспечивает сигнальный сквозной радиоканал SRB (Signaling Radio Bearer). При передаче трафика обеспечивается сквозной радиоканал RB (Radio Bearer). Если при передаче участвуют протоколы PDCP или BMC, то они задействованы в создании RB.

Основные параметры стандарта W-CDMA приведены в Таблице 13.7.

Таблица 13.7

Параметр	Значение
Диапазон частот, МГц	Парные (симметричные) полосы частот: передача MS 1920-1980 передача BS 2110-2170
Минимальный частотный разнос между несущими частотами, МГц
Сетка частот, кГц
Скорость передачи	В W-CDMA R’99. максимальная скорость передачи данных: в канале «вверх» - 384 Кбит/с; в канале «вниз» - 7,2 Мбит/с при использовании технологии HSDPA
Чиповая скорость	3,84 Мчип/с
Радиус соты	1-1,5 км

13.3.5. Особенности технологии W-CDMA/HSDPA [21]

Технология высокоскоростного пакетного радиодоступа в линии «вниз» HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) представляет собой усовершенствованную технологию W-CDMA, в которой за счет использования высокоэффективных методов модуляции и турбокодирования обеспечивается скорость передачи более 10 Мбит/с в линии «сеть-абонент». Эта технология призвана повысить производительность сети именно за счет более эффективного использования радиоканала, в частности, сокращением задержек при передаче пакетов. Технология HSDPA во многом близка к пакетной передаче данных, которая используется в стандарте GSM с применением технологии GPRS/EDGE. Передача ведется отдельными пакетами, в зависимости от состояния трассы применяют различные модуляционно-кодирующие схемы и повторную передачу непринятых пакетов.В технологии HSDPA отсутствуют две основные особенности W-CDMA: изменяемый коэффициент расширения спектра (variable SF) и быстрое управление мощностью. Вместо этого используется адаптивная модуляция и кодирование AMC (Adaptive Modulation and Coding), короткий размер пакета, мультикодовый режим и автоматический повтор запроса. АМС дает эффективный выигрыш в мощности за счет исключения расходов на управление мощностью. Коэффициент расширения спектра зафиксирован на SF = 16, это дает хорошее разрешение скорости. Размер пакета уменьшен с 10–20 до 2 мс (это соответствует трем TS), чтобы увеличить канальную скорость и повысить эффективность АМС.

Для получения высоких пиковых скоростей используют модуляцию 16-КАМ. При сочетании 16-КАМ и канального кодирования со скоростью достигают пиковой скорости передачи данных 712 кбит/с. В наиболее помехозащищенном варианте передачи используют 4-ФМ со скоростью кодирования 1/4, но при этом скорость передачи данных уменьшается до 119 кбит/с. Комбинация модуляции и кодирования определяет транспортный формат и канальный ресурс (Transport Format Resource Combination, TFRC). Возможные варианты TFRC приведены в Таблице 13.8.

Таблица 13.8

TFRC	Модуляция	Эффект. скорость кода	Скорость передачи данных (1 код) кбит/с	Скорость передачи данных (5 кодов) Мбит/с	Скорость передачи данных (15 кодов) Мбит/с
	4-ФМ	1/4		0,6	1,8
	4-ФМ	1/2		1,2	3,6
	4-ФМ	3/4		1,8	5,3
	16-КАМ	1/2		2,4	7,2
	16-КАМ	3/4		3,6	10,7

Для повышения скорости передачи одному абоненту можно выделять несколько кодов, максимально 15. При выделении 15 кодов одному пользователю можно достичь пиковой скорости 10,7 Мбит/с.

Скорости передачи и число кодов для конкретного абонента BS выбирает, анализируя сообщения, которые поступают от UE по выделенным каналам управления. UE постоянно сообщает BS о изменениях отношения сигнал/помеха, которое меняется во времени из-за перемещения абонента и замираний сигнала. BS выбирает для передачи пакетов конкретной UE моменты наилучших условий приема, что повышает общую пропускную способность сети и снижает задержки при передаче.

HSDPA поддерживает два алгоритма повторной передачи данных:

q повторение попытки (chase combining, СС). В этом случае мобильная станция принимает пакет и проверяет его на наличие ошибок. Если ошибки обнаружены, то их исправляют, используя избыточное кодирование. В случае, когда ошибки невозможно исправить, UE посылает отчет о неполучении информации, запрашивая ее повторную передачу. Пакет, который был принят с ошибками, не удаляют, а сохраняют в буфере UE. Получив повторно переданный пакет, UE вновь проверяет его на ошибки. При наличии таковых его объединяют со старым пакетом из буфера, что при использовании турбокодирования значительно повышает вероятность исправления ошибок.

q возрастающую избыточность (incremental redundancy, IR). Данный алгоритм состоит в том, что каждый повторно передаваемый пакет не просто вновь пересылают по радиоканалу, а кодируют всякий раз по-разному. При новом кодировании в процессе перфорации выбрасывают другие биты, не те, что были перфорированы в предыдущей передаче. В результате декодер получает существенную дополнительную информацию, что улучшает процесс декодирования. Однако использование алгоритма IR требует увеличения объема буфера данных в UE. Передачу пакета повторяют до тех пор, пока он не будет принят без ошибок, либо не будет превышено максимально допустимое число повторных передач.

В HSDPA информацию «вниз» передают по высокоскоростному физическому каналу пакетной передачи HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel)в виде пакетов длительностью 2 мс. Для приема этой информации UE прослушивает специальный высокоскоростной общий канал управления HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel). По нему мобильной станции передают быстроменяющиеся параметры канала HS-PDSCH. В обратном направлении каждой мобильной станции (UE) выделяют специальный физический канал управления «вверх» для сигнализации обратной связи HS-DPCCH (Dedicated Physical Control Channel Uplink) с целью передачи в сеть подтверждений о приеме пакетов и информации об оптимальном TFRC по измерениям сигнала и помех на входе приемника UE.

Временные соотношения между каналами в сети строго фиксированы (рис. 13.33).

Информацию о передаче пакета UE получает по каналу HS-SCCH. Абонентская станция может принимать одновременно до 4 каналов HS-SCCH, выделяя из них тот, по которому передают информацию, предназначенную ей.

Особенностью HSDPA является то, что идентифицировать UE можно уже по первому таймслоту субкадра HS-SCCH. Поэтому информацию о субкадре конкретному абоненту начинают передавать на два TS раньше, чем сам субкадр по каналу HS-PDSCH, так что он наложен на субкадр HS-SCCH одним таймслотом. Первый таймслот субкадра HS-SCCH содержит информацию о предоставленных абоненту кодах (7 бит) и схеме модуляции (1 бит), так что после декодирования этих данных абонентская станция готова к приему пакета трафика. Два других таймслота пакета HS-SCCH содержат следующую информацию:

q размер транспортного блока;

q данные об избыточности и виде созвездия модуляции;

q индикатор нового сообщения.

Рис. 13.33. Структура каналов при HSDPA

После того как мобильная станция приняла кадр HS-PDSCH, она по каналу HS-DPCCH отправляет на Node B подтверждение АСК о приемеили отчет NACK о неполучении в случае наличия ошибок в кадре. На подготовку отчета UE отводят 5 мс. Информация об отчете передается в первом таймслоте канала HS-DPCCH, а в двух других UE передает информацию о состоянии канала CQI (Channel Quality Indicator).

При реализации HSDPA возрастает поток информации между Node В и RNC, меняется сигнализация по протоколу RRC. Существенно увеличивается объем программного обеспечения в Node B. Канальный ресурс в соте по-прежнему распределяет RNC. Он выделяет коды каналам HS-PDSCH и HS-SCCH, но пакеты для передачи по этим каналам расставляет BS. Кроме того, BS буферизирует пакеты, передаваемые абонентам, ведет учет их времени пребывания в буфере, организует их повторную передачу.

Несомненным плюсом технологии HSDPA является то, что дальность связи практически равна зоне покрытия базовой станции. Минусом является то, что высокая скорость передачи данных доступна только в направлении от базовой станции к мобильным абонентам, а для отправки данных в направлении от мобильных абонентов к базовой станции возможна максимальная скорость передачи данных до 384 кбит/с. Этот недостаток планируется устранить применением технологии высокоскоростного пакетного радиодоступа в линии «вверх» HSUPA (High Speed Uplink Packet Acces s).

13.4. Технология и архитектура сетей LTE [19,28,42]

В 2006 году была разработана спецификация на радиоинтерфейс E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access), а в 2008 году утверждена версия стандартов 3GPP Release 8, фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE (Long Term Evolution). Стандарт LTE базируется на технологиях мультиплексирования посредством ортогональных несущих OFDM, применения многоантенных систем MIMO и построения эволюционной системной архитектуры сети (System Architecture Evolution).

По сравнению с ранее разработанными системами 3G, радиоинтерфейс LTE обеспечивает улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE полоса частот канала связи может варьироваться от 1,4 (по некоторым источникам – от 1,25) до 20 МГц, что позволит удовлетворить потребности разных операторов связи. При этом оборудование LTE должно поддерживать не менее 200 активных соединений в зонах обслуживания базовых станций сети на 5 МГц полосы частот канала связи. Ожидается, что LTE улучшит эффективность использования радиочастотного спектра и, соответственно, возрастет объем передаваемых данных, а скорость их передачи при полосе частот канала связи 20 МГц составит 50 Мбит/с для восходящего соединения (от абонента к базовой станции) и 100 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту). При этом возможна будет связь в движении со скоростью до 350 км/ч.

Разработка стадарта LTE является важным этапом в процессе перехода к сетям четвертого поколения (4G), которые будут обеспечивать максимальную скорость передачи данных в прямом радиоканале до 1 Гбит/с, в обратном – до 500 Мбит/с; занимать полосы частот в радиоканале «вниз» до 70 МГц, в радиоканале «вверх» – до 40 МГц; обеспечивать коэффициент использования спектра частот в радиоканале «вниз» до 30 бит/с/Гц, в радиоканал