11.3) Эволюция стандарта is-95 в cdma2000. Принципы построения и архитектура. Отличительные особенности.
Для увеличения скорости передачи системы с кодовым разделением без потерь или с выигрышем в абонентской емкости необходимо дальнейшее расширение спектра. Предусмотренная концепцией 3Gполоса в 5 МГц, согласно спецификациям 3GPP2, может использоваться в одном из двух параллельных вариантов: традиционного прямого расширения спектра (DSSS) и многочастотном (multi-carrier – МС).
При прямом расширении частота чипов, принятая в IS-95, утраивается и составляет 3x1,2288=3,6864 Мчип/с.
В многочастотном варианте используется передача на трех несущих сдвинутых на 1,25 МГц. Сигнал, передаваемый на каждой из несущих, подобен сигналу IS-95, т.е. образуется прямым расширением последовательностью чипов со скоростью 1,2288 Мчип/с и имеет полосу 1,25 МГц. При этом входной поток данных расщепляется на три параллельных потока втрое меньшей скорости, каждый из которых передается по своему каналу. Понятно, что многочастотная версия особенно удобна с точки зрения преемственности в отношении системыIS-95, имея в основе, по существу, дублирование каналов последней.
Примерные спектры сигнала для двух вариантов построения радиоинтерфейса показаны на рисунке 11.2
|
|
|
Рисунок 11.2 – Спектры сигналов cdma2000
|
При прямом расширении одни и те же данные могут быть канализированы различными ортогональными кодами и параллельно переданы через разные антенны, так что МС окажется в состоянии раздельно принять соответствующие сигналы и осуществить их комбинирование с целью нейтрализации эффектов замираний.
При многочастотном режиме тот же результат может быть достигнут за счет передачи сигналов разных несущих разными антеннами.
Этот стандарт, продвигаемый американским оператором Qualcomm, является основным конкурентом европейской версии UMTS. Работа по стандартизации CDMA2000 координируется группой Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2, группа развития CDMA (CDMA Development Group) обращается за советами к 3GPP2).
Несмотря на то, что стандарты «W-CDMA» и «CDMA2000» имеют общую аббревиатуру в своих названиях, это совершенно разные системы, использующие различные технологии. Тем не менее, есть надежда, что мобильные терминалы, работающие в этих несовместимых стандартах, когда-нибудь научатся «общаться» друг с другом.
CDMA2000 имеет 2 фазы развития: первая 1XRTT, также известная как 1X, обеспечивает скорость передачи данных до 144 Кбит/с, и может быть усовершенствована до второй фазы — 3XRTT (или 3Х), где скорость достигает 2 Мбит/с.
Другая эволюционная ступень подразумевает 2 стандарта CDMA2000 1X EV («EV» = «Evolution», «эволюция, развитие»). CDMA2000 1X EV-DO («Data Only» — «только данные») будет использовать различные частоты для передачи голоса и данных. В следующей ступени — стандарт CDMA2000 1X EV-DV («Data and Voice» — «данные и голос») произойдет интеграция голоса и данных в одном частотном диапазоне.
Принципы построения и архитектура
Традиционно архитектура систем связи базируется на эталонной семиуровневой модели OSI, которая применительно к мобильной радиосвязи делится на два укрупненных слоя. Верхний охватывает уровни, непосредственно не связанные с предоставлением доступа (non-access stratum). Нижний обеспечивает обслуживание всех элементов системы, связанных с организацией радиосвязи и обеспечением доступа (access stratum).
Архитектура систем CDMA является открытой и имеет три уровня: физический (L1), канальный (L2) и сетевой (L3). Канальный уровень подразделяется на 2 подуровня: L2/LAC (управление доступом к каналу) и L2/MAC (управление доступом к среде). На сетевом уровне (L3) и подуровне L2/LAC используется совокупность протоколов, охватывающая области управления (С-plane) и абонентскую (U-plane).
Использование трехуровневой модели (см. рисунок) вместо общепринятой семиуровневой позволяет не только упростить описание взаимосвязей между объектами разных уровней, но и более эффективно использовать модульный принцип при проектировании радиосистем. Рассмотрим обобщенную архитектуру и канальную структуру радиоинтерфейса CDMA с учетом новых предложений для проектов стандартов cdma2000 (TIA TR 45.5, США), UTRA (ETSI, Европа) и W-CDMA (ARIB, Япония).
|
|
|
Рисунок 11.3 – Обобщенная архитектура радиоинтерфейса http://www.osp.ru/nets/2000/01/140816/
|
Взаимосвязь между соседними уровнями или подуровнями осуществляется через соответствующие точки доступа (на рисунке в виде овалов) к услугам SAP (Service Access Point). Каждый уровень имеет четко определенный интерфейс, что позволяет реализовать на нем любой протокол вне зависимости от остальных уровней.
В пакетном режиме радиосистема может одновременно обслуживать большое число абонентов, но при пакетной передаче трафик имеет прерывистый характер и мобильная станция в течение довольно длительных периодов пребывает в малоактивном или пассивном состоянии. Поэтому для снижения энергопотребления станция передает пакеты в режиме «запрос—ответ». Эффективность режима пакетной передачи обеспечивается с помощью специальных протоколов MAC-уровня.
Коммутируемые потоки являются частным случаем пакетной передачи: выделенные каналы для трафика и сигнализации предоставляются во время всего сеанса связи. Соответственно, при передаче таких потоков пропускная способность системы используется менее эффективно, чем при передаче пакетов.
Сетевой уровень (L3) разделен в С-плоскости на несколько подуровней, самый нижний из которых отвечает за управление радиоресурсами и обозначается как RRC (Radio Resource Control). Подуровень RRC напрямую связан с LAC-подуровнем и выполняет все сетевые процедуры, связанные с обработкой управляющей информации, которая циркулирует между мобильными абонентами и инфраструктурой сети. В число основных функций сетевого протокола, носящего то же имя, что и подуровень (RRC), входят установление, переконфигурирование и разъединение соединений в каналах сигнализации и радиодоступа, а также процедуры, связанные с перемещением мобильных станций, в том числе режимы управления мобильностью — Mobility Management (ММ) и вызовами — Call Control (СС).
Главная задача сетевого уровня — формирование потоков данных от конечного пользователя, а также служебных сообщений и сигнализации. Процедуры данного уровня обеспечивают два режима управления: общий и выделенный.
В первом из них выполняется обработка широковещательной информации в определенной географической зоне, не связанной с предоставлением доступа к конкретной станции. При этом не применяется защита от помех, т.е. передача ведется без подтверждения приема, а повышение вероятности доставки достигается за счет многократной транспортировки сообщения.
В выделенном режиме управления реализуются функции установления и разрыва соединения, а также обработка сообщений, передаваемых по этим соединениям. При его использовании необходимы более надежные (чем в общем режиме) линии связи, гарантирующие, что сообщения типа СС и ММ будут переданы в пункт назначения с заданной достоверностью и без потерь, например, в процессе переключения мобильных станций.
Наряду с вышеперечисленными функциями сигнализации и управления доступом протокол RRC обеспечивает управление мощностью с помощью внешней схемы регулирования.
Канальный (MAC) уровень, состоящий из L2/LAC- и L2/ MAC-подуровней, является транспортной средой между верхними и физическим уровнями. Он предоставляет механизмы управления сетевыми ресурсами и поддержку протоколов с учетом различных требований к достоверности, качеству обслуживания и времени ожидания. На первом подуровне, L2/LAC, формируются прямые логические каналы (типа «точка—точка») с равноправными объектами сетевого уровня. Второй подуровень, L2/MAC, обеспечивает управление доступом к радиоканалам и координацию радиоресурсов между различными логическим каналами LAC-подуровня, что позволяет свести к минимуму конфликты обслуживаемых объектов (мобильных станций). Наконец, этот подуровень отвечает за доставку показателей качества обслуживания, которые используются на подуровне L2/LAC.
В число основных задач, решаемых на MAC-подуровне, входят и все рабочие процедуры, связанные с доступом к физическому уровню: это уплотнение и разуплотнение потоков данных, объединение служебных сообщений с информационными потоками и др. Кроме того, на данном подуровне обеспечивается выбор формата передачи для каждого транспортного канала в зависимости от скорости и ограничений по радиоресурсам. В процессе отображения данных на транспортный уровень и выбора транспортных форматов MAC-подуровень может присваивать сообщениям различные категории срочности. Выбор «общего» приоритета зависит от вида обслуживания, допустимого времени задержек и др.
Осуществлять логическое управление на канальном уровне позволяют гибкие процедуры, которые удовлетворяют требования различных видов обслуживаемых объектов и работают со стеком протоколов, обеспечивая согласование качества услуг, необходимое для каждого подуровня. Управление доступом к радиоканалам включает в себя выбор транспортного канала, разрешение конфликтов в канале произвольного доступа, формирование суперкадра путем объединения нескольких кадров и другие функции.
Администрирование радиоресурсов выполняется с помощью группы функций, состав которых определяется индивидуально для каждой мобильной или базовой станции. В их число входят, в частности, измерение вероятности ошибок на бит (BER), блок (BLER) и кадр (FER).
На MAC-подуровне могут быть реализованы три режима передачи, которые основаны на применении протокола управления радиоканалом RLCP (Radio Link Control Protocol), позволяющего мобильной станции взаимодействовать с сетью в указанных режимах:
достоверный — в нем используются специальные протоколы с защитой от ошибок (ARQ и др.), гарантирующие надежную доставку сообщений;
недостоверный — успешность доставки по большей части зависит от характеристик радиоканала и в меньшей мере — от сетевых процедур;
прозрачный — RLCP пропускает поток данных без обработки и добавления служебных символов.
При транспортировке мультимедийной информации, которая определена в стандарте CDMA-2000 как системная услуга, будут применяться модифицированные канальные протоколы радиообмена, сходные с ARQ, которые позволяют обеспечить высокую степень достоверности. При передаче высокоскоростных потоков данных (модель обслуживания аналогична B-ISDN ) высокая достоверность (вероятность ошибок на кадр составляет 1—3% FER) достигается за счет использования методов помехоустойчивого кодирования, а также ARQ-алгоритмов, снижающих вероятность ошибок на бит (BER) до величины 10-6. При сочетании этих методов вероятность ошибки становится еще меньше (10-3—10-4 FER), однако общая задержка при обслуживании увеличивается.
Самый нижний уровень стека протоколов — физический. На нем реализуются все функции, связанные с непосредственным доступом к радиоканалу, обработкой символов модулирующих и демодулирующих последовательностей, с синхронизацией, передачей символов пилот-сигнала, а также управлением мощностью передатчика и переключением режимов приема/передачи.
Отличительные особенности
В основе cdma2000 лежит принцип эволюционного перехода от существующего стандартаIS-95 и его последующих модификаций к широкополоснойCDMAсистеме. В проекте системыcdma2000 выполняются все требования, предъявляемые к перспективным системам 3-го поколения, а также обеспечивается обратная совместимость с системойcdmaOne.
Отличительными особенностями cdma2000 являются: широкий диапазон скоростей передачи информации от 1,2 кбит/с до 2,048 Мбит/с с возможностью гибкого изменения ширины спектра излучаемых сигналов, использование когерентного приема на мобильных и базовых станциях, введение быстродействующей схемы управления мощностью в прямом и обратном каналах, а также работа с переменной длиной кадра 5 мс и 20 мс.
Архитектура системы cdma2000 предусматривает возможность гибкого изменения конфигурации в зависимости от требований оператора и выделенной полосы частот. Полоса частот системы может изменяться от 1,25 МГц до 15 МГц в зависимости от региона обслуживания и требований по частотной совместимости с другими сетями подвижной связи.
Отличительными особенностями предлагаемой архитектуры cdma2000 являются:
универсальность в предоставлении широкого ассортимента услуг (передача речи, пакетной информации, коммутируемых данных и мультимедиа) с возможностью выполнения требований IMT-2000 к качеству обслуживания для различных категорий пользователей;
эффективность в построении системы сигнализации за счет снижения затрат пропускной способности на ее реализацию при передаче различных видов информации (речь, данные или одновременно речь и данные);
гибкость в обеспечении интерфейса с существующими и перспективными IP-сетями или сетями с коммутацией каналовISDN;
расширяемость в части введения новых видов услуг и протоколов без предъявления дополнительных требований к существующим сетям;
наращиваемость пропускной способности сети за счет введения новых сот, секторных антенн и базовых станций;
плавная деградируемость в случае отказа отдельных элементов сети;
согласованность с иерархической структурой систем 3-го поколения, описанной в рекомендации ITUМЛ 225;
эволюционный переход от существующих систем cdmaOneк перспективным сетям 3-го поколения.
При выборе концепции построения системы cdma2000 одним из основных условий являлось обеспечение обратной совместимости с существующими сетями 2-го поколения. Это обстоятельство предопределило выбор в качестве чиповой скоростиR=l,2288 Мчип/с и ширины спектра по уровню 3 дБ - 1,25 МГц.
Дальнейшее расширение спектра основано на N-кратном увеличении ширины спектра. Вcdma2000 предложены следующие пять значений ширины спектра: IX, ЗХ, 6Х, 9Х и 12Х, где Х= 1,25 МГц.