эксплуатационную стадию уже в 2002 г. Для завершения работы над спецификацией стандарта создано организационное ядро 3GPP (3G Partnership Project), наименование которого часто используется как синоним названия самого проекта UMTS.
Второй проект, известный под именем cdma2000, является максимально преемственным по отношению к системе cdmaOne (IS-95) и настойчиво продвигается компаниями Qualcomm, Lucent и Motorola - основными поставщиками и операторами действующих CDMA-систем. Учитывая масштабы распространения cdmaOne в США и на азиатском субконтиненте, можно не сомневаться в жизнеспособности и перспективности названного проекта. Процесс доводки спецификации этого стандарта также интернационализирован и контролируется органом, называемым 3GPP2 (3G
Partnership Project number 2).
В последующих разделах главы дается краткий обзор ключевых решений, составляющих основу физического уровня упомянутых 3G стандартов. При этом большая часть материала посвящена радиоинтерфейсу UMTS, учитывая, с одной стороны, опережающие позиции этого проекта в плане близости к реализации, а с другой - большую притягательность (по впечатлению авторов, которое может не оправдаться) для российского рынка телекоммуникационных услуг.
Справедливости ради следует подчеркнуть, что, по крайней мере, на момент подготовки рукописи семейство IMT-2000 не исчерпывалось лишь названными предложениями. Так, корейский консорциум во главе с ETRI
(Electronics and Telecommunications Research Institute) отстаивает проект ТТA I,
близкий к cdma2000, однако в большей мере ориентированный на национальную специфику мобильных сетей, в которых технология CDMA является монопольной. Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов проект UWC136 (Universal Wireless Communications), настойчиво лоббируемый операторами стандарта IS-136. Являясь развитием последнего в направлении запросов третьего поколения, этот проект, в отличие от предыдущих, базируется на платформе временного разделения (TDMA) и имеет определенные рыночные перспективы, по крайней мере, в Северной Америке.
9.2.РАДИОИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ UMTS/FDD
9.2.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Спецификация 3GPP представляет собой чрезвычайно громоздкий документ, завершенная версия которого по оценкам будет содержать более 4000 страниц. По своему назначению это директива, главная цель которой дать однозначные и недвусмысленные указания, подлежащие обязательному выполнению любым производителем и оператором. Читатель, интересующийся технологией выбора тех или иных решений, их теоретическим обоснованием, степенью близости к оптимальным, вряд ли вправе рассчитывать найти ответы на подобные вопросы в тексте стандарта 3GPP. Тем более наивной была бы попытка детального и подкрепленного
133
серьезным анализом описания стандарта в рамках небольшой по объему главы. Остановимся лишь на наиболее принципиальных чертах физического уровня радиоинтерфейса UTRAN, определяющих философию системы, призванной стать одним из основных коммуникационных средств наступившего столетия.
Международным регламентом для ЗG-систем на европейском и большей части азиатского субконтинентов выделены участки спектра в районе частоты 2 ГГц: 1920... 1980 МГц для линии "вверх" и 2110...2170 МГц для линии "вниз". Тем самым предусматривается организация дуплексной связи на основе частотного разнесения (FDD - frequency division duplex). Однако указанные диапазоны доступны не во всех частях света в силу исторически сложившегося распределения частот, и потому в некоторых регионах (например, США) реализация частотного дуплекса оказывается невозможной. В силу этого, наряду с основным (частотным) вариантом дуплекса, стандарт оговаривает и дополнительный - временной (TDD - time division duplex), в котором часть временного кадра выделяется для передачи сообщения от БС к МС, тогда как другая служит для передачи в обратном направлении. В настоящем разделе рассмотрение концентрируется на варианте FDD.
Стандартом предписывается выполнение всех требований, и, в частности, установлены жесткие ориентиры по скорости передачи:
•вне пределов больших городов при скорости движения пользователя до 500 км/час не менее 144 кбит/с (в будущем до 384 кбит/с);
•в пригородной и городской зоне при скорости до 120 км/час не менее 384 кбит/с (в будущем до 512 кбит/с);
•внутри помещений при скорости до 10 км/час не менее 2 Мбит/с.
Кроме того, спецификация 3GPP определяет UMTS как широкополосную {spread spectrum) систему с кодовым разделением (CDMA) и прямым (direct sequence) расширением, жестко оговаривая структуры расширяющих, канализирующих и скремблирующих кодов (см. ниже), а также устанавливая единую и неизменную частоту следования чипов названных кодов в 3,84 Мчип/с (3,84 * 106 чипов в секунду).
9.2.2. ЛОГИЧЕСКИЕ, ТРАНСПОРТНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ
Под физическим уровнем UTRAN в соответствии с общей классификацией многоуровневых открытых систем понимается совокупность процедур и средств, непосредственно связанных с обменом данными между БС и МС. К таковым, среди прочего, относятся:
•помехоустойчивое канальное кодирование, мультиплексирование и демультиплексирование данных, поступающих с верхних уровней;
•согласование скоростей информационных потоков, поступающих по транспортным каналам с сеткой скоростей, предоставляемых физическими каналами;
•отображение транспортных каналов на физические;
•модуляция, расширение (spreading) и сжатие (despreading) спектра физических каналов;
134
•частотная и временная синхронизация;
•измерение параметров канала и управление мощностью излучения по замкнутой петле;
•взвешивание и комбинирование физических каналов;
•радиочастотная обработка сигналов.
В дальнейших подразделах некоторые из названных функций расшифровываются и освещаются с большей детальностью, однако вначале следует прокомментировать смысл классификации каналов, принятой в документах 3GPP и несколько расходящейся с характерной, например, для стандарта GSM. Понятие "логический канал" относится к уровням выше физического и отражает содержание данных, предназначенных для передачи (обмен сообщениями с потребителем или команды управления). Термин "транспортный канал" относится к способу и формату данных, передаваемых далее по физическим каналам. В свою очередь, специфические частота и кодовая последовательность, обеспечивающие соединение между БС и МС, задают тот или иной физический канал. Как можно видеть, информация, структурированная в транспортных каналах, далее проектируется на физические каналы, по которым передается "вниз" и "вверх".
Укажем еще один классификационный признак, относящийся как к физическим, так и транспортным каналам UMTS: и те и другие делятся на выделенные (dedicated) и общие (common). Выделенные транспортные каналы (по одному на каждого пользователя) содержат данные обмена между конкретным потребителем и сетью, а также сигналы управления, тогда как общие транспортные каналы служат для передачи системной информации, данных о конфигурации сети и параметрах соты, сигналов вызова, пакетных сообщений и др. Смысл аналогичной классификации физических каналов будет ясен из дальнейшего изложения.
Все физические каналы имеют стандартизованную временную структуру. Каждый канал делится на кадры длительностью 10 мс (38 400 чипов). Каждый кадр состоит из 15 слотов, имеющих длительность 666,6... мс (2560 чипов). Распределение данных между слотами и в пределах слота варьируется в зависимости от типа физического канала и текущей скорости передачи данных.
9.2.3. ВЫДЕЛЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ"
Выделенный физический канал используется потребителем на монопольной основе. Существует два типа выделенных физических каналов на линии "вверх": канал данных DPDCH (dedicated physical data channel) и канал управления DPCCH (dedicated physical control channel). DPDCH используется для передачи данных выделенного транспортного канала, в то время как DPCCH передает от МС к БС информацию служебного назначения: биты пилот-сигнала, необходимого для оценки текущих параметров трассы между данным МС и БС и когерентного детектирования, команды управления мощностью излучения БС по замкнутой петле и др. Канал управления DPCCH для данного пользователя всегда единственный, тогда как каналов данных DPDCH может быть несколько: единственный выделенный транспортный
135
канал может отображаться параллельно на несколько (до 6) физических с целью увеличения скорости передачи (мультикодовая передача). Идентификационным признаком каждого из выделенных физических каналов (будь то DPDCH или DPCCH) является один из канализирующих кодов.
В случае использования данным потребителем единственного DPDCH объединение последнего с обязательно присутствующим каналом управления DPCCH происходит в квадратурном модуляторе, причем DPDCH подается в синфазную (I), a DPCCH - в квадратурную (Q) ветвь последнего. Предварительно каждый из этих каналов, представляющий битовый поток в форме двуполярного сигнала, перемножается со своим канализирующим кодом, а затем взвешивается соответствующим множителем, с тем чтобы канальные мощности соответствовали разным (при необходимости) требованиям к качеству приема пользовательского сообщения и данных контроля. Наибольший из коэффициентов всегда поддерживается равным единице, нулевое значение означает отключение соответствующего канала, а промежуточные значения равномерно заполняют интервал (0,1) с шагом 1/15. Изменение весов может происходить от одного кадра к другому.
Если потребитель вовлекает в работу более одного DPDCH, все они взвешиваются одним и тем же множителем /3d и равномерно распределяются между ветвями модулятора. Таким образом, все параллельно действующие DPDCH абсолютно равноправны. Сказанное иллюстрирует рис. 9.1, где канализирующий код, соответствующий j-му выделенному каналу данных (DPDCHj, j =1, 2,..., 6) обозначен как ККi, а код, формирующий физический канал
DPCCH, - как ККС..
Рис. 9.1. Мультиплексирование выделенных каналов линии "вверх"
9.2.4. ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ"
136