Поколение 3G Лектор ст. преп. Зарипова Эльвира Ринатовна

Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи Кааранен Х., Ахтиайнен А., Лаитинен Л., Найян С., Ниеми В. Сети UMTS my-mc.info/standards/cdma/ gy/cdmabasics.htm gy/cdmabasics.htm cdma.html cdma.html 2

Стандарты 3G 3

Требования к 3G 4

Системы 3G Концепция систем 3-го поколения нацелена на создание условий для предоставления услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсимильных сообщений и данных любому абоненту с помощью мобильного терминала, имеющего единый номер. Стоимость услуги должна быть минимальна при приемлемом качестве и уровне безопасности. Главная цель разработки систем 3-го поколения - удовлетворение потребности массового рынка в персональной связи, и ее достижение будет зависеть как от тарифов для сетей общего пользования, так и от стоимости абонентского терминала. На этапе развертывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т.е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия: -до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия; -до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия; 5

Услуги систем 3-го поколения Виды услуги Скорость передачи КБит/c Средняя длитель ность сообщения, с Режим работыУслуги Голосовая связь4-3260Коммутация каналовРечь, голосовая почта Низкоскоростной обмен данными 9,6-14,430Коммутация пакетовSMS, определение местоположения Передача к коммутируемым данным(ISDN) до 64156Коммутация каналовУслуги сетей ISDN Интерактивный обмен мультимедиа данными Коммутация каналов Видеотелефонная связь, передача изображений и больших объёмов информации Асимметричная передача мультимедиа данных Коммутация пакетов Работа с сетями Internet и интрасетями 6

Сети 3 G Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д. В мире сосуществуют два стандарта 3G: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000. UMTS распространен в основном в Европе, CDMA в Азии и США. В сетях 3G возможен жесткий межсотовый хэндовер. Мягкий хэндовер (одномоментно активны несколько радиолиний из разных сот, soft handover), этот метод не может быть реализован системами предыдущих поколений мобильной связи. В системах, использующих технологию CDMA, возможна работа смежных сот на одной и той же частоте. В результате возможно, что UE получит сигналы из RNC двух смежных сот и они также смогут получить сигналы от одного и того же UE. Более мягкий хэндовер (мягчайший хэндовер, softer handover, одномоментно активны несколько радиолиний от одной BS, межсекторный внутрисотовый)) заключается в том, что каналы от двух RNC воспринимаются как один объединенный и один из каналов исключается после его значительного ослабления. Это обычно происходит при переходе управления в разных секторах одной соты. 7

CDMA CDMA (англ. Code Division Multiple Access множественный доступ с кодовым разделением) технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы. Способ применяется в сотовой связи (в России, например, оператором Skylink) и в спутниковой навигации (GPS). 8

UMTS (W-CDMA) UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) технология сотовой связи, разработана Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения 3G в Европе. В качестве способа передачи данных через воздушное пространство используется технология W- CDMA, стандартизованная в соответствии с проектом 3GPP ответ европейских учёных и производителей на требование IMT-2000, опубликованное Международным союзом электросвязи как набор минимальных критериев сети сотовой связи третьего поколения. W-CDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) технология радиоинтерфейса, использующая широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов, использующий две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. 9

Пояснение кодирования в CDMA Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех. Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша. 10

FDMA, TDMA, CDMA 11

Применение метода для генерации сигнала Dubendorf Vern А. Wireless Data Technologies. John Wiley & Sons, Ltd, 2003.

Архитектура сети CDMA 13

Каналы трафика и управления в CDMA В CDMA каналы для передачи от BS к MS называются прямыми (Forward). Каналы для приема базовой станцией информации от мобильной называются обратными (Reverse). Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с. Нагрузочная способность прямого канала 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 Кбит/c. Состав каналов в CDMA показан на следующем слайде. Применяются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передает одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных абонентов по служебному каналу. 14

Каналы трафика и управления системы CDMA 15

Структура прямого канала Канал прямого трафика (FTCH Forward Traffic Channel) предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на мобильную; передает любые пользовательские данные. Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным, а второй дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это указано на рисунке. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т. к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, и каждая из них имеет длину по 64 бита. 16 Из всех 64 каналов: на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал; на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим семи каналам также назначаются свои последовательности Уолша (W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова; 55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.

Состав обратных каналов CDMA Канал доступа (ACH Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа применяется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемых по каналу вызова (Paging Channel), команд и запросов на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова. Канал обратного трафика (RTCH Reverse Traffic Channel) обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной станции на базовую станцию. 17

Архитектура системы UMTS 18

Архитектура сети и интерфейсы UMTS Мобильная телефонная станция, в системе UMTS она называется UE (User Equipment); базовая телефонная станция (по терминологии UMTS узел B); контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC). В системе WCDMA вместо термина BSC" применяется термин "контроллер управления радиосетью" (RNC Radio Network Controller). UE и UTRAN (сеть наземного доступа UMTS) работают в соответствии с полностью новыми протоколами, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение основной сети CN Core Network повторяет GSM. По своим функциям сеть состоит из сети наземного радиодоступа (UTRAN UMTS Terrestrial RAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и базовой сети (CN Core Network). Они обеспечивают коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что она может иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие по крайней мере одного логического элемента сети каждого типа. Такая сеть называется UMTS PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN эксплуатируется одним оператором и может соединяться с другими PLMN так же, как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет(TCP/IP) и т. д. 19

Пользовательское оборудование (UE) Пользовательское оборудование (UE) включает две части: подвижное оборудование (UE) радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu; модуль идентификации абонента UMTS-SIM (USIM- UMTS - Subscriber Identification Module), представляющий собой интеллектуальную плату, которая аналогично SIM- карте служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и содержит некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при работе с терминалом. Мобильная станция должна быть рассчитана на поддержку всех видов услуг сети третьего поколения. Она должна обеспечивать: передачу речи с принятым для системы набором скоростей; услуги службы видео видеоконференции и приложения видеотелефонии, как основанные на коммутации каналов (от установок ISDN), так и использующие передачу пакетов (TCP/IP); услуги сети Интернет со скоростями до 473,6 Кбит/с при работе в обычном режиме и в режиме best effort (с максимально возможной скоростью); удаленный доступ к корпоративным локальным сетям с передачей для работы с файловыми серверами, базами данных приложений, для совместной работы; приложения электронной почты. UTRAN состоит из двух элементов: Базовая станция (по терминологии 3GPP узел B) преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Она также участвует в управлении радиоресурсами. Базовая телефонная станция должна обеспечить пропускную способность базовых и управляющих каналов для поддержания этих служб; Контроллер базовой станции (по терминологии 3GPP контроллер радиосети RNC) обеспечивает интерфейсы со станциями с коммутацией каналов I-CS или пакетной коммутацией I-PS. 20

Частоты UMTS/CDMA в России В настоящее время имеется шесть полос частот, определенных для использования в UMTS/CDMA, все диапазоны, применяемые в настоящее время, выбираются около 2 ГГц. Международная конференция администраций по радиочастотам (WARC World Administrative Radio Conference) еще в 1992 году рекомендовала администрациям, предполагающим внедрить IMT-2000, не занимать диапазоны 1885–2005 и 2110–2200 МГц. Целью такой рекомендации было облегчить всемирный роуминг для пользователей UMTS. В России для систем 3G распределяются диапазоны 1935–1950, 2015–2040, 2225–2240. UMTS использует транспортный механизм WCDMA для транспортировки информации. Каждый канал занимает диапазон 5 МГц. Для передачи информации от узла B к UE и в обратном направлении применяются различные способы модуляции. 21

Управление мощностью в CDMA Как в любой системе CDMA существенно, чтобы узел B (BS) получал от всех UE сигнал приблизительно одной и той же мощности. Если это не регулировать, то станции, находящиеся дальше от узла B, будут иметь более низкий уровень сигнала, чем ближайшие. Последние будут подавлять сигналы с низким уровнем, и узел B не сможет принять их. Этот эффект часто упоминается в литературе как эффект "ближний-дальний". Чтобы его преодолеть, узел B передает команды ближним станциям с целью уменьшить им мощность передачи, а тем, которые дальше, увеличить ее. Этим способом узел B будет получать от всех станций приблизительно одинаковый уровень сигналов. Для регулирования мощности есть два метода: по открытому и по закрытому циклу. Метод по закрытому циклу. Как только UE получил доступ к системе через узел B, задействуется техника замкнутого цикла. На узле B проводятся измерения в каждом временном положении. Как результат этих измерений, к UE передается информация о регулировании мощности передатчика (запрос на пошаговое увеличение или уменьшение мощности). Этот процесс идет в обоих направлениях (от узла B к UE и обратно). Для непрерывного управления мощности используется фактически один бит (1 "увеличить", 0 "уменьшить"). Как только достигается необходимый уровень мощности, его либо уменьшают, либо увеличивают, чтобы обеспечить непрерывность процесса. Практически позиция UE все время изменяется, или изменяется путь следования радиосигнала. В результате движение приводит к изменению уровня сигнала, так что непрерывность процесса регулирования мощности не представляет проблемы. 22