Особенности реализации радиоинтерфейса UMTS в режимах FDD и TDD – ЧАСТЬ 1

Регламентом Радиосвязи МСЭ в странах Европы и большей части Азиат­ского континента для систем 3G предусматривается связь в режиме частотного дуплекса (FDD) в полосах частот 1920… 1980 МГц (uplink) и 2110…2170 МГц (downlink). В дополнение к FDD предусмотрен режим временного дуплекса TDD, который более эффективен в поддержке приложений, требующих асим­метричного трафика.

Впрочем, изначально режим UMTS/TDD предусматривался для тех регио­нов, в которых сложившееся распределение частот в указанном диапазоне не по­зволяет выделить обе названные выше полосы (для линий «вниз» и «вверх»), К числу таких районов, в частности, относятся США. Для UMTS/TDD Регламен­том МСЭ отведены т.н. непарные участки спектра: 1900… 1920 МГц, 2010…2025 МГц в Европе и 1850… 1910 МГц, 1930… 1990 МГц в США.

6.5.1. Общая характеристика и особенности радиоинтерфейса UMTS/TDD

На настоящий момент в проекте 3GPP определению облика системы UMTS в режиме TDD отведена второстепенная роль и приоритет отдан FDD как основному режиму использования спектра. По этой причине мы также рассмотрим физический уровень UMTS/TDD не вдаваясь в подробности и концентрируя внимание лишь на специфических аспектах построения этого радиоинтерфейса.

Физический уровень стандарта UMTS в обеих версиях, FDD и TDD, гар­монизирован по спектральным характеристикам, скорости передачи, тактовым частотам, размеру фрейма (кадра) и т.п. (см. табл. 6.7 [I]).

Таблица 6.7

Основные характеристики радиоинтерфейса UMTS в режимах FDD и TDD

Метод дуплекса

FDD

TDD

Множественный доступ

CDMA/FDMA

CDMA/FDMA/TDMA

Частотный разнос между каналами

4.4 – 5 МГц

4.4 – 5 МГц

Длительность временного кадра

Юме

Юме

Число слотов в кадре

15

15

Максимальная скорость передачи

3.84 Мчип/с

3.84 Мчип/с

Метод модуляции

QPSK

QPSK

Коэффициент расширения спектра:

 

 

UpLink

4-256

1 – 16

Down Link

4-512

1 или 16

Из версии FDD в TDD была заимствована частота следования чипов расши­ряющего кода (3,84 Мчип/с), их длительность (~ 0.2604 мкс), структура фрейма (15 слотов х 2560 чипов/слот = 38 400 чипов) и его протяженность (10 мс), а также принцип организации канала синхронизации по линии «вниз».

Тем не менее, идеологии построения радиоинтерфейсов FDD и TDD в систе­ме UMTS имеют существенные отличия. По-существу, в этих режимах исполь­зованы не только различные схемы дуплекса, но и разные технологии множе­ственного доступа. Практически все отличия между UMTS-TDD и UMTS-FDD сосредоточены на физическом уровне стека протоколов UTRA (остальные си­стемные компоненты отличий не имеют).

В FDD временные слоты не позволяют определять какие-либо физические каналы и используются для реализации некоторых регулярных функций (напри­мер, контроль мощности). На рис. 6.23 (а) и (б) показаны частотно-временные диаграммы, характеризующие функционирование радиоинтерфейсов W-CDMA/ FDD и TD-CDMA/TDD.

 

Рис. 6.23. Частотно-кодо-временная структура радиоинтерфейсов W-CDMA/FDD (а) и TD-CDMA/TDD (б)

В отличие от FDD, в режиме TDD реализован комбинированный принцип множественного доступа, где разделение сигналов осуществляется на базе двух технологий; TDMA и CDMA. Если в радиоинтерфейсе FDD имеются два меха­низма управления скоростью передачи данных: варьирование коэффициентом расширения спектра и мультиплексирование кодовых каналов, то в TDD появ­ляется третий механизм, связанный с выделением пользователю того или иного количества слотов в кадре (рис. 6.23).

Это обеспечивает высокую гибкость режима TDD и позволяет адаптиро­ваться к информационным потребностям самых разнообразных пользователей. Кроме того, использование для восходящей и нисходящей линий одного и того же частотного канала упрощает частотное планирование, распределение кана­лов и поиск соты. Мультикадровая пакетная структура режима TDD за счет ис­пользования свободных окон позволяет обеспечить его совместимость с UMTS/ FDD и GSM.

В то же время, если в режиме FDD межканальная интерференция не являет­ся критическим фактором, то для ее уменьшения в режиме TDD при размещении БС необходимо осуществлять специальную координацию между операторами связи. Кроме того, для уменьшения помех от МС и обеспечения требуемого ка­чества связи в зоне обслуживания, в базовых станциях используется технология динамического выделения каналов.

Особенности кодового мультиплексирования физических каналов в режиме TDD иллюстрирует рис. 6.24 [1].

Рис. 6.24. Кодовое мультиплексирование физических каналов в режиме TDD

Каждый кадр (фрейм) в режиме TDD содержит по меньшей мере один слот (временное «окно») для передачи по линии «вниз» и один – по линии «вверх». Коэффициент расширения спектра от 1 до 16 позволяет обеспечить значение групповой скорости передачи данных такое же, как и в режиме FDD. Принципы наращивания емкости сети путем добавления новых частотных каналов в режи­ме TDD и FDD аналогичны.

Особенности организации физических каналов в режиме TDD

За немногими исключениями, перечень используемых в режимах TDD и FDD транспортных каналов одинаков, однако стек протоколов физического уровня имеет некоторые отличия. Физический канал в режиме TDD определяет­ся не только кодом расширения спектра и частотным каналом, но и положением слота в пределах фрейма. В TDD выделяют следующие основные физические каналы [13].

Выделенный физический канал: Dedicated Physical Channel (DPCH). Он служит для передачи пользовательских данных и команд управления в обоих направлениях: как по линии «вверх», так и по линии «вниз».

•                Общий физический канал управления: Common Control Physical Channel (CCPCH). Предназначен для предоставления широковещательных услуг в соте в линии «вниз», подразделяется на первичный (для передачи ВСН, информации о соте) и вторичный (для отображения транспортных каналов FACH, РСН, передачи команд управления мощностью и информации пейд- жинга).

•                Физический канал случайного доступа Random Access Channel (PRACH) по линии «вверх». В дополнение к нему в режиме TDD имеется канал «уско­ренного» доступа FPACH, используемый при организации низкоскоростно­го сеанса передачи.

•                Разделяемые физические каналы для линий «вверх» и «вниз»: Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) и Physical Downlink Shared Channel (PDSCH). Эти каналы предназначены для передачи управляющей информации и данных пользователя.

Канал индикации и пейджинга Paging Indicator Channel (PICH), эквивалент­ный нескольким субканалам пейджинга в канале S-CCPCH. Канал синхронизации базовой станции Physical Node В Synchronization Channel, используемый для организации квазисинхронного восходящего соединения. Так, в режиме TDD базовая станция контролирует задерж­ку сигнала от МС, посылаемого в ответ на ее запрос, и передает всем МС управляющие команды, обеспечивающие (квази) синхронность их сигналов на входе приемника БС.

Во избежание коллизий пакетов, передаваемых различными МС, в БС UTRATDD предусмотрен механизм timing advance, позволяющий ей опреде­лять смещение кодов разных МС в канале PRACH. Определив смещение, БС информирует МС о необходимости введения упреждающей задержки той или иной длительности. Пока разрешающая способность данного механизма ограничивается интервалом 1.04 мкс (т.е. 4 чипа). При таком сдвиге коды Уолша утрачивают взаимную ортогональность, кодовое разделение само по себе обеспечивает только 4 канала вместо 16. Есть основания надеяться на повышение точности механизма timing advance до 1/8 длительности чипа что позволит обеспечить практическую ортогональность кодов в режиме TDD и реализовать принцип синхронного кодового разделения для линии «вверх» [3].

Другие каналы режима TDD [13]:

•                физический пакетный канал общего назначения РСРСН;

•                пилотный канал общего назначения CPICH;

•                канал синхронизации SCH (при низкоскоростной передаче расщепляется н; восходящий и нисходящий каналы UpPCH и DwPCH);

канал пейджинга и индикации PICH, – по структуре и назначению соответству ют каналам с аналогичными именами, определенным и для режима FDD. Соответствия при отображении транспортных каналов режима TDD на фи зические каналы приведены в табл. 6.8.

Временной дуплекс реализуется путем резервирования части слотов кадр за линией «вниз», а оставшихся – за линией «вверх». Примеры выделения ело тов при симметричном (а) и асимметричном (б), (в) характере трафика показан! на рис. 6.25.

Таблица 6. i

Отображение транспортных каналов на физические каналы в режиме TDD

Транспортные каналы

 

Физические каналы

Dedicated Channel (DCH)

—►

Dedicated Physical Channel (DPCH)

Broadcast Channel (ВСН)

Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH)

Forward Access Channel (FACH)

->

Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH)

Paging Channel (PCH)

—>

Random Access Channel (RACH)

—►

Physical Random Access Channel (PRACH)

Random Access Channel (ORACH)

 

USCH

 

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)

DSCH

 

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)

Common Packet Channel (CPCH)

 

Physical Common Packet Channel (PCPCH)

 

Common Pilot Channel (CPICH)

При стандартной (высокой) чиповой скорости

 

Paging Indicator Channel (PICH)

 

Synchronization Channel (SCH)

Physical Node В Synchronization Channel (PNBSCH)

При пониженной чиповой скорости *

->

Uplink/Downlink Synchronization Channel (UpPCH, DwPCH)

->

Fast Physical Access Channel (FPACH)

* Опция пониженной чиповой скорости 1.28 Мчип/с с часютным разносом между каналами 1.6 МГц была стандартизована в Релизе 4.

Данные, адресуемые БС некоторой МС, передаются в определенных слота* конкретных кадров. В пределах временных слотов передаются т.н. «пачки* (bursts), характеризуемые определенной кодовой структурой. Кроме того, в каж дом слоте используется свой канальный код (функции Уолша длиной N=16). I итоге кодовое разделение обеспечивает до 16 каналов, в то время как остальна: часть абонентской емкости обеспечивается за счет специального распределени кадров и слотов во времени.

Рис. 6.25. Пример выделения слотов на передачу (uplink и downlink) в пределах кадра в режиме TDD [13]

6.5.3. Структура пакетов в каналах трафика и управления

В режиме TDD применяются три вида пакетов (рис. 6.26) [13]. Каждый с стоит из четырех полей: двух полей данных, обучающей последовательное; (midample), используемой для оценки характеристик канала – в середине кадр и защитного интервала (ЗИ), учитывающего разницу в задержке прихода сигн лов от различных абонентских станций в точку приема.1

Для пакетов первого типа, используемых в обоих направлениях, характерн обучающая последовательность большой длины (512 чипов) и короткий защи ный интервал. Одновременно в одном слоте и в одном направлении могут пер даваться не более 16 пакетов типа 1 (в зависимости от длины кода расширен! спектра).

Основное отличие пакета второго типа от первого состоит в сокращен* вдвое обучающей посылки за счет расширения полей данных. Пакеты с такс структурой преимущественно используются для линии «вниз», отличающеж более высокой точностью синхронизации (что позволяет использовать более к< роткую обучающую последовательность). В линии «вверх» эти пакеты мог} использоваться только при одновременной передаче не более чем четырех паю тов на слот.

С учетом погрешностей синхронизации, задержки распространения сигнала и обработки в с< тасованном фильтре суммарная задержка при приеме от одной БС достигает 20-25 мке. Дт на обучающей последовательности выбирается из учета необходимости оценивания характ» ристик каналов при наличии временных сдвигов между сигналами базовых станций (до 8 БС)

Ыв мвыод 2ПО мио                                                                                             v

Наконец, пакет третьего типа отличает большая длина защитного интерва­ла, что объясняется его предназначением: использование в процедурах произ­вольного доступа и хэндовера.

Перечень физических каналов, в которых могут использоваться те или иные типы пакетов, подытожен в табл. 6.9.

Рис. 6.26. Типы и структуры пакетов в режиме TDD

 

Таблица 6.9

Применение пакетов различного типа в физических каналах

разного назначения

Физический канал

Тип 1

Тип 2

Тип 3

DPCH, PUSCH, PDCH

X

X

Только в Uplink

Р-ССРСН

X

S-CCPCH

X

X

—„

PRACH

X

Характеристики информационной емкости каналов в зависимости от значе­ния коэффициента расширения спектра и типа используемых пакетов изменя­ются (см. пример в табл. 6.10).

Конфигурация канала DPCH и групповые скорости передачи данных в режиме TDD при кодовом мультиплексировании каналов (Gross Data Rates)

 

Число битов в слоте

Скорость передачи данных (1 слот), кбит/с

Скорость передачи данных (1 слот/фрейм), кбит/с

Sr

Тип 1

Тип 2

Тип 1

Тип 2

Тип 1

Тип 2

1

3904

4416

5856

6624

390.4

441.6

2

1952

2208

2928

3312

195.2

220.8

4

976

1104

1464

1656

97.6

110.4

8

488

552

732

828

48.8

55.2

16

244

276

366

414

24.4

27.6

24.4, 441.6 и 48.8 кбит/с – соответственно минимальная, максимальная и типовая (для цифровой речи, 12.2 кбит/с) скорость передачи данных на слот.

В каждом кадре передача сигналов широковещательного канала ВССН все­ми БС осуществляется на фиксированных позициях с повышенным уровнел* мощности (слотам радиомаяка всегда отводится первый временной интервал i кадре). Слоты, не задействованные каналом ВССН, могут использоваться дш передачи сигналов каналов РСН, SCH и FACH. Положение этих каналов в кадр< или фрейме обычно указывается в сообщении ВССН.

6.5.4. Особенности доступа и управления мощностью i режиме TDD

Процедура доступа инициализируется мобильной станцией по канал) RACH в случайные моменты времени, что связано с возникновением конфлик­тов. Для того, чтобы снизить их вероятность и повысить пропускную способ­ность канала RACH, в каждом фрейме дополнительно используется 8 ортого нальных кодов.

Механизмы управления мощностью передачи в режиме временного дуплек са описаны в [18]. В TDD применяются следующие принципы управления мощ ностью:

–                коды, расположенные в пределах одного и того же временного интервал; (слота) и используемые для реализации одной услуги, передаются с одина ковой мощностью;

–                при работе в режиме реального времени (например, передаче речевых сооб щений) используется управление мощностью по схеме «замкнутой петли»;

–                в приложениях, не требующих передачи в режиме реального времени, суще ствуют опции использования обеих схем управления мощностью: как «зам кнутой петли», так и «разомкнутой»;

–                начальный уровень мощности передатчика устанавливается путем определе­ния оценки потерь на распространение сигналов на трассе до обслуживаю щей БС.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100