Wielodostęp w sieci komórkowej

ITpedia

W sieci komórkowej nośnikiem informacji jest fala elektromagnetyczna wysokiej częstotliwości (rzędu od kilkuset do kilku tysięcy MHz, czyli fala z zakresu UHV), natomiast podstawową jednostką pokrycia jest komórka, czyli obszar, na którym moc odbieranego sygnału, wysyłanego przez stację nadawczą, tzw. Stację bazową, jest powyżej pewnego minimalnego poziomu wystarczającego do nawiązania łączności pomiędzy stacja bazową a terminalem ruchomym.

Ograniczone pokrycie powierzchni sygnałem to jeden z problemów związanych z systemami komórkowymi. Jednak znacznie poważniejszym problemem jest pojemność komórki oraz ściśle z nią związane zagadnienie dostępności nośnika dla więcej niż jednego użytkownika w tym samym czasie. W celu rozwiązania tego problemu zostały rozwinięte techniki wielodostępu do kanału transmisyjnego.

W sieciach analogowych podzielono dostępne pasmo na podpasma, z których mogą korzystać poszczególni użytkownicy. Jest to zasada wielodostępu z podziałem częstotliwości FDMA (Frequency Division Multiple Access). Innymi słowy, każdemu użytkownikowi przydzielono jego własną częstotliwość bądź kilka częstotliwości. W przypadku systemów analogowych jedna częstotliwość jest przyporządkowana jednemu użytkownikowi, który tym samym zajmuje jeden kanał fizyczny. W taki sposób działają systemy komórkowe pierwszej generacji - systemy analogowe. Jednak wydajność takich systemów nie jest wystarczająca, szczególnie obecnie, gdy liczba użytkowników stale rośnie. Bardziej wydajnym rozwiązaniem jest wielodostęp z podziałem czasowym TDMA (Time Division Multiple Access), w którym użytkownicy korzystają z dostępnego pasma z podziałem czasu pomiędzy siebie. Każdemu z użytkowników systemu przyporządkowano nie tylko częstotliwość, ale również szczelinę czasową. Określona liczba szczelin tworzy ramkę, która jest cyklicznie powtarzana.

W TDMA liczba równocześnie obsługiwanych użytkowników wzrasta wraz ze wzrostem liczby przydzielonych częstotliwości oraz liczby zdefiniowanych szczelin czasowych w ramce. W systemach GSM mamy 8 szczelin czasowych na ramkę. W systemach trzeciej generacji korzysta się z wielodostępu z podziałem kodowym CDMA (Code Division Multiple Access). W takich systemach każdy użytkownik może korzystać z całego dostępnego pasma, w całej rozciągłości i przez cały czas trwania transmisji, należy jednak zastosować charakterystyczne dla każdego użytkownika ciągi kodowe; każdemu użytkownikowi przypisuje się kod/kody na czas trwania połączenia. Przydzielone kody stosuje się w celu odróżnienia komórki, kanału oraz użytkownika od pozostałych komórek, kanałów czy użytkowników. W przypadku CDMA liczba przesyłanych bitów oraz pojemność są związane z mocą nadawczą stacji. Im wyższa przepływność, tym wyższa moc potrzebna do ich transmisji i odwrotnie.

Sieć radiowa o dużej liczbie użytkowników przypadających na powierzchnię 1 km2 jest zwykle ograniczona poziomem interferencji. W takim środowisku powiększenie szerokości pasma transmisyjnego oraz zastosowanie technik wielodostępu poprawiają jakość odbieranego sygnału.

W odróżnieniu od FDMA i TDMA, których pojemność i jakość są ograniczane głównie (pomijając szerokość pasma) przez poziom interferencji współkanałowych, systemy CDMA są ograniczane poziomem interferencji występujących pomiędzy użytkownikami w kierunku od użytkownika do stacji nadawczej. Poziom interferencji pomiędzy użytkownikami wzrasta wraz ze wzrostem mocy, a tym samym wraz ze wzrostem liczby równocześnie aktywnych użytkowników przypadających na komórkę jakość transmisji maleje. Detekcja sygnału, pomimo wysokiego poziomu szumu, jest nadal możliwa dzięki zastosowaniu kodu, który zapewnia rozróżnienie właściwego sygnału spośród wielu innych niewyróżnionych poprawnym kodem. Poprawna sekwencja kodująca musi być jednak znana w odbiorniku. Zastosowanie sekwencji kodującej, popularnie zwanej kodem, powoduje również rozszerzenie widma przesyłanego sygnału.

Kodowanie widma

Rozszerzenie widma jest techniką modulacji, która pozwala, by informacja, która jest transmitowana, posiadała znacznie szersze widmo od informacji źródłowej. W systemach GSM sposób kodowania sygnału transmitowanego jest dostosowany do specyfiki najczęściej przesyłanego sygnału, czyli mowy. Mowa jako sygnał analogowy jest próbkowana z częstotliwością 8 kHz za pomocą 13-bitowego przetwornika A/C. Próbki sygnału są następnie przetwarzane i filtrowane. W efekcie końcowym otrzymywany jest blok o czasie trwania 20 ms, niosący 260 bitów danych, a szybkość transmisji jest równa 13 kb/s. W odróżnieniu od systemu GSM, UMTS jest przystosowany nie tylko do transmisji mowy, ale również do transmisji danych z przepływnością do 2 Mb/s. Podstawową cechą systemu UMTS jest sygnał, przesłany przez interfejs radiowy (ścieżkę radiową), który powstał przez przemnożenie oryginalnego sygnału przez inny sygnał, co pozwala na uzyskanie sygnału o znacznie większej częstotliwości zmiany jego wartości.

W systemie UMTS rozróżnia się pojęcia bitu oraz chipu. Bit odnosi się do bitu informacji nadanej przez użytkownika w oryginalnej wiadomości, natomiast chip to element sygnału występujący w użytym ciągu kodowym. Po zastosowaniu kodu rozszerzającego widmo mówi się o chipach, a nie bitach informacji. W UMTS widmo częstotliwości jest stałe i wynosi 5 MHz, co odpowiada transmisji z przepływnością 3,84 Mc/s.

Zakładając, że ze stacji nadawczej jest wysyłany sygnał o długości R bitów, a następnie każdy bit tego sygnału jest rozszerzony N razy, zgodnie z zastosowanym kodem, to otrzymamy widmo W chipów, dla którego liczba chipów wynosi R Y N. Czynnikiem określającym ile chipów zostało użytych do zakodowania jednego symbolu jest współczynnik rozszerzenia (Spreading Factor). Współczynnik rozszerzenia można przedstawić jako:

SF=2k, gdzie SF to współczynnik rozszerzenia, a k = 0,1,2,…,8. Powszechnie wiadomo, że im szersze widmo, tym niższa moc nadawcza na transmitowany symbol, a im niższa moc, tym niższy poziom interferencji i co z tego wynika wyższa jakość transmisji w systemie. W związku z tym dla każdego bitu źródłowego przypisuje się moc nadawczą, współczynnik rozszerzenia oraz widmo częstotliwości.

Kanały a kody

W systemie UMTS została zmieniona charakterystyczna dla GSM struktura kanałów. Zachowano kanały logiczne i fizyczne, ale dodatkowo występują jeszcze kanały transportowe. Podstawowy kanał fizyczny w systemie trzeciej generacji jest definiowany przez częstotliwość, kod lub liczbę kodów oraz szczelinę czasową (w UMTS została wyróżniona ramka o czasie trwania 10 ms, składająca się z 15 szczelin czasowych, z których każda zawiera 2560 chipów), a liczba przesyłanych bitów na kanał jest uzależniona od szybkości transmisji (1,28 Mc/s lub 3,84 Mc/s) oraz współczynnika rozszerzenia. Kanały logiczne odpowiadają rodzajowi zadania, jakie ma wykonać sieć i terminal w danej chwili. Zamiast kanałów fizycznych sterownik sieci RNC (Radio Network Controller) widzi kanały transportowe, które przenoszą informację od terminala aż do RNC.



Charakterystyka kodów

W UMTS używa się wielu różnych kodów. W artykule opisano trzy następujące rodzaje kodów:

  • kody kanalizujące (channelisation codes);
  • kody mieszające (scrambling codes);
  • kody rozszerzające (spreading codes).

Poszczególne kody w UMTS mogą być znane pod innymi niż wymienione tu nazwami, np… Kody mieszające są bardzo często nazywane kodami Golda bądź po prostu długimi kodami.

Kody mieszające (scrambling) są stosowane do oddzielenia poszczególnych użytkowników oraz identyfikacji komórek w systemie. Kody kanalizujące (channelisation) mają za zadanie identyfikować poszczególnych użytkowników w obrębie tej samej komórki, jak również służą do identyfikacji danych i sygnału sterującego przesyłanego z tego samego terminalu (telefonu), natomiast kody rozszerzające (spreading) to najważniejsze z powyższych kodów. Kody te powstają po wymnożeniu obu wyżej wymienionych kodów.

W UMTS stosuje się 256 kodów kanalizujących, które są używane do odseparowania kanałów przesyłanych dla kierunków zarówno w górę, jak i dół. Kody kanalizujące w kierunku DL mają za zadanie skanalizować informację przesyłaną od stacji bazowej od wybranego terminalu, natomiast w kierunku UL oddzielają od siebie poszczególne informacje przesyłane od terminalu do stacji bazowej.

Kody kanalizujące są kodami ortogonalnymi, co oznacza, że kody te nie interferują ze sobą nawzajem, charakteryzują się jednak dobrą korelacją z kodami mieszającymi. W UMTS kody kanalizujące są oparte na technice OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), co oznacza, że nawet wówczas, gdy współczynnik rozszerzający zostanie zmieniony, poszczególne kody są nadal wzajemnie do siebie ortogonalne.

Kody mieszające są używane w obu kierunkach transmisji danych, tzn. od stacji bazowej do terminalu ruchomego, kierunek w dół (Downlink - DL), jak również od terminalu do stacji bazowej, kierunek w górę (Uplink - UL). W kierunku DL stosuje się je, by oddzielić od siebie poszczególne komórki czy sektory, w kierunku UL - by oddzielić użytkowników, co zostało przedstawione w formie graficznej na rysunku na dole. Zaznaczono na nim, że kod mieszający w kierunku DL jest charakterystyczny dla danej stacji bazowej i w sposób jednoznaczny ją identyfikuje, natomiast kody w kierunku UL są charakterystyczne dla danego terminalu i umożliwiają identyfikację sygnału pochodzącego od wybranego użytkownika.

W kierunku DL używa się 262 143 kodów mieszających (218-1), które są numerowane od 0 do 262 142. Jednakże nie wszystkie z tej ogromnej liczby kodów są stosowane. Kody te zostały podzielone na 512 podgrup po 16 kodów w każdej. Każda podgrupa zawiera jeden podstawowy kod mieszający oraz 15 kodów drugorzędnych.

Kody podstawowe to kody o numerach n = 16i, gdzie i = 0,1,…511. Kody drugorzędne w danej podgrupie to kody o numerach m = 16i + k, gdzie i = 0,1,..511, a k = 1,2,..,15. Z tego wynika, że mamy dostępnych zaledwie 8193 (16 Y 512) kodów. Każdy z tych nich jest związany jednocześnie z parzystym i nieparzystym kodem alternatywnym. Parzysty alternatywny kod mieszający odpowiada kodowi mieszającemu m + 8192, podczas gdy nieparzysty alternatywny kod mieszający - kodowi mieszającemu o numerze m + 16384 (m + 2 Y 8192). Zbiór 512 podstawowych kodów mieszających jest dodatkowo podzielony na 64 grupy, z których każda składa się z ośmiu podstawowych kodów mieszających. Na przykład j-ta grupa składa się z 16 Y 8 Y j + 16 Y k, gdzie j = 0,1,2,..63, a k = 0,1,2..7.

Każdej komórce został przyporządkowany jeden i tylko jeden podstawowy kod mieszający, za pomocą którego są zawsze przesyłane informacje kanału sterującego (Common Control Physical Channel). Informacje pozostałych kanałów logicznych mogą być przesyłane przy użyciu innych podstawowych i drugorzędnych kodów mieszających, ale tylko tych, które należą do tej samej grupy kodów co podstawowy kod mieszający. W kierunku „w górę” sytuacja jest odmienna; teoretycznie mogą istnieć miliony połączeń i co jest z tym związane, miliony górnych kodów mieszających. Wyróżniono 224 górnych kodów mieszających, a wszystkie kanały logiczne w kierunku „w górę” mogą używać zarówno kodów krótkich, jak i długich. Wyjątkiem jest tu jedynie kanał fizyczny o dostępie swobodnym (Physical Random Access Channel), który może być realizowany, tylko przy użyciu kodu długiego. Dzięki temu przydzielenie kodów w kierunku „w górę” nie jest w UMTS problemem kluczowym.

Kod rozszerzający widmo jest charakterystyczny dla danej stacji nadawczo-odbiorczej, co oznacza, że aby odebrać zakodowany sygnał, który jest przesyłany jako strumień symboli, odbiornik powinien znać sekwencje kodującą. Następnie odebrany sygnał jest przemnażany przez tę sekwencję i jeżeli jest to sygnał odpowiadający danej sekwencji, otrzymujemy zdekodowaną informację nadaną.

Im dłuższy kod rozszerzający, tym mniejsza ilość przesyłanych danych, im krótszy kod rozszerzający, tym większy ich strumień. Taka właściwość powoduje, że możliwa staje się sytuacja, gdzie jeden użytkownik zużywa większą niż wszyscy pozostali użytkownicy, część pojemności systemu, bądź też, gdy jeden użytkownik zużywa wręcz całą pojemność.

Poza kodami kanalizującymi, mieszającymi i rozszerzającymi występują kody kierujące (Pilot Codes) oraz kody preambuł dostępu swobodnego (Random Access Preamble Codes). Kody kierujące są obecne w każdej szczelinie czasowej (TS) kanału dedykowanego (Dedicated Channel), dodatkowo istnieje możliwość transmisji informacji wspólnego kanału kierującego (Common Pilot Channel) w celu polepszenia synchronizacji komórki. Kody preambuł dostępu przypadkowego są używane do identyfikacji użytkownika i stacji bazowej podczas zestawiania połączenia.

Zastosowanie kodów w telefonii trzeciej generacji jest powszechne. Kody stosuje się do zakodowania przesyłanej informacji, odseparowania poszczególnych kanałów, użytkowników, a także komórek systemu. Dzięki zastosowanym sekwencjom kodowym w UMTS jest możliwy prawidłowy odbiór przesyłanego sygnału na poziomie, a nawet poniżej poziomu szumu przy znacznie wyższym (niż dozwolonym do tej pory) poziomie interferencji. Ponadto zastosowanie kodów rozszerzających spowodowało zmniejszenie mocy nadawczej, a tym samym podwyższenie jakości transmisji.

Kody służą również do identyfikacji poszczególnych komórek oraz użytkowników. Z tego powodu każda komórka w systemie UMTS używa jednego kodu mieszającego w kierunku w dół, który jest lokalnie unikalny i działa jako identyfikator komórki. Do tego kodu komórka używa zespołu kodów kanalizujących, które są w pełni ortogonalne i używane do separacji kanałów. W UMTS użytkownik wysyła i odbiera sygnał na całej dostępnej szerokości pasma i przez cały czas. Aby każdą informację można było przesłać na zdefiniowanej szerokości pasma, używa się kodów rozszerzających. Kod rozszerzający jest kodem niepowtarzającym się i jest przypisany użytkownikowi podczas zestawiania połączenia. Jest to kod, który może być postrzegany jako klucz, zezwalający na rozpoczęcie transmisji, na poziomie szumu.

Z punktu widzenia kodu rozszerzającego pojemność komórki zależy od przydzielonej liczby kodów mieszających, w kierunku w dół (minimum musi być jeden taki kod). W praktyce kod rozszerzający to kod mieszający przemnożony przez kod kanalizujący. W przypadkach gdy nie używa się kodów kanalizujących, kod rozszerzający jest równoważny kodowi mieszającemu, np… Podczas transmisji informacji przeznaczonych dla wszystkich użytkowników danej komórki (broadcast in DL).

-
-