R疆iov s咜¥ II pro integrovanou v uku VUT a V達-TUO

Komentáře

Transkript

R疆iov s咜¥ II pro integrovanou v uku VUT a V達-TUO
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
VYSOKÁ ’KOLA BÁŒSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
Rádiové sít¥ II pro integrovanou
výuku VUT a V’B-TUO
Garant p°edm¥tu:
Libor Michalek
Autor textu:
Libor Michalek
Roman ’ebesta
© 2014
Vznik t¥chto skript byl podpo°en projektem £. CZ.1.07/2.2.00/28.0062
Evropského sociálního fondu a státním rozpo£tem ƒeské republiky.
Za odbornou nápl¬ tohoto vydání odpovídají auto°i.
Libor Michalek a Roman ’ebesta jsou odbornými asistenty na Fakult¥ elektrotechniky a informatiky V’B-Technické univerzity v Ostrav¥, kde p°edná²í p°edm¥t Rádiové sít¥ II.
Vznik skript byl podpo°en projektem £. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu
a státním rozpo£tem ƒeské republiky.
Tato publikace nepro²la redak£ní ani jazykovou úpravou.
© Libor Michalek, Roman ’ebesta, 2014, V’B - Technická univerzita Ostrava
Autor:
Katedra:
Název:
Místo, rok, vydání:
Po£et stran:
Vydala:
Náklad
Libor Michalek, Roman ’ebesta
Katedra telekomunika£ní techniky
Rádiové sít¥ II pro integrovanou výuku VUT a V’B-TUO
Ostrava, 2014, 1. vydání
99
Vysoká ²kola bá¬ská-Technická univerzita Ostrava
CD-ROM, 30 ks
Neprodejné
ISBN 978-80-248-3559-4
Tato publikace vznikla zejména jako podp·rný text pro studenty p°edm¥tu Rádiové sít¥
v rámci projektu OPVK s názvem Spole£né
II pro integrovanou výuku VUT a V’B-TUO
aktivity VUT a V’B-TUO p°i vytvá°ení obsahu a nápln¥ odborných akreditovaných kurz·
ICT,
Registra£ní £íslo projektu - CZ.1.07/2.2.00/28.0062.
Skriptum je psáno v systému LATEX, jenº je voln¥ ²i°itelný pod licencí LATEX- Project Public
License (LPPL).
LATEX
© 2014
Ing. Libor Michalek, Ph.D.
Ing. Roman ’ebesta, Ph.D.
Vysoká ²kola bá¬ská-Technická univerzita Ostrava
17. listopadu 15
708 33 Ostrava Poruba
ƒeská republika
mailto:[email protected]
http://comtech.vsb.cz
ISBN 978-80-248-3559-4
Obsah
1 Analogové sít¥ 1. generace
1.1
1.2
NMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Architektura sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dal²í systémy 1. generace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Systém GSM
2.1
Architektura systému GSM . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Subsystém základnových stanic BSS . . .
2.1.2 Sí´ový p°epojovací subsystém NSS . . . .
2.1.3 Opera£ní podp·rný subsystém OSS . . . .
2.1.4 Rozhraní . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Zpracování signálu v systému GSM . . . . . . . .
2.2.1 Zdrojové kódování . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Kanálové kódování . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Prokládání (Interleaving) . . . . . . . . .
2.3 Základní vlastnosti systému GSM . . . . . . . . .
2.3.1 Struktura burstu . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Typy burst· . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Multirámec, superrámec, hyperrámec . . .
2.4 Kanály systému GSM . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Jednosm¥rné kanály BCH . . . . . . . . .
2.4.2 Spole£né °ídící kanály CCCH . . . . . . .
2.4.3 Vyhrazené °ídící kanály DCCH . . . . . .
2.5 Zabezpe£ení v systému GSM . . . . . . . . . . .
2.5.1 SIM karta . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Anonymita . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3 Ov¥°ení totoºnost ú£astníka (autentizace)
2.5.4 ’ifrování dat . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Kontrola rádiového spojení v systému GSM . . .
2.6.1 Radio Subsystem Link Control . . . . . .
2.6.2 M¥°ení na rádiovém kanálu . . . . . . . .
2.6.3 Kanálové m¥°ení b¥hem reºimu idle . . . .
2.6.4 Kanálové m¥°ení b¥hem reºimu dedicated
2.7 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Datové p°enosy v GSM . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.1 CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.2 HSCSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.3 GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 EDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 ECSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11 EDGE Compact . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12 Dal²í systémy 2. generace . . . . . . . . . . . . .
2.12.1 PDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12.2 D-AMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
2
2
5
7
8
8
8
10
10
11
11
11
12
13
14
15
16
18
20
20
21
22
22
23
23
23
24
24
25
25
25
26
26
26
27
27
30
31
32
32
32
33
3 Systém UMTS
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
Vznik UMTS . . . . . . . . . . . . .
Architektura systému UMTS . . . .
High-level architektura . . . . . . . .
Systémová architektura . . . . . . .
UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 NodeB . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 RNC . . . . . . . . . . . . . .
Core Network . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 HLR . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2 VLR . . . . . . . . . . . . . .
3.6.3 MSC . . . . . . . . . . . . . .
3.6.4 Gateway MSC . . . . . . . .
3.6.5 SGSN a GGSN . . . . . . . .
3.6.6 Rozhraní . . . . . . . . . . .
Paketov¥ a okruhov¥ spínaná doména
IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Logické kanály . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transportní kanály . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Broadcast Channel . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Forward Access Channel . . . . . . . . . .
5.2.3 Paging Channel . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.4 Downlink Shared Channel . . . . . . . . .
5.2.5 Random Access Channel . . . . . . . . . .
5.2.6 Common Packet Channel . . . . . . . . .
5.2.7 Dedicated Channel . . . . . . . . . . . . .
Mapování mezi logickými a transportními kanály
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4 Fyzická vrstva rádiového p°ístupu v UMTS
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Frekven£ní pásma systému UMTS
Frekven£ní kanály . . . . . . . . . .
Modula£ní technika v UMTS . . .
Technika CDMA . . . . . . . . . .
Technika WCDMA v UMTS . . . .
4.5.1 Channelization Codes . . .
4.5.2 Skramblovací kódy . . . . .
4.6 Interference typu Near-Far Eect .
4.7 Makrodiverzitní p°íjem . . . . . . .
4.8 Handover . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1 M¥°ení pro handover . . . .
4.9 Compressed Mode . . . . . . . . .
4.10 Power Control . . . . . . . . . . . .
4.10.1 Fast Closed Loop . . . . . .
4.10.2 Closed Loop . . . . . . . . .
4.10.3 Open Loop . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5 Protokolová architektura systému UMTS
5.1
5.2
5.3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
34
34
34
35
35
36
36
37
37
37
37
38
38
38
38
38
39
40
40
40
42
42
43
44
46
47
47
48
49
51
53
53
54
54
55
55
56
56
56
56
57
57
57
58
58
5.4
5.5
5.6
Proces zm¥ny symbolové rychlosti a kódování . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fyzické kanály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Dedicated Physical Data Channel, Dedicated Physical Control Channel
5.5.2 Common Pilot Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.3 Synchronisation Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.4 Primary Common Control Physical Channel . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.5 Secondary Common Control Physical Channel . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.6 Acquisition Indicator Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.7 Paging Indicator Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.8 Physical Random Access Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.9 Physical Common Packet Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.10 Physical Downlink Shared Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mapování transportních kanál· do fyzických kanál· . . . . . . . . . . . . . . . .
6 HSPA
6.1
6.2
6.3
HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 High-Speed Downlink Shared Channel . . . . . . . . . .
6.1.2 High-speed Shared Control Channel . . . . . . . . . . .
6.1.3 Uplink High-speed Dedicated Physical Control Channel
6.1.4 CQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.5 Technika HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.6 Fast Packet Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
HSUPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Enhanced Dedicated Channel . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Enhanced Dedicated Physical Control Channel . . . . .
6.2.3 Fast Packet Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.4 HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
HSPA+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
58
59
61
64
64
66
66
68
68
68
69
69
70
71
71
72
73
73
74
75
77
78
79
79
79
80
80
7 Systém LTE / EPC
81
8 Fyzická vrstva rádiového p°ístupu LTE/EPC
83
7.1
7.2
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Architektura sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
OFDM . . . . . . .
Resource Grid . . .
Cyklický prex . .
Referen£ní symboly
Synchronizace . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
fyzickými kanály
LTE/SAE . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
9 Protokolová architektura systému LTE/SAE
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
Logické kanály . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.1 ídící kanály . . . . . . . . . . . .
9.1.2 Provozní kanály . . . . . . . . . . .
Transportní kanály . . . . . . . . . . . . .
Fyzické kanály . . . . . . . . . . . . . . . .
Mapování mezi logickými, transportními a
Mapování fyzických kanál· rámce systému
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
83
83
84
86
87
90
90
90
90
91
91
92
92
10 Dal²í vývojové verze LTE/SAE
94
10.1 LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
10.2 LTE-B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
10.3 LTE-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
P°edmluva
Tyto skripta vznikla pro pot°ebu student· p°edm¥tu Rádiové sít¥ II pro integrovanou
výuku VUT a V’B-TUO, který je povinn¥ volitelným p°edm¥tem studijního oboru Teleko-
munika£ní technika a oboru Mobilní technologie vyu£ovaným v rámci navazujícího magisterského studijního programu Informa£ní a komunika£ní technologie na Fakult¥ elektrotechniky
a informatiky Vysoké ²koly bá¬ské - Technické univerzity Ostrava.
V Ostrav¥, 7. °íjna 2014
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
1
Analogové sít¥ 1. generace
První komer£n¥ spu²t¥ná bezdrátová sí´, kterou je moºno za°adit mezi sít¥ nulté generace
(0G), byla nská sí´ ozna£ená zkratkou ARP (AutoRadioPuhelin), coº v p°ekladu znamená
autorádiotelefon . Návrh této sít¥ pochází z roku 1968, p°i£emº výstavba za£ala v roce 1969.
P°estoºe se jedná o bu¬kovou sí´, není zde moºnost beze²vého handoveru mezi jednotlivými
bu¬kami. Jedná se tedy spí²e o jakousi sí´ separátních vysíla£· p°ijíma£·, se kterými lze
navázat spojení, je-li uºivatel v jejich dosahu. Sí´ byla spu²t¥na v roce 1971 a dosáhla 100 %
geograckého pokrytí v roce 1978 se 140 funk£ními základnovými stanicemi.
Základní charakteristika sít¥ ARP je následující:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
80 kanál· o ²í°ce cca 87 kHz,
frekven£ní rozsah 147,9 154,875 MHz,
vysílací výkon v rozsahu 1 aº 5 W,
zpo£átku poloduplexní, pozd¥ji duplexní p°enos,
analogová sí´ (hovor nebyl kódován digitáln¥, byl pouze namodulován na vy²²í p°enosovou frekvenci),
ˆ nezabezpe£ené hovory (nebylo pouºito kódování, hovory mohly být odposlouchávány
libovolným p°ijíma£em nalad¥ným na vhodnou frekvenci),
ˆ velikost bu¬ky p°ibliºn¥ 30 km,
ˆ p°eru²ení hovoru p°i p°echodu z jedné bu¬ky do druhé (bylo nutné hovor znovu navázat).
Provoz této sít¥ lze pokládat za úsp¥²ný, protoºe po£et uºivatel· dosáhl v roce 1986 po£tu
35000. Toto se v²ak nakonec projevilo v kvalit¥ poskytovaných sluºeb, kdy sí´ byla mnohdy
p°etíºená. Z·stala ov²em po dlouhou dobu jednou z mála sítí se 100% pokrytím a byla vyuºívána zvlá²t¥ v odlehlých oblastech. Sí´ ARP byla vypnuta na konci roku 2000.
O datových p°enosech nelze v prvopo£átcích této sít¥ ani uvaºovat, protoºe první uºivatelské stanice byly rozm¥rné, zabírající tém¥° polovinu nákladového prostoru osobního vozu a
postrádaly jakékoliv obrazové rozhraní. V pozd¥j²ích fázích se sice objevily kompaktn¥j²í p°enosné p°ístroje vybavené displejem, ov²em ºádná z datových sluºeb nebyla implementována.
Obdobn¥ jako ve Finsku vznikaly podobné analogové sít¥ i v ostatních zemích viz obr. 1.1,
jmenovit¥:
ˆ n¥mecká sí´ B-Netz (1972-1994) pracující na frekvenci 150 MHz,
ˆ americký systém MTS (Mobile Telephone System) provozovaný v letech 1946-1980 zpo£átku na frekvencích 35 MHz, pozd¥ji na frekvencích 150 a 455 MHz,
ˆ IMTS (Improved Mobile Telephone Service), roz²í°ení standardu MTS,
ˆ japonský systém AMTS (Advanced Mobile Telephone System) z roku 1979 pracující na
frekvencích okolo 900 MHz,
ˆ £eský systém AMRAD (Automatizovaný M¥stský RADiotelefon) z roku 1983 pracující
na frekvencích okolo 160 MHz,
ˆ norský systém ve°ejné pozemní mobilní telefonie OLT (Oentlig Landmobil Telefoni) z
roku 1966 pracující na frekvencích okolo 160 MHz,
ˆ a ²védský systém MTD (Mobiltelefonisystem D) z roku 1971 pracující na frekvencích
okolo 450 MHz; pozd¥ji byl tento systém spu²t¥n rovn¥º v Norsku a Dánsku a umoº¬oval
mezinárodní roaming.
1
1
ANALOGOVÉ SÍT… 1. GENERACE
Obrázek 1.1: Analogové sít¥ nulté generace
1.1 NMT
S rozvojem sítí nulté generace za£ínalo být jasné, ºe podmínky, na jejichº základech byly
poloºeny standardy pro tyto sít¥, se rapidn¥ zm¥nily a ºe je nutné vytvo°it standardy sítí
nových, do nichº se projeví z jedné strany poºadavky trhu a samoz°ejm¥ technické moºnosti
ze strany druhé.
Jednou z t¥chto sítí se m¥la stát sí´ NMT (Nordisk MobilTelefoni, Nordic Mobile Telephony). Její specikace byla zapo£ata v roce 1970 telekomunika£ními ú°ady severských zemí.
Sí´ NMT byla zamý²lena jako náhrada skandinávských sítí nulté generace ARP a MTD. Technické specikace byly hotovy roku 1973 a návrh základnových stanic roku 1977. První hovor
prob¥hl ve Finském m¥st¥ Tampere roku 1978. Sí´ byla spu²t¥na roku 1981 ve ’védsku a
Norsku a v roce 1982 také ve Finsku a Dánsku. Roku 1991 byla sí´ NMT spu²t¥na i v tehdej²í
ƒSFR (ƒeskoslovenské federativní republice).
Prvotní uºivatelské terminály byly obdobné terminál·m pouºívaným v síti ARP. Montovány byly do kufr· aut s ovládacími prvky poblíº sedadla °idi£e. Jako p°íklad lze uvést
autotelefon Mobira Senator rem Nokia a Salora z roku 1982, jehoº hmotnost byla 9,8 kg.
Existovaly i r·zné p°enosné verze jako Mobira Talkman (5 kg), ov²em aº v roce 1987 rma
Nokia uvedla na trh první ru£ní p°ístroj Mobira Cityman 900 (800 g, cena 4500,- e).
1.1.1 Architektura sít¥
Architektura sít¥ NMT-450 je znázorn¥na na obr. 1.2. Architektura je zaloºena na bu¬kové
struktu°e. Základnové stanice, které jsou umíst¥ny obvykle uprost°ed kaºdé bu¬ky, jsou p°ipojeny pomocí rádiové linky nebo £ty°drátovými telefonními linkami k radiotelefonní úst°edn¥
MTX (Mobile Telephone Exchange).
Skupina základnových stanic p°ipojených k jedné úst°edn¥ vytvá°í svazek, jenº tvo°í tzv.
servisní oblast SA (Service Area), která m·ºe být rozd¥lena na n¥kolik suboblastí TA (Trafc Area). Úst°edny MTX jsou vzájemn¥ propojeny, p°i£emº jedna z nich plní funkci hlavní
úst°edny HMTX (Home MTX), která obsahuje databázi v²ech ú£astník· systému ozna£ovanou
jako domovský loka£ní registr HLR (Home Location Register).
Ostatní úst°edny obsahují tzv. náv²t¥vnický loka£ní registr VLR (Visitor Location Register), ve kterém jsou informace o ú£astníkovi uloºeny pouze do£asn¥ a po opu²t¥ní území pod
°ízením p°íslu²né úst°edny jsou tato data z registru vymazána. Jednotlivé úst°edny mohou být
p°ipojeny k pevné telefonní síti PSTN (Public Switched Telephone Network). Jejich vzájemné
2
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
PSTN
T ra n sit
E xch a n g e
T ra n s it
E xchange
Local
E xch a n g e
Local
E xchange
M o b ile N e tw o rk
M TX
M TX
BS
BS
BS
T ra ffic A re a 1
BS
BS
BS
BS
BS
T ra ffic A re a 2
Obrázek 1.2: Zjednodu²ená architektura sít¥ NMT-450
3
1
ANALOGOVÉ SÍT… 1. GENERACE
propojení se provádí £ty°drátovými telefonními linkami.
Sí´ NMT byla prvotn¥ specikována pro pouºití v okolí kmito£tu 450 MHz a z tohoto
d·vodu se tato sí´ ozna£ovala jako NMT-450. Mezi základní parametry této sít¥ lze uvést:
ˆ vysílací pásmo 463-467,5 MHz sm¥rem k uºivateli (downlink) a vysílací pásmo 453-457,5
MHz sm¥rem od uºivatele (uplink),
ˆ 180 kanál· o ²í°ce 25 kHz,
ˆ metoda mnohonásobného p°ístupu FDMA (Frequency Division Multiple Access),
ˆ vysílací výkon základnové stanice BTS (Base Ttransceiver Station) aº 50 W, u automobilové stanice typicky 15 W a pro uºivatelskou stanici 1,5 W,
ˆ duplexní p°enos,
ˆ analogová sí´ (hovor nebyl kódován digitáln¥, byla pouºita frekven£ní modulace FM),
ˆ nezabezpe£ené hovory (nebylo pouºito kódování, hovory mohly být odposlouchávány
libovolným p°ijíma£em FM, nalad¥ným na vhodnou frekvenci). Od roku 1999 v²ak bylo
moºné pouºít tzv. skrambling (pokud jej základnová i uºivatelská stanice podporovaly a
dohodly se na jeho pouºití p°i sestavení hovoru),
ˆ signalizace modulována modulací MSK (Minimum Shift Keying) s p°enosovou rychlostí
signalizace 1200 bit/s,
ˆ velikost bu¬ky od 1,8 do 40 km,
ˆ m¥kký handover, £as handoveru cca 1 sekunda.
V roce 1986 byla uvedena specikace NMT-900, jejíº hlavním p°ínosem bylo znásobení po£tu dostupných kanál·, tedy navý²ení kapacity sít¥. V parametrech sít¥ do²lo k následujícím
zm¥nám:
ˆ roz²í°ení vysílacích pásem na frekvence 935-960 MHz ve sm¥ru downlink a 890-915 MHz
ve sm¥ru uplink (viz obrázek 2.4), zm¥na vzdálenosti hovorových kanál· (duplexní pár)
z 10 na 45 MHz,
ˆ navý²ení po£tu dostupných kanál· o 1000 kanál· p°i zachované ²í°ce 25 kHz,
ˆ sníºení vysílacího výkonu základnové stanice na max. 25 W, u automobilové stanice na
6 W a u uºivatelské stanice na 1 W,
ˆ zm¥na velikosti bu¬ky na 2 aº 20 km,
ˆ sníºení £asu pro handover na 0,3 sekundy.
Typické uspo°ádání sít¥ NMT vypadá tak, ºe kaºdá ze základnových stanic má samostatný
stránkovací (paging) kanál, jeden p°ístupový (access) kanál (v NMT-900), jeden datový kanál
a omezený po£et provozních kanál·.
Stránkovací kanál je uºíván základnovou stanicí pro p°enos nep°etrºitého identika£ního
signálu. Mobilní stanice nacházející se v dané p°enosové oblasti a setrvávající v ne£inném
reºimu jsou p°ipojeny ke stránkovacímu kanálu a £ekají na p°esm¥rování poºadavku hovoru.
Po p°ijetí poºadavku k hovoru je stanici p°i°azen provozní kanál a na n¥m probíhá zbývající
£ást procesu sestavení hovoru.
Provozní kanály tedy slouºí pro p°enos hovor· a k p°enosu £ásti dat p°i procesu sestavení
hovoru. Mohou se nacházet ve t°ech r·zných stavech ozna£ených p°íslu²ným p°íznakem:
ˆ volný stav (free state) mobilní stanice m·ºe kanál pouºít k zaslání poºadavku na
sestavení hovoru základnové stanici,
4
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ˆ obsazený stav (busy state) kanálem práv¥ probíhá hovor,
ˆ ne£inný stav (idle state) kanál není ani v jednom z p°edchozích dvou stav·.
V²echny °ídící informace jsou p°ená²eny p°ímo provozním kanálem za pomocí modulace
MSK a to p°enosovou rychlostí 1200 bit/s. B¥hem p°enosu °ídících informací je p°eru²en
p°enos hovoru, coº zaregistruje volaný i volající a celkov¥ se sniºuje kvalita p°enosu. ídící
informace jsou bloky sestávající z 16 hexadecimálních znak· (jsou tedy 64 bitové). K zaji²t¥ní
spolehlivého p°enosu je aplikován Hagelberger·v opravný kód. Tento kód je navrºen k oprav¥
shlukových chyb o délce maximáln¥ 6 bit·. Následné chybné shluky dat musí být proloºeny
s bezchybnými sekvencemi, které jsou dlouhé alespo¬ 20 bit·. Pouºitý kód zaji²´uje opravu
v¥t²iny chyb, které vzniknou v d·sledku tzv. úniku signálu p°i b¥ºné rychlosti mobilní stanice.
1.2 Dal²í systémy 1. generace
Dal²í z analogových sítí první generace je americká sí´ AMPS (Advanced Mobile Phone System), vyvíjená v 70. letech 20. století a poprvé pouºita v Chicagu v roce 1983. Postupem £asu
se dále roz²í°ila v USA, Kanad¥, Mexiku, Jiºní Americe, Austrálii a v Izraeli. Síti AMPS bylo
p°id¥leno 40 MHz spektrum v okolí kmito£tu 800 MHz, které bylo pozd¥ji roz²í°eno o dal²ích
10 MHz. Mezi základní parametry této sít¥ lze uvést:
ˆ vysílací pásmo ve sm¥ru downlink 869-894 MHz a vysílací pásmo ve sm¥ru uplink 824-849
MHz,
ˆ 832 kanál· o ²í°ce 30 kHz,
ˆ metoda mnohonásobného p°ístupu FDMA,
ˆ vysílací výkon základnové stanice byl aº 100 W, u mobilní stanice typicky 3 W.
Kanály byly rozd¥leny do £ty° kategorií dle pouºití. Principiální odli²ností od systému
NMT jsou vy£len¥né kanály typu FCC (Forward Control Channels). Zpravidla je kaºdé základnové stanici p°id¥len jeden z t¥chto 30 kHz kanál·. Základnová stanice na n¥m trvale vysílá
digitální modulovaný signál FSK (Frequency Shif Keying) s p°enosovou rychlostí 10 kbit/s.
Ten obsahuje systémové informace jako £íslo SID (System Identication Number) specické
pro kaºdého operátora, informace o °ízení výkonu, roamingu a handoveru.
Trvalý p°enos na tomto kanálu je organizován do blok· o 463 bitech. V¥t²ina bit· je vyuºita
pro p°enos informací k mobilním stanicím, ale zbývá zde 42 bit·, kdy po kaºdých 10 bitech
p°ená²ené zprávy je vloºen jeden z t¥chto zbývajících bit· a ozna£uje stav dal²ího z kanál· tzv.
RCC (Reverse Control Channels). Tímto se p°edchází vzniku kolizí na kanálech RCC. Jeden
z t¥chto kanál· je také zpravidla p°id¥len základnové stanici a slouºí k p°enosu signaliza£ní
informace ve zp¥tném sm¥ru tedy ve sm¥ru od mobilní k základnové stanici.
Díky paketové podob¥ posílaných dat v kanálu typu RCC je zde del²í doba synchronizace.
Je tedy nutno pouºít více úvodních bit·. Paket celkem obsahuje aº 432 bit·. Jeho sou£ástí je
také ur£itá forma zabezpe£ení tzv. DCC (Digital Color Code) v podob¥ 7 bit·, které následují
po signaliza£ních bitech. Dále následuje vyslání kódovaných slov, které dekóduje základnová
stanice (p°ijme zprávu v nich obsaºenou). V p°ípad¥, ºe jsou slova p°ijata chybn¥, následuje
tzv. retransmise.
Obdobn¥ jako u sít¥ NMT i zde lze pouºít okruhov¥ orientované datové sít¥, které se
ozna£ují jako tzv. CSC (Circuit Switched Cellular). Pomocí vhodných modem· lze dosáhnout
p°enosových rychlostí od 2,4 do 14,4 kbit/s. Propustnost sít¥ je ovlivn¥na ru²ením, ²umem,
5
1
ANALOGOVÉ SÍT… 1. GENERACE
Tabulka 1.1: Základní sv¥tové standardy analogových systém· 1. generace
Systém
Kmito£tový
rozsah [MHz]
AMPS
TACS
C 450
NMT 450
NMT 900
824 - 849
869 - 894
890 - 915
935 - 960
450 - 455,74
460 - 465, 74
453 - 457,5
463 - 467,5
890 - 915
935 - 960
Odstup rádiových
kanál· [kHz]
30
25
10
25
12,5
Po£et rádiových
kanál·
832
1000
573
180
1999
Kmito£tový odstup
FDD [MHz]
45
45
10
10
45
Amerika
Austrálie
JV Asie
Afrika
Evropa
Afrika
JV Asie
N¥mecko
Portugalsko
Evropa
Afrika
JV Asie
Evropa
Afrika
JV Asie
Vyuºití na území
úniky, obecným poklesem kvality kanálu a li²í se podle místa. ƒasté jsou také výpadky spojení
s následkem ukon£ení hovor·. Výhodou je ov²em dostupnost sít¥ (kdekoli lze volat i posílat
data) a jednoduché ú£tování dle £asu spojení.
TACS (Total Access Communication System) £i ETACS (European TACS) jsou evropské varianty systému AMPS, které byly pouºívané v n¥kolika evropských zemích jako
Rakousko, Irsko, Itálie, ’pan¥lsko a Velká Británie, viz. obr. 1.3.
Obrázek 1.3: Vybrané evropské mobilní sít¥ první generace
V N¥mecku do²lo k nahrazení analogové sít¥ B-Netz jiným standardem, tzv. C-Netz
ozna£ovaným i jako C 450. Tato sí´ dosáhla maxima na za£átku 90.
let s po£tem zákazník· okolo 800 tisíc. Vypnutí této sít¥ se datuje k 31. 12. 2000. Sí´ C-Netz
byla provozována rovn¥º v Portugalsku. Ve Francii byla v pásmu okolo frekvence 400 MHz v
provozu sí´ RadioCom 2000 spole£n¥ se sítí NMT-F (Nordic Mobile Telephone Francais ). V
tab. 1.1 je uveden p°ehled základních sv¥tových standard· analogových systém· 1. generace
s uvedením jejich základních technických parametr·.
(Funktelefonnetz-C),
6
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
2
Systém GSM
Zatímco nultá generace mobilních sítí ov¥°ila funk£nost a pouºitelnost celého konceptu mobilních sítí, tak první generace p°inesla ve vysp¥lých zemích pom¥rn¥ velké mnoºství zákazník·.
Protoºe se jednalo o drahou technologii, prvními uºivateli sít¥ byli remní zákazníci a movit¥j²í ob£ané. Se zlevn¥ním mobilních stanic se technologie postupn¥ stávala dostupnou i pro
ostatní skupiny obyvatelstva. Mobilní analogové sít¥ v²ak m¥ly jisté nevýhody, mezi které lze
za°adit zejména moºnost odposlechu a nemoºnost pouºití tzv. mezinárodního roamingu.
Sít¥ druhé generace se proto zam¥°ily hlavn¥ na vy°e²ení t¥chto problém·. Jejich standardy
se m¥ly stát jednotným standardem pouºívaným minimáln¥ na jednotlivých kontinentech. Sít¥
vyuºívaly také posledního pokroku v komunikacích - digitalizaci. Ta dopomohla k vytvo°ení
takových bezpe£nostních algoritm·, které bylo nemoºné dekódovat s tehdej²ími technologiemi
v reálném £ase. Dostupná odposlouchávací za°ízení byla pouze ve nan£ních moºnostech vlád
jednotlivých stát·. Digitalizace také pomohla roz²í°it nabídku sluºeb na bázi p°enosu dat.
P°ínosem digitalizace bylo také aplikování hlasových kodek· s nízkou p°enosovou rychlostí,
jako je nap°. AMR (Adaptive Multi-Rate audio codec), které vedlo ke znásobení kapacity sít¥.
K v¥t²í p°ehlednosti a kvalit¥ p°enosu p°isp¥lo také úplné odd¥lení signaliza£ních kanál· od
kanál· ur£ených pro p°enos hlasu a dat.
V Evrop¥ bylo sjednocení poºadavk· trhu a telekomunika£ních spole£ností sv¥°eno evropskému telekomunika£nímu ú°adu CEPT (Conference Europeenne des Postes et Telecommunications). Ten dal vzniknout skupin¥ GSM (Groupe Spécial Mobile), jejímº úkolem bylo
vyvinout digitální komunika£ní radiový systém pracujícím na frekvencích v okolí 900 MHz.
Vznikl tak mobilní systém pojmenovaný dle této skupiny GSM (pouºívající zprvu p·vodní
sousloví, které bylo poté zm¥n¥no na Global System for Mobile communications ).
První evropská sí´ GSM byla spu²t¥na ve Finsku v roce 1991. O dal²í rozvoj systému se pak
dále staral evropský standardiza£ní institut ETSI (European Telecommunications Standards
Institute).
V tzv. fázi jedna (Phase 1) byly standardizovány základní prvky a sluºby tohoto systému
a to s takovou rychlostí, aby nebyl ztracen technologický náskok v·£i analogovým sítím p°i
opera£ním nasazení systému GSM [8, 11, 12, 15, 39, 50]:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
základní telefonní hlasová sluºba,
tís¬ová volání,
datové p°enosy 300 aº 9600 bit/s,
²ifrování a autentikace,
p°esm¥rování a odmítnutí hovoru,
krátké textové zprávy SMS (Short Message
frekven£ní p°eskoky,
°ízení výkonu a p°eru²ované p°enosy.
System),
Po specikování t¥chto parametr· za£ala sériová výroba technických prvk· sít¥ a fyzická
výstavba prvních bezdrátových sítí GSM. Vývoj sít¥ ov²em pokra£oval a v dal²í fázi, která
byla uzav°ena v °íjnu roku 1995, byla sí´ dopln¥na o:
7
2
SYSTÉM GSM
ˆ mechanismus vypo°ádávající se se vzájemným ovliv¬ováním rádiových vln jednotlivých
p°enos· a s chybami vznikajícími p°i p°enosu,
ˆ nové sluºby jako identikace linky, nap°. zamezení identikace volajícího, tzv. CLIP
(Calling Line Identication Presentation), £i opa£n¥, zamezení p°enosu vlastní informace
o lince, tzv. CLIR (Calling Line Identication Restriction),
ˆ £ekání hovoru a podrºení hovoru,
ˆ informace volajícímu o zpoplatn¥ní hovoru p°i jeho sestavování,
ˆ konferen£ní hovory,
ˆ hlasový kodek s p°enosovou rychlostí rovnou polovin¥ p°enosové rychlosti kanálu,
ˆ podporu Faxu skupiny 3, dle ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications) doporu£ení T.30 a T.4.
2.1 Architektura systému GSM
Systém GSM je navrºen tak, aby nebyl autonomní a uzav°ený, ale aby umoº¬oval p°ístup
i do jiných sítí. Na obr. 2.1 je znázorn¥na architektura systému GSM. Skládá se ze t°í tzv.
subsystém·:
ˆ Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem)
ˆ Sí´ový a spínací (p°epojovací) subsystém NSS (Network and Switching
ˆ Opera£ní podp·rný subsystém OSS (Operation Support Subsystem)
Subsystem)
2.1.1 Subsystém základnových stanic BSS
Tento subsystém, který je nazýván rovn¥º jako rádiový subsystém, poskytuje a spravuje p°enosové cesty mezi mobilními stanicemi a sí´ovým subsystémem NSS. Subsystém BSS obsahuje:
ˆ Základnové stanice BTS (Base Tranceiver Station) zaji²´ují rádiové spojení s mobilními stanicemi MS (Mobile Station). Uvnit° kaºdé bu¬ky je obvykle umíst¥na jedna
BTS disponující ur£itým po£tem rádiových kanál·. Kaºdá BTS je identikována kódem
BSIC (Base Station Identication Code).
ˆ Základnová °ídící jednotka BSC (Base Station Controller) °ídí v¥t²í po£et BTS (obvykle n¥kolik desítek aº stovek). Stará se nap°. o kmito£tovou správu a handover.
ˆ Transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit) tato jednotka
bývá £asto implementována v rámci jednotky BSC a slouºí pro p°izp·sobení bitových
rychlostí, m·ºe realizovat také p°evod formát· signál· PCM apod.
2.1.2 Sí´ový p°epojovací subsystém NSS
Subsystém NSS, který se ozna£uje také jako mobilní resp. radiotelefonní úst°edna, p°edstavuje
hlavní (pevnou) £ást GSM sít¥. Realizuje p°edev²ím p°epojovací (spínací funkce), podobn¥ jako
jej uskute£¬uje klasická telefonní úst°edna. Tento subsystém m·ºeme souhrnn¥ ozna£it jako
funk£ní celek, který °ídí komunikaci mezi mobilními ú£astníky systému GSM a mezi ú£astníky
externích telekomunika£ních sítí. Subsystém NSS realizuje je²t¥ celou °adu specických úloh
spojených s mobilitou ú£astník·. Jediný subsystém NSS v praxi zaji²´uje radiotelefonní provoz
na území, na n¥mº ºije n¥kolik stovek tisíc obyvatel.
Tento subsystém tvo°í:
8
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Obrázek 2.1: Architektura systému GSM
ˆ Radiotelefonní úst°edna MSC (Mobile Switching Centre) je nad°azena nad systémem
BSC a tvo°í spínací prvek v síti (sm¥rování hovor· z jednoho BSC do druhého, do jiné
MSC, zaji²´uje výstavbu pojení). Umoº¬uje propojení mobilní sít¥ do jiných externích
sítí, jenº je zaji²t¥no pomocí radiotelefonní úst°edny s ozna£ením GMSC (Gateway
MSC). O spolupráci MSC s jinými sít¥mi se stará jednotka spolupráce IWF (Inter-Working Functionality), jenº je sou£ásti MSC.
ˆ Domovský loka£ní registr HLR (Home Location Register) je databáze uchovávající d·leºité informace o v²ech ú£astnících p°íslu²ejících domovsky do oblasti dané úst°edny
NSS. HLR lze rozd¥lit na dv¥ oblasti. V první jsou uloºena nem¥nná data (uºivatelský prol, p°edplacené sluºby), ve druhé se ukládají dynamicky se m¥nící data (poloha,
kde se práv¥ MS nachází d·leºité pro p°íchozí hovory, zda práv¥ hovo°í atd.). Tato
ú£astnická data slouºí p°edev²ím pro výstavbu spojení a vytvá°ení sluºeb. Kaºdý ú£astník je zde ozna£en unikátním £íslem mezinárodní identity mobilního ú£astníka IMSI
(International Mobile Subscriber Identity).
ˆ Náv²t¥vnický loka£ní registr VLR (Visitor Location Register) je databáze uchovávající
a obnovující data o cizích ú£astnících, kte°í se v dané chvíli nacházejí v dané oblasti.
Je do ní zkopírována v¥t²ina poloºek z HLR. Uchování zmín¥ných dat je zde v²ak jen
do£asné a ru²í se v p°ípad¥, kdy takový ú£astník opustí danou oblast.
ˆ Centrum autenti£nosti AuC (Authenticity Centre) je sou£ástí HLR, uchovává ú£astnické klí£e nezbytné pro zabezpe£ení komunikace na rádiovém rozhraní. Obsahuje klí£e
pro ov¥°ování autenti£nosti kaºdého ú£astníka zaznamenaného v registrech HLR a VLR
(p°ed zahájením komunikace ov¥°uje AuC totoºnost kaºdého ú£astníka). Obsahuje ²ifrovací klí£e, podle nichº se ²ifruje kaºdý ú£astnický signál p°ená²ený rádiovým rozhraním;
tento klí£ je individuální pro kaºdého ú£astníka a navíc se m¥ní s £asem, takºe ochrana
p°ená²ených dat je v systému GSM velmi dokonalá.
ˆ Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) tento registr identikuje
zcizené nebo neoprávn¥n¥ uºívané MS, a to na základ¥ dat, jeº tyto stanice vysílají a
jeº nesouhlasí s údaji obsaºenými v registrech HLR a VLR. V pam¥ti MS (ne v pam¥ti
karty SIM) je uloºena její mezinárodní identikace v podob¥ sériového £ísla p°ístroje
IMEI, jenº m·ºe být pouºita ke kontrole p°i sestavování spojení (p°es signaliza£ní kanál
zaslána k MSC). Lze ji vyuºít ke zji²t¥ní ukradené MS.
9
2
SYSTÉM GSM
ˆ Centrum krátkých textových zpráv SMSC (Short Message Service Center) jednotka
mobilní sít¥ zaji²´ující zasílání a p°íjem krátkých textových zpráv SMS (Short Message
Service).
2.1.3 Opera£ní podp·rný subsystém OSS
Jeho úkolem je zaji²´ovat °ádnou £innost a servis celého systému GSM, a to p°edev²ím za podpory systémových technik·, provád¥jících monitorování, diagnostiku a opravy poruch jednotlivých sloºek systému apod. Do toho subsystému mají p°ístup výhradn¥ zam¥stnanci daného
operátora. Opera£ní subsystém OSS provádí kontrolu a údrºbu ve²keré technologie (hardwaru)
daného systému, podílí se na managementu ú£astník· GSM, tedy provádí jejich registraci, °e²í
otázky tarifování apod., podílí se na managementu mobilních stanic, tyto stanice nap°. monitoruje, dále zji²´uje stanice porouchané apod. Uvedené funkce plní v subsystému OSS t°i
funk£ní jednotky.
Je to p°edev²ím:
ˆ Provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance Centre) tento uzel,
nazýván rovn¥º jako dohledové centrum, se pouºívá pro vzdálené centralizované °ízení
provozu a procesy údrºby celé sít¥. Monitoruje a provádí údrºbu v²ech blok· MS, BTS,
BSC a MSC v rámci daného systému GSM. Snaºí se zabezpe£it bezporuchový provoz
tím, ºe identikuje chybnou £ást a hledá náhradní reºim. Subsystém je v¥t²inou °e²en
proprietárním softwarem výrobc· technologie pouºité v subsystémech BSS a NSS, nemá
tedy pevn¥ dané standardy, a£ v n¥kterých p°ípadech pouºívá signalizaci SS7 (Signaling
System 7).
ˆ Centrum managementu (°ízení) sít¥ NMC (Network Management Centre) je odpov¥dné za administraci, údrºbu, integritu dat, za obnovu sí´ových parametr·, za nahrávání
softwaru a dat do sí´ových prvk· a databází.
ˆ Administrativní centrum ADC (Administrative Centre).
2.1.4 Rozhraní
V kaºdém ze subsystém· sít¥ GSM jsou mezi jednotlivými bloky a uzly denována rozhraní.
Pro datové p°enosy jsou nejvíce svazující a omezující rozhraní v subsystému BBS.
Jedná se o tato rozhraní:
ˆ Um rádiové rozhraní mezi mobilní a základnovou stanicí. Na tomto rozhraní je dosahována max. hrubá p°enosová rychlost jednoho kanálu 22,7 kbit/s. Toto rozhraní pouºívá
k signalizaci protokol LAPDm (Link Access Protocol on the Dm Channel), za pomocí
kterého se provádí °ízení hovoru, oznámení o výsledcích m¥°ení kvality signálu mobilní
stanicí, handover, °ízení úrovn¥ vysílacího výkonu, autentizace a autorizace ú£astník·
apod.
ˆ Abis rozhraní mezi základnovou stanicí BTS a °ídícím uzlem BSC. V¥t²inou je provedeno spojem typu DS-1 (T1) nebo E1 okruhov¥ orientovaném a £asov¥ d¥leném multiplexu TDM (Time Division Multiplexing) po optickém, metalickém nebo rádiovém
(mikrovlnném) médiu. Jsou zde pouºity subkanály TDM pro p°enos provozních kanál·
TCH (Trac CHannel), signalizace LAPD pro dohled nad základnovými stanicemi,
p°ená²ena je také synchroniza£ní informace sít¥. P°enosová rychlost jednoho £asového
10
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
kanálu je 64 kbit/s, tedy celková rychlost jednoho spoje v£etn¥ °ízení je 2048 kbit/s.
Po£et spoj· E1 je v¥t²inou od £ty° aº po 32.
ˆ A rozhraní mezi °ídícím uzlem BSC a mobilní úst°ednou MSC. Toto rozhraní je pouºito
pro p°enos dat ze subsystému BSS do subsystému NSS a v¥t²inou realizováno optickými
spoji typu PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) nebo SDH (Synchronous Digital
Hierarchy). Spoj pouºívá transkódovací jednotky, ale pouze pro úpravu hlasových nebo
datových okruhov¥ orientovaných provozních kanál·, signalizace SS7 mezi BSC a MSC
z·stává bez úprav.
2.2 Zpracování signálu v systému GSM
2.2.1 Zdrojové kódování
V systému GSM se pouºívá jedna z moderních parametrických metod zdrojového kódování,
ozna£ovaná zkratkou RPE-LTP (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction). Tento
kodek byl vybrán z celkem 20 návrh· z 9 zemí Evropy na základ¥ hodnocení kvality výsledného hovorového signálu a dále schopnosti transkódování. Pro efektivní £innost kodéru musí
být na jeho vstup p°iveden speciáln¥ upravený digitalizovaný hovorový signál. Výstupní p°enosová rychlost kodéru pro hovorový signál je 13 kbit/s. Podrobný popis této metody je p°íli²
komplikovaný, proto budou dále uvedeny pouze základní údaje.
Analogový hovorový signál v pásmu 300-3400 Hz je po ltraci vzorkován s kmito£tem 8
kHz a segmentován do £asových rámc· 20 ms, viz. obr. 2.2. V analogov¥ digitálním p°evodníku
se vytvo°í v kaºdém rámci 160 vzork·, z nichº kaºdý je kódován 13 bity, tj. do 8192 úrovní.
Bitová rychlost na vstupu kodéru je tedy:
160 · 13
= 104 kbit/s
20 · 10−3
Procesem kódování jsou potom tyto segmenty p°evedeny na digitální hovorové rámce po
260 bitech. Kaºdý rámec obsahuje 47 · 4 = 188bit· tzv. excita£ního signálu, z n¥hoº se v dekodéru p°ijíma£e rekonstruuje poºadovaný výstupní signál a 4 · 9 + 36 = 72 bit· reprezentujících
koecienty digitálních ltr·.
Celkem 260 bit· za 20 ms p°edstavuje výstupní p°enosovou rychlost signálu 13 kbit/s.
Tyto bity jsou dále p°eskupeny a uspo°ádány do skupin vhodných pro následující ochranné
kanálové kódování.
2.2.2 Kanálové kódování
Z celkového po£tu 260 bit· hovorového rámce délky 20 ms, jsou v²ak pro rekonstrukci signálu
na p°ijímací stran¥ n¥které bity d·leºit¥j²í a n¥které mén¥ d·leºité. 260 bit· je proto rozd¥leno
na t°i £ásti, tzv. t°ída Ia (class Ia), t°ída Ib (class Ib) a t°ída II (class II), které jsou podle
své d·leºitosti kódovány s r·zným stupn¥m zabezpe£ení.
K nejd·leºit¥j²ím 50 bit·m t°ídy Ia se p°idají 3 paritní bity, které usnad¬ují detekci nekorigovatelných chyb v p°ijíma£i. Ke 132 bit·m t°ídy Ib jsou p°idány 4 koncové nulové bity.
Zbylých 78 bit· t°ídy II se p°ená²í bez zabezpe£ení.
Vytvo°ený blok o celkovém po£tu bit· t°ídy I (50 + 3) + (132 + 4) = 189 bit· je podroben
protichybovému konvolu£nímu kódování s kódovým pom¥rem R = 1/2 a omezovací délkou
11
2
SYSTÉM GSM
Analog speech signal
20 ms
20 ms segments
260
class Ia
50
RPE/LTP Speech Coding
class Ib
3
132
parity
class II
4
78
Rearrangement
tail
378 (1/2 rate Convonutional Coder)
B
A
1/2 Rate Convonutional Coding
78
C
57
Spreading into 8 subblocks
Interleaving
Obrázek 2.2: Zpracování signálu v systému GSM
p·sobení K = 5, £ímº dojde k roz²í°ení tohoto bloku. Na výstupu konvolu£ního kodéru dostáváme 2 · 189 = 378 bit·. Zbývajících 78 bit· se p°i°adí k zakódovaným bit·m, £ímº vznikne
blok o 456 bitech, odpovídající £asovému segmentu 20 ms.
Ochranným kódováním dojde k navý²ení p°enosové rychlosti zakódovaného signálu z p·vodních 13 kbit/s na 22,8 kbit/s, tj.:
456
= 22, 8 kbit/s
20 · 10−3
2.2.3 Prokládání (Interleaving)
Aby bylo v systému GSM dosaºeno co nejv¥t²í odolnosti v·£i ru²ivému p·sobení shluk· chyb,
je konvolu£ní kódování kanálu dopl¬ováno je²t¥ tzv. prokládáním (interleaving). Kaºdý blok
s délkou 456 bit·, vytvo°ený kanálovým kódováním, se rozd¥lí na 8 skupin po 57 bitech a to
tak, ºe jsou metodou diagonálního prokládání proloºeny s posledními £ty°mi skupinami p°edchozího bloku a prvními £ty°mi skupinami následujícího bloku, jak je zjednodu²en¥ nazna£eno
na obr. 2.2.
V takto upraveném signálu v²ak dv¥ sousední 57 bitové skupiny p°íslu²í vºdy jiº nikoliv
jedinému, nýbrº dv¥ma r·zným blok·m. Aby se naru²ily sousedské relace mezi po sob¥
jdoucími bity, vyuºívají bity prvního bloku nap°. sudé pozice uvnit° ur£ité dvojice proloºených
bitových skupin, kdeºto bity druhého bloku zaujímají pozice liché atd.
Podrobn¥ji je prokládací proces znázorn¥n na obr. 2.3. Bloky A, B a C náleºí jednomu
hovorovému signálu a reprezentují úseky hovoru v délce 20 ms následující t¥sn¥ za sebou,
takºe £erné obdélníky reprezentují skupiny 2 · 57 = 114 bit· p°íslu²ející jednomu hovorovému
signálu. Z obrázku vyplývá, ºe kaºdému hovoru je p°id¥len jen ur£itý £asový úsek (timeslot)
v tzv. rámci TDMA, který se pravideln¥ opakuje. Detail prokládacího procesu je nazna£en ve
spodní £ásti obrázku a vyplývá z n¥j, ºe jednotlivé bloky po 57 bitech jsou proloºeny bit po
12
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
bitu.
Jak je patrné, prokládáním se zm¥ní po°adí bitových skupin, jeº spolu p·vodn¥ sousedily.
V p°ípad¥, ºe v rádiovém pozemním kanálu dojde k typickému vzniku shluku chyb, budou
postiºené bity náleºet do r·zných bitových skupin kódovaného signálu.
Po inverzní operaci, provád¥né v p°ijíma£i p°ed dekódováním kanálu a ozna£ované jako
inverzní prokládání (deinterleaving), se tím získá signál, u n¥hoº chybné bity zakódovaného
signálu jiº spolu nesousedí. Jinak °e£eno, shluk chyb vytvo°ený na rádiové trase, byl takto
p°eveden na rozptýlené osamocené chyby. Takové chyby v²ak následující konvolu£ní dekodér kanálu jiº velmi efektivn¥ koriguje. Ú£innost kanálového kódování totiº obecn¥ roste se
slábnoucím stupn¥m korelace mezi chybami a práv¥ k této de-korelaci chyb prokládání výrazn¥
napomáhá.
456 bits block of data
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
57 rows
.
.
.
.
.
.
.
448
449
450
451
452
453
454
455
B
A
C
57 57 57 57 57 57 57 57
57 57 57 57 57 57 57 57
57 57 57 57 57 57 57 57
TDMA frame
C
B
C
B
C
B
C
B
........
C
B
C
B
57 bits
........
B
57 bits
Obrázek 2.3: Prokládací proces v systému GSM
2.3 Základní vlastnosti systému GSM
Základní verze sít¥ GSM nesoucí ozna£ení PGSM (Primary
okolí kmito£tu 900 MHz a lze ji charakterizovat následovn¥:
GSM)
je ur£ena pro provoz v
ˆ dv¥ vysílací pásma o ²í°ce 25 MHz 890-915 MHz ve sm¥ru uplink a 935-960 MHz
ve sm¥ru downlink; pozd¥j²í roz²í°ený standard EGSM (Extended GSM) tato pásma
roz²i°uje o 10 MHz na 880-915 MHz a 925-960 MHz,
ˆ 124 kanál· (174 kanál· v E-GSM) o ²í°ce 200 kHz,
ˆ Kombinovaná metoda mnohonásobného p°ístupu TDMA (Time Division Multiple Access) / FDMA (Frequency Division Multiple Access),
13
2
SYSTÉM GSM
ˆ vysílací výkon základnové stanice BTS aº 50 W a mobilní stanice max. 2 W,
ˆ pln¥ digitální sí´ s duplexním p°enosem pouºívající modulaci GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying), která omezuje p°ená²ený výkon v postranních pásmech a tím sniºuje
interferenci mezi ú£astníky,
ˆ zabezpe£ená sí´ s pot°ebou autentizace ú£astníka na principu výzva-odpov¥¤ (challenge-response) a následným ²ifrováním komunikace ²iframi A5/1 nebo A5/2,
ˆ velikost bu¬ky od cca 50 m do 35 km,
ˆ handover MAHO, který je °ízený za spoluú£asti mobilní stanice; £as handoveru nelze
jednozna£n¥ ur£it, protoºe m·ºe dojít k n¥kolika modelovým situacím, v závislosti na
tom, zdali procedura probíhá v rámci jedné základnové stanice BTS, jednoho uzlu BSC,
£i jedné mobilní úst°edny MSC.
Sí´ GSM pouºívá modulaci GMSK se symbolovou rychlostí 270,833 kbit/s a rozestupem
kanál· 200 kHz (FDMA). Protoºe se sousední kanály p°ekrývají, tento standard nedovoluje
pouºití sousedících kanál· ve stejné bu¬ce (na stejné pozici), viz. obr. 2.4
Standard obecn¥ denuje n¥kolik p°enosových pásem od 400 MHz aº po 1990 MHz (v¥t²ina
pásem byla dodenována v pozd¥j²ích standardech spadajících do generace 2,5 G). Odstup
kanál· vºdy z·stává na hodnot¥ 200 kHz a rozestup kanálu p°íchozího a odchozího sm¥ru
(downlink/uplink) je 45 MHz (PGSM, EGSM) nebo 95 MHz v p°ípad¥ sít¥ GSM 1800 ozna£ované rovn¥º jako DCS 1800 (Digital Cellular Service).
Kaºdý duplexní pár t¥chto kanál· (dowlink/uplink) je identikován tzv. £íslem ARFCN
(Absolute Radio Frequency Channel Number).
Obrázek 2.4: Frekven£ní d¥lení v síti E-GSM
Frekven£ní kanál je £asov¥ roz£len¥n na 8 £asových slot· (timeslot·). Kaºdý timeslot trvá
156,25 symbolových period (bit·). T¥chto 8 timeslot· pak spole£n¥ tvo°í rámec dlouhý 1250
bit·. P°esným ozna£ením timeslotu a ARFCN vzniká fyzický kanál PCH (Physical Channel)
ozna£ovaný jako Cn Tm , kde n je místní index nosné v bu¬ce a m je index £asového slotu (0-7).
2.3.1 Struktura burstu
Kaºdý £asový slot je obsazen shlukem dat ozna£eným jako burst. Nejpouºívan¥j²í je normální burst NB (Normal Burst), viz obr. 2.5. Tento burst má délku 148 bit·, skládá se z
14
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ochranného intervalu, dvou p°enosových polí a uprost°ed se nachází tzv. tréninková sekvence dat. Délka t¥chto polí se li²í podle typu burstu, ale maximální délka je shodná, vºdy
156,25 bit·.
C0
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
C1
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
C2
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
t
C2T6
= PCH
f
T ra in in g
S equence
In fo rm a tio n F ie ld
3
57
1
26
In fo rm a tio n F ie ld
1
57
3
b u rs t 1 4 8 b its
tim e s lo t 0 ,5 7 7 m s ; 1 5 6 ,2 5 b its
Obrázek 2.5: Struktura burstu
Normální burst NB se pouºívá k p°enosu informací (hlasu, dat a v¥t²iny signalizace) na
r·zných logických kanálech. Jednotlivé bursty jsou od sebe odd¥leny tzv. ochrannou dobou
GP (Guard Period), b¥hem níº nejsou vysílány ºádné bity. Jedná se o ochrannou dobu, o
kterou se m·ºe burst £asov¥ posunout ve vyhrazeném timeslotu. Tato situace m·ºe nastat v
d·sledku zpoºd¥ní signálu p°i pohybu mobilní stanice b¥hem komunikace (sníºení nep°esnosti
p°i okamºiku vysílání rámce, které vznikají vlivem m¥nící se doby ²í°ení signálu pohybující se
MS). Druhým d·vodem pro zavedení ochranné doby je nutnost rychlého nár·stu a poklesu
výkonu vysíla£e, který pracuje v impulzním (burstovém) reºimu.
Na za£átku a konci burstu jsou t°i koncové (okrajové) bity TB (Tail Bits), vºdy s nastavenou logickou 0. Tyto bity vypl¬ují i krátký okamºik, kdy se m¥ní vysílací výkon stanice,
a kdy není moºný ºádný p°enos.
Dále jsou zde signaliza£ní °ídící bity SF (Stealing Flags), které udávají, zda burst nese
uºite£ná nebo signaliza£ní data.
Jsou zde i dva uºite£né bloky dat o délce 57 bit·, oba jsou chrán¥ny v·£i chybám a kanálov¥
kódovány.
Mezi nimi se nachází prost°ední £ást, tzv. tréninková sekvence dat. Tato má délku 26
bit· a sestává z p°edem známé posloupnosti dat, jejichº p°íjem slouºí k optimalizaci p°enosu,
tzv. ekvalizaci, kdy ekvalizér odstraní nebo sníºí intersymbolovou interferenci, která je zp·sobena vícecestným ²í°ením rádiových signál·. Pokud má uºivatel p°id¥len jeden timeslot, pak
maximální p°enosová rychlost je 24,7 kbit/s (bez jakékoliv korekce chyb).
2.3.2 Typy burst·
Krom¥ normálního burstu NB rozli²ujeme následující typy burst·:
ˆ burst pro kmito£tovou korekci FB (Frequency Correction Burst) - tento burst obsahuje
samé 0, pouºívá se pro kmito£tovou synchronizaci mobilní stanice.
15
2
SYSTÉM GSM
ˆ synchroniza£ní burst SB (Synchronization Burst) pro £asovou synchronizaci - tento burst
má roz²í°enou tréninkovou sekvenci na 64 bit· a nemá °ídící bity. Délka datových polí
je 39 bit·. Pouºívá se pro £asovou synchronizaci mobilní stanice a je vysílán vºdy za
burstem pro kmito£tovou korekci. V tomto burstu se mimo jiné vysílá nap°. £íslo rámce
TDMA FN (Frame Number) a identika£ní kód základnové stanice BSIC (Base Station
Identication Code).
ˆ prázdný (výstelkový) burst DB (Dummy Burst) - má stejnou strukturu jako normální
burst s tím rozdílem, ºe na datových pozicích jsou p°ená²eny p°esn¥ známé sekvence 1
a 0 . V p°ípad¥ pot°eby je zasílán k MS, av²ak nenese ºádnou informaci. Vysílá se na
neobsazených kanálech, aby bylo moºné na t¥chto m¥°it intenzitu elektromagnetického
pole p°i p°echodu z jedné bu¬ky do sousední.
ˆ p°ístupový burst AB (Access Burst) - tento burst se pouºívá pro náhodný p°ístup do
systému, nap°. po zapnutí MS. Jedná se o první signál vyslaný MS. Pon¥vadº je²t¥ není
znám vzájemný £asový posun mobilní a základnové stanice, obsahuje tento burst del²í
ochrannou dobu.
Na obr. 2.6 jsou zobrazeny r·zné typy burst·. [6]
TDMA Frame (4,615 ms)
0
Normal Burst
3
Frequency Correction
Burst
3
Synchronization Burst
3
Dummy Burst
3
Access Burst
1
57 (data)
2
SF
3
4
26 (tr. seq.)
5
SF
6
57 (data)
142 (null bits)
39 (data)
64 (tr. seq.)
39 (data)
26 (tr. seq.)
8
41 (tr. seq.)
36 (data)
3
7
3
8,25
3
8,25
3
8,25
3
8,25
68,25
Obrázek 2.6: Typy burst·
2.3.3 Multirámec, superrámec, hyperrámec
Rámce TDMA dohromady tvo°í vy²²í struktury, viz. obr. 2.7. Nejvy²²í strukturou je hyperrámec s délkou trvání 3 h 28 min 53 s a 760 ms, £ehoº je vyuºíváno pro synchronizaci ²ifrování
uºivatelských dat. Hyper rámec se dále d¥lí na 2048 super rámc·, kaºdý délkou trvání 6,12
s. Superrámec m·ºe být sloºen bu¤to z 26 multirámc·, p°evaºují-li provozní rámce nebo z
51 multirámc· p°evaºují-li signaliza£ní (°ídící) rámce. Multirámce mohou být v závislosti na
obsahu tedy sloºeny z 26 nebo 51 rámc·.
Aby mohla mobilní stanice vysílat a p°ijímat bursty v timeslotech se stejným £íselným
ozna£ením bez toho, aby musela spl¬ovat podmínku sou£asného vysílání a p°ijímání dat, jsou
timesloty pro sm¥r uplink a downlink p°euspo°ádány základnovou stanicí. P°esn¥ji je pozdrºen
za£átek vysílání TDMA rámce ve sm¥ru uplink a to vºdy o periodu t°í timeslot· oproti za£átku
vysílání TDMA rámce ve sm¥ru downlink, viz. obr. 2.8. Podmínky kladené na mobilní stanice
ve smyslu adaptivního zarovnání rámce, p°elad¥ní vysíla£e a p°epínání p°íjmu/vysílání jsou
takové, ºe mobilní stanice musí být schopna p°ijmout burst, odeslat burst a monitorovat okolní
bu¬ky v TDMA rámci se stejným £íselným ozna£ením.
16
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Hyperframe
0
1
2
3
4
5
2044 2045 2046 2047
Superframe
0
1
2
0
3
4
1
47
1
2
24
49
24
2
Multiframe (26) = 26 traffic frames
0
48
50
25
Multiframe (51) = 51 control frames
25
0
1
2
48
49
50
TDMA frame
0
1
2
3
4
5
6
7
Obrázek 2.7: : Prodleva mezi timesloty ve sm¥ru downlink a uplink
D o w n lin k
C0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
C1
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
C2
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
T D M A fra m e
3 tim e slo ts
U p lin k
C0
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
C1
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
C2
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
Obrázek 2.8: Prodleva mezi timesloty ve sm¥ru downlink a uplink
17
2
SYSTÉM GSM
2.4 Kanály systému GSM
Po fyzických kanálech jsou p°ená²eny kanály logické. Logické kanály jsou v síti GSM rozd¥leny
na provozní (p°enosové) TCH (Trac Channel) a °ídící (signaliza£ní) kanály CCH (Control
CHannel) ozna£ované téº jako °ídící mobilní kanály Dm (mobile D channels), viz. obr. 2.9.
Logické kanály podléhají °ízení musí být ustanoveny, udrºovány a ukon£eny.
P h ysica l C h a n n e ls
L o g ica l C h a n n e ls
TCH
CnTm = PCH
Dm
TCH
Lm
+
BCH
Lm
T C H /F
2 X T C H /H
1 3 kb it/s
9 ,6 kb it/s
(1 4 ,4 kb it/s)
2 x 5 ,6 kb it/s
2 x 4 ,8 kb it/s
BCCH
FCCH
SCH
+
BCH
+
RACH
AGCH
PCH
NCH
BCH
SDCCH
SACCH
FACCH
Obrázek 2.9: Provozní a °ídicí logické kanály a jejich d¥lení
Provozní kanály TCH jsou pouºívány pro p°enos uºite£ných dat (hovorového a datového
provozu). Komunikace po provozním kanálu m·ºe probíhat bu¤ jako okruhov¥ orientovaná £i
jako paketov¥ orientovaná.
Provozní kanál TCH m·ºe pracovat v úplném módu, kanál je dále ozna£en jako TCH/F
(full-rate TCH) nebo m·ºe být rozd¥len na dva kanály s polovi£ní p°enosovou rychlostí TCH/H
(half-rate TCH), z nichº kaºdý m·ºe být p°id¥len samostatnému uºivateli. Plnohodnotný kanál
TCH/F je dle terminologie ISDN (Integrated Service Digital Network) ozna£en jako mobilní
kanál Bm (mobile B channel) a polovi£ní kanál TCH/H jako mobilní kanál s nízkou p°enosovou
rychlostí Lm (lower-rate mobile channel). Kanál Bm je vyuºíván bu¤to pro p°enos digitáln¥
kódovaného hlasu rychlostí 13 kbit/s anebo pro datové p°enosy s rychlostí 9,6 kbit/s a mén¥
(pozd¥ji aº 14,4 kbit/s). Kanál Lm se pouºívá pro digitáln¥ kódovaného hlasu s rychlostí 5,6
kbit/s anebo pro datové p°enosy s rychlostí 4,8 kbit/s a mén¥.
P°ehled kanál· je uveden v tab. 2.1.
Souhrnn¥ dle terminologie ISDN nazýváme °ídící kanály Dm a dále je d¥líme na:
ˆ vysílací kanály BCH
(Broadcast Channels),
ˆ spole£né (obecné) °ídící kanály CCCH
(Common Control Channels),
ˆ vyhrazené (jednoú£elové) °ídící kanály DCCH
18
(Dedicated Control Channels).
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Kanál
TCH
TCH/F (Bm)
TCH/H (Lm)
BCCH
BCH
FCCH
SCH
RACH
CCCH
AGCH
PCH
NCH
SDCCH
DCCH
Tabulka 2.1: P°ehled logických kanál· systému GSM
SACCH
FACCH
Popis
Trac Channel / Full
Plnohodnotný kanál provozu
Trac Channel / Half
Kanál provozu s nízkou rychlostí p°enosu
Broadcast Control Channel
Kanál °ízení vysílání
Frequency Correction Channel
Kanál frekven£ních úprav
Synchronization Channel
Synchroniza£ní kanál
Random Access Channel
Kanál s náhodným p°ístupem
Access Grant Channel
Kanál povolení p°ístupu
Paging Channel
Vyhledávací kanál
Notication Channel
Oznamovací kanál
Stand-alone Dedicated Control Channel
Nezávislý dedikovaný °ídící kanál
Slow Associated Control Channel
Pomalý p°idruºený °ídící kanál
Fast Associated Control Channel
Rychlý p°idruºený °ídící kanál
Sm¥r
MS ↔ BSS
MS ↔ BSS
MS ← BSS
MS ← BSS
MS ← BSS
MS → BSS
MS ← BSS
MS ← BSS
MS ← BSS
MS ↔ BSS
MS ↔ BSS
MS ↔ BSS
19
2
SYSTÉM GSM
2.4.1 Jednosm¥rné kanály BCH
Jednosm¥rné vysílací kanály BCH jsou pouºity subsystémem základnových stanic BSS k vysílání jednotných informací základnovou stanicí v²em mobilním stanicím nacházejícím se práv¥
v bu¬ce. Tato skupina kanál· se dále d¥lí na:
ˆ Vysílané °ídící kanály BCCH
(Broadcast Control Channel)
Jsou vysílané pouze ve sm¥ru downlink. Na tomto kanále se mobilním stanicím vysílají
informace charakterizující sí´ v dané oblasti, které jsou nezbytné pro komunikaci s BTS.
V t¥chto kanálech jsou obsaºeny
informace pro pot°eby registrace MS do sít¥,
informace pro korekci výkonu MS,
informace o £íslech rádiových kanál· pouºívaných aktuální (servisní) i sousedními
základnovými stanicemi,
dopl¬ující informace (£íslo sekvence) pro FH (Frequency Hopping),
kód státu MCC (Mobile Country Code),
kód sít¥ MNC (Mobile Network Code),
£íslo lokální oblasti LAI (Location Area Identier),
identika£ní £íslo bu¬ky CID (Cell IDentier)
identika£ní kód základnové stanice BSIC (Base Transceiver Station Identity Code).
Kanál BCCH je vysílán na kanále C0T0 bez Frequency Hoping a bez regulace výkonu
(power Control) z d·vodu p°íjmu tohoto signálu i MS v sousedních bu¬kách, kdy úrove¬ p°ijímaného signálu umoº¬uje ur£it útlum daného spoje, coº je d·leºitá informace
pot°ebná nap°. p°i p°epínání hovoru (handover).
ˆ Kanál pro kmito£tovou korekci FCCH (Frequency Correction Channel)
Po tomto kanále se odesílají mobilním stanicím informace pot°ebné pro korekci jejich
nosné frekvence.
ˆ Kanál pro £asovou synchronizaci SCH (Synchronization Channel)
Informace k identikaci základnové stanice jako BSIC a také data pro rámcovou synchronizaci. Kanály FCCH a SCH jsou viditelné pouze v rámci vrstvy 1, protoºe informace v
nich obsaºené jsou pot°ebné pro provoz rádiového subsystému. P°ístup z vrstvy 2 RM-OSI zde není moºný. Tyto dva kanály jsou vºdy vysílány spole£n¥ s kanálem BCCH.
2.4.2 Spole£né °ídící kanály CCCH
ídící kanály CCCH jsou kanály typu bod-více bod· a spravují p°ístupové funkce v síti. Tyto
kanály p°ená²í °ídící informace b¥hem úvodní fáze výstavby nového spojení nebo v p°ípad¥
aktualizace lokaliza£ní oblasti. Do této skupiny za°azujeme:
ˆ Kanál náhodného p°ístupu RACH (Random Access Channel)
Vysílán ve sm¥ru uplink mobilní stanicí, a které v p°ípad¥ pot°eby umoº¬uje poºádat
o p°id¥lení kanálu SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) pro dal²í signalizaci. Na tento kanál p°istupují MS tak, ºe vzájemn¥ soupe°í o p°ístupový timeslot.
Komunikace se v tomto kanálu realizuje protokolem S-ALOHA (Slotted Aloha).
20
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ˆ Kanál potvrzení (povolení) p°ístupu AGCH (Access Grant Channel)
Vysílán ve sm¥ru downlink základnovou stanicí, která tímto kanálem potvrdí nebo zamítne MS p°ístup k síti. Tento kanál se pouºívá pro p°id¥lení nezávislého vyhrazeného
°ídícího kanálu SDCCH (k p°enosu dal²í pot°ebné signalizace) nebo provozního kanálu
TCH mobilní stanici, jejíº výzva byla p°ijatá v kanálu RACH. V p°ípad¥ potvrzení
p°ístupu BTS oznámí telefon na základ¥ odezvy AGCH platnou hodnotu parametru
£asového posuvu TA (Timing Advance).
ˆ Vyhledávací kanál PCH (Paging Channel) jedná se rovn¥º o £ást °ídících kanál·
CCCH vysílaných ve sm¥ru downlink. Tento kanál je pouºit p°i vyhledávání (vyvolání)
konkrétní MS, pokud s ní chce BSS navázat kontakt (p°íchozí volání nebo SMS ze strany
BSS). V²echny BTS v dané lokaliza£ní oblasti LA (LocalAarea) vysílají pomocí tohoto
kanálu TMSI, p°ípadn¥ IMSI poºadované MS. MS musí do ur£ité doby odpov¥d¥t na
PCH pomocí kanálu RACH, jinak je povaºována za nedostupnou. MS v reºimu provozní
pohotovosti (idle) proto nep°etrºit¥ sleduje informace vysílané na kanálech BCH a PCH.
2.4.3 Vyhrazené °ídící kanály DCCH
Tyto kanály p°ená²ejí informace pot°ebné v záv¥re£né fázi výstavby spojení nebo informace
související s existujícím spojením na konkrétním kanálu TCH. Jedná se vºdy o spojení typu
bod-bod a pat°í zde kanály:
ˆ Samostatný (nezávislý) vyhrazený °ídící kanál SDCCH
(Standalone Dedicated Control
Channel)
Pouºíván pro signalizaci mezi mobilní stanicí a subsystémem základnových stanic v
p°ípad¥, pokud zde není ºádné aktivní spojení (není k dispozici kanál TCH). O kanál
SDCCH ºádá mobilní stanice p°es kanál RACH a oznámení o p°i°azení p°ijme kanálem
AGCH. Po dokon£ení signaliza£ního spojení je kanál SDCCH uvoln¥n a m·ºe být p°i°azen jiné mobilní stanici. P°íkladem p°enos· po kanále SDCCH je nap°. p°enos informace
o p°id¥leném kanálu pro MS, p°enos dat pot°ebných k tarikaci, aktualizace loka£ních
informací (LA), pro p°enos signalizace b¥hem výstavby spojení (vým¥na autoriza£ních
a ²ifrovacích informací) nebo pro p°enos SMS.
ˆ Pomalý p°idruºený °ídící kanál SACCH (Slow Associated Control Channel)
Tyto kanály umoº¬ují p°enos malými rychlostmi (cca 390 bit/s) a tedy i s velkým zpoºd¥ním (okolo 480 ms). Kanál SACCH je vºdy p°i°azen a pouºíván s provozním kanálem
TCH a to tak, ºe v se v 26 rámcovém provozním multirámci st°ídá s TCH (1 rámec z
26 je vyhrazen pro SACCH - není p°ená²en TCH). Tento p°idruºený kanál zabezpe£uje
p°enos signalizace pot°ebné k zabezpe£ení pot°ebného £asového p°edstihu TA, regulaci
výkonu vysílaného signálu z BTS a p°enos údaj· o kanálových m¥°eních.
ˆ Rychlý p°idruºený °ídící kanál FACCH (Fast Associated Control Channel)
Uºitím dynamického p°ednostního multiplexování na provozním kanále TCH m·ºe být
vytvo°ena dodate£ná kapacita vyuºitelná pro signalizaci. Tento kanál je vytvo°en a p°i°azen pouze spole£n¥ s provozním kanálem TCH a ve²kerý provoz na n¥m probíhající
jde na úkor p°enosové rychlosti uºite£ných uºivatelských dat (celý nebo polovina burstu
kanálu TCH se p°id¥lí kanálu FACCH). Tento kanál se pouºívá v p°ípad¥, kdy velké
zpoºd¥ní signálu není p°ípustné, jako nap°. p°i handoveru. Na rozli²ení, zda se kanál
TCH vyuºívá pro p°enos ú£astnických dat nebo pro p°enos signalizace prost°ednictvím
kanálu FACCH, se pouºívají 2 °ídící bity normálního burstu SF (Stealing Flag), které se
nacházejí p°ed a za tréninkovou sekvencí dat.
21
2
SYSTÉM GSM
Mimo v²echny vý²e uvedené kanály, je denován je²t¥ bu¬kový vysílací kanál CBCH (Cell
Broadcast Channel), který je pouºíván pro vysílání zpráv systému SMSCB (Short Message
Service Cell Broadcast). Kanál CBCH sdílí fyzické médium s kanálem SDCCH a se pouºívá
na vysílání ve sm¥ru downlink, které m·ºe být p°ijímané více MS.
Základnová stanice m·ºe podle pot°eby pouºívat r·zné dovolené kombinace logických kanál· dle obr. 2.10. Fáze M1 je pouºitá ve fázi power-up mobilního telefonu. Fáze M2 a M3 je
pouºita v idel reºimu mobilního telefonu. M4 je fáze, kdy telefon ºádá a vyhrazený °ídící kanál.
Fáze M5-M8 je pouºita v p°ípad¥ p°id¥leného provozního kanálu. Fáze M8 navíc podporuje
tzv. multislot reºim, tj. reºim, kdy je pouºito n obousm¥rných kanál· a m jednosm¥rných
kanál·.
M1
M2
M3
M4
M5
TCH/F
M6
M7
M8
n+m
TCH/H
TCH/H
BCCH
CCCH
SDCCH
SACCH
n+m
FACCH
Obrázek 2.10: Moºné kombinace logických kanál· v síti GSM
2.5 Zabezpe£ení v systému GSM
Systém GSM poskytuje £ty°i základní zp·soby zabezpe£ení informací:
1. pouºití karty SIM
(Subscriber Identity Module),
2. anonymita ú£astníka a místa pobytu pomocí p°echodného ozna£ení ú£astníka (TMSI),
3. ov¥°ení totoºnosti ú£astníka (autentizace),
4. diskrétnost dat na rádiovém rozhraní pomocí zakódování (²ifrování dat).
Systém GSM k tomu pouºívá následující algoritmy:
ˆ A3 pro ov¥°ení totoºnosti ú£astníka (m·ºe být denován operátorem),
ˆ A5 pro ²ifrování a de²ifrování dat (algoritmus je normalizovaný pro v²echny sít¥ GSM),
ˆ A8 pro generování ²ifrovacího klí£e (m·ºe být denován operátorem).
2.5.1 SIM karta
Tato karta obsahuje mnoºství bezpe£nostních informací:
ˆ Osobní identika£ní £íslo PIN (Personal Identication Number) tento £ty°místný £íselný kód je vyºadován pro aktivaci karty po vloºení do p°ístroje. Jedná se v podstat¥ o
zabezpe£ení v podob¥ ov¥°ení ú£astníka v·£i SIM kart¥.
ˆ Osobní odblokovaní klí£ PUK (Personal Unblocking Key) £íselný kód, jehoº zadáním
lze odblokovat SIM kartu zablokovanou trojím nesprávným zadáním £ísla PIN.
22
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ˆ Mezinárodní identikace mobilního uºivatele IMSI (International Mobile Subscriber
Identity) jedine£né patnáctimístné £íslo p°i°azené kart¥ (tedy jejímu uºivateli).
ˆ Ú£astnický ov¥°ovací klí£ Ki je specický pro kaºdou kartu a slouºí k ²ifrování dat a
ov¥°ení oprávn¥nosti pouºívání sluºeb.
ˆ ’ifrovací klí£ Kc je generovaný na základ¥ algoritmu A8 a klí£e Ki, který je specický
pro kaºdé spojení (do£asná informace) a který je vstupem do algoritmu A5 pro ²ifrování
p°ená²ených dat.
2.5.2 Anonymita
ƒíslo IMSI slouºí v systému GSM pro jednozna£nou identikaci ú£astníka a pouºívá se jen jako
interní pom·cka pro adresování. Toto £íslo se v²ak p°es rádiové rozhraní neposílá p°i kaºdé
ºádosti o n¥jakou sluºbu. Systém pro tyto ú£ely kaºdému ú£astníkovi p°i°azuje tzv. do£asnou
identikaci TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Toto p¥timístné £íslo se ukládá na
SIM kartu a v registru VLR mobilní úst°edny. P°i p°esunu ú£astníka na území pod kontrolou
jiné úst°edny, je ú£astníkovi novou úst°ednou zasláno nové £íslo TMSI a p°edchozí £íslo je na
SIM kart¥ i ve VLR p°edchozí úst°edny zru²eno.
Takovým anonymním zp·sobem se ú£astník pohybuje v síti GSM. Identikace IMSI se
zasílá MS do úst°edny pouze v p°ípadech, kdy se ú£astník hlásí do systému po zapnutí MS.
Ihned poté je v²ak do MS zaslána do£asná identikace TMSI, pomocí které jiº m·ºe ú£astník
se systémem dále komunikovat, tj. ºádat o sluºby, atd.
2.5.3 Ov¥°ení totoºnost ú£astníka (autentizace)
Pod touto £inností se rozumí jednozna£ná identikace ú£astníka z hlediska oprávn¥ní jeho
vstupu do systému GSM. V GSM se ov¥°uje jen ú£astník (p°esn¥ji SIM karta) v·£i síti, ne v²ak
sí´ v·£i ú£astníkovi. Centrum AuC k ov¥°ení totoºnosti uchovává autentiza£ní (oprav¬ující)
klí£ Ki kaºdého ú£astníka sít¥ v jeho HLR. Ki je tajným klí£em zaznamenaným i v SIM kart¥
spolu s ov¥°ovacím algoritmem A3, jenº je denován provozovatelem sít¥.
AuC vytvá°í ²ifrovacím algoritmem A3 bezpe£nostní parametry SRES a komunika£ní klí£
Kc s pouºitím vstupních parametr· Ki a náhodného £ísla RAND. Parametry SRES, Kc a
RAND jsou odeslané do VLR nav²tívené radiotelefonní úst°edny MSC. Náhodné £íslo RAND
je vyslané i do MS, kde spolu s uloºeným Ki na SIM a pomocí ²ifrovacího algoritmu A3 se
vytvo°í nové SRES a Kc . SRES vytvo°ené v MS je odeslané do VLR radiotelefonní úst°edny
MSC, která obsluhuje nav²tívenou oblast. VLR porovná tyto parametry SRES, v p°ípad¥ jejich
shody je ú£astník oprávn¥n pouºívat sluºeb sít¥ GSM.
2.5.4 ’ifrování dat
’ifrování digitálního signálu je proces, p°i kterém je série bit· transformována matematickými a logickými operacemi na jinou sérii bit·. Systém GSM zabezpe£uje diskrétnost dat na
rádiovém rozhraní (ochranu proti odposlechu) pomocí zakódování dat CIPH (Ciphering). V
Evrop¥ se pro zakódování dat pouºívá standardizovaný algoritmus A5, který je p°ístupný jen
výrobc·m. Algoritmus A5 se nenachází na SIM kart¥ ale za°ízení mobilní stanice MS. Po£et
transforma£ních operací je ur£en ²ifrovacím klí£em Kc .
23
2
SYSTÉM GSM
2.6 Kontrola rádiového spojení v systému GSM
2.6.1 Radio Subsystem Link Control
je jedna z nejd·leºit¥j²ích funkcí na rádiovém rozhraní související s m¥°ením kvality p°ijímaného signálu slouºícím pro:
Radio Subsystem Link Control
ˆ výb¥r bu¬ky,
ˆ handover,
ˆ °ízení vysílacího výkonu.
V reºimu bez aktivního spojení (idle) mobilní stanice MS kontinuáln¥ monitoruje
nosné BCCH servisní (stávající) bu¬ky a okolních bun¥k, aby byla schopna vybrat bu¬ku, se
kterou m·ºe s nejv¥t²í pravd¥podobností komunikovat.
V reºimu b¥hem spojení (dedicated TCH nebo SDCCH) slouºí funkce m¥°ení kanál·
a °ízení výkonu pro udrºení a optimalizaci rádiového kanálu.
Funkce °ízení rádiového spojení se provád¥jí prost°ednictvím signaliza£ního kanálu
SACCH, v jehoº blokovém formátu jsou pro tyto ú£ely denována dv¥ pole, viz. obr. 2.11.:
ˆ výkonová úrove¬,
ˆ £asový posuv TA
(Timing Advance).
bit number
8
octet
number
2
7
6
free
1
free
5
4
3
2
1
power level
timing advance
3
layer 2 data (21 octets)
:
23
Obrázek 2.11: Blokový formát SACCH
Ve sm¥ru downlink tato pole obsahují hodnoty, jak byly p°id¥leny ze strany sít¥. Ve sm¥ru
uplink MS vkládá své stávající pouºívané hodnoty. Monitorované nam¥°ené kvalitativní hodnoty jsou p°ená²eny v datové £ásti bloku SACCH.
ízení rádiového spojení m·ºe být principiáln¥ rozd¥leno do t°í £ástí:
ˆ sb¥r nam¥°ených dat a jejich zpracování;
ˆ °ízení vysílacího výkonu;
ˆ °ízení handoveru.
V p°ípad¥ aktivního spojení jsou periodicky obdrºeny nam¥°ené hodnoty (kaºdých 480 ms),
které jsou vypo£teny jako aktuální pr·m¥rné hodnoty. Tyto nam¥°ené údaje slouºí pro °ízení
vysílacího výkonu k adaptivnímu p°izp·sobení výkonu MS a BSS. Následn¥ jsou nam¥°ené
hodnoty spole£n¥ s výsledky procesu °ízení výkonu poskytnuty pro pot°eby procesu handoveru,
který rozhoduje, zda je handover pot°ebný £i nikoliv.
24
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
2.6.2 M¥°ení na rádiovém kanálu
Úkolem MS je identikovat dosaºitelné základnové stanice a prom¥°it jejich p°íslu²né p°ijímané úrovn¥ signálu a kvalitu rádiového kanálu. V reºimu idle tato m¥°ení slouºí k výb¥ru
aktuální základnové stanice (naslouchání PCH Paging Channel). V reºimu dedicated jsou
nam¥°ené údaje p°ená²eny prost°ednictvím kanálu SACCH sm¥rem k základnové stanici jako
tzv. measurement report/measurement info. Tyto informace slouºí jako vstupní údaje pro
algoritmus °ízení vysílacího výkonu a handoveru. Prom¥°uje se:
ˆ stávající kanál ve sm¥ru uplink a downlink (TCH nebo SDCCH),
ˆ nosné BCCH, které jsou kontinuáln¥ vysílány s konstantním výkonem na v²ech BTS ve
v²ech timeslotech.
Seznam nosných frekvencí BCCH sousedních BTS se ozna£uje jako BA (BCCH Allocation)
a je poskytnut kaºdé MS prost°ednictvím její aktuální BTS. Identita bu¬ky (cell identity) je
vysílána jako BSIC (BTS Identication Code) prost°ednictvím kanálu BCCH. Do pam¥ti SIM
karty MS je moºno uloºit aº 36 nosných BCCH a jim odpovídajících hodnot BSIC. K popisu
kvality rádiového kanálu pouºívá systém GSM dva parametry:
ˆ RxLev (Received Signal Level) p°ijímací výkonová úrove¬ v dBm. Výkon p°ijímaného
signálu je m¥°en kontinuáln¥ na stran¥ MS i BTS v kaºdém p°ijímaném burstu v rozmezí
-110 dBm aº -48 dBm a jsou získány pr·m¥rováním na 100 burst·. Pro p°epo£et z dBm
na absolutní hodnoty RxLev_0 aº RxLev_62 se pouºívá tabulka uvedena v [12].
ˆ RxQual (Received Signal Quality) kvalita p°ijímaného signálu m¥°ená jako bitová
chybovost BER (Bit Error Ratio) v procentech m¥°ená p°ed korekcí. Bitová chybovost
p°ed korekcí je ur£ena vyuºitím 26 bitové známe tréninkové sekvence dat. P°íslu²né
hodnoty RXQUAL jsou získány pr·m¥rováním na 100 burst·. Pro p°epo£et BER na
absolutní hodnoty RxQual_0 - RxQual_7 se pouºívá tabulka uvedena v [12].
2.6.3 Kanálové m¥°ení b¥hem reºimu idle
Existují dv¥ moºné situace:
1. MS nemá k dispozici ºádné informace o síti, tj. které ARFCN jsou v dané oblasti vyuºity. MS musí skenovat v²ech 124 rádiových kanál· systém· GSM, m¥°it jejich výkonové
úrovn¥ signálu a vypo£ítat pr·m¥r z nejmén¥ 5 posledních m¥°ení. Jakmile jsou vyhledány nosné p°ijímaných BCCH, MS se za£ne synchronizovat s kaºdou z nich a £íst
systémové informace z BCCH. Postupuje od ARFCN s nejvy²²í hodnotou RxLev.
2. MS má na SIM kart¥ uloºen seznam posledních pouºitých ARFCN. Pokud MS nenalezne
ºádnou z uloºených ARFCN, za£ne s normálním vyhledáváním (viz první p°ípad).
2.6.4 Kanálové m¥°ení b¥hem reºimu dedicated
M¥°í se v pr·b¥hu vytvo°eného spojení na p°enosových kanálech (TCH) nebo na signaliza£ních
kanálech (SDCCH) a to v intervalu trvání kanálu SACCH, který obsahuje 104 TDMA rámc·
v p°ípad¥ kanál· TCH (480 ms) nebo 102 TDMA rámc· (470,8 ms) v p°ípad¥ kanál· SDCCH.
Nam¥°ené hodnoty RxLev a RxQual se zpr·m¥rují a p°enesou sm¥rem k BTS prost°ednictvím
kanálu SACCH jako measurement report/measurement info. Hodnoty RxLev a RxQual se
m¥°í rovn¥º na stran¥ BTS a tyto hodnoty se rovn¥º posílají sm¥rem k BSC. Rozhodnutí o
handoveru provádí BSC a je zaloºeno na nam¥°ených hodnotách RxLev a RxQual.
25
2
SYSTÉM GSM
2.7 Handover
Pod pojmem handover ozna£ujeme p°elad¥ní existujícího spojení (hovoru) na novou základnovou stanici BTS. V systému GSM rozhoduje o pot°eb¥ uskute£n¥ní handoveru samotná sí´
za asistence MS. Takovýto zp·sob handoveru, který se ozna£uje zkratkou MAHO (Mobile
Assisted Controlled Handover), je zaloºen na rozhodovacích kritériích na úrovni BSS (úrove¬
p°ijímaného signálu, kvalita kanálu, vzdálenost mezi MS a BTS) a na provozních kritériích
sít¥ (nap°. aktuální p°enosové zatíºení bu¬ky £i probíhající servisní práce spojené s údrºbou
sít¥).
Podle pr·b¥hu p°epínacího procesu pak v p°ípad¥ systému GSM hovo°íme o tzv. tvrdém
handoveru, kdy dojde nejd°íve k odpojení MS od p·vodního kanálu a teprve poté k p°ipojení
na kanál nový. ƒas p°epojení je co moºná nejmen²í (do 100 ms), p°esto dochází ke krátkému
p°eru²ení spojení, které je v²ak v hovoru t¥ºko post°ehnutelné. Tento typ handoveru v²ak
m·ºe £init problémy p°i p°enosu dat.
Funkce pro p°ípravu procesu handoveru jsou sou£ástí tzv. Radio Subsystem Link Control (viz. kapitola 2.6.1). MS periodicky monitoruje úrove¬ p°ijímaného signálu jak od své
aktuální BTS, ke které je zrovna p°ipojena, tak i od sousedních BTS. Nam¥°ené hodnoty
(tzv. measurement reports) zasílá prost°ednictvím své aktuální BTS do sít¥. Na stran¥ sít¥
se pak monitoruje kvalita signálu na vzestupném sm¥ru (uplink), vyhodnocují data od MS
(measurement reports) a rozhoduje o pot°eb¥ uskute£n¥ní handover·.
Handovery se provádí pouze mezi základnovými stanicemi stejné mobilní sít¥, mezi BSS
r·zných sítí nejsou povoleny. Rozli²ujeme dva základní typy handoveru:
ˆ Mezibu¬kový handover (Intercell Handover) p°ela¤ování MS p°i p°echodech p°es
hranice bun¥k. MS nejd°íve komunikuje s aktuální BTS. Následn¥, kdy se spojení se
sousední BTS vyhodnotí jako kvalitn¥j²í, dochází k p°elad¥ní a komunikace p°echází
na tuto sousední BTS. O tom, kdy dojde k tomuto typu handoveru, rozhoduje sí´ na
základ¥ nam¥°ených dat z MS a BSS. K mezibu¬kovému handoveru dochází nej£ast¥ji
z d·vodu nízké intenzity signálu a zhor²ené kvality kanálu (vysoká bitová chybovost),
kdy se MS nachází nedaleko hranice bu¬ky. K tomuto typu handoveru nicmén¥ m·ºe
dojít i z provozních d·vod· (nap°. kolísání p°enosového zatíºení). Rozhodnutí o takto
sm¥rovaném handoveru provádí MSC, která na°izuje BSS vybrat vhodné kandidáty pro
handover.
ˆ Vnitrobu¬kový handover (Intracell Handover) - p°ela¤ování MS v pr·b¥hu pohybu
v rámci jedné bu¬ky. K tomuto typu handoveru dochází bu¤ z provozních d·vod·,
nebo z d·vodu zhor²ené kvality kanálu. MS je tedy pro komunikaci p°i°azen nový kanál
ve stejné bu¬ce zaji²´ující kvalitn¥j²í spojení neº kanál p·vodn¥ p°id¥lený. Celý tento
mechanizmus probíhá v jediné bu¬ce a MS stále komunikuje s jedinou BTS.
2.8 Datové p°enosy v GSM
2.8.1 CSD
Základní typ datového p°enosu specikovaný v prvních fázích vývoje je nazýván jako okruhov¥ orientovaný p°enos dat CSD (Circuit Switched Data). Jedná se o spojení typu bod-bod.
U p°enos· tohoto druhu vzniká po ustanovení mezi ob¥ma stranami souvislá p°enosová cesta
s p°edem vyhrazenou a garantovanou p°enosovou kapacitou kanálu. Pro p°enos se pouºívá jeden timeslot s hrubou p°enosovou kapacitou 33,8 kbit/s, z této je 11 kbit/s vyuºito k
26
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
zaji²t¥ní funk£nosti samotné sít¥ GSM a dal²ích 13,2 kbit/s je rezervováno pro reºii mechanism· zaji²tujících spolehlivost p°enos·, tedy pro kanálové kódování. Zbývajících 9,6 kbit/s je
k dispozici pro £istý datový tok.
Spojení za£íná vyto£ením £ísla poskytovatele, tzv. ISP (Internet Service Provider), obdobn¥ jako p°i ustanovení modemového spojení dial-up. Autentizace v tomto p°ípad¥ není
vyºadována. Uºivateli je p°id¥lena IP adresa a zaslána informace o serverech DNS (Domain
Name Server). Uºivateli je nabídnuta p°enosová rychlost jednoho plného fyzického kanálu s
dop°ednou opravou chyb FEC (Forward Error Correction), tedy max. zmín¥ných 9,6 kbit/s
(lze pouºít i rychlosti 4,8 a 2,4 kbit/s).
Nevýhodou tohoto typu spojení byla jeho nízká rychlost, nebo´ uº i v dob¥ uvedení se
p°enosová rychlost po pevných linkách pohybovala okolo 3 a více násobku (tj. 33,6 kbit/s a
více) tohoto typu spojení. Dlouhá byla také doba sestavení spojení, protoºe se muselo vyto£it
£íslo a £ekat na p°íjem serverem. Tarikace m·ºe být také v ur£itých p°ípadech nevýhodná.
V ur£ité situaci, nap°. pokud si uºivatel stáhne text, který pak £te, pak platí i za dobu jeho
£tení, aniº se p°ená²ejí dal²í data. Implementace tohoto zp·sobu p°enosu ov²em byla relativn¥
jednoduchá a vyuºívala z v¥t²í £ásti jiº navrºenou hlasovou infrastrukturu sít¥.
2.8.2 HSCSD
V p°ípad¥ HSCSD musí být uºivatelské stanice vylep²eny tak, aby podporovaly p°enos vyuºívající více timeslot· najednou. V p°ípad¥, ºe to daná sí´ podporuje, bylo v praxi obvykle
pouºito schéma tzv. 4+1, tedy 4 timesloty pro sm¥r downlink (4 x 14,4 = 57,6 kbit/s) a 1
timeslot pro sm¥r uplink (1 x 14,4 = 14,4 kbit/s). V tomto p°ípad¥ hovo°íme o tzv. t°íd¥ 10.
Mobilní stanice m·ºe být bu¤to typu 1, kdy po této není vyºadováno simultánní vysílání a
p°íjem (v¥t²ina mobilních stanic z d·vodu jednodu²²í konstrukce rádiového rozhraní) nebo
typu dv¥, kdy je poºadováno simultánní vysílání a p°íjem. [14]
HSCSD tedy do sít¥ zavádí nový princip, který umoº¬uje datová spojení sdruºovat a rozd¥lovat na n datových tok·, které jsou poté p°ená²eny n kanály p°es rádiové rozhraní, kde n
= 1, 2, 3, . . . , 16. Po rozd¥lení jsou datové toky p°ená²eny n provozními kanály TCH/F14.4
(moºno i TCH/F9.6) a nazýváme je HSCSD kanály. [13]
2.8.3 GPRS
Specikaci tohoto systému vypracoval evropský standardiza£ní telekomunika£ní institut
ETSI. Paketový systém GPRS se dá ozna£it jako sí´ v síti, má své vlastní funk£ní prvky,
vlastní rozhraní a principy.[16, 1921, 38, 40, 51]
Se zavedením sluºby GPRS byla zna£n¥ pozm¥n¥na p·vodní architektura sít¥ GSM. Byla
p°idána nová t°ída sí´ových prvk· zvaná podp·rné uzly GPRS, zkrácen¥ GNSs (GPRS Support
Nodes). Tyto podp·rné uzly GSNs zodpovídají za doru£ení a sm¥rování datových paket· mezi
mobilními stanicemi a vn¥j²ími datovými paketovými sít¥mi.
Obsluºný uzel SGSN (Serving GPRS Support Node) doru£uje datové pakety z a k mobilním stanicím MS v jeho obsluºné oblasti. Jeho úkoly zahrnují sm¥rování a p°enos paket·,
funkce p°ipojení/odpojení MS a jejich autentikace a také správu logických spojení. Loka£ní
registr uzlu SGSN ukládá lokaliza£ní informace o MS jako pozice v konkrétní bu¬ce, v konkrétním registru VLR a také informace o uºivateli jako identika£ní £íslo IMSI (International
Mobile Subscriber Identity) a adresu pouºívanou v paketové síti. Tyto informace jsou v registru uloºeny o v²ech uºivatelích spravovaných konkrétním uzlem SGSN. Obsluºný uzel SGSN
27
2
SYSTÉM GSM
je tedy datový uzel, který je vybaven schopností komunikovat na jedné stran¥ s rádiovou £ástí
sít¥ GPRS a na druhé stran¥ s druhým datovým uzlem GGSN.
Podp·rný uzel p°echodu (brány) GGSN (Gateway GPRS Support Node) se chová jako
rozhraní k externím paketovým sítím, zpravidla Internetu. Tento uzel p°evádí pakety GPRS
p°icházející z uzlu SGSN do vhodného formátu paketové datové sít¥ PDN (Packet Data Network), jako jsou protokoly IP nebo X.25, a odesílá je do p°íslu²né externí sít¥. V opa£ném
sm¥ru je p°íchozí adresa paketového protokolu p°evedena na adresu sít¥ GSM konkrétního uºivatele. Pakety s pozm¥n¥nou adresou jsou p°eposlány uzlu SGSN zodpovídajícímu za tohoto
uºivatele. Pro tento ú£el jsou v registru uzlu GGSN udrºovány adresy dostupných uzl· SGSN
a proly uºivatel· v jejich loka£ních registrech.
Na úrovni BSC je pak implementována tzv. jednotka °ízení paket· PCU (Packet Controller
Unit), která obsahuje dodate£nou inteligenci pro identikaci a °ízení paketového provozu na
rádiovém rozhraní.
Na obr.2.12 lze vid¥t rozhraní mezi podp·rnými uzly GSNs a sítí GSM. Rozhraní Gb
propojuje °ídící uzly BSC s obsluºným uzlem SGSN. P°es rozhraní Gn a Gp jsou posílána
°ídící a uºite£ná data mezi podp·rnými uzly GSNs. Rozhraní Gn slouºí pro komunikaci mezi
uzly SGSN a GGSN, které jsou ve stejné ve°ejné pozemní mobilní síti PLMN (Public Land
Mobile Network), zatímco rozhraní Gp je pouºito, pokud jsou uzly v r·zných PLMN.
Obrázek 2.12: Prvky, uzly a rozhraní systému GPRS
Posledním rozhraním je rozhraní Gd, které spojuje bránu textových zpráv SMS-GMSC
a uzel SGSN, a které umoº¬uje
p°enos textových zpráv SMS p°es paketovou sluºbu GPRS.
Teoretické maximum p°enosové rychlosti je 171,2 kbit/s za p°edpokladu, ºe MS pouºije
v²ech 8 timeslot· bez korekce chyb. P°i p°enosu v¥t²ího mnoºství uºite£ných dat v jednom
timeslotu (pouºití vy²²ích kódových schémat) vzniká problém na rozhraní A-bis. Subkanál o
rychlosti 16 kbit/s nedokáºe kapacitn¥ vyhov¥t a proto je zavedeno schéma, kdy je dat·m,
p°icházejícím v jednom timeslotu na rozhraní Um, p°id¥leno více subkanál· na rozhraní A-bis (n x 16 kbit/s). Jeden ze subkanál· se stává hlavním (master) a p°ípadné dal²í jsou pak
ozna£ovány jako p°idruºené (slave).
MS mohou pouºít aº 4 druhy tzv. kódových schémat CS (Coding Scheme) a to v závislosti
na odstupu signál/ru²ení, tedy tzv. C/I tak, aby byl zaji²t¥n co nejlep²í a nejefektivn¥j²í p°enos
dat. Tato kódovací schémata systému GPRS se ozna£ují jako CS-1 aº CS-4. Mobilní stanice
(Short Message Service - Gateway Mobile Service Center)
28
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
musí podporovat vºdy v²echna £ty°i kódová schémata, p°i reálném p°enosu ov²em záleºí také
na technologii základnové stanice a nastavení ze strany operátora.
Nejbezpe£n¥j²í zp·sob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém rozhraní
je ozna£en jako CS-1. Tento kódovací systém pouºívá vysokou redundanci, coº se projeví na
jeho nízké p°enosové rychlosti. Na opa£né stran¥ tabulky se nachází kódovací systém CS-4
s velice nízkou odolností v·£i chybám, zato v²ak umoº¬uje dosáhnout nejvy²²í p°enosové
rychlosti. P°i vyuºití v²ech 8 timeslot· jednoho rádiového kanálu, lze pro kódovací systém
CS-4 stanovit teoretickou p°enosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS na 21,4.8=171,2
kbit/s. Z pohledu uºivatele sít¥ je vhodn¥j²í uvaºovat tzv. uºivatelskou rychlost, která je v
d·sledku pouºití dal²ích protokol·, nap°. IP, je²t¥ men²í. O pouºití obsazení po£tu timeslot·
rozhoduje operátor. Rychlost p°enosu zejména závisí na úrovni ru²ení v rádiovém prost°edí.
Jednotlivé mobilní stanice jsou za°azeny do £íselných t°íd 1-10. azení do jednotlivých t°íd
GPRS se ur£uje podle t¥chto parametr· [16]
ˆ Maximální po£et timeslot· v p°íchozím sm¥ru, které m·ºe MS pouºít v jednom rámci
TDMA.
ˆ Maximální po£et timeslot· v odchozím sm¥ru, které m·ºe MS pouºít v jednom rámci
TDMA.
ˆ Celkový po£et timeslot·, které m·ºe MS pouºít v jednom rámci TDMA.
Bu¬ka podporující sluºbu GPRS musí zaji²´ovat p°i°azení fyzických kanál· pro provoz
sluºeb GPRS, coº jinými slovy znamená, ºe rádiové zdroje bu¬ky jsou sdílené v²emi mobilními
stanicemi v bu¬ce a to jak pro sluºby GSM tak pro sluºby GPRS. P°i°azení fyzických kanál·
PCH pro tyto sluºby je provád¥no dynamicky. Fyzický kanál p°i°azený p°enosu GPRS je
ozna£en jako paketový datový kanál PDCH (Packet Data Channel). Po£et kanál· PDCH je
upravován podle aktuálních poºadavk· provozu. Je-li po£et hovor· GSM malý, je zde mnoho
volných timeslot· a ty jsou p°id¥leny pro pouºití sluºb¥ GPRS. Je-li poºadavk· na hovory
GSM naopak mnoho, pak mohou být kanály PDCH stanici odejmuty. Spojení na kanálech
PDCH je sestaveno pouze po dobu p°enosu dat, poté je zase ukon£eno. Více mobilních stanic
tak m·ºe pouºívat jeden kanál PDCH.
P°id¥lování kanál· °ídí uzel BSC. Aby se p°ede²lo kolizím, tak je v síti signalizováno, které
kanály jsou práv¥ ve sm¥ru downlink dostupné. Po fyzických kanálech PDCH jsou p°ená²eny
logické kanály. Ty se obdobn¥ jako logické kanály základního systému GSM d¥lí na provozní
a signaliza£ní.
Signaliza£ní kanály se dále d¥lí na:
ˆ PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) je jednosm¥rný signaliza£ní kanál typu
P2M. Pouºívá subsystémem základnových stanic BSS pro komunikaci s mobilními stanicemi. BSS na tomto kanále informuje v²echny mobilní stanice v bu¬ce o uspo°ádání sít¥
GPRS. Dále se také odesílají d·leºité informace pro okruhov¥ orientované sluºby GSM
tak, aby stanice nemusela zárove¬ poslouchat kanál BCCH.
ˆ PCCCH (Packet Common Control Channel) nese signaliza£ní informace pro funkci
správy p°ístupu k síti. D¥lí se dále na 4 podkanály:
PRACH
(Packet Random Access Channel) pouºívaný mobilními stanicemi pro
odeslání ºádostí o jeden nebo více provozních kanál· PDTCH.
PAGCH (Packet Access Grant Channel) pouºívaný k p°id¥lení jednoho nebo více
provozních kanál· PDTCH.
29
2
SYSTÉM GSM
PPCH
(Packet Paging Channel),
který pouºívá subsystém BSS k zji²t¥ní pozice
mobilní stanice p°ed odesláním paketových dat ve sm¥ru downlink.
ˆ PDCCH (Packet Dedicated Control
P2P. Obsahuje tyto dva kanály:
Channel)
je obousm¥rný signaliza£ní kanál typu
PACCH (Packet Associated Control Channel) je vºdy p°id¥len v kombinaci s jed-
ním nebo více provozními kanály PDTCH. P°ená²í signaliza£ní informace týkající
se konkrétní mobilní stanice, nap°. °ízení výkonu.
PTCCH (Packet Timing Advance Control Channel) se pouºívá pro adaptivní synchronizaci paket·. Mobilní stanice po²le prost°ednictvím £ásti kanálu PTCCH ve
sm¥ru uplink (PTCCH/U) n¥kolik p°ístupových burst· základnové stanici. Ze zpoºd¥ní je odvozena správná hodnota £asového p°edstihu TA a jeho hodnota je odeslána prost°ednictvím £ásti stejného kanálu ve sm¥ru downlink (PTCCH/D) zp¥t
mobilní stanici.
2.9 EDGE
Na rozdíl technologie GSM a GPRS, EDGE pouºívá na fyzické vrstv¥ osmi-stavovou modulaci
8-PSK, viz. obr.2.13. Jeden p°enesený symbol tak reprezentuje 3 bity, £ímº se aº 3 krát
navy²uje teoretická p°enosová rychlost. [18, 38]
Obrázek 2.13: Modulace GMSK a 8-PSK
V rámci zachování kompatibility se systémem GSM je p°i komunikaci dle EDGE v¥t²ina
parametr· fyzické vrstvy shodná s p·vodní specikací GSM, tedy odstup nosné 200 kHz a
také sloºení rámce TDMA. Sloºení burstu je také obdobné s normálním burstem NB, pouze
jsou zde vypu²t¥ny zna£ky SF. Délka uºivatelských dat je tedy 2x58 bit·.
Mimo p°idání nového typu modulace EDGE také zavádí zm¥ny na rádiové linkové vrstv¥
°ízení p°ístupu k médiu RLC/MAC (Radio Link Control/Medium Access Control). Byly zde
p°idány nové procedury:
ˆ technika kombinování kódu s inkrementální redundancí (nadbyte£ností) HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest). V módu inkrementální redundance m·ºe být první blok
RLC (Radio Link Control layer) odeslán s malým mnoºstvím nebo v·bec ºádnými p°idanými bity korekce dat. Pokud ov²em tento blok nem·ºe být správn¥ rozklí£ován, pak
v následujícím p°enosu je p°idáno více bit· pro korekci dat a je zde aplikováno jiné
30
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
d¥rovací schéma (puncturing scheme; d¥rování je odstran¥ní n¥kolika paritních bit· po
zakódování korek£ním kódem) na stejný blok RLC. Dokud není blok RLC dekódován
správn¥ jsou ukládány stejné bloky p°ijaté s r·znými chybami (mohou být totiº pouºity
k vzájemnému zkombinování), viz. obr.2.14
ˆ Pooling - mechanismus, kdy paketová °ídící jednotka PCU poºaduje po mobilní stanici
odeslání informací o podmínkách ve sm¥ru downlink a o úsp¥²n¥ p°ijatých blocích RLC.
Pooling je sou£ástí výb¥rového mechanismu ARQ (Automatic Repeat Request), kdy jsou
op¥t posílány ²patn¥ p°ijaté bloky RLC.
ˆ zv¥t²ené okno potvrzení p°ijetí ACK/NACK.
MS
Um
BTS
E C b it s
fe w e r F
NACK
E C b it s
m o re F
+
=
ACK
Obrázek 2.14: Technika HARQ
Bylo zde denováno 9 modula£ních a kódových schémat MCS (Modulation and Coding
Scheme) kombinující nastavení jednotlivých parametr· podle aktuální kvality rádiového spojení. Nová kódová schémata vyuºívající stávající modulaci GMSK (MCS-1 aº MCS-4) jsou
odli²ná od kódových schémat CS-1 a CS-2 systému GPRS a to kv·li podpo°e inkrementální
redundance HARQ, viz. tab. 2.2.
2.10 ECSD
Spojení pomocí ECSD pouºívá jako základ p·vodní HSCSD. Uºivatelská p°enosová rychlost
není navý²ena (kv·li omezení na rozhraní A), ale m·ºe být dosaºena s men²ím mnoºstvím timeslot· a jednodu²²í implementací v mobilní stanici. Vy²²í p°enosové rychlosti jsou denovány
jak pro transparentní, tak i pro netransparentní sluºby.
31
2
SYSTÉM GSM
Kódové
schéma
MCS-1
MCS-2
MCS-3
MCS-4
MCS-5
MCS-6
MCS-7
MCS-8
MCS-9
Kódový
pom¥r
0,53
0,66
0,85
1
0,37
0,49
0,76
0,92
1
Tabulka 2.2: P°enosové módy EDGE
Modulace P°enosová rychlost
Referen£ní hranice (BLER<10 %)
na timeslot [kbit/s] BTS [dBm] MS [dBm]
GMSK
8,8
-103
-103
GMSK
11,2
-101
-101
GMSK
14,8
-96,5
-96,5
GMSK
17,6
-91
-91
8-PSK
22,4
-97
-94
8-PSK
29,6
-94,5
-91,5
8-PSK
44,8
-88,5
-84
8-PSK
54,4
-84
-83 (BLER<30 %)
8-PSK
59,2
-80
Spole£né (obecné) °ídící kanály stejn¥ jako vyhrazené a p°idruºené °ídící kanály jsou shodné
s jinými okruhov¥ orientovanými sluºbami, odli²ný je pouze rychlý p°idruºený °ídící kanál
pro ECSD tzv. FACCH/E (Fast Associated Control CHannel/ECSD), který pouºívá modulaci
GMSK a je obdélníkov¥ prokládán ve £ty°ech po sob¥ jdoucích timeslotech TDMA. Je odesílán
spole£n¥ s uºite£nými daty, modulovanými nov¥ modulací 8-PSK, a jeho identikace mezi
ostatními je zaloºena £ist¥ na bázi rozpoznání 4 timeslot· p°ijatých s modulací GMSK, které
jsou poté identikovány jako FACCH/E.
2.11 EDGE Compact
Release '98 také zavádí novou specikaci sluºby EGDE, která nevyºaduje typickou konguraci
t°í-sektorových bun¥k ve svazku o 4 bu¬kách, ale vysta£í s t°í-sektorovou bu¬kou, která tvo°í
svazek sama o sob¥. To umoºní pouºít místo 12 r·zných kanál· pouze 3 opakující se kanály,
tedy pouze pásmo o ²í°ce 600 kHz. Tato kongurace sice není vhodná pro hlasové sluºby,
které z principu nemohou podporovat opakované p°eposílání dat, ale datovým sluºbám pln¥
vyhovuje. ídící kanály ov²em poºadují p·vodní odstup signálu od ²umu C/I a proto jsou
bu¬ky rozd¥leny do t°í r·zných £asových skupin a MS p°istupuje k °ídícím kanál·m pouze v
ur£eném £ase, dle p°íslu²nosti bu¬ky k £asové skupin¥, coº vyºaduje dodate£nou synchronizaci.
2.12 Dal²í systémy 2. generace
2.12.1 PDC
V Japonsku byla na obdobných základech, jako v Evrop¥ sí´ GSM, specikována sí´ PDC
(Personal Digital Cellular). Sí´ pouºívala £asov¥ d¥lený mnohonásobný p°ístup TDMA, kanál
o ²í°ce 25 kHz, modulaci PSK (Phase-Shift Keying). Jeden frekven£ní kanál je v tomto p°ípad¥
rozd¥len na t°i timesloty o rychlosti 11,2 kbit/s nebo 6 timeslot· o rychlosti 5,6 kbit/s p°i
pouºití hlasového kodeku s polovi£ní p°enosovou rychlostí.
Sí´ PDC byla specikována pro dv¥ pásma, v okolí kmito£tu 800 MHz (downlink 810-888
MHz / uplink 893-958 MHz) a v okolí kmito£tu 1500 MHz (downlink 1477-1501 MHz / uplink
1429-1453 MHz), jak je znázorn¥no na obr. 2.15.
32
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
800
900
1000
f [M H z ]
1400
1500
1600
f [M H z ]
PDC 800 M Hz
PDC 1500 M Hz
=
C a rrie r
2 5 kH z
Tx
t
T D M A T im e s lo ts
f1
T1
f2 T 1 T 1
T2
T1
C S D 9 .6 k b p s
T3
T1
T1
T1
3x
f
Tx
P D C -P 2 8 .8 k b p s
Obrázek 2.15: Japonská sí´ PDC a její hlavní parametry
2.12.2 D-AMPS
Rovn¥º v Americe byl systém AMPS p°eveden do digitální podoby. Kaºdý frekven£ní kanál
stávajícího páru p·vodního analogového systému o ²í°ce 30 kHz byl rozd¥len metodou TDMA
na t°i timesloty a p°ená²ený hovor byl digitáln¥ zkomprimován. Tím do²lo k trojnásobnému
navý²ení kapacity sít¥ a zárove¬ se zamezilo odposlouchávání analogovými p°ijíma£i. Digitální
signál byl kódován, ov²em pouºitý algoritmus nebyl nikterak sloºitý.
D-AMPS za²ti´oval dva standardy, tzv. IS-54 (Interim Standard-54) a IS-136, který vylep²oval p·vodní IS-54 a p°idával nap°íklad podporu datových p°enos· CSD.
Sít¥ D-AMPS byly z velké £ásti jiº vypnuty ve prosp¥ch sítí na bázi CDMA nebo modikací
sít¥ GSM.
33
3
3
SYSTÉM UMTS
Systém UMTS
3.1 Vznik UMTS
Historie UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) za£ala v druhé polovin¥ 80.
let pod vedením ITU (International Telecommunication Union). Do druhé poloviny 90. let
vytvo°ila ITU základní rámec s poºadavky, které by nová technologie m¥la spl¬ovat. Tato
iniciativa byla pojmenována jako IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for
the year 2000) a m¥la zast°e²ovat celou rodinu 3G standard· jako UMTS, cdma 2000 nebo
Mobile WiMAX.
Hlavní cíle IMT-2000 byly:
ˆ uvnit° budov, p°i rychlosti pohybu terminálu do 6 km/h p°enosová rychlost aº 2048
kbit/s,
ˆ v m¥stské zástavb¥, p°i rychlosti do 120 km/h p°enosová rychlost minimáln¥ 384 kbit/s,
ˆ mimo m¥sta v rychlých dopravních prost°edcích p°enosová rychlost minimáln¥ 144
kbit/s,
ˆ mimo m¥sta v rychlých dopravních prost°edcích minimáln¥ 144 kbit/s,
ˆ podpora celosv¥tové mobility,
ˆ nezávislost vlastností a nabídky sluºeb na technologii rádiového rozhraní,
ˆ bezproblémová konvergence sluºeb poskytovaných v pevných i mobilních sítích,
ˆ podpora multimediálních sluºeb v reálném £ase,
ˆ exibilita p°i zavád¥ní nových sluºeb.
UMTS jako mobilní rádiový systém 3. generace (3G) byl vyvinut v rámci projektu 3GPP
(3rd Generation Partnership Project). Projekt 3GPP byl zaloºen v roce 1999 a je mj. zaloºen
na spolupráci ²esti standardiza£ních organizací:
ˆ evropská
ˆ japonská
ETSI (European Telecommunications Standards Institute),
ARIB (Association of Radio Industries and Businesses)
nication Technology Committee),
ˆ korejská TTA (Telecommunications Technology Association),
ˆ severoamerická ATIS (Alliance for Telecommunications Industry
ˆ £ínská CCSA (China Communications Standards Association).
a
TTC (Telecommu-
Solutions)
a
D·leºitou roli p°i tvorb¥ standardu pro UMTS m¥ly i organizace IETF (Internet Engineering Task Force) a IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). První verze,
tzv. release , standardu UMTS byla dostupná v b°eznu roku 2000 a ozna£uje se jako "Release
99 ". Dal²í verze následovaly v cca ro£ních odstupech a jejich celkový p°ehled s nejd·leºit¥j²ími (ne vy£erpávajícími) vlastnostmi je uveden na obrázku 3.1. Lze °íci, ºe kaºdá nová verze
standardu obsahovala sadu vylep²ení v£. zavedení nových technologií. [1, 10, 44, 47, 49, 55]
3.2 Architektura systému UMTS
V této kapitole bude popsána architektura systému UMTS, budou rozebrány jednotlivé komponenty a pouºité protokoly. [24, 49]
34
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Rel-99
2000
Rel-4
2001
Rel-5
2002
Rel-6
2005
Rel-7
2007
Rel-8
2008
FDD
3,84 Mcps
TDD
1,28 Mcps
High-Speed
Downlink
Packet
Access
(HSDPA)
High-Speed
Uplink
Packet
Access
(HSUPA)
HSDPA
MIMO
Dual-Carrier Dual-Carrier
HSDPA
HSUPA
64QAM
Downlink
Multimedia
Broadcast
Multicast
Services
(MBMS)
16QAM
Uplink
Long-term
evolution
(LTE)
TDD
3,84 Mcps
Rel-9
2009
Rel-10
2012
Rel-11
2013
Rel-12
2015
LTEIMS improve- small cells,
Advanced,
ments,
MIMO, CA,
Carrier
roaming,
LTE-HSPA,
Dual Carrier
AggreP2P
MTC
HSDPA +
gation,
MIMO
CoMp, M2M
Rel-13
2016
LTE-U
??
Dual Band
HSDPA
Obrázek 3.1: P°ehled jednotlivých verzí standardu UMTS a jejich vlastností
3.3 High-level architektura
Na obr. 3.2 je zobrazena obecná tzv. high level architektura mobilní sít¥ 3G dle IMT-2000
[45]. Architektura 3G sít¥ se skládá z následujících blok·:
ˆ User Identity Module (UIM) poskytuje zabezpe£ení sluºeb uºivatele. P°íkladem
takovéhoto modulu je b¥ºná SIM (Subscriber Identity Module) karta.
ˆ Mobile Terminal (MT) je b¥ºný mobilní telefon, který komunikuje s UIM i RAN
(Radio Access Network).
ˆ Radio Access Network (RAN) je rádiová p°ístupová sí´ obsahující základnové stanice
BS (Base Station).
ˆ Core Network (CN) je jádro sít¥, které zaji²´uje p°epojování ú£astník· v rámci RAN
nebo do externích sítí.
Radio Access
Network (RAN)
|
Core Network
(CN)
|
External Core
Networks
NNI
|
RAN-CN
interface
Mobile Terminal
(MT)
MT-RAN
interface
|
UIM-MT
interface
User Identity
Module (UIM)
Obrázek 3.2: P°ehled jednotlivých verzí standardu UMTS a jejich vlastností
3.4 Systémová architektura
Hlavní rozdíl mezi architekturou dle Release 99 a standardní GSM/GPRS architekturou dle
Release 98 je v typu rádiové p°ístupové sít¥. UMTS denuje namísto GSM RAN/GERAN
(Global System for Mobile Radio Access Network / GPRS EDGE Radio Access Network)
tzv. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) . Na obr. 3.3 je zobrazena
systémová architektura systému UMTS s novým typem p°ístupové sít¥ UTRAN. V UMTS je
i zaveden nový pojem pro mobilní stanici, tj. UE (User Equipment). SIM karta, p°esn¥ji
modul UIM, je nov¥ denován jako UICC (Universal Integrated Circuit Card) . Detailní
popis jednotlivých £ástí architektury UMTS bude popsán v dal²ích kapitolách.
35
UMTS Core
Network
|
CS-Domain
|
PS-Domain
|
CN
IMS
Gi
Iu-ps
|
Gi
UTRAN
Uu
UE containing
UICC
External Core
Networks
SYSTÉM UMTS
Iu-cs
3
Obrázek 3.3: Systémová architektura UMTS
V rámci systémové architektury je denován je²t¥ pojem - PLMN (Public Land Mobile
Network). PLMN je tzv. ve°ejná pozemní mobilní rádiová sí´ provozována za ú£elem poskytování pozemních mobilních telekomunika£ních sluºeb ve°ejnosti. PLMN je identikován kódem
zem¥ MCC (Mobile Country Code) a kódem sít¥ MNC (Mobile Network Code). Lze konstatovat, ºe kaºdý operátor poskytující mobilní sluºby má svou vlastní PLMN. Detailní architektura
PLMN systému UMTS je uvedena na obr. 3.4
Uu
Iu
NodeB
MSC/
VLR
RNC
U S IM
GMSC
PLM N,
P S T N , ...
GGSN
In te rn e t
NodeB
CCuu
Iu b
Iu r
HLR
NodeB
ME
RNC
NodeB
UE
SGSN
UTRAN
CN
E x te rn a l
N e tw o rk s
Obrázek 3.4: Detailní architektura systému UMTS
3.5 UTRAN
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) je rádiová p°ístupová sí´ (£ást) systému
UMTS. UTRAN p°edstavuje tu £ást sít¥, která umoº¬uje uºivatel·m mobilní p°ístup ke sluºbám poskytovaným páte°ní sítí CN pomocí rádiového prost°edí. V této souvislosti plní dv¥
hlavní funkce a to zprost°edkování rádiového p°enosu a °ízení a p°id¥lování rádiových kanál·.
UTRAN obsahuje dva základní bloky [24, 49]:
ˆ NodeB - základnová stanice systému UMTS.
ˆ RNC (Radio Network Controller) - kontrolér systému UMTS.
3.5.1 NodeB
Její hlavní funkcí je konverze datového toku mezi rozhraním Iub a Uu. NodeB vykonává
ve²keré procesy spojené s L1 (fyzickou) vrstvou jako je kanálové kódování, prokládání a rozprost°ení. Participuje rovn¥º na vykonávání procedur spojených s tzv. RRM (Radio
36
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Resource Management),
a to zejména m¥°ení kvality p°ijímaného signálu a °ízení vysílacího
výkonu UE. Logicky koresponduje se základnovou stanicí (BTS) systému GSM. Pojem NodeB
byl do£asn¥ pouºíván ve fázi vývoje 3GPP standardu, aby nedocházelo k zám¥n¥ s pojmem
BTS, nicmén¥ zp¥t ke zm¥n¥ názvu nikdy nedo²lo.
3.5.2 RNC
Jeho hlavní funkcí je v rámci UTRAN p°ímé °ízení rádiových prost°edk· pro jednotlivé
NodeB. Je p°ipojen k CN Core Network a to typicky k jednomu MSC (Mobile Switching
Center) a jednomu SGSN (Serving GPRS Support Node). Logicky koresponduje s kontrolérem
(BSC) systému GSM.
Jeden RNC, který spravuje n¥kolik NodeB tvo°í RNS (Radio Network Subsystem), viz.
obr. 3.5. Struktura RNS je velmi podobná struktu°e BSS u systému GSM. Podstatným rozdílem je nové rozhraní Iur, které slouºí pro p°ímou komunikaci mezi jednotlivými RNC. P°ímá
komunikace mezi RNC zlep²uje efektivitu komunikace p°i °ízení handoveru.
NodeB
RNC
NodeB
RNS
Iu r
NodeB
RNC
NodeB
RNS
Iu b
UTRAN
Obrázek 3.5: RNS v UTRAN
3.6 Core Network
Core Network neboli jádro mobilní sít¥ UMTS tvo°í zejména mobilní úst°edna a sada da-
tabází £i registr·.
3.6.1 HLR
HLR (Home
je centrální databáze v mobilní síti (platí pro systém UMTS
i GSM), která obsahuje detaily (nap°. aktivní sluºby) o kaºdém ú£astníkovi pouºívajícím
mobilní telefon. V HLR jsou uloºeny identikátory jako IMSI £i MSISDN.
Location Register)
3.6.2 VLR
VLR
(Visitor Location Register) je databáze, kterou vlastní kaºdá úst°edna. V VLR se u
kaºdého uºivatele spadající pod danou úst°ednu uchovává zejména identikátor oblasti LAC
(Location Area Code), pod kterou je uºivatel registrován. P°esune-li se mobilní telefon do
bu¬ky spravované jiným MSC, toto nové MSC o tom informuje HLR. HLR odstraní data o
ú£astníkovi z p·vodního VLR a v novém VLR vytvo°í aktuální záznam o ú£astníkovi. Oblast
spravovaná jednou MSC/VLR je nazývána jako CS domain.
37
3
SYSTÉM UMTS
3.6.3 MSC
MSC
(Mobile Switching Centre) je mobilní úst°edna, jejichº hlavní funkcí je p°epojovat,
sestavovat a udrºovat spojení po dobu trvání hovoru. MSC vºdy komunikuje s registrem VLR.
Její dal²í funkcí je generování tzv. CDR (Call Detail Records) záznam· o kaºdém hovoru,
které slouºí pro následné zpracování v Billing Center. Pro signalizaci s registry a s externími
sít¥mi se vyuºívá aplika£ní protokol MAP (Mobile Application Part) (MAP) protokolu CCS7
(Commnon Channel Signalling).[7].
3.6.4 Gateway MSC
Gateway MSC (The Gateway Mobile Switching Centre) je zvlá²tní druh MSC, který se pouºívá
pro sm¥rování hovor· mimo mobilní sít¥. Kdykoliv volání na mobilní ú£astníka pochází z
oblasti mimo danou mobilní sí´ nebo ú£astník chce volat na n¥koho mimo mobilní sí´ je hovor
sm¥rován p°es GMSC.
3.6.5 SGSN a GGSN
Uzly Serving GPRS Support Node a GPRS Support Node mají stejnou funkcionalitu jako v
systému GPRS. SGSN tuneluje provoz od GGSN k p°íslu²né BSC. GGSN je bránou mezi
externími sít¥mi (nap°. Internet) a vlastní UMTS síti. Pro komunikaci SGSN - GGSN se
pouºívá protokol GGSN (GPRS Tunneling Protocol ). Mezi klientem a GGSN a vºdy aktivován
aspo¬ jeden PDP (Packet Data Protocol) kontext.
3.6.6 Rozhraní
ˆ Cu - je elektrické rozhraní mezi USIM a mobilním za°ízením. Je to v podstat¥ normovaná
patice £i slot uvnit° mobilního za°ízení, které slouºí jako rozhraní po komunikaci mezi
USIM a mobilním za°ízením.
ˆ Uu - rádiové rozhraní mezi UE a UTRAN, je zde pouºit kódový multiplex WCDMA.
Toto rozhraní má n¥kolik specik, podrobnosti budou probrány v kapitole v¥nující se
fyzické vrstv¥ systému UMTS.
ˆ Iu - rozhraní mezi UTRAN a jádrem sít¥. Rozhraní Iu se rozd¥luje podle toho, zda
se vyuºívá pro propojení paketové spínané technologie IuPS (Packet Switched) nebo
okruhov¥ spínané technologie IuCS (Circuit Switched). To koresponduje s rozd¥lením
jádra sít¥ do dvou tzv. domén, tedy na sluºby paketov¥ spínané a okruhov¥ spínané.
ˆ Iur - rozhraní mezi jednotlivými RNC. Hlavním úkolem tohoto rozhraní je umoºnit tzv.
inter-RNC soft handover mezi RNC.
ˆ Iub - rozhraní mezi NodeB a RNC. Pouºívá se zde standardizovaný p°enosový protokol
E1 dle G.703 [48] nebo rozhraní Ethernet 10/100BASE-T nebo 1x100BASE-X/T [43].
Na aplika£ní vrstv¥ se pouºívá protokol NBAP (Node B Application Part) [2].
3.7 Paketov¥ a okruhov¥ spínaná doména
CS (Circuit Switched) doména slouºí pro transport klasického telefonního hovoru. Uºivatel má
vyhrazen kanál (okruh) po celou dobu spojení.
38
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
PS (Packet Switched) doména slouºí pro p°enos dat zaloºených na paketovém p°epojování.
Nevyhrazuje se zde p°enosový kanál natrvalo, ale pouze po dobu, kdy jej bezprost°edn¥ pot°ebuje uºivatel pro p°enos dat. P°enosový kanál je £asto sdílen mezi jednotlivé uºivatele, coº
zefektiv¬uje jeho pouºití. P°íkladem sluºby PS domény je Internet.
3.8 IMS
IMS
(IP Multimedia Subsystem) byl poprvé p°edstaven v rámci UMTS Release 5. Cílem
IMS je umoºnit kontrolovaný a °ízený p°enos multimediální komunikace paketov¥ p°epínanou
doménou v rámci UMTS architektury, viz. obr. 3.6. IMS integruje a podporuje systémy s
p°epojováním paket· i s p°epojováním okruh·. IMS staví na p°edpokladu, ºe mobilní i xní
telefonní sít¥ konvergují v tzv. Next Generation Networks (NGN), které budou primárn¥
pouºívat protokol IP. Pro signalizaci m·ºe být pouºit nap°. protokol SIP (Session Initiation
Protocol ). [5, 22, 23]
S e rv ic e s a n d
a p p lic a tio n s
Iu -c s
MSC
s e rv e r
GMSC
s e rv e r
MGW
MGW
PSTN, CS
PLM N
SGSN
GGSN
IP N e tw o rk s
MRF
CSCF
MGCF
Iu -cs
UE
HSS
UTRAN
Iu -p s
IM S F u n c tio n a lity
S e rv ic e s a n d
a p p lic a tio n s
Obrázek 3.6: Architektura IMS v UMTS
Komunikace uvnit° IMS probíhá ve t°ech rovinách:
ˆ Signaliza£ní (SIP)
ˆ Výkonná (transkódování,. . . ) RTP, RTCP
ˆ Databáze
Funkcionalita IMS obsahuje entity:
ˆ MRF - hlasová konference, IVR
ˆ CSCF - hlavní podpora relací pomocí SIP
ˆ MGCF - °e²í kompatibilitu signalizace
Více o IMS lze do£íst nap°. v [5, 22, 23].
39
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
4
Fyzická vrstva rádiového p°ístupu v UMTS
4.1 Frekven£ní pásma systému UMTS
V souladu s rozhodnutími ITU p°ijatými na konferenci WARC-92 (World Administrative Radio Conference) se pro UMTS po£ítá zejména s vyuºitím rádiového spektra v kmito£tových
pásmech:
ˆ 1920 - 1980 MHz a 2110 - 2170 MHz - párové pásmo pro uplink a downlink s pouºitím
FDD (Frequency Division Duplex), odstup jednotlivých kanál· je 5 MHz
ˆ 1900 - 1920 MHz a 2010 - 2025 MHz - nepárové pásmo pro uplink a downlink s
pouºitím TDD (Time Division Duplex), odstup jednotlivých kanál· je 5 MHz
ˆ 1980 - 2010 MHz a 2170 - 2200 MHz - druºicové pohyblivé sluºby (Mobile Satellite
Services MSS)
Dal²ím milníkem v rozd¥lení frekven£ního pásma pro systém UMTS bylo konání konference WARC'2000, jejichº výsledkem je schválení dal²ích pásem 1710 - 1885 MHz a 2520
- 2670 MHz. Dále byl schválen zám¥r pouºít pro IMT-2000 také frekvence, které jsou jiº
dnes vyhrazeny pro mobilní technologie v pásmu 806 - 960 MHz. Tyto nové frekvence jsou
rezervovány z d·vodu p°edpokladu velkého zájmu o mobilní komunikaci v budoucnu a mohou
být pouºity globáln¥ nebo pouze v jednotlivých regionech. [3, 46]
Finální rozd¥lení frekven£ního pásma pro UTRA/FDD (Universal Terrestrial Radio Access) je denován v technické specikaci ETSI TS 125 101. Tato specikace pro²la od roku
2000 mnoha aktualizacemi, kde se postupn¥ p°idávaly dal²í pásma, poslední verze denuje 26
párových pásem, viz. tabulka 4.1. [27]
4.2 Frekven£ní kanály
Nosná frekvence v systému UMTS je popsána parametrem UARFCN (UTRA Absolute Radio
Frequency Channel), který se p°epo£ítává jako:
U ARF CNU P LIN K = 5 · FU P LIN K
(4.1)
kde:
ˆ FU P LIN K je p°íslu²ná centrální frekvence v uplink pásmu, tj. 1922, 4 − 1977, 6 MHz s
rastrem 5 MHz.
U ARF CNDOW N LIN K = 5 · FDOW N LIN K
(4.2)
kde:
ˆ FDOW N LIN K je p°íslu²ná centrální frekvence v downlink pásmu, tj. 2112, 4 − 2167, 6
MHz s rastrem 5 MHz.
UARFCN proto m·ºe nabývat hodnot 9612 - 9888 pro uplink a 10562 - 10838 pro
downlink. V²echny vý²e uvedené hodnoty platí pro pásmo I (Operating band I) v rámci [27].
40
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Tabulka 4.1: Pásma pro UTRA FDD
pásmo
uplink pásmo
downlink pásmo
MHz
MHz
I
1920 - 1980
2110 2170
II
1850 1910
1930 1990
III
1710 1785
1805 1880
IV
1710 1755
2110 2155
V
824 849
869 894
VI
830 840
875 885
VII
2500 2570
2620 2690
VIII
880 915
925 960
IX
1749,9 1784,9
1844,9 1879,9
X
1710 1770
2110 2170
XI
1427,9 1447,9
1475,9 1495,9
XII
699 716
729 746
XIII
777 787
746 756
XIV
788 798
758 768
XV
rezervováno
rezervováno
XVI
rezervováno
rezervováno
XVII
rezervováno
rezervováno
XVIII
rezervováno
rezervováno
XIX
830 845
877,4 887,6
XX
832 862
791 821
XXI
1447,9 1462,9
1495,9 1510,9
XXII
3410 3490
3510 3590
XXIII
rezervováno
rezervováno
XXIV
rezervováno
rezervováno
XXV
1850 1915
1930 1995
XXVI
814 849
859 894
41
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
4.3 Modula£ní technika v UMTS
V systému GSM/GPRS je na rádiovém rozhraní pouºita modulace GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), která je variantou modulace MSK. P°ed modulátor MSK je za°azena
Gaussovská dolní propust GLPF (Gaussian Low Pass Filter), která kmito£tov¥ omezí spektrum vstupního digitálního signálu. Toto se projeví nejen v zaoblení jeho hran, ale p°edev²ím
v tom, ºe výsledný modulovaný signál GMSK má výrazn¥ potla£eny postranní laloky kmito£tového spektra a nemusí být tedy jiº dále ltrován.
Systém UMTS vyuºívá vysp¥lej²í modula£ní techniku - QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying). QPSK je popsána jako £ty°stavové klí£ování fázovým posuvem, kde kaºdý stav p°ená²í sou£asn¥ 2 bity (dibit). Nosná vlna má zde konstantní amplitudu a zaujímá zde £ty°i r·zné
stavy, 45◦ , 135◦ , 225◦ , 315◦ . V systému UMTS kaºdý fázový posuv kóduje tzv. dva "£ipy"
(chips), viz. obr. 4.1. ’edou barvou je vyzna£ena nosná frekvence. Kaºdá sekvence bit· (£ip·)
p°edstavuje daný fázový posuv (phase shift), nosný signál modulovaný QPSK je vyzna£en
£erven¥. [9, 39, 58]
P(t)
t
Phase shift
1/43/45/4 7/4
Bit (chip) sequence 00
10
01
11
Obrázek 4.1: Modulace nosné vlny pomocí QPSK (£erven¥)
4.4 Technika CDMA
Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vln¥ní v kmito£tovém pásmu 10 kHz aº 3000
GHz, které se ²í°í volným prostorem. Pásmo rádiových mobilních sítí se typicky nachází v
rozmezí stovek MHz aº desítek GHz. Pro odd¥lení sm¥ru vysílání / p°íjímání (uplink, downlink )
a pro zvý²ení spektrální ú£innosti se pouºívají duplexní a multiplexní techniky:
ˆ FDD / FDMA (Frequency Division Duplex / Frequency Division Multiple
Access)
ˆ TDD / TDMA (Time Division Duplex /
ˆ CDMA (Code Division Multiple Access)
Time Division Multiple Access)
U techniky CDMA se realizuje rozli²ení jednotlivých ú£astník· nikoliv na základ¥ kmito£tové nebo £asové separace jejich p°enosu, ale na základ¥ rozdílných individuálních kód·.
42
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Pomocí rychlých pseudonáhodných sekvencí se ve vysíla£i transformuje signál kaºdého uºivatele do ²irokopásmové podoby. Vzniká tak signál s rozprost°eným spektrem, který se p°ená²í
rádiovým kanálem.
Protoºe je technika CDMA pouºita v systému UMTS, budou její vlastnosti dále rozebrány.
V²echny ostatní vý²e uvedené duplexní a multiplexní techniky jsou velmi dob°e známy a
popsány nap°. v [52].
4.5 Technika WCDMA v UMTS
WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) je obdoba systému CDMA s p°ímým rozpro-
stíráním, tzv. DS-CDMA (Direct-Sequence CDMA), kde se pouºívá ²irokopásmový p°enosový
kanál.
Obr. 4.2 znázor¬uje proces rozprostíraní (spreading) uºivatelských dat. Kaºdé z dvojice
vysíla£/p°ijíma£ je p°i°azen unikátní CDMA kód, který se skládá se sekvence £ip·. Nejd°íve
jsou binární (logické) hodnoty p°emapovány jako 0 → +1, 1 → −1. Takto p°emapované hodnoty jsou tzv. rozprostírány (spreading) matematickou funkcí XOR , kde je kaºdý datový
bit postupn¥ se£ten s 8 kódovými bity (£ipy). Vzniká tak ²irokopásmový rozprost°ený signál
s 8-násobn¥ zvý²enou frekvencí. V této souvislosti se zavádí pojem £initel rozprost°ení SF
(Spreading Factor).
Opa£ný proces, kdy se z rozprost°ené sekvence bit· dekóduje p·vodní signál, se jmenuje
despreading. Na obr. 4.3 je uveden p°íklad rozprostírání a zp¥tného dekódování, kde SF=8.
Ve WCDMA/UMTS systému se pouºívá £ipová rychlost (chip rate) 3,84 Mcps (Mega-Chips-Per-Second), která denuje ²í°ku kanálu 5 MHz.
D a ta
Code
0
0 0 1 1 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0
m a p p in g
0 → 1 1 → -1
m a p p in g
0 → 1 1 → -1
1
1
-1
-1
1
-1
Obrázek 4.2: Postup rozprostírání v DS-CDMA systémech
43
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
1
-1
spreading sequence
SF=8
1
-1
spreaded data
1
-1
spreading sequence
SF=8
1
-1
user data
1
-1
despreading
user data
spreading
user bit
Obrázek 4.3: P°íklad rozprostírání v DS-CDMA systémech
Poznamenejme, ºe v systémech s rozprost°eným spektrem rozli²ujeme pojem bit - prvek
datové posloupnosti a chip - prvek rozprostírací posloupnosti.
P°i°azené kódy jednotlivých uºivatel· by m¥ly mít bu¤ velmi nízkou a nebo ideáln¥ nulovou vzájemnou korelaci (Cross Correlation ). Podmínku ortogonality spl¬ují tzv. OVSF
(Orthogonal Variable Spreading Factor) kódy s variabilní délkou. OVSF kódy je moºno denovat pomocí kombinace kód· z tzv. Walsh-Hadamard matice. Tyto se dají zapsat do kódového
stromu, viz. obr. 4.4. V²echny kódy, které mají stejnou úrove¬ SF a pop°. jsou z jiné v¥tve
stromu jsou navzájem ortogonální, nap°. p2,2 a p4,1 . P°i spln¥ní ortogonality jednotlivých kód·
lze v p°ijíma£i jednodu²e dekódovat p·vodní bitovou sekvenci a to tak, ºe kódy ostatních uºivatel· p·sobí jako ²irokopásmový ²um, který se dá potla£it.
V rámci stejné v¥tve a r·zné úrovn¥ SF nejsou kódy navzájem ortogonální, nap°. p2,2 a
p4,4 . Tyto kódy nemohou být sou£asn¥ p°i°azeny jednotlivým uºivatel·m, do²lo by ke kolizi
a jednotliví uºivatelé by nemohli být jednozna£n¥ identikováni. tzv. Code Clashing. Po£et
navzájem ortogonálních kód· je limitován po£tem úrovní stromu, tedy parametrem SF. [53]
V p°ípad¥, ºe chceme jednotlivým uºivatel·m p°i°adit r·znou p°enosovou rychlost, musíme m¥nit délku rozprostíracího faktoru a to tak, aby výsledná £ipová rychlost z·stala vºdy
konstantní. Systém UMTS má totiº chipovou rychlost konstantní a proto rozprostírací faktor
ur£uje p°enosovou rychlost dat. Na obr. 4.5 je uveden p°íklad vlivu délky rozprostíracího faktoru na p°enosovou rychlost. Pom¥r mezi bitovou rychlostí a SF ur£uje maximální dosaºitelnou
p°enosovou rychlost uºivatelských dat. Pro poºadovanou uºivatelskou p°enosovou rychlost se
musí zvolit taková délka SF, aby výsledný chiprate byl vºdy roven 3,84 Mcps.
4.5.1 Channelization Codes
Koncepce systému UMTS umoº¬uje sou£asné vytvo°ení více p°enosových kanál· k jednomu
uºivateli pomocí OVSF rozprostíracích kód·, tzv. Channelization Codes. Aby byla dodrºena ortogonalita jednotlivých kód·, musí být kódy £asov¥ synchronizovány. Toto není
moºné zajistit v p°ípad¥, kdyby m¥li být pomocí Channelization Codes odd¥leni jednotliví
ú£astníci, u kterých nelze zajistit stejnou vzdálenost od NodeB. Doba p°enosu od jednotlivých uºivatel· sm¥rem k NodeB je vºdy r·zná, coº zcela znemoºní korektní synchronizaci
44
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
P8,1=(1,1,1,1,1,1,1,1)
P4,1=(1,1,1,1)
P8,2=(1,1,1,1,-1,-1,-1,-1)
P2,1=(1,1)
P8,3=(1,1,-1,-1,1,1,-1,-1)
P4,2=(1,1,-1,-1)
P8,4=(1,1,-1,-1,-1,-1,1,1)
p1,1=(1)
P8,5=(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1)
P4,3=(1,-1,1,-1)
P8,6=(1,-1,1,-1,-1,1,-1,1)
P2,2=(1,-1)
P8,7=(1,-1,-1,1,1,-1,-1,1)
P4,4=(1,-1,-1,1)
P8,8=(1,-1,-1,1,-1,1,1,-1)
Spreading
Factor
1
2
4
8
...
Obrázek 4.4: Strom pro OVSF kódy
D a ta
Code
D a ta
+
Code
9 6 0 k b /s
1 .0 4 2 µ s
4 8 0 kb /s
2 .0 8 3 µ s
2 4 0 k b /s
4 .1 6 7 µ s
0
1
0
0 1 1 0
1 1 0 0 1 1 0 0
0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
=
SF=4
0 1 1 0
0 .2 6 0 4 μ s
=
SF=8
1 1 0 0 1 1 0 0
0 .2 6 0 4 μ s
=
SF=16
0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
0 .2 6 0 4 μ s
Obrázek 4.5: Vliv délky rozprostíracího faktoru na p°enosovou rychlost
45
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
kód·, viz. obr. 4.6. Toto je d·vod, pro£ se
Channelization Codes
pouºívají jen:
ˆ pro odd¥lení jednotlivých uºivatel· na NodeB ve sm¥ru downlink,
ˆ pro odd¥lení DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) a DPCCH
sical Control Channel) na UE ve sm¥ru uplink.
(Dedicated Phy-
t2
t1
UE1
NodeB
UE2
d1
d2
Obrázek 4.6: Doba zpoºd¥ní p°enosu od UE1 a UE2
V p°edchozí kapitole bylo uvedeno, ºe rozprost°ený signál p°edstavuje pro ostatní uºivatele
bez znalosti rozprostíracího kódu ²irokopásmový ²um. P°i zv¥t²ujícím se po£tu uºivatel· v
rámci pokrytí dané bu¬ky roste i úrove¬ interferencí. Jestliºe dojde ke zvý²ení po£tu uºivatel·
na takovou hodnotu, ºe úrove¬ uºite£ného signálu po despreading operaci nep°esahuje úrove¬
ru²ení, není moºné komunikovat. Proto je v systému UMTS nutno periodicky m¥°it úrove¬
interferencí a tuto vyhodnocovat. S m¥°ením interferencí souvisí parametr Ec/No, tento bude
rozebrán v dal²ích kapitolách.
4.5.2 Skramblovací kódy
Druhým typem rozprostíracích kód· jsou tzv. Scrambling Codes (skramblovací kódy), coº
jsou pseudonáhodné sekvence PN (Pseudo Noise), které nejsou navzájem ortogonální. Scrambling kódy se pouºívají:
ˆ pro rozli²ování ú£astník·, resp. jednotlivých mobilních telefon·,
ˆ a pro odd¥lení jednotlivých základnových stanic.
Proces skramblování následuje aº operaci spreading a nijak nem¥ní ²í°ku pásma, tedy
nem¥ní ani chiprate. Na obr. 4.7 je uveden vztah mezi operací spreading a scrambling.
46
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
C h a n n e liza tio n
co d e
S cra m b lin g
co d e
DATA
B it ra te
C h ip ra te
C h ip ra te
Obrázek 4.7: Vztah mezi operací spreading a scrambling
4.6 Interference typu Near-Far Eect
Pod pojmem interference rozumíme ru²ivé signály (vzájemné ovliv¬ování uºite£ného a ru²ivého signálu). Pro ohodnocení vlivu interferencí se vyjad°uje pom¥r mezi výkonovou úrovní
uºite£ného signálu a výkonovou úrovní interferencí. Tento podíl se ozna£uje C/I (Carrier to
Interference). K interferenci typu Near-Far Eect dochází u základnové stanice, která p°ijímá
signály s r·znými úrovn¥mi. P°íkladem m·ºe být p°íjem od dvou (i n¥kolika) r·zn¥ vzdálených mobilních stanic d1 a d2 , viz. obr. 4.8. V d·sledku odli²ných útlum· ²í°ením p°ijímá
základnová stanice signály rozdílných výkonových úrovní. Tento problém je o²et°en °ízením
výkonu mobilních stanic, tzv. Power Control, viz. kap. 4.10 [56].
Obrázek 4.8: Interference Near-Far Eect
4.7 Makrodiverzitní p°íjem
Vícecestné ²í°ení, p°ekáºky mezi pohybující se mobilní a stacionární stanicí jsou p°í£inou tzv.
únik· (fading), p°i nichº dochází ke kolísání úrovn¥ signálu v míst¥ p°íjmu. Pro potla£ení
t¥chto neºádoucích jev·, které mají za následek významné zhor²ení p°enosu informace p°es
rádiový kanál, se pouºívá technika, která je ozna£ovaná jako diverzitní p°íjem.
Hlavní my²lenkou je pouºití více komunika£ních kanál· pro p°enos stejné informace. P°ijíma£ tak má k dispozici více neº jednu verzi p°ená²eného signálu. Za p°edpokladu nízké
vzájemné korelace mezi jednotlivými p°enosovými cestami a za p°edpokladu, ºe výkonové
úrovn¥ v obou kanálech jsou na stejné úrovni, je pravd¥podobnost významného úniku podstatn¥ men²í.
U systému UMTS je navíc problém p°i pohybu a p°echodu z oblasti jedné bu¬ky (Cell A)
do oblasti druhé bu¬ky (Cell B) kdy je na hranici obou bun¥k pouºit vysoký výkon UE, viz.
obr. 4.9a). V p°ípad¥ pouºití makrodiverzitního p°íjmu je UE p°ipojen na více NodeB
sou£asn¥, p°ijímaný signál je zpracován v²emi NodeB a s£ítán v RNC. Vzniklá redundance
dovoluje pouºít niº²í výkony UE a proto sniºuje celkovou interferenci, viz. obr. 4.9b). Výsledkem je celková lep²í kvalita signálu v uplinku za pouºití mnohem men²ího vysílacího výkonu
mobilních stanic.
47
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
S makrodiverzitním p°íjmem rovn¥º souvisí i d¥lení NodeB do skupin (set). D¥lení je
provád¥no na základ¥ kritérií (vlastností rádiového kanálu).[32]
ˆ Active Set je denován jako seznam NodeB, p°es které UE aktivn¥ komunikuje. Skrz
kaºdou bu¬ku má UE p°id¥len DPCH.
ˆ Monitored Set (Neighbour Set) - bu¬ky, které nejsou v Active Set. Jsou za°azeny
do tzv. CELL_INFO_LIST seznamu .
ˆ Detected Set - bu¬ky, které nejsou v CELL_INFO_LIST seznamu ani v Active Set.
a)
C e ll b o rd e r
Makrodiverzitního p°íjmu se s výhodou vyuºívá i p°i handoveru, viz. kapitola 4.8. [9, 39, 58]
Pow er
NodeB
NodeB
b)
C e ll b o rd e r
UE
Pow er
NodeB
NodeB
UE
Obrázek 4.9: Význam makrodiverzitního p°íjmu
4.8 Handover
Handover je jedním z klí£ových rys· sít¥ UMTS FDD, který zaru£uje nep°eru²ovaný p°enos
dat p°i p°echodu z jedné bu¬ky do druhé a dokáºe zlep²it celkovou výkonnost sít¥ ve smyslu
kapacity a pokrytí. Parametry jako kapacita a pokrytí jsou v síti UMTS vzájemn¥ svázány
interferencí. Nár·st interference zp·sobené v¥t²ím po£tem aktivních uºivatel· v bu¬ce má
za následek zmen²ení hranice samotné bu¬ky. Pro sníºení hranice interference v uplinku je
pouºita makrodiverzita. Makrodiverzitního p°íjmu se s výhodou vyuºívá i p°i handoveru v
UMTS, kdy nedochází k n¥jakému fyzickému p°epnutí mezi dv¥ma bu¬kami, ale m¥ní se
pouze po£et bun¥k, ke kterým je UE aktuáln¥ p°ipojen. Pro takový typ handoveru byl p°ijat
název soft handover.
48
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
NodeB 1
RNC
UE
NodeB 2
Obrázek 4.10: Soft handover
P°i soft handoveru je signál dekódován v n¥kolika NodeB a dále je sm¥rován do RNC, kde
jsou jednotlivé signály kombinovány, viz. obr. 4.10.
Jelikoº jsou v tomto p°ípad¥ rádiové signály zpracovány paraleln¥, stejn¥ tak jak je tomu
p°i makrodiverzitním p°íjmu, je datový p°enos bezpe£n¥j²í, a to vede ke sníºení chybovosti
BER (Bit Error Ratio). Z tohoto d·vodu m·ºe být sníºena úrove¬ vyza°ovaného RF signálu
mobilní stanice UE a sou£asn¥ tak bude dodrºen poºadavek na maximální chybovost BER.
Sníºení vyza°ovaného výkonu UE dále vede ke sníºení celkové interference v bu¬ce.
Ve sm¥ru od NodeB k UE je situace pon¥kud odli²ná. Data z UTRAN jsou duplikována
v RNC a jsou dále sm¥rována do jednotlivých NodeB, které obsluhují UE p°i soft handoveru.
Kaºdý NodeB pouºívá odli²ný skramblovací kód. UE tyto signály zpracovává, dekóduje a
kombinuje. Stejn¥ tak jako p°i uplinku i výkon jednotlivých NodeB v downlinku m·ºe být
sníºen díky principu makro diverzity. Na druhou stranu zvý²ení po£tu fyzických cest ve sm¥ru k
UE má za následek zvý²ení interference v downlinku. Proto je nutné p°i plánování sít¥ uvaºovat
kompromis mezi nár·stem interference v downlinku a ziskem plynoucí z makro diverzity.
Novým typem handoveru, který se pouºívá v UMTS, je Softer Handover. Tento typ se
pouºívá na rozhraní dvou sektor· v rámci jednoho NodeB.
Dále rozli²ujeme handovery na:
ˆ Intra-mode - nejb¥ºn¥j²í handover, m·ºe být typu soft handover, softer handover nebo
hard handover. Hard handover souvisí s intra-frequency (handover mezi stejnými nosnými frekvencemi) a inter-frequency (handover mezi dv¥ma r·znými frekvencemi, UE je
nutné b¥hem handoveru p°eladit na novou frekvenci).
ˆ Inter-system - n¥kdy také Inter RAT (Radio Access Technology) - handover mezi
UMTS a GSM, p°ípadn¥ dal²ími technologiemi.
ˆ Inter-mode - handover mezi UMTS-FDD a UMTS-TDD.
4.8.1 M¥°ení pro handover
Handover je procedura, která je °ízená kontrolérem (RNC). Hlavním rozhodovacím kritériem
pro vykonání handoveru je hodnota parametru Ec/Io , která zjednodu²en¥ vyjad°uje pom¥r
49
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
p°ijímaného signálu z pilotního kanálu v·£i v·£i sou£tu signál· ostatních bun¥k. V dedicated
reºimu (cell_DCH) si proto UE kontinuáln¥ m¥°í tyto úrovn¥ a reportuje je skrz P-CCPCH
sm¥rem k síti, potaºmo k RNC. Pokud je UE p°ipojena k více NodeB (v p°ípad¥ makrodiverzitního p°íjmu), reportuje se Ec/Io pro kaºdou bu¬ku zvlá²´ v Active Set i Monitored
Set.
V praxi se tedy jedná o to, do jaké skupiny bude bu¬ka za°azena. Spl¬uje-li Ec/Io limitní hodnoty pro za°azení do Active Set, RNC ji tam za°adí. V opa£ném p°ípad¥ z·stane v
Monitored Set.
Hodnotu parametru Ec/Io lze vypo£ítat jako:
Ec
RSCP
=
Io
RSSI
(4.3)
kde:
ˆ RSCP (Received Signal Code Power) je p°ijímaný výkon oproti kanálu CPICH. Udává
se ve W, pop°. p°epo£ten na dB.
ˆ RSSI (Received Signal Strength Indication) je p°ijímaný výkon na celém 5 MHz spektru.
Skládá se z jednotlivých komponent·, které tvo°í ve²kerý výkon od servisní 1 bu¬ky a
v²ech okolních bun¥k.
Výsledná hodnota je bezrozm¥rná nebo £ast¥ji po p°epo£tu udávána v dB.
P°íklad:
Vypo£ítejte hodnotu parametru Ec/No, pokud platí:
ˆ p°ijímaný výkon na kanálu CPICH je 1W, ostatní provoz na servisní bu¬ce odpovídá
výkonu 2W,
ˆ v okolí jsou dal²í bu¬ky s celkovým p°ísp¥vkem výkonu 2W.
e²ení:
Hodnotu Ec/Io vypo£ítáme jako podíl výkonu na CPICH kanálu (RSCP) k ve²kerému
výkonu v celém 5 MHz spektru, tedy výkonu na CPICH + výkonu ostatního provozu v bu¬ce
+ výkonu okolních bun¥k. Výslednou hodnotu p°evedeme na dB.
Ec
RSCP
1
=
=
= 0, 2
Io
RSSI
1+2+2
Ec
= 10 · log(0, 2) = −6, 98 dB
Io
1
Servisní bu¬ku v tomto p°ípad¥ nazýváme konkrétní bu¬ku, oproti niº se m¥°í i RSCP. V p°ípad¥ makro-
diverzitního p°íjmu neexistuje servisní bu¬ka.
50
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
4.9 Compressed Mode
V p°ípad¥ Inter-system handoveru je nutno z d·vodu jeho korektního pr·b¥hu m¥°it parametry rádiového kanálu jiných technologií. Ve WCDMA systémech je umoºn¥no toto m¥°ení
provád¥t pomocí speciálního kompresního módu tzv. Compressed Mode. V p°ípad¥, ºe je UE v
kompresním módu, vyuºívá jen £ást rámce WCDMA na rádiovém rozhraní. Obsah WCDMA
rámce je komprimován na men²í £ásti za ú£elem vytvo°ení mezer, tzv. gap, ve kterém je UE
schopno m¥°it oproti jiným technologiím, viz. obr. 4.11. Komprimace lze dosáhnout r·znými
metodami: [25, 28]
ˆ Sníºením p°enosové rychlosti z vy²²ích vrstev. Vy²²í vrstvy musí být informovány o
zahájení Compressed Mode.
ˆ Zvý²ením p°enosové rychlosti zm¥nou SF. Nap°. pouºitím SF=64 namísto SF=128
zdvojnásobíme uºite£nou p°enosovou rychlost.
fra m e 1 0 m s
T ra n s m is s io n
gap
Obrázek 4.11: Vytvá°ení mezer (gaps) v Compressed Mode
D·vodem pro zahájení kompresního módu a potaºmo Inter-System handoveru je limitní
hodnota RSSI a Ec/No od NodeB, ke které je UE p°ipojen. Zárove¬ platí, ºe neexistuje ºádná
sousední NodeB £i NodeB v Active/Monitored Set s dostate£nou RSSI a Ec/No, na kterou
by mohlo dojít k Intra-Mode handoveru.
UE zasílá tzv. Measurement Report 2 k NodeB potaºmo k RNC, který na základ¥ zji²t¥ní uvedeného stavu tento vyhodnotí a pokud hodnoty poklesnou pod ur£itý práh (threshold), p°ikáºe zahájení m¥°ení okolních GSM bun¥k pomocí zprávy
measurementControl(measurementCommand setup: interRATMeasurement) skrz vyhrazený
logický kanál DCCH (Dedicated Control Channel). Událost
Samotný Compressed Mode se skládá z n¥kolika fází (viz. obr. 4.12):
ˆ UE ode£ítá hodnotu RxLev od GSM bun¥k, které obdrºel v seznamu
measurementControl(interRATCellInfoList),
ˆ interRATCellInfoList obsahuje u kaºdé bu¬ky identikátory NCC (Network Color
Code), BCC (Base Station Color Code), ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel
Number) a pouºité frekven£ní pásmo,
ˆ UE provádí prostupn¥ synchronizaci pomocí S-CH (Synchronization Channel) ke v²em
uvedeným bu¬kám dle ARFCN,
ˆ UE dekóduje identikátor BSIC p°íslu²né GSM bu¬ky,
ˆ UE ov¥°uje shodu identikátoru BSIC se seznamem a spolu s hodnotou RxLev toto
reportuje k NodeB (op¥t ve zpráv¥ Measurement Report ),
2
Measurement Report je L3 zpráva posílána v pravidelných intervalech k NodeB a obsahuje hodnoty PSC,
RSCP a Ec/No v²ech dekódovaných bun¥k.
51
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
ˆ RNC ve spojení s GSM BSS zahajuje vlastní Inter-System handover (skrz zprávu
handoverFromUTRANCommand_GSM) na konkrétní GSM bu¬ku,
ˆ zpráva handoverFromUTRANCommand_GSM obsahuje konkrétní hodnoty k identikátor·
ARFCN, NCC, BCC, TA, Power Control, £íslo kanálového intervalu apod.
ˆ p°ed samotným p°epojením na konkrétní GSM kanál a timeslot musí prob¥hnout £asová
synchronizace,
ˆ UE dokon£uje handover posláním zprávy Handover_Complete.
Hodnoty RxLev a BSIC nalezených BTS reportuje UE jako L3 signalizaci ve zpráv¥ MeasuRNC vyvolá tzv. Inter-RAT handover, který inicializuje handover mezi UMTS
a GSM. Dále následuje sada zpráv, které slouºí pro dokon£ení p°epojení z konkrétní NodeB
systému UMTS na konkrétní BTS systému GSM.
rement Report,
UE
UTRAN
M e a s u re m e n t R e p o rt
CN
GSM BSS
T h re sh o ld !
M e a s u re m e n t C o n tro l
P e rfo rm
M e a s u re m e n ts
U E E v a lu a tio n
M e a s u re m e n t R e p o rt
RNC
E va lu a tio n
R e lo ca tio n R e q u ire d
(In te r-R A T H a n d o ve r In fo )
H a n d o v e r R e q u e st
(In te r-R A T H a n d o v e r In fo )
H a n d o ve r R e q u e s t A ck
(H a n d o ve r C o m m a n d )
R e lo ca tio n C o m m a n d
H a n d o v e r fro m
UTRAN Com m and
H a n d o v e r A c c e s s a n d S y n c h ro n iza tio n to G S M B S S
H a n d o ve r D e te ct
H a n d o v e r C o m p le te
H a n d o ve r C o m p le te
Iu R e le a s e C o m m a n d
R e s o u c e D e a llo c a tio n
Iu R e le a s e C o m m a n d
Obrázek 4.12: Proces spojení Inter-System handoveru
52
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
4.10 Power Control
’irokopásmové ru²ení, které v systému UMTS generují ostatní uºivatelé v·£i jednomu uºivateli hraje klí£ovou roli p°i p°íjmu uºite£ného signálu. Pokud je v oblasti bu¬ky p°íli² vysoká
úrove¬ ru²ení (interferencí), tak je komunikace mezi UE a NodeB velmi omezená nebo dokonce
nemoºná. Systém UMTS proto zahrnuje n¥kolik mechanism·, které mají celkovou úrove¬ interferencí minimalizovat.
Jeden z významných mechanism· je regulace vysílaného výkonu jednotlivých uºivatel·, tedy UE. Mechanismy °ízení výkonu se ozna£ují Power Control. Sekundárním p°ínosem
Power Control je zaji²´ování poºadované kvality spojení, minimalizace Near-Far efektu a zvý²ení ºivotnosti baterií UE. Existuje n¥kolik typ· Power Control, v následujích kapitolách si
popí²eme jejich vlastnosti. [29, 41, 53]
4.10.1 Fast Closed Loop
(n¥kdy jako Inner Loop Power Control ILPC ) je tzv. rychlá uzav°ená
smy£ka, kdy je výkon v uplink sm¥ru °ízen ze strany NodeB. V p°ípad¥ makrodiverzitního
p°íjmu se na °ízení podílí i RNC. Výkon UE je °ízen pomocí TPC (Transmit Power Control)
p°íkaz·, které se posílají v downlink DPCCH rámci.
Celý proces funguje tak, ºe si NodeB na základ¥ PILOT bits (obsaºeny v uplink DPCCH
rámci) m¥°í parametr SIR (Signal to Interference Ratio) od jednotlivých UE. NodeB se pak
na základ¥ této hodnoty rozhoduje, zda-li mobilnímu telefonu p°ikáºe sníºit nebo zvý²it výkon.
Frekvence m¥°ení a zasílání p°íkaz· tzv. TPC_cmd je 1500 krát za sekundu.3
NodeB se rozhoduje na základ¥ nominální hodnoty SIR_target. Pokud je SIR_est >
SIR_target, pak je v p°íkazu TPC_cmd p°ená²ena 0. Pokud je SIR_est < SIR_target, pak je
v p°íkazu TPC_cmd p°ená²ena 1, viz. obr. 4.13
Fast Closed Loop
me
fra
H
C C its )
b
DP
n k IL O T
i
l
u p (P
d
cm
C_
TP
NodeB
UE
Obrázek 4.13: Princip °ízení výkonu Fast Closed Loop
Existují dva algoritmy, jakým zp·sobem UE dle hodnoty v TPC_cmd sniºuje nebo zvy²uje
výkon. Pouºití daného algoritmu je p°edm¥tem vy²²ích vrstev v tzv. PowerControlAlgorithm.
1. algoritmus
Na základ¥ kaºdého TPC_cmd UE m¥ní vysílací výkon. Jeho konkrétní hodnota je záleºitostí
implementace v mobilní síti, b¥ºn¥ je to 1 dB.
3
B¥hem doby trvání jednoho rámce (10 ms) je pole TPC obsaºeno 15 krát, tj. 1500 krát za sekundu.
53
4
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU V UMTS
2. algoritmus
ˆ Pokud 5 po sob¥ p°íchozích TPC_cmd je v 0, tak je vysílací výkon sníºen o 1 dB.
ˆ Pokud 5 po sob¥ p°íchozích TPC_cmd je v 1, tak je vysílací výkon zvý²en o 1 dB.
ˆ Jinak není vysílací výkon m¥n¥n.
Power Control je °e²en i ve sm¥ru downlink. Filozoe je stejná, jako pro uplink sm¥r, tj.
UE si m¥°í SIR oproti PILOT bits p°ená²ených v downlink DPCCH. Dále generuje TPC_cmd,
které posílá v uplink DPCCH. NodeB na základ¥ této hodnoty sniºuje nebo zvy²uje vysílací
výkon v DPCCH/DPDCH.
4.10.2 Closed Loop
(n¥kdy jako Outer Loop Power Control OLPC) je tzv. uzav°ená smy£ka, kde se
na °ízení tohoto typu Power Control podílí RNC. Closed Loop se snaºí reektovat zm¥ny v
rádiovém kanále vlivem únik· a mnohacestného ²í°ení. RNC si m¥°í hodnotu BLER (Block
Error Rate) na základ¥ CRC (Cyclic Redundancy Check) kódu, kterým je opat°en kaºdý
Transport Block ) neº se mapuje do fyzického kanálu. Pokud hodnota BLER poklesne pod
danou mez, RNC zasílá sm¥rem k NodeB tzv. SIR_target_adjustment, kterým p°ikáºe zvý²it
hodnotu SIR_target, viz. obr. 4.14.
SIR_target_adjustment je zasílán k NodeB cca 100 krát za sekundu. Filozoe p°edávání
TPC_cmd z·stává stejná.
Closed Loop
al
P h y s ic
U p li n k
l
e
n
n
Cha
md
TPC_c
T ra n
S IR _
F a st C lo s e d L o o p
ta rg e
spor
t_ a d
t B lo
c
ju s tm
k
ent
C lo se d L o o p
RNC
BLER
e va lu a te
NodeB
Obrázek 4.14: Princip °ízení výkonu Closed Loop
4.10.3 Open Loop
je nejjednodu²²í typ Power Control mechanismu. Pouºívá se p°i procedurách spojených s p°ihla²ováním do sít¥ skrz RACH, kdy je²t¥ není vytvo°en zp¥tný kanál pro m¥°ení
SIR a potaºmo pro p°enos TPC_cmd. Nejd·leºit¥j²í fází je nastavení po£áte£ního vysílacího
výkonu. Ten se odvíjí od p°ijímací úrovn¥ na stran¥ UE.
Open Loop
54
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
5
Protokolová architektura systému UMTS
Logické, transportní a fyzické kanály jsou v UTMS popsány pomocí t°ívrstvé protokolové
architektury (protocol stack), viz. obr. 5.1. Protokolová architektura je rozd¥lena na £ást °ídící
Control Plane) a £ást uºivatelskou (User Plane). Linková vrstva je navíc je rozd¥lena na dv¥
podvrstvy:
ˆ RLC (Radio Link Control),
ˆ MAC (Media Access Control).
RRC
vrstva zaji²´uje vým¥nu signaliza£ních zpráv s UTRAN
nebo CN a je zde zahrnuta ve²kerá signalizace týkající se sestavení spojení, udrºení a rozpadu
spojení, power control, handover apod. NodeB je pro tento protokol transparentní entita.
PDCP (Packet Data Convergence Protocol) je podp·rný L2 protokol, který slouºí pro
komunikaci a konverzi protokol· vy²²ích vrstev (nap°. IPv4 a IPv6, pop°. TCP/IP £i
RTP/UDP/IP) s RLC vrstvou.
BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol) je L2 protokol pro podporu broadcast/multicast zpráv.
Mezi vrstvami RLC, MAC a PHY je denováno n¥kolik typ· kanál·, které slouºí ke
vzájemné komunikaci.
Data z vy²²ích vrstev jsou zpracována ve vrstv¥ RLC a úkolem RLC je °ízení a p°id¥lování
rádiových zdroj· pro p°enos. Mezi vrstvou RLC a MAC jsou denovány tzv. logické kanály.
Vrstva MAC zaji²´uje °ízení p°ístupu do fyzického rádiového kanálu. Mezi vrstvou MAC
a vrstvou PHY jsou denovány transportní kanály.
Na fyzické vrstv¥ dochází ke kódování transportních kanál· do tzv. CCTrCH (Coded
Composite Transport Channels), coº jsou kanály, které se následn¥ mapují do p°íslu²ných
fyzických kanál·. CCTrCH jiº obsahují kódové zabezpe£ení proti chybám p°i p°enosu (FEC).
[26, 29, 30, 32, 53]
(Radio Resource Control)
C o n tro l P la n e
U se r P la n e
L a ye r 3
RRC
PDCP
BMC
RLC
L a ye r 2
L o g ic a l C h a n n e ls
MAC
T ra n s p o rt C h a n n e ls
L a ye r 1
PHY
P h ys ic a l C h a n n e ls
Obrázek 5.1: Protokolový model systému UMTS
5.1 Logické kanály
Logické kanály jsou tedy denovány mezi vrstvou RLC a MAC. D¥lí se na jednosm¥rné
(unidirectional) a obousm¥rné (bi-directional). Dále se logické kanály d¥lí na skupinu: °ídicí
55
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
(Control Channels)
a provozní
(Trac Channels).
ídící kanály:
ˆ BCCH
(Broadcast Control Channel)
ˆ PCCH
(Paging Control Channel)
slouºí pro p°enos °ídících informací o bu¬ce,
p°enos paging informací k UE,
ˆ DCCH (Dedicated Control Channel) obousm¥rný vyhrazený kanál, který slouºí pro
p°enos signalizace mezi UE a RNC b¥hem procedury navazování spojení,
ˆ CCCH (Common Control Channel) obousm¥rný kanál, který souºí pro p°enos °ídících
informací p°ed vytvo°ením DCCH kanálu.
Provozní kanály:
ˆ DTCH (Dedicated
vatelských dat,
ˆ CTCH (Common
dat k více UE.
Trac Channel)
Trac Channel)
Point-to-Point obousm¥rný kanál pro p°enos uºi-
Point-to-Multipoint kanál pro p°enos uºivatelských
5.2 Transportní kanály
Transportní kanály slouºí pro p°enos informace mezi MAC a fyzickou vrstvou. Jsou rozd¥leny
na spole£né a vyhrazené. V následujících podkapitolách budou popsány jednotlivé typy t¥chto
kanál·. [26, 29, 30]
5.2.1 Broadcast Channel
BCH
je spole£ný transportní kanál, který p°ená²í zejména pot°ebné
systémové informace ke v²em UE. Jedná se hlavn¥ o identikaci bu¬ky, pouºité scrambling
kódy pro spole£né transportní kanály apod.
(Broadcast Channel)
5.2.2 Forward Access Channel
FACH
(Forward Access Channel) se pouºívá pro p°enos malého mnoºství dat (cca jednotky
kB) a to ve fázi, neº je UE p°i°azen dedikovaný kanál (DCH). Jelikoº se jedná o spole£ný
transportní kanál, identikace dat (komu jsou ur£ena) se p°ená²í jako in-band signalizace.
5.2.3 Paging Channel
PCH (Paging
Channel) slouºí pro p°enos zpráv spojených s tzv. paging procedurou, tj. procedurou, p°i které chce sí´ navázat spojení s UE. B¥ºný p°íklad lze ilustrovat na situaci, kdy
chce sí´ vytvo°it hovorové spojení s UE. Na PCH se vysílají tzv. Paging Messages a to skrz
v²echny základnové stanice, které spadají pod Location Area, ve které je UE registrován. Jelikoº trvalé naslouchání PCH vede ke v¥t²í spot°eb¥ baterie terminálu, je zaveden pomocný
fyzický kanál - PICH (Paging Indication Channel), viz. dále.
56
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
5.2.4 Downlink Shared Channel
D-SCH (Downlink Shared Channel) je sdílený transportní kanál pro p°enos uºivatelských dat
ve sm¥ru downlink. Sdílení mezi jednotlivé uºivatele je °e²eno pomocí £asového multiplexu.
K D-SCH musí být vºdy asociován °ídící kanál, který jednozna£n¥ identikuje, které UE a s
jakým SF má D-SCH dekódovat. D-SCH podporuje podporuje variabilitu p°enosové rychlosti
na bázi frame-by-frame. V Release 5 byla specikace D-SCH odstran¥na z d·vodu zavedení
HS-DSCH (High-Speed Downlink Shared Channel) v systému HSDPA (High-Speed Downlink
Packet Access).
5.2.5 Random Access Channel
RACH (Random Access Channel) je uplink transportní kanál, který slouºí pro p°enos °ídících
zpráv spojených zejména s procedurami náhodného p°ístupu do sít¥ nap°. p°i zapnutí telefonu
nebo sestavování spojení. RACH procedura je rovn¥º nutná pro nastavení po£áte£ního vysílacího výkonu mobilní stanice nap°. p°i zapnutí telefonu a pokusu o registraci. Celá iniciace
procedury RACH je zobrazena na obr. 5.2 a skládá se z n¥kolika fází.
1. UE dekóduje informace z BCH a to zejména pouºitý scrambling kód a signatury jednotlivých subkanál· RACH. V rámci jedné NodeB existuje 16 signatur pro jednotlivé
RACH subkanály.
2. UE si náhodn¥ zvolí jednu signaturu.
3. UE si nastaví po£áte£ní vysílací výkon na bázi °ízení výkonu typu
Open-Loop.
4. UE vysílá sm¥rem k NodeB tzv. preamble, která obsahuje zvolenou signaturu. SF je
nastaven na 256, délka 4096 chips. Jednotlivé signatury jsou navzájem ortogonální z
d·vodu pouºití Preamble více uºivateli zárove¬.
5. UE o£ekává skrz AICH (Acquisition Indicator Channel) zprávu AI (Acquisition
tor), která by m¥la obsahovat stejnou signaturu vyslanou skrz PRACH.
Indica-
6. Pokud je zpráva AI p°ijata správn¥, UE vy²le samotnou zprávu RACH se stejným vysílacím výkonem.
7. Pokud není AI zpráva UE detekována, UE znovu vy²le
zv¥t²eným o 1 dB.
preamble
s vysílacím výkonem
8. Takto je na stran¥ UE zvy²ován výkon do doby, neº UE korektn¥ detekuje preamble skrz
AICH.
5.2.6 Common Packet Channel
CPCH (Common Packet Channel) je uplink spole£ný transportní kanál, který se pouºívá pro
p°enos malého mnoºství dat (cca jednotky kB) a to do té doby, neº je UE p°i°azen dedikovaný
uplink kanál (DCH). Recipro£ní kanál v downlink sm¥ru je FACH. Jelikoº je to spole£ný kanál
v uplink sm¥ru, bylo nutno vy°e²it mechanismus pro detekci kolizí jednotlivých UE.
P°ed za£átkem poslání dat skrz CPCH musí UE vyjednat jeho rezervaci skrz CPCH
CD/CA-ICH (Collision Detection / Channel Assignment Indicator Channel) . Protoºe nebyl CPCH kanál prakticky implementován do ºádné sít¥, 3GPP rozhodla vyjmout tento kanál
ze specikace Release 5. Jeho specikaci lze nalézt pouze v Release 99 a Release 4.
57
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
u p lin k
u p lin k
A IC H
P re a m b le
u p lin k
P re a m b le
P re a m b le
4 0 9 6 c h ip s
10 or 20 m s
M e s s a g e P a rt
d o w n lin k
u p lin k
Obrázek 5.2: Procedura RACH
5.2.7 Dedicated Channel
DCH (Dedicated Channel) slouºí pro p°enos uºivatelských dat v downlink i uplink sm¥ru. Na
fyzické vrstv¥ je DCH mapován do DPDCH (Dedicated Physical Downlink Channel) a DPCCH
(Dedicated Physical Control Chanel), p°i£emº DPCCH p°ená²í °ídící informace.
5.3 Mapování mezi logickými a transportními kanály
Na obr. 5.3 je uveden zp·sob mapování logických kanál· do transportních kanál·. [26, 29, 30,
41]
P°i mapování jsou vytvo°eny tyto propojení:
ˆ PCCH kanál je propojen k PCH.
ˆ BCCH kanál je propojen k BCH a m·ºe být rovn¥º propojen k FACH.
ˆ DCCH a DTCH kanál m·ºe být propojen v uplink sm¥ru k RACH nebo k CPCH nebo
k DCH. V downlink sm¥ru m·ºe být DCCH a DTCH kanál propojen k DCH nebo k
FACH nebo k DSCH.
ˆ CCCH kanál je propojen s RACH a FACH.
ˆ CTCH kanál je propojen s FACH.
u p lin k
L o g ica l
ch a n n e ls
T ra n sp o rt
ch a n n e ls
CCCH
RACH
CPCH
d o w n lin k
DCCH
DTCH
PCCH
BCCH
CCCH
CTCH
DCCH
DTCH
DCH
PCH
BCH
FACH
DSCH
DCH
Obrázek 5.3: Mapování logických kanál· do transportních kanál·
5.4 Proces zm¥ny symbolové rychlosti a kódování
Kanálové kódování pat°í do funkcí fyzické vrstvy, proto by se toto téma dalo za°adit i do
kapitoly 4. Nicmén¥ je tato technika ur£itým zp·sobem vázaná na protokolový model, protoºe
p°ed samotným mapováním bit· do n¥kterých z fyzických kanál· a sestavením rámce (viz.
kap. ??) se musí p°ijatá data z transportní vrstvy zabezpe£it proti chybám. Navíc kanálové
58
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
kódování systému UMTS umoº¬uje m¥nit pouºité schéma zabezpe£ení podle podmínek v
p°enosovém kanálu a podle d·leºitosti p°ená²ené informace. [17, 28, 31, 41, 53]
Celý proces kanálového kódování v UMTS je zobrazen na obr. 5.4 a skládá se z n¥kolika
fází:
ˆ
CRC Attachment
ˆ
- v této fázi se slu£ují
transportní bloky (nap°. ze stejného typu transportního kanálu) do bloku, jehoº velikost
záleºí na pouºitém typu kódování. M·ºe to být 504 aº 5114 bit·.
Channel Coding - v této fázi probíhá vlastní kanálové kódování. Transportní kanály
BCH, PCH a RACH pouºívají 1/2-rate konvolu£ní kód. Transportní kanály CPCH,
DCH, DSCH a FACH pouºívají 1/2-rate nebo 1/3-rate konvolu£ní kód nebo 1/3-rate
turbo kód. V p°ípad¥ konvolu£ního kódování je p°idáno 8 dopl¬kových bit· (tail bits),
v p°ípad¥ turbo kódování je to jsou to 4 dopl¬kové bity.
Radio Frame Equalisation - po£et bit· musí být shodný s délkou TTI. Pokud je nap°.
hodnota TTI nastavena na 40 ms, tak se musí zajistit, ºe po£et bit· musí být d¥litelný
4. V opa£ném p°ípad¥ se dopl¬ují tzv. padding bits.
First Interleaving - v p°ípad¥ pouºití TTI=40 ms nebo TTI=80 ms jsou data prokládány.
Jednotlivé bloky se °adí pod sebou a vytvo°í tak matici. Prokládání zajistí prohození 1.
a 2. sloupce matice.
Radio Frame Segmentation - v této fázi probíhá segmentace blok· na n stejných rádiových rámc·, kde n = {1, 2, 4 ,8} pro TTI = 10 ms, 20 ms, 40 ms and 80 ms.
Rate Matching - p°izp·sobení p°enosové rychlosti pro r·zné typy fyzických kanál·. V
p°ípad¥ nedostatku dat pro fyzický kanál se bity opakují nebo se pouºívá technika DTX
(Discontinuous Transmission). V p°ípad¥ nadbytku dat se bity odstra¬ují technikou
puncturing.
Transport Channel Multiplexing - v této fázi se vytvá°í CCTrCH. Ostatní transportní
kanály jsou multiplexovány sériov¥.
Physical Channel Segmentation - jednotlivé 10 ms rámce jsou rozd¥leny na bloky, tak
aby mohly být namapovány do p°íslu²ných fyzických kanál·.
Second Interleving - prokládání na bázi 10 ms blok·.
Physical Channel Mapping - zde se jednotlivé 10 ms bloky segmentují na délku slotu a
mapují do p°íslu²ného fyzického kanálu.
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
paritou.
- kaºdý transportní blok je opat°en CRC
(Cyclic Redundancy Check)
Transport Block Concatenation and Code Block Segmentation
5.5 Fyzické kanály
Fyzické kanály slouºí pro p°enos informací, které jsou generovány v MAC podvrstv¥ a p°ená²eny skrz transportní kanály. [26, 29, 30]
Fyzické kanály d¥líme na:
ˆ vyhrazené fyzické kanály (Dedicated Physical Channels)
ˆ spole£né fyzické kanály (Common Physical Channels)
Stejn¥ jako u transportních kanál· je vyhrazený fyzický kanál rezervovaný pouze pro jednoho uºivatele a spole£ný fyzický kanál m·ºe být pouºitý kdykoli jakýmkoliv uºivatelem. Dále
rozd¥lujeme fyzické kanály na datové a kontrolní.
59
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
C R C A tta ch m e n t
C R C A tta ch m e n t
T rB k
c o n ca te n a tio n /C o d e
B lo ck S e g m e n ta tio n
T rB k
co n ca te n a tio n /C o d e
B lo ck S e g m e n ta tio n
C h a n n e l C o d in g
C h a n n e l C o d in g
.....
.....
R a te M a tch in g
1 st In te rle a vin g
1 st in se rtio n o f D T X
In d ica tio n
R a d io F ra m e
S e g m e n ta tio n
1 st In te rle a vin g
tra n s m it
R a d io F ra m e
E q u a lisa tio n
R a te M a tch in g
R a te M a tch in g
R a d io F ra m e
S e g m e n ta tio n
R a te M a tch in g
T rC h M u ltip le xin g
T rC h M u ltip le xin g
C C T rC h
P h ys. C h a n n e l
S e g m e n ta tio n
2 n d in se rtio n o f D T X
In d ica tio n
2 n d In te rle a vin g
P h ys. C h a n n e l
S e g m e n ta tio n
P h ysica l C h a n n e l
M a p p in g
2 n d In te rle a vin g
C C T rC h
P h ysica l C h a n n e l
M a p p in g
a)
b)
Obrázek 5.4: Proces zm¥ny symbolové rychlosti a kanálového kódování: a) pro uplink sm¥r a
b) pro downlink sm¥r
60
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
5.5.1 Dedicated Physical Data Channel, Dedicated Physical Control Channel
DPDCH (Dedicated
a DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) jsou fyzické vyhrazené kanály ve sm¥ru uplink i downlink, které se pouºívají pro p°enos
uºivatelských a °ídících dat z transportního kanálu DCH.
Jak jiº bylo uvedeno v kap. 4.5.1 a kap. 4.5.2, tak pro odd¥lení DPDCH a DPCCH se pro
uplink a downlink pouºívají odli²né typy multiplexování.
V downlink sm¥ru se pouºívá metoda £asového multiplexu, viz. obr. 5.5. Na fyzické úrovni
se p°ená²í rámec o délce 10 ms, který obsahuje 15 kanálových interval·. Doba trvání jednoho
kanálového intervalu (time-slot) je 666 µs a obsahuje 2560 Chips.
Physical Data Channel)
2 5 6 0 c h ip s
s lo t
d o w n lin k
DPDCH
0
DPDCH
DPCCH
DPCCH
DPDCH
DPCCH
DATA
TPC
TFCI
DATA
P IL O T
1
2
3
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.5: ƒasový multiplex DPDCH a DPCCH
Kaºdý kanálový interval je sloºen z následujících £ástí:
ˆ DATA - uºivatelská data.
ˆ TPC - pole je pouºito pro p°enos tzv. Transmit Power Control commands, které souvisí
s procedurou Power Control.
ˆ TFCI - p°enos dat mezi MAC vrstvou a fyzickou vrstvou se provádí pomocí tzv. Transportation Block, který je je generován kaºdých 10 ms (a jeho násobcích). Prom¥nná
p°enosová rychlost je dosaºena díky moºnosti p°ená²et n¥kolik transportních blok· v
jednom transportním kanálu sou£asn¥. Doba, za kterou se Transportation Block p°esune
mezi vrstvou MAC a PHY je ozna£ována jako TTI Transmission Time Interval. TTI
nabývá 10, 20, 40 nebo 80 ms. Struktura transportních blok·, mnoºství p°ená²ených dat
a zp·sob jejich zpracování fyzickou vrstvou se denuje práv¥ pomocí Transport Format
Combination Indicator.
ˆ PILOT - denovaný vzorek bit·, UE m¥°í pomocí tohoto vzorku parametr SIR (Signal
to Interference Ratio), tento je vyuºíván pro pot°eby Power Control
Hodnota SF m·ºe být variabilní a to 4 aº 512. Tab. 5.1 zobrazuje vazbu v mezi SF,
symbolovou rychlostí, bitovou rychlostí, bitovou rychlostí v DPDCH kanálu a uºivatelskou
rychlostí. Vztah SF versus kanálová rychlost a versus bitová rychlost je z°ejmá. P°ipome¬me,
ºe výsledná £ipová rychlost musí být vºdy rovna 3,84 Mcps, platí proto rovnice 5.1.
SF ∗ (Channel Symbol Rate) = 3, 84 M cps
(5.1)
61
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
Vztah mezi symbolovou a bitovou rychlostí denuje typ pouºité modulace. V p°ípad¥ QPSK
je bitová rychlost oproti symbolové dvojnásobná. Hodnota bitové rychlosti kanálu DPDCH je
poníºena z d·vodu multiplexace s kanálem DPCCH. Výsledná uºivatelská bitová rychlost je
odvozena od informa£ní rychlosti konvolu£ního kodéru, v na²em p°ípad¥ 1/2.
Spreading Factor
Tabulka 5.1: Symbolová a bitová rychlost pro DCH
Channel symbol
Channel
DPDCH Channel
rate
bit rate
bit rate
(kbps)
7.5
15
30
60
120
240
480
960
2880
512
256
128
64
32
16
8
4
4, 3 codes
(kbps)
15
30
60
120
240
480
960
1920
5760
(kbps)
3.6
12-24
42-51
90
210
432
912
1872
5616
Max. user
rate with 1/2
rate coding
(kbps)
1-3
6-12
20-24
45
105
215
456
936
2800
V uplink sm¥ru se pro odd¥lení DPDCH a DPCCH kanálu pouºívá tzv. I-Q code multiplexing, viz. obr. 5.6. Sloºka I p°ená²í kanál DPDCH, sloºka Q p°ená²í kanál DPCCH.
Datové sekvence DPDCH a DPCCH kanálu se rozprost°ou OVSF kódem CD a CC resp.
Spreading Factor pro DPCCH je vºdy roven 256 a pro DPDCH se m·ºe variabiln¥ m¥nit od
4 − 256.
V p°ípad¥ zm¥ny p°enosové rychlosti DPDCH kanálu se m¥ní i SF. P°i zvý²ení p°enosové
rychlosti se sniºuje SF a zárove¬ se sniºuje i amplituda. Tato diference úrovní kanálu DPDCH
a DPCCH je vyrovnávána zesílením, kde parametr G popisuje relativní zesilovací faktor mezi
DPDCH a DPCCH, viz. obr. 5.7. Dále se ob¥ sloºky, tedy I a Q se£tou a opat°í komplexním
skramblovacím kódem.
C h a n n e liz a tio n
code C D
DPDCH
(d a ta )
C o m p le x
scra m b lin g co d e
I
I+ jQ
DPCCH
(co n tro l)
Q
*j
C h a n n e liz a tio n
code C C
G
Obrázek 5.6: I-Q code multuplexing kanálu DPDCH a DPCCH
62
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Q
Q
G = 0 .5
G =1
I
Obrázek 5.7: Konstela£ní diagram
I
I-Q code multiplexing
s významem parametru
G
Na fyzické úrovni se p°ená²í rámec o délce 10 ms, který obsahuje 15 kanálových interval·.
Doba trvání jednoho kanálového intervalu (time-slot) je 666 µs a obsahuje 2560 Chips. Tyto
hodnoty jsou totoºné s downlink strukturou. Obsah kanálového intervalu je odli²ný z d·vodu
pouºití jiného typu multiplexu. Na obr. 5.8 je zobrazena jejich detailní struktura. Oba kanály
se díky vý²e uvedenému multiplexu p°ená²ejí zárove¬.
Kaºdý kanálový interval pro DPCCH je sloºen z:
ˆ PILOT - denovaný vzorek bit·, NodeB m¥°í pomocí tohoto vzorku parametr SIR
(Signal to Interference Ratio), tento je vyuºíván pro pot°eby Power Control
ˆ TFCI
sm¥ru
ˆ FBI
Transport Format Combination Indicator
Feedback Information
- má stejný význam jako v downlink
- souvisí s pouºitou diverzitou
ˆ TPC - pole je pouºito pro p°enos tzv. Transmit
s procedurou Power Control.
Power Control
commands, které souvisí
2 5 6 0 c h ip s
DPDCH
DATA
DPCCH
u p lin k
DCH
P IL O T
0
1
TFCI
2
3
FBI
TPC
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.8: Struktura rámce DPDCH a DPCCH v uplink sm¥ru
63
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
5.5.2 Common Pilot Channel
CPICH Common Pilot Channel je signaliza£ní kanál, který pracuje pouze na fyzické vrstv¥,
nemapuje se tedy do n¥ho ºádný transportní kanál. Na fyzické vrstv¥ s kaºdém kanálovém
intervalu p°ená²í pevná sekvence bit· (samé logické nuly) s p°enosovou rychlostí 30 kbps,
viz. obr. 5.9 Je pouºit pevný SF=256 a tzv. primární scramblovací kód PSC (Primary
Scrambling Code), který identikuje bu¬ku (sektor) dané NodeB a pomocí n¥hoº se provádí
skramblování v²ech ostatních fyzických kanál·. Zpravidla je pouºit xní vysílací výkon,
který odpovídá 10 % celkového moºného vysílacího výkonu dané NodeB. V hust²í zástavb¥
pop°. indoor °e²ení dané NodeB se výkon m·ºe pohybovat kolem 5 % celkového výkonu.
CPICH kanál v podstat¥ denuje oblast pokrytí dané bu¬ky, protoºe pomocí CPICH kanálu
se provádí první kroky v procesu registrace UE - sí´.
P re d e fin e d S e q u e n c e
C P IC H
0
1
2
3
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.9: Struktura CPICH
5.5.3 Synchronisation Channel
SCH (Synchronisation Channel) je synchroniza£ní kanál, který slouºí pro £asovou synchronizaci UE - NodeB. ƒasová synchronizace je nutná pro p°esné zji²t¥ní za£átku kanálového
intervalu a celého rámce. Proto je synchroniza£ní kanál rozd¥len na primární (Primary SCH)
a sekundární (Secondary SCH).
Primární synchroniza£ní kanál P-SCH slouºí pro £asovou synchronizaci UE - time-slot. D·leºitou úlohu hraje P-SCH i v procesu cell-search, kdy je prvním krokem po zapnutí
mobilního telefonu vyhledání P-SCH. V p°ípad¥ nalezení více P-SCH od více NodeB vybírá
UE tu, od které má nejlep²í p°ijímací výkonovou úrove¬, viz. obr. 5.10.
Pro SCH neexistuje zvlá²tní fyzický kanál, ale multiplexuje se £asov¥ s transportním kanálem BCH do spole£ného fyzického °ídícího kanálu P-CCPCH (Primary Physical Common
Control Channel). P-SCH je známá konstantní sekvence o délce 256 chips, která se vysílá
na za£átku kaºdého kanálového intervalu (sekvence není skramblována, pouze rozprost°ena).
Sekvence je stejná pro kaºdou NodeB a na základ¥ této sekvence se UE sesynchronizuje na
p°esný za£átek kanálového intervalu.
Sekundární synchroniza£ní kanál S-SCH slouºí pro £asovou synchronizaci UE - rámec. V kaºdém kanálovém intervalu se p°ená²í jiná bitová sekvence, z toho plyne, ºe v kaºdém
rámci existuje 15 r·zných kombinací. Tyto kombinace se seskupují do 64 kódových skupin
(Code Group), £ást tabulky s jednotlivými skupinami je uvedena v tab. 5.2. Dle bitové sekvence v S-SCH dokáºe UE detekovat, ve které Code Group se nachází výsledný Scrambling
Code. Posledním krokem je zji²t¥ní, který konkrétní kód z dané skupiny je na UE pouºit.
Celý proces detekování skramblovacího kódu lze tedy shrnout do n¥kolik krok·, viz. obr.
5.11:
64
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
NodeB 2
NodeB 1
NodeB 3
UE
N o d e B P -S C H
pow er
tim e
Obrázek 5.10: Princip výb¥ru NodeB na základ¥ p°ijímací úrovn¥ od P-SCH
Code
Group
0
..
30
31
32
..
64
#0
#1
#2
Tabulka 5.2: Kódové skupiny v S-SCH
Secondary Synchronization Code (SSC)
#3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11
2
2
2
5
6
6
11
2
9
7
13
7
2
3
7
11
3
16
9
12
13
4
9
3
16
7
12
7
16
2
16
6
13
9
9
12
#12
#13
#14
14
16
9
14
13
16
4
12
6
65
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
1. UE se pomocí P-SCH synchronizuje na time-slot.
2. UE zná na základ¥ detekce sekvence z S-SCH, do které kódové skupiny pat°í.
3. V dal²í fázi je pouºita známá sekvence z CPICH kanálu (pozn. známe p°ená²enou sekvenci v CPICH, ale neznáme, jakým skramblovacím kódem je kódována). UE proto
naslouchá CPICH a zkou²í postupn¥ descrambling pomocí v²ech 15 kód· z dané kódové
skupiny. Je pouºit tzv. Matched Filter, kde se detekuje nejv¥t²í shoda s kaºdým kódem
pomocí korelace. Nejv¥t²í míra korelace znamená, ºe byl detekován pouºitý Scrambling
Kód, tzv. PSC.
P h y s ic a l
C h a n n e ls
S lo t 1
S lo t 2
S lo t 1 5
1)
P -S C H
2 5 6 c h ip s
2)
S -S C H
3)
C P IC H
2 5 6 0 c h ip s
F ra m e (3 8 4 0 0 ch ip s )
Obrázek 5.11: Postup zji²t¥ní skramblovacího kódu
5.5.4 Primary Common Control Physical Channel
P-CCPCH
(Primary Common Control Physical Channel) je spole£ný fyzický °ídící kanál, který p°ená²í transportní kanál BCH. Kv·li korektnímu pr·b¥hu procedury cell search
(zejména zji²t¥ní dostupných PN kód· a signatur pro RACH), musí být BCH kanál dosaºitelný a detekovatelný v²emi UE. Proto není na P-CCPCH aplikován ºádný Power Control a
pouºívá se nízká konstantní p°enosová rychlost 30 kbps se SF=256.
Dle informací z kap. 5.5.3 je P-CCPCH sdílen pomocí £asového multiplexu s SCH. D·vodem bylo zejména pouºití fyzického kanálu, kde není aplikován Power Control a zjednodu²ení
dekódování BCH po úsp¥²né synchronizaci UE - sí´. Chiprate jednoho kanálového intervalu
(2560 chips) je pak rozd¥len na £ást pro SCH (204 chips) a £ást pro BCH (2304 chips), viz.
obr. 5.12.
5.5.5 Secondary Common Control Physical Channel
S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) je spole£ný fyzický °ídící kanál,
který p°ená²í transportní kanál FACH a PCH. Na fyzické vrstv¥ se p°ená²í standardní 10ms
rámec s 15 kanálovými intervaly. Struktura S-CCPCH je uvedena na obr. 5.13 a obsahuje pole
TFCI, data a PILOT bits. Jelikoº p°enosová rychlost FACH kanálu m·ºe být variabilní, je
zde dopln¥no pole TFCI. S-CCPCH není p°ená²en kontinuáln¥, ale pouze v p°ípad¥ pot°eby
(p°enosu dat skrz FACH nebo PCH).
66
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
2 5 6 c h ip s
2 0 3 4 c h ip s
SCH
BCH
s lo t
p rim a ry
CCPCH
0
1
2
3
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.12: Struktura fyzického kanálu P-CCPCH
2 5 6 c h ip s
2 0 3 4 c h ip s
SCH
BCH
s lo t
p rim a ry
CCPCH
0
1
2
3
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.13: Struktura fyzického kanálu S-CCPCH
67
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
5.5.6 Acquisition Indicator Channel
AICH
se pouºívá pro indikaci toho, zda-li byla na NodeB
korektn¥ p°ijata signatura v rámci navazování spojení pomoci RACH. AICH je fyzický downlink kanál, který nemá ºádný transportní kanál. Celý postup procedury navazování spojení,
kde se AICH vyuºívá, je uveden v kap. 5.2.5. Jen p°ipome¬me, ºe pokud NodeB korektn¥ detekuje preamble (která indikuje pokus o p°ístup pomocí RACH ), tak tuto signaturu zkopíruje
do AICH a vy²le zp¥t k UE jako Acquisition Indicator, který znamená, ºe vysílací výkonová
úrove¬ UE je dostate£ná.
Struktura AICH je uvedena na obr. 5.14 a je zaloºena na dvou standardních rámcích s
délkou 20 ms, ve kterých se p°ená²í 15 kanálových interval· tzv. Indication Slots. V kaºdém
Indication Slot je p°ená²eno 32 bit· (signatura) se SF=256, tj. 4096 chips. 4 bity, tj. 1024
chips je v kaºdém slotu nevyuºitých.
(Acquisition Indicator Channel)
A c q u s itio n In d ic a to rs
3 2 s y m b o ls (4 0 9 6 c h ip s )
s lo t
A IC H
a0 a1 a0
IS 0
IS 1
.....
IS 2
1 0 2 4 c h ip s
a 31 a 32
IS 3
tra n s m is s io n o ff
IS 4
.....
IS 1 4
20 m s
Obrázek 5.14: Struktura fyzického kanálu AICH
5.5.7 Paging Indicator Channel
PICH (Paging
souvisí s PCH a je vyuºit pro indikaci toho, ºe se v PCH
p°ená²í paging informace. Na fyzické vrstv¥ se p°ená²í rámec s délkou 10 ms, ve kterém je
vyhrazeno 288 bit· pro p°enos tzv. Paging Indicator (PI) zpráv, viz. obr. 5.15. Zpráva PI se
m·ºe opakovat 18, 36, 72 nebo 144 krát za dobu trvání PICH rámce. Na PICH se neaplikuje
ºádný Power Control, PICH kanál musí být dosaºitelný v celé oblasti pokrytí bu¬ky z d·vodu
procedury Paging. Pouºívá se stadardní SF=256.
PICH byl zaveden zejména kv·li ²et°ení baterie koncových terminál·, kdy UE dekóduje
PCH aº tehdy, pokud se jeho p°ítomnost v S-CCPCH indikuje pomocí PI.
Indicator Channel)
5.5.8 Physical Random Access Channel
PRACH (Physical Random Access Channel) je uplink fyzický kanál, který má za úkol p°enést
skrz fyzickou vrstvu transportní kanál RACH. Je vyuºíván jako fyzický kanál i p°i iniciaci celé
procedury RACH, viz. kap. 5.2.5.
Na fyzické vrstv¥ se p°ená²í jak datový, tak kontrolní rámec a je proto pouºit I/Q multiplexing. Struktura rámce PRACH je uvedena na obr. 5.16. Kontrolní rámec obsahuje pole
68
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
5 1 2 - 4 0 9 6 c h ip s
PI
.....
2 5 6 c h ip s
1 2 id le
b its
2 8 8 b its
P IC H
10 m s
Obrázek 5.15: Struktura fyzického kanálu PICH
TFCI a PILOT bits, p°enosová rychlost je 15 kbps a je pouºit SF=256. P°enosová rychlost
datového rámce se m·ºe variabiln¥ m¥nit od 15 kbps - 150 kbps a m¥ní se tedy i SF od 256 32.
DATA
P IL O T
PRACH
0
1
2
3
TFCI
.....
4
14
10 m s
Obrázek 5.16: Struktura fyzického kanálu PRACH
5.5.9 Physical Common Packet Channel
PSPCH
je uplink fyzický kanál, který p°ená²í transportní kanál CPCH. Protoºe nebyl CPCH kanál prakticky implementován do ºádné sít¥, 3GPP
rozhodla vyjmout i kanál PCPCH ze specikace Release 5. Jeho specikaci lze nalézt pouze
v Release 99 a Release 4. Nebudou proto ani dále rozebrány kanály CPCH Status Indication
Channel (CSICH) a Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH), které slouºily jako pomocné fyzické kanály p°i procedu°e navazování spojení.
(Physical Common Packet Channel)
5.5.10 Physical Downlink Shared Channel
PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) je downlink fyzický kanál, který p°ená²í trans-
portní kanál DSCH. V Release 5 byla specikace DSCH a potaºmo PDSCH odstran¥na z
69
5
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU UMTS
d·vodu zavedení HS-DSCH (High-Speed
-Speed Downlink Packet Access).
Downlink Shared Channel)
v systému HSDPA (High-
5.6 Mapování transportních kanál· do fyzických kanál·
Proces mapování transportních kanál· do kanál· fyzických zobrazuje obr. 5.17. Transportní
kánaly jsou bu¤ mapovány do p°idruºeného fyzického kanálu nebo jsou nap°. multiplexovány
s jiným transportním kanálem do stejného fyzického kanál·. Naproti tomu existují fyzické
kanály, které nemají odpovídající transportní kanál. Jsou to:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
SCH (Synchronisation Channel)
CPICH (Common Pilot Channel)
AICH (Acquisition Indication Channel)
CSICH (CPCH Status Indication Channel)
CD/CAICH (Collision Detection/Channel Assignment
Indication Channel)
Obrázek 5.17: Mapování transportních kanál· do fyzických kanál·
70
C D /C A -IC H
(C o llis io n D e te c tio n /C h a n n e l a s sig n m e n t
In d ic a to r C h a n n e l)
C S IC H
(C P C H S ta tu s In d ica tio n C h a n n e l)
P IC H
(P a g in g In d ic a to r C h a n n e l)
A IC H
(A cq u is itio n In d ic a to r C h a n n e l)
CPCH
C P IC H
(C o m m o n P ilo t C h a n n e l)
DSCH
SCH
(S y n c h ro n isa tio n C h a n n e l)
DPDCH
(D e d ica te d P h y sic a l D a ta C h a n n e l)
DCH
PCPCH
(P h ys ica l C o m m o n P a ck e t C h a n n e l)
RACH
PDSCH
(P h ysic a l D o w n lin k S h a re d C h a n n e l)
PCH
DPCCH
(D e d ica te d P h y s ic a l C o n tro l C h a n n e l)
FACH
PRACH
(P h ys ica l R a n d o m A c ce ss C h a n n e l)
P h ysica l
ch a n n e ls
BCH
PCCPCH
(P rim a ry C o m m o n C o n tro l P h y s ic a l C h a n n e l)
T ra n sp o rt
ch a n n e ls
SCCPCH
(S e c o n d a ry C o m m o n C o n tro l P h y s ic a l C h a n n e l)
DCH kanál je mapován to dvou fyzických kanál· - Dedicated Physical Data Channel (obsahuje uºivatelská data) a Dedicated Physical Control Channel (obsahuje °ídící informace).[41]
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
6
HSPA
Pro podporu p°enosu paketových dat byly v
kanály, viz. kap. 5.2:
Release 99
a
Release 4
denovány transportní
ˆ DCH (Dedicated Channel),
ˆ DSCH (Downlink-Shared Channel),
ˆ FACH (Forward Access Channel).
Nové verze specikací Release 5 a Release 6 p°iná²í do UMTS modikace ve form¥
technologie HSPA (High Speed Packet Access) vedoucí k vy²²í p°enosové rychlosti a lep²í
propustnosti sít¥. Stávající transportní kanály z·stávají zachovány, zejména kv·li okruhov¥
p°epínaným sluºbám (CS domain), tj. konven£ního hlasového provozu. Nicmén¥ primárn¥ se
pro p°enos paketových dat za£íná pouºívat práv¥ HSPA. [37, 41]
Pod ozna£ení HSPA spadají dv¥ technologie a to:
ˆ V Release 5 je denována nová technologie s ozna£ením HSDPA (High-speed Downlink
Packet Access )
ˆ v Release 6 je denována nová technologie s ozna£ením HSUPA (High Speed Uplink
Packet Access).
6.1 HSDPA
Technologie HSDPA (High-speed Downlink Packet Access ) je zaloºena na n¥kolika inovacích
architektury sít¥, díky nimº se dosahuje niº²ího zpoºd¥ní, rychlej²ích reakcí na zm¥nu kvality
kanálu a zpracování poºadavku na opakování p°enosu. Tyto inovace budou detailn¥ rozebrány
v dal²ích podkapitolách.
S implementací HSDPA byly do stávající UMTS sít¥ zavedeny nové transportní a fyzické
kanály, viz. obr. 6.1:
ˆ HS-DSCH (High-Speed Downlink Shared Channel) transportní kanál, který slouºí pro
p°enos uºivatelských dat ve sm¥ru downlink. Na fyzické vrstv¥ se mapuje do (High Speed
Physical Downlink Shared Channel). Mezi jednotlivými uºivateli je tento kanál sdílen v
£asov¥ - kódové oblasti.
ˆ HS-SCCH (High-Speed Shared Control Channel) downlink °ídící kanál, p°ená²í informace k UE o p°id¥leném typu modulace, velikosti transportního bloku, apod.
ˆ HS-DPCCH (Uplink High-Speed Dedicated Physical Control Channel ) je uplink °ídící
kanál pro p°enos kontrolních informací ve vztahu s potvrzováním p°enosu.
H S -D S C H
UE
H S -S C C H
NodeB
H S -D P C C H
Obrázek 6.1: Kanály v systému HSDPA
71
6
HSPA
6.1.1 High-Speed Downlink Shared Channel
Pro HSDPA je denovaný nový typ transportního kanálu nazvaný HS-DSCH
Downlink Shared Channel). Mezi hlavní nové vlastnosti pat°í:
(High-Speed
ˆ Zmen²ení TTI (Transmission Time Interval) z 10 ms na 2 ms. Do fyzického kanálu
HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel) se tedy mapují TTI ze t°í
kanálových interval·, viz. obr. 6.2. Zmen²ení TTI vede k v¥t²í efektivit¥ p°enosu zejména
p°i rozd¥lování p°enosových prost°edk·.
2 5 6 0 ch ip s
DATA
S lo t 2
S lo t 1
S lo t 0
1 s u b -fra m e (2 m s )
Obrázek 6.2: Struktura rámce v HS-DSCH kanálu vzhledem k velikosti TTI
ˆ Na fyzické vrstv¥ je zru²ena variabilita SF, je pouºit konstatní SF=16, p°i£emº je moºno
p°i°adit jednomu uºivateli aº 15 OVSF kód· nebo tyto kódy adaptivn¥ p°i°azovat jednotlivým uºivatel·m, tzv. Code Multiplexing. Kaºdý uºivatel naslouchá kanál HS-SCCH,
ve kterém jsou p°ená²eny informace o jemu p°i°azených kódech. P°íklad rozd¥lení n¥kolika kód· pro dva uºivatele je uveden na obr. 6.3.
D o w n lin k D C H u s e r 1
D o w n lin k D C H u s e r 2
H S -S C C H
......
D e m o d u la tio n in fo rm a tio n
H S -D S C H
2m s
Obrázek 6.3: P°íklad
Code Multiplexing
pro dva uºivatele
ˆ Zavedení adaptivní modulace a kódování (Adaptive Modulation and Coding) dle aktuálních podmínek v rádiovém kanálu. HSDPA vyuºívá zbývající výkon v bu¬ce, tj.
výkon, který není obsazen spole£nými fyzickými kanály (nap°. CPICH, SCH) a dedikovanými kanály (DCH), viz. obr. 6.4.
72
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
pow er
T o ta l a v a ila b le c e ll p o w e r
HSDPA
D e d ic a te d C h a n n e ls (p o w e r c o n tro lle d )
C o m m o n C h a n n e ls (S C H , C P IC H )
tim e
Obrázek 6.4: Rozd¥lení výkonu v bu¬ce pro jednotlivé kanály a HSDPA
6.1.2 High-speed Shared Control Channel
HS-SCCH(High-speed
Shared Control Channel)
je downlink °ídící kanál, který obsahuje:
ˆ indikaci, zda-li je pouºita modulace QPSK nebo 16-QAM,
ˆ které kódy (OVSF) má dané UE v £ase TTI p°i°azeny pro HS-DSCH a které má tedy
dekódovat,
ˆ indikátory k p°ípadné procedu°e HARQ - zejména zda-li se jedná o první p°enos nebo
retransmisi.
Je z°ejmé, ºe indikátory v HS-SCCH musí být p°ená²ena s £asovým p°edstihem oproti
dat·m samotným v HS-DSCH.
6.1.3 Uplink High-speed Dedicated Physical Control Channel
HS-DPCCH (Uplink High-speed Dedicated Physical Control Channel) je uplink °ídící kanál,
který slouºí zejména pro p°enos ACK/NACK zpráv v rámci procedury HARQ a pro p°enos
indikátor· CQI (viz. kap. 6.1.4).
Pro kanál HS-DPCCH je p°i°azen individuální OVSF kód, kanály DPDCH a DPCCH
z·stávají z d·vodu zp¥tné kompatibility zachovány, viz. obr. 6.5.
H S -D P C C H
A C K /N A C K
DPDCH
DPCCH
P IL O T
CQ I Feedback
2 5 6 0 c h ip s
2 5 6 0 c h ip s
2 5 6 0 c h ip s
DATA
DATA
DATA
TFCI
FBI
TPC
P IL O T
TFCI
FBI
TPC
P IL O T
TFCI
FBI
TPC
Obrázek 6.5: Struktura kanálu HS-DPCCH
73
6
HSPA
6.1.4 CQI
Jelikoº je pro HSDPA vyuºíván zbývající výkon v bu¬ce, vlastní uºite£ný výkon by p·sobil
jako ru²ení, coº by vedlo ke zna£nému zkreslení hodnost Ec/Io. Z tohoto d·vodu je v HSDPA
zaveden pro m¥°ení vlastností rádiového kanálu nový parametr SINR (Signal to Interference
plus Noise Ratio). SINR reektuje výkonové zm¥ny pouze oproti uºite£ným HS-DSCH a vypo£ítá se jako:
SIN R = SF ·
PHSDP A
PT OT _T X [1 − α +
1
G]
(6.1)
kde:
ˆ SF je pouºitý Spreading Factor
ˆ PHSDP A je celkový výkon alokovaný pro HSDPA
ˆ PT OT _T X je celkový výstupní výkon daného sektoru NodeB
ˆ α je parametr ortogonality
ˆ G je tzv. Geometry Factor
P°íklad:
Vypo£t¥te SINR systému HSDPA, pokud:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
celkový alokovaný výkon pro HSDPA je 5,5 W
celkový výstupní výkon sektoru na NodeB je 18 W
α = 0, 2
G = 0, 363
e²ení:
Parametr SINR vypo£teme dle vztahu 6.1 jako:
SIN R = SF ·
SIN R = 16 ·
PHSDP A
PT OT _T X [1 − α +
5, 5
18[1 − 0, 2 +
1
0,363 ]
1
G]
= 1, 375dB
Na základ¥ SINR se p°epo£ítává parametr CQI (Channel Quality Indicator), který indikuje
jakousi kvalitu rádiového prost°edí. Jeho p°epo£et je dán doporu£ením, viz. tab. 6.1. Obr. 6.7
zobrazuje vazbu mezi SINR a efektivní p°enosovou rychlostí v 5 MHz kanále, kde je rovn¥º
nazna£ena teoretická Shannonova kapacita v uvedeném kanálu. [41]
Význam parametru CQI spo£ívá v tom, ºe se na základ¥ jeho hodnoty ur£í tzv. TFRC
(Transport Format and Resource Combination), coº je kombinace:
ˆ velikosti Transport Block Size,
ˆ po£tu pouºitých kanál· HS-PDSCH, tj. po£et OVSF kód· p°i°azených jednomu uºivateli
a
ˆ pouºité typu modulace (QPSK neb 16-QAM).
Celý proces p°id¥lení TRFC lez op¥t shrnout do n¥kolika bod·, viz. také obr. 6.6
74
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
1. UE si m¥°í hodnotu jednotlivých p°íjmaných výkon· a ur£uje hodnotu parametru SINR,
2. z hodnoty SINR si UE spo£ítá CQI a reportuje ho k NodeB skrz HS-DPCCH (Uplink
High-speed Dedicated Physical Control Channel), NodeB na základ¥ této hodnoty ur£í
TRFC (Transport Format and Resource Combination),
3. NodeB zasílá toto TRFC k UE skrz HS-SCCH
(High-Speed Shared Control Channel).
Díky zkrácení TTI je moºno k UE reportovat TRFC práv¥ co 2 ms a efektivn¥ tak reagovat
na rychlé zm¥ny v rádiovém kanálu.
1.
2.
UE
3.
NodeB
Obrázek 6.6: Proces p°id¥lení TRFC na základ¥ CQI
Obrázek 6.7: Vazba mezi SINR a efektivní p°enosovou rychlostí [41]
6.1.5 Technika HARQ
HARQ
je v HSDPA technika pro hybridní opakování
datových blok· s automatickou ºádostí. HARQ v sob¥ zahrnuje dva mechanismy - korekci chyb
FEC (Forward Error Correction) a automatickou ºádost o opakování ARQ (Automatic Repeat
Request). Cílem techniky HARQ je zejména zlep²ení efektivity a tedy i dostupné p°enosové
rychlosti rádiového kanálu v p°ípad¥ detekce chyb.
(Hybrid Automatic Repeat Request)
75
6
HSPA
SINR
[dB]
-3,5
-2,6
-1,5
-0,3
0,5
1,7
2,5
3,5
4,4
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
10,7
11,5
12,6
13,4
14,7
15,7
16,6
17,5
18,6
19,6
20,6
21,4
22,6
23,5
24,0
24,8
76
Tabulka 6.1: Mapování mezi SINR a CQI
CQI
Transport
Number of
Modulation
Block Size
HS-PDSCH
Type
−
[B]
−
−
1
2
237
1
QPSK
3
237
1
QPSK
4
237
1
QPSK
5
237
1
QPSK
6
237
2
QPSK
7
650
2
QPSK
8
650
2
QPSK
9
1262
3
QPSK
10
1262
3
QPSK
11
1262
3
QPSK
12
2279
4
QPSK
13
2279
4
QPSK
14
3319
5
QPSK
15
3565
5
16-QAM
16
3565
5
16-QAM
17
3565
5
16-QAM
18
3565
5
16-QAM
19
3565
5
16-QAM
20
3565
5
16-QAM
21
3565
5
16-QAM
22
9719
7
16-QAM
23
11418
8
16-QAM
24
14411
10
16-QAM
25
17237
12
16-QAM
26
21754
15
16-QAM
27
21754
15
16-QAM
28
21754
15
16-QAM
29
21754
15
16-QAM
30
25558
15
16-QAM
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
FEC je systém zabezpe£ení dat proti chybám p°i p°enosu, kdy má UE schopnost ur£itou
díl£í £ást chyb opravovat a dal²í chyby pouze detekovat. Zbytkovou chybovost po provedení
korekce FEC opravuje metoda ARQ zaloºená na komunikaci mezi vysílací a p°ijímací stranou.
P°ijíma£ tedy posílá po kaºdém p°ijatém bloku zp¥t vysíla£i informaci o tom, ºe daná data
byla nebo nebyla správn¥ doru£ena.
Existují dv¥ varianty techniky HARQ, tedy pokud jsou v p°ijatém bloku na základ¥ FEC
zji²t¥ny chyby, které uº nelze opravit, tak
ˆ v p°ípad¥ metody Incremental Redundancy je blok uloºen do IR databáze a sou£asn¥
UE vy²le automaticky k vysíla£i skrz uplink kanál HS-DPCCH (High-speed Dedicated
Physical Control Channel) ºádost NACK (Not Acknowledge) o jeho opakované vysílání.
Vysíla£ tento blok znovu vy²le s vy²²í mírou zabezpe£ení, resp. redundance a tento je
kombinován s p·vodním blokem vyjmutým z IR databáze metodou Soft Combining, viz.
obr. 6.8.
ˆ V p°ípad¥ metody Chase Combination se zasílá totoºný blok znovu.
1
2
2
ACK
1
3
NACK
2
ACK
2
+
2
=
2
Obrázek 6.8: Princip techniky HARQ
6.1.6 Fast Packet Scheduling
nebo také n¥kdy rychlé rozvrhování £i plánování je v technologii
HSDPA technika, jakým zp·sobem se rozd¥lují p°enosové prost°edky mezi jednotlivé uºivatele.
Cílem Fast Packet Scheduling je maximalizovat propustnost a efektivitu systému a splnit
poºadavky uºivatel· na QoS (Quality of Service).
Implementace metody je p°esunuta do NodeB, tedy blíºe k uºivatel·m ve snaze celý proces
zrychlit a zefektivnit. Jádro metody je tzv. Scheduler, který musí pro své vykonání znát
n¥kolik vstupních parametr·, viz. obr. 6.9:
Fast Packet Scheduling
ˆ
- stav zapln¥ní interní pam¥ti, ve které se shromaº¤ují data zatím nedokon£ených poºadavk·,
ˆ Feedback from uplink - kvalita rádiového kanálu (CQI), aktuální stav nesprávn¥ p°enesených blok· (metoda HARQ),
ˆ QoS - dedikovaný QoS pro zákazníka (prol zákazníka),
ˆ History - jak dlouho není uºivateli p°i°azen ºádný HS-DSCH,
Buer Status
77
6
HSPA
ˆ
- model provozu, který m·ºe být aplikován v závislosti na aktuální dob¥
pop°. stavu provozu v síti,
ˆ UE Capability - kategorie UE pro HSPA, v [36] je denováno 38 kategorií UE (v£etn¥
podpory eHSPA),
ˆ Radio Resources - volné OVSF kódy, které mohou být p°i°azeny UE.
Trac Model
Proces Fast Scheduling je v NodeB vykonáván a spou²t¥n kaºdý TTI, £ili kaºdé 2
ms. Na základ¥ vý²e uvedených parametr· je výstupem pro kaºdého uºivatele kombinace
parametr·:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
velikost Transport Block Size,
typ pouºitého kódování nebo redundance,
pouºitý typ modulace (QPSK, 16 QAM),
po£et OVSF kód·.
Vý²e uvedená fáze je týká pouze p°i°azení parametr·. Druhou nemén¥ d·leºitou fází je,
kte°í uºivatelé budou mít tyto parametry p°i°azeny fyzicky. Uºivatelé mohou být obsluhování
r·zn¥, a to podle n¥jakého reºimu fronty, nap°. metodou Round Robin, Proportional Fair nebo
na základ¥ hodnoty CQI.
H isto ry
Q oS
T ra ffic M o d e l
F e e d b a ck fro m U L
U E C a p a b ility
S c h e d u le r
B u ffe r S ta tu s
R a d io R e s o u rce s
U se r # 1
U se r # 2
.....
U ser #n
T ra n sp o rt
B lo ck siz e
T ra n sp o rt
B lo ck siz e
T ra n sp o rt
B lo ck size
C o d in g a n d
R edundancy
C o d in g a n d
R edundancy
C o d in g a n d
R e d u n d a n cy
M o d u la tio n
Q P S K ,1 6 Q A M
M o d u la tio n
Q P S K ,1 6 Q A M
M o d u la tio n
Q P S K ,1 6 Q A M
num ber of
O V S F co d e s
num ber of
O V S F codes
num ber of
O V S F co d e s
Obrázek 6.9: Princip Fast Packet Scheduling
6.2 HSUPA
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) je obdobou techniky v HSDPA, jejichº vlastnosti
ov²em platí pro sm¥r
78
uplink.
Poprvé byla tato technika p°edstava v
Release 6
a n¥kdy se
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ozna£uje jako EUL (Enhanced Uplink). Filozoe celého vývoje HSUPA sm¥°ovala k tzv. adopci
technik jiº fungujících v HSDPA.
Mezi hlavní rysy HSUPA pat°í:
ˆ zavedení nového uplink transportního kanálu E-DCH (Enhanced
°ídícího kanálu E-DPCCH (Enhanced Dedicated Physical Control
ˆ pouºití Fast Packet Scheduling na bázi Request-Grant,
ˆ pouºí techniky HARQ.
Dedicated Channel)
Channel)
,
a
6.2.1 Enhanced Dedicated Channel
E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) je uplink transportní kanál, který je na fyzické vrstv¥
mapován do E-DPDCH (Enhanced Dedicated Physical Data Channel) a slouºí pro p°enos
uºivatelských dat. NodeB m·ºe koncovému za°ízení p°i°adit aº 4 paralelní E-DPDCH p°i
SF=4. Pro uplink sm¥r lze s výhodou vyuºít faktu, ºe od uºivatel·, kte°í nevysílají, mohou
jiní uºivatelé pouºít jejich OVSF kód. Vytvá°í se tak tzv. Interference Budget, který je ov²em
minimalizován skramblováním a faktem, ºe uºivatelé vysílají r·znými výkony. 4
6.2.2 Enhanced Dedicated Physical Control Channel
E-DPCCH (Enhanced Dedicated Physical Control Channel) je uplink °ídící kanál, který p°ená²í:
ˆ informace o p°enosové rychlosti pouºité v E-DPDCH,
ˆ informace o stavu retransmise v HARQ (zda-li se jedná o prvn¥ vyslaný nebo opakovaný
blok),
ˆ zp¥tnou vazbu, tzv. happy bit, kterým UE indikuje po kaºdém vyslaném bloku stav, zda-li
s aktuálním stavem rádiového kanálu, stavem HARQ a vysílacím výkonem je schopen
UE úsp¥²n¥ vyslat dal²í blok i s v¥t²í p°enosovou rychlostí. Pokud ano, scheduler m·ºe
nastavit lep²í p°enosové parametry pro UE a toto oznámí pomocí E-RGCH kanálu (viz.
kap. 6.2.3). V p°ípad¥, ºe tomu tak není, je bit nastaven na 0 a p°enosová rychlost je v
dal²ím bloku sníºena (op¥t pomocí E-RGCH).
6.2.3 Fast Packet Scheduling
V HSUPA se pouºívá obdobná lozoe rychlého rozvrhování (Fast Packet Scheduling) jako
v systému HSDPA. Existuje zde rovn¥º Scheduler, který na základ¥ vstupních parametr·
p°i°azuje jednotlivým ú£astník·m parametry p°enosu v uplink sm¥ru. Jednotlivé vstupy jsou
totoºné s HSDPA aº na Feedback from UL, který namísto CQI pouºívá happy bit.
Pro p°enos °ídících informací k UE o tom, jaké aktuální p°enosové parametry budou pro
UE dedikovány, byl zaveden downlink kanál:
ˆ E-AGCH (Absolute Grant Channel) - nastavuje NodeB max. povolenou p°enosovou
rychlost pro E-DCH,
ˆ E-RGCH (Relative Grant Channel) - tuto rychlost upravuje dle p°edchozích hodnot.
4
V HSDPA ani v HSUPA se nepouºívá systém °ízení výkonu UE, tzv. Power Control.
79
6
HSPA
6.2.4 HARQ
Pro HSUPA byla v Release 6 zavedena podpora techniky HARQ, která p°ebírá vlastnosti
známé z HSDPA. Pro p°enos ACK/NACK zpráv byl zaveden downlink kanál E-HICH HARQ
Indicator Channel.
V p°ípad¥ makrodiverzitního p°íjmu je v rámci active set zvolena jedna serving E-DCH
bu¬ka, která jako jediná zasílá ACK i NACK zprávy. Ostatní bu¬ky zasílají pouze zprávu
ACK, v p°ípad¥ chyby p°enosu zprávu NACK nezasílají. Tato technika op¥t sniºuje úrove¬
interferencí v downlink sm¥ru.
Na fyzické vrstv¥ se kanál E-HICH p°ená²í spolu s kanálem E-RGCH metodou £asového
multiplexu.
6.3 HSPA+
Technologie HSPA+ (High Speed Packet Access Plus), n¥kdy jako Evolved HSPA byla poprvé
standardizována v rámci 3GPP Release 7 a její standardizace pokra£ovala aº k Release 10. V
HSPA+ byly aplikovány n¥které vysp¥lé techniky (zejména zefektivn¥ní procedur na fyzické
vrstv¥) vyvinuté £ist¥ pro Long Term Evolution (LTE) s cílem prodlouºit ºivotnost HSPA
systému. [37]
Mezi klí£ové vlastnosti HSPA+ pat°í:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
zp¥tná kompatibilita s UMTS Release 99, Release 5 a Release 6,
sníºení latence p°enosu pod 50 ms,
zavedení modulace 64 QAM pro downlink,
zavedení modulace 16 QAM pro uplink,
pouºití techniky MIMO (Multiple Input Multiple Output) aº 4x4,
agregace více nosných (carrier) s celkovou ²í°kou pásma aº 40 MHz.
Vý²e uvedené vlastnosti lze kombinovat a dosáhnout v downlink sm¥ru uvedených teoretických maximálních p°enosových rychlostí podle jednotlivých Release :
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
Release
Release
Release
Release
Release
7: 64QAM nebo 2 x 2 MIMO → 21 nebo 28 Mbit/s
8: Dual Carrier + 64QAM nebo 2X2 MIMO + 64QAM → 42 Mbit/s
9: Dual Carrier + 2X2 MIMO + 64QAM → 84 Mbit/s
10: 4-Carrier + 2X2 MIMO + 64QAM → 168 Mbit/s
11: 8-Carrier nebo 4X4 MIMO + 64QAM → 336 Mbit/s
P°i konkrétní implementaci samoz°ejm¥ záleºí na rozd¥lení frekven£ního pásma pro UMTS
FDD. V p°ípad¥ ƒR má kaºdý ze 3 operátor· p°i°azen 20 MHz blok, proto jsou moºnosti pro
nasazení agregace více nosných omezené.
80
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
7
Systém LTE
/
EPC
Technologie rádiového p°ístupu LTE (Long Term Evolution) a nový typ jádra sít¥ EPC (Evolved Packet Core) p°edstavuje novou kapitolu mobilní komunikace. Formát LTE byl navrºen
japonským operátorem NTT DoCoMo v roce 2004 a posléze p°ijat jako mezinárodní standard.
Práce na souboru specikací LTE za£aly koncem roku 2004 a celkovým zám¥rem bylo poskytnout novou rádiovou p°ístupovou technologii ur£enou výhradn¥ pro vysokorychlostní mobilní
Internet.
V 3GPP Release 7 byl pro technologii LTE denován soubor poºadavk· s ohledem na
poskytované moºnosti a výkonnost sít¥. Pat°í mezi n¥:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
podpora zásadn¥ PS (Packet Switched) sluºeb v£. VoIP,
mnohonásobn¥ v¥t²í dostupná p°enosová rychlost pro uºivatele,
sníºení latence p°enosu,
vylep²ení spektrální ú£innosti (b/s/Hz),
spektrální exibilita,
jednoduchá migrace z 3G,
oproti 3G sníºení interferencí mezi uºivateli,
vyuºít OFDM namísto WCDMA.
První vydání specikací Release 8 bylo dokon£eno na ja°e roku 2008 a komer£ní sluºby
za£aly být nabízeny koncem roku 2009, kdy spole£nost TeliaSonera uvedla ve ²védském Stockholmu a norském Oslu do provozu první komer£ní sít¥ LTE.
7.1 Terminologie
Základní terminologie pro systém LTE/SAE:
ˆ LTE (Long Term Evolution) - téº n¥kdy jako eUTRAN (evolved UTRAN) je nový typ
p°ístupové technologie pro mobilní rádiovou sí´.
ˆ SAE (System Architecture Evolution) je technologická studie 3GPP, která denuje EPC
(Evolved Packet Core), coº je Core Network.
ˆ EPS (Evolved Packet System) = LTE + SAE + terminal
Pokud se tedy zmi¬uje LTE, m¥lo by být zmi¬ováno vºdy jako LTE/EPC nebo
eUTRAN/EPC.
7.2 Architektura sít¥
Architektura sít¥ je zobrazena na obr. 7.1 a skládá se z následujících prvk·: [54, 57]
ˆ eNodeB - základnová stanice v rámci rádiové p°ístupové sít¥ eUTRAN. eNodeB obstarává komunikaci s koncovým za°ízením UE (User Equipment) a obsahuje funkcionality
vrstvy fyzické (PHY), Medium Access Control (MAC), Radio Link Control (RLC) a
Packet Data Control Protocol (PDCP). ENodeB obstarává ve²keré funkce spojené p°id¥lování rádiových prost°edk·, °ízením p°ístupu, rozvrhováním, ²ifrováním apod.
ˆ SGW (Serving Gateway) - sm¥ruje a p°eposílá uºivatelská data mezi jednotlivými eNodeB a stará se o procedury spojené s handoverem mezi 2G/3G SGSN ae PDN-GW.
81
7
SYSTÉM LTE
/
EPC
ˆ MME (Mobility Management Entity) - obstarává funkce spojené procedurou paging a
autentizací uºivatele. MME zpracovává NAS (Non Access Stratum) zprávy, které obsahují nap°. autorizaci, mobility, zahájení a udrºení IP konektivity. Tyto zprávy se mezi
UE a eNodeB vym¥¬ují skrz SRB2 (Signalling Radio Bearer). Mezi eNodeB a MME se
komunikace vym¥¬uje skrz rozhraní S1-MME.
ˆ PDN GW Packet Data Network Gateway - zaji²´uje konektivitu k externím IP-based
sítím (nap°. Internet).
ˆ HSS (Home Subscriber Server) - je registr, který slu£uje funkce HLR (Home Location
Register) a AuC (Authentication Center). HSS tedy uchovává informace.
o identikaci a adresaci uºivatele jako IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
a MSISDN
(Mobile Subscriber ISDN Number),
o uºivatelském prolu.
ˆ PCRF Policy
kontrolu QoS.
and Charging Rules Function
- zaji²´uje tarikaci uºivatelských dat a
eNodeB
S10
S 1 -M M E
X2
HSS
Sp
S6a
MME
S 1 -U
L T E -U u
PCRF
S11
Gx
S 1 -M M E
eNodeB
S 1 -U
S -G W
S 5 /S 8
S5
Obrázek 7.1: Architektura systému LTE/EPC
82
P -G W
PDN
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
8
Fyzická vrstva rádiového p°ístupu LTE/EPC
8.1 OFDM
Na fyzické vrstv¥ je v systému LTE/EPC pouºit OFDM (Orthogonal Frequency-Division
5
Multiplexing) multiplex. Pro uplink sm¥r je pouºit SC-FDMA.
Systémy LTE vyuºívají °ádov¥ tisíce subnosných N, a proto by bylo zapot°ebí stejný po£et
modulátor·, demodulátor· a vysoce stabilních oscilátor·, coº by bylo zna£n¥ nepraktické.
Problém je vy°e²en pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace IFFT. Signál je ve vysíla£i
denován softwarov¥ ve frekven£ní oblasti, a to jako vzorkovaný digitální signál, jehoº diskrétní
Fourierovo spektrum existuje pouze p°i diskrétních frekvencích. P°itom kaºdá subnosná vlna
odpovídá jednomu elementu tohoto diskrétního spektra. Amplitudy a fáze subnosných jsou
vºdy ur£eny díl£ími sloºkami svých komplexních datových symbol·. Soustavu modulátor· tak
nahradíme procesorem IFFT, který poskytuje sérii vzork· reprezentovaných v £asové oblasti.
Reprezentace OFDM ve frekven£ní a £asové domén¥ pro ²í°ku kanálu 5 MHz je uvedena
na obr. 8.1. [33, 34]
5 M H z b a n d w id th
FFT
g u a rd -in te rv a ls
su b -ca rrie rs
....
fre q u e n cy
s ym b o ls
tim e
Obrázek 8.1: Reprezentace OFDM ve frekven£ní a £asové domén¥
Na fyzické úrovni se p°ená²í rámec (frame), jehoº parametry jsou (viz. obr. 8.2) [33]:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
délka trvání rámce 10 ms,
rámec obsahuje 10 subrámc·, kaºdý s délkou 1 ms,
kaºdý subrámec je rozd¥len na 2 kanálové intervaly (timeslot).
timeslot se skládá z 6 nebo 7 OFDM symbol· záleºí na pouºitém CP (Channel
Prex).
8.2 Resource Grid
Dostupná p°enosová rychlost záleºí na pouºité (p°id¥lené) ²í°ce frekven£ního pásma pro systém
LTE. Specikace LTE dovoluje exibilitu ²í°ky frekven£ního pásma a to od 1,25 MHz do 20
MHz.
5
Star²í systém UMTS pouºívá WCDMA, systém GSM pouºívá kombinaci FDMA/TDMA.)
83
8
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU LTE/EPC
ra d io fra m e , 1 0 m s
s u b -fra m e , 1 m s
0
1
2
3
4
5
6
7
8
.....
16
17
18
19
o n e s lo t, 0 .5 m s
Obrázek 8.2: Rámec v systému LTE/EPC
Je denován tzv. PRB (Physical Resource Block), coº je nejmen²í p°enosová jednotka (element) v systému LTE/EPC. PRB je pouºívaný jako nástroj pro scheduling, n¥kdy také(Radio
Resource Allocation) °ízený z NodeB. PRB je denovaný v £asov¥-frekven£ní oblasti a je
to blok zabírající 12 subnosných po 15 kHz (12 x 15 kHz) za £as 0,5 ms.
Z toho vyplývá, ºe pro r·znou ²í°ku pásma je denován r·zná po£et PRB, viz. tab. 8.1.
Tabulka 8.1: Závislost ²í°ky pásma kanálu
’í°ka kanálu [MHz]
1,4
Po£et PRB
6
Po£et vyuºitých subnosných
72
Délka okna pro IFFT
128
Vzorkovací kmito£et [MHz]
1,92
Po£et vzork· na slot
960
Délka uºite£né £ásti symbolu [µs]
66,7
systému LTE/EPC na jeho parametrech
3
5
10
15
20
15
25
50
75
100
180
300
600
900
1200
256
512
1024
1536
2048
3,84
7,68
15,36
23,04
30,72
1920
3040
7680
11520
15360
66,7
66,7
66,7
66,7
66,7
Mnoºství dat £i dostupná p°enosová rychlost konkrétního uºivatele je denována pomocí
po£tu PRB v £asov¥-frekven£ní oblasti. Kaºdému UE lze p°i°adit celo£íselné násobky PRB
a PRB nemusí sousedit jeden s druhým. Z pohledu £asové domény lze mnoºství t¥chto PRB
m¥nit v intervalu 1 ms. Toto tzv. rozvrhování (scheduling) je provád¥no v eNodeB. Na obr.
8.3 je uveden p°íklad rozvrhování v £asov¥-frekven£ní oblasti pro 6 uºivatel·.
Z d·vodu exibilní ²í°ky pásma kanálu je zavedeno p°esné uspo°ádání jednotlivých subnosných, viz. obr. 8.4. Uvedené uspo°ádání je uvedeno pro kanál se ²í°kou 5 MHz, nicmén¥
systém uspo°ádání je aplikovatelný na jakoukoliv ²í°ku pásma dle tab. 8.1. [4]
Jednotlivé subnosné jsou klasikovány jako:
ˆ datové - p°enos uºivatelských dat (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM),
ˆ pilotní - p°enos pevné sekvence pro m¥°ení vlastností rádiového kanálu,
ˆ prázdné (null) - tvo°í tzv. ochranné pásmo pro potla£ení interference ze sousedních
pásem. V sm¥ru downlink je navíc prázdná subnosná pouºita ve st°edu pásma (DC).
8.3 Cyklický prex
Aby se zabránilo interferenci ISI (Inter Symbol Interference) a ICI (Inter Carrier Interference),
vyuºívá OFDM cyklickou p°edponu CP (Cyclic Prex). Cyklická p°edpona tvo°í v £asové oblasti ochranný interval mezi sousedními p°ená²enými OFDM symboly, viz. obr.8.5. CP tvo°í
84
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
1 re so u rce b lo ck
1 8 0 kH z = 1 2 su b -ca rrie rs
1 su b fra m e
1 ms
1 slo t
0 .5 m s
UE1
UE1
UE1
UE2
UE2
UE1
UE1
UE2
UE2
UE1
UE3
UE3
UE4
UE1
UE1
UE5
UE4
UE3
UE3
UE3
1 5 kH z
UE5
UE4
UE1
UE1
UE4
UE1
UE1
UE5
UE4
UE1
UE5
UE4
UE1
UE3
UE3
UE3
UE5
UE3
UE4
UE4
UE2
UE4
UE4
UE2
UE1
UE2
UE4
UE4
UE2
UE1
UE1
fre q u e n cy
UE4
UE4
UE2
UE2
tim e
Obrázek 8.3: P°íklad rozvrhování v LTE/EPC
C h a n n e l B a n d w id th
O ccu p ie d B a n d w id th (N R B )
T ra n sm iss io n
B a n d w id th
...
...
f
G u a rd B a n d
D C S u b c a rrie r
G u a rd B a n d
Obrázek 8.4: Upo°ádání subnosných v kanálu systému LTE/EPC
85
8
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU LTE/EPC
n¥kolik posledních vzork· symbolu, které jsou zkopírovány na za£átek symbolu. Ú£el této p°edpony je tedy pohlcovat interference ICI a zárove¬ slouºí jako ochranný interval p°i odstran¥ní
ISI. V takto vytvo°eném ochranném intervalu se soust°e¤uje mezisymbolová interference ISI
vzniklá zejména vícecestným ²í°ením p°edchozího symbolu na p°enosové cest¥. Cyklická p°edpona se pak v p°ijíma£i odstraní. ISI tak nemá vliv na symboly p°ená²ející uºite£nou informaci.
ra d io fra m e , 1 0 m s
s u b -fra m e , 1 m s
0
1
2
3
4
5
6
7
8
.....
16
17
18
19
o n e slo t, 0 .5 m s
C P = 5 ,2 s
s p e c ia l O F D M sy m b o l
7 1 ,9 s; 2 2 0 8 s a m p le s
C P = 4 ,7 s
O F D M s ym b o l
7 1 ,3 s ; 2 1 9 2 s a m p le s
u s e fu l sy m b o l
6 6 ,7 s ; 2 0 4 8 sa m p le s
Obrázek 8.5: Struktura subrámce systému LTE/EPC
V p°ípad¥ normálního módu má první symbol délku cyklického prexu CP = 5, 2µs,
zbylých 6 symbol· má délku CP = 4, 7µs. V £asové domén¥ zp·sobuje p°idání CP nataºení
délky trvání slotu o 33, 25µs a v p°ípad¥ subrámce je to 2 x 33,25 µs = 66,7 µs. P°idání CP
se tedy formuje subrámec na p°esnou délku 1 ms.
8.4 Referen£ní symboly
Referen£ní symboly (pilotní signály) slouºí na stran¥ p°ijíma£e k výpo£tu p°enosu v kanále.
Referen£ní signály jsou p°i krátkém CP vysílány v prvních a pátých OFDM symbolech, p°i£emº
p°i dlouhém CP jsou vysílány v prvních a £tvrtých OFDM symbolech. Navíc jsou referen£ní
signály vysílány jen kaºdou ²estou subnosnou, viz. obr. 8.6. Pokud se pouºívá více antén, má
kaºdá anténa sv·j vlastní referen£ní signál.
Pro ú£ely procedur Cell Selection, Cell Reselection a Handover se m¥°í na stran¥ UE hodnota parametruRSRP (Reference Signal Received Power). K tomuto se vyuºívají se vyuºívají
práv¥ referen£ní symboly.
P°íklad na výpo£et RSRP:
Vypo£ítejte hodnotu RSRP
(Reference Signal Received Power)
na stran¥ UE pokud
ˆ je pouºita ²í°ka kanálu 10 MHz ve frekven£ním pásmu 791-801 MHz
ˆ výstupní výkon eNodeB je 20W
ˆ útlum kabelové trasy na eNodeB je 3 dB
86
frequency
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
2 slots (1ms)
12
11
10
R
R
9
8
R
R
1 sub-carrier
6
5
4
R
R
3
2
R
2
3
4
5
6
7
R
9
10
11
12
13
14
time
Obrázek 8.6: Alokace referen£ních signál· v PRB systému LTE/EPC
ˆ útlum prost°edí je 100 dB
ˆ zisk antény je 10 dB
Výslednou hodnotu vyjád°ete v
dBm
a zaokrouhlete na 1 desetinné místo.
e²ení:
ˆ Ur£íme po£et PRB na dané frekven£ní pásmo dle tab. 8.1, zde PRB=50.
ˆ Ur£íme výkon vysílací výkonovou úrove¬ eNodeB na jednu subnosnou pomocí vztahu
20
L = 10log
12 · 50
L=15,2 dBm. (kaºdý PRB má 12 subnosných).
ˆ Výsledný RSRP bude poníºen o útlum trasy, útlum prost°edí a pový²en o zisk antény,
tj.
RSRP = 15, 2 − 3 − 100 + 10
ˆ RSRP=-77,8 dBm
8.5 Synchronizace
V systému LTE/SAE jsou denovány t°i poºadavky na synchronizaci:
1. £asová synchronizace - ur£ení p°esného za£átku symbolu,
87
8
FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO PÍSTUPU LTE/EPC
2. frekven£ní synchronizace - eliminace vlivu rychlých únik· vlivem ²í°ení signálu nebo
pohybujícího se mobilního za°ízení,
3. synchronizace hodin pro vzorkovací kmito£et.
Pro ú£ely t¥chto synchronizací slouºí speciální signály, které jsou p°ená²eny v kaºdé bu¬ce.
Jedná se o PSS (Primary Synchronization Sequence) a SSS (Secondary Synchronization
Sequence).
Synchroniza£ní signály jsou p°ená²eny 2x skrz kaºdý 10 ms rámec a to jako poslední
symboly v 0. a 10. slotu, viz. obr. 8.7.
ra d io fra m e , 1 0 m s
su b -fra m e , 1 m s
0
1
1
1
2
2
3
2
3
4
3
4
5
4
6
5
5
6
7
8
9
7
N o rm a l C P
PSS
6
E xte n d e d C P
SSS
10
11
12
.....
19
Obrázek 8.7: Alokace PSS a SSS v rámci systému LTE/SAE
Ve frekven£ní oblasti obsazuje PSS a SSS celkem 6 PRB a to symetricky kolem st°ední
frekvence DC. Neobsazuje se pouze 5 subnosných na obou krajích, viz. obr. 8.8. Tato alokace
dovoluje synchronizaci UE i bez p°edchozí znalosti celkové pouºité ²í°ky pásma.
88
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
radio frame, 10 ms
sub-frame, 1 ms
1
2
3
4
frequency
0
5
6
7
8
9
10
11
12
.....
19
2 slots (1ms)
12
11
10
R
R
9
8
R
R
1 sub-carrier
6
5
x
x
x
x
3
x
x
2
x
x
x
x
4
R
R
2
3
4
5
R
R
9
10
11
12
13
PSS
Primary SS
SSS
Secondary SS
R
Reference Symbol
x
Unused
14
time
Obrázek 8.8: Alokace PSS a SSS v £asov¥-frekven£ní domén¥
89
9
9
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU LTE/SAE
Protokolová architektura systému LTE/SAE
Systém LTE/SAE vyuºívá obdobnou protokolovou architekturu jako systém UMTS, viz. obr.
9.1. Logické, transportní a fyzické kanály jsou i zde rozd¥leny do t°í vrstev. [34, 35]
NAS
IP
U s e r T ra ffic
RRC
PDU
RRC
PDCP
C o n tro l
Layer 3
PDCP
R a d io B e a re rs
RLC
C o n tro l
MAC
C o n tro l
L 1 C o n fig u ra tio n
a n d M e a s u re m e n t
Layer 2
RLC
L o g ic a l C h a n n e ls
MAC
T ra n s p o rt C h a n n e ls
P h y s ic a l L a y e r (O F D M , S C -O F D M )
Layer 1
P h y s ic a l C h a n n e ls
Obrázek 9.1: Protokolová architektura systému LTE/SAE
9.1 Logické kanály
Logické kanály jsou denovány mezi vrstvou RLC a MAC. Krom¥ kanálu CTCh (Common
Trac Channel) jsou typy kanálu shodné se systémem UMTS, d¥lí se na °ídící (Control
Channels) a provozní (Trac Channels) :
9.1.1 ídící kanály
ˆ BCCH (Broadcast Control Channel) - slouºí pro p°enos °ídících informací o bu¬ce
(pouze downlink),
ˆ PCCH (Paging Control Channel) - p°enos paging informací o bu¬ce (pouze downlink),
ˆ CCCH (Common Control Channel) - obousm¥rný °ídící kanál mezi UE a sítí, RRC
spojení není vytvo°eno,
ˆ DCCH (Dedicated Control Channel) - obousm¥rný °ídící kanál mezi UE a sítí, RRC
spojení je vytvo°eno,
9.1.2 Provozní kanály
ˆ DTCH
90
(Dedicated Trac Channel)
- slouºí pro p°enos uºivatelských dat,
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ˆ MTCH (Multicast Trac Channel) - od verze 3GPP Release 9, point-to-multipoint
downlink kanál pro p°enos sluºeb typu MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services).
9.2 Transportní kanály
Transportní kanály slouºí pro p°enos informace mezi MAC a fyzickou vrstvou, je to:
ˆ pro sm¥r downlink
BCH (Broadcast Channel) - transportní kanál pro BCCH,
DL-SCH (Downlink Shared Channel) - sdílený transportní kanál pro p°enos uºivatelských dat,
PCH (Paging Channel) - transportní kanál pro PCCH,
MCH (Multicast Channel) - transportní kanál pro MCCH,
ˆ pro sm¥r uplink
UL-SCH
(Uplink Shared Channel)
ských dat,
sdílený transportní kanál pro p°enos uºivatel-
RACH
(Random Access Channel) je uplink transportní kanál, který slouºí pro
p°enos °ídících zpráv spojených zejména s procedurami náhodného p°ístupu do sít¥
nap°. p°i zapnutí telefonu nebo sestavování spojení.
9.3 Fyzické kanály
Fyzické kanály slouºí pro p°enos informací, které jsou generovány v MAC vrstv¥. Fyzické
kanály se p°ímo mapují do subrámc· a rámc· a následn¥ se p°ená²í skrz fyzické médium.
Fyzické kanály v systému LTE/SAE d¥líme na provozní a °ídící zvlá²´ pro uplink a downlink.
ˆ downlink provozní kanály
PBCH (Physical
Broadcast Channel) - p°enos transportního kanálu BCH. PBCH
je mapován do 4 navazujících rámc· vºdy do 0. subrámce, viz. obr. 9.3.
PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) - p°enos transportního kanálu DL-SCH a PCH
PMCH (Physical Multicast Channel) - pro p°enos sluºby typu MBMS. Vyºaduje
p°esnou synchronizaci eNodeB. PMCH je p°ená²en v dedikovaných subrámcích, kde
nejou p°ená²eny PDSCH.
ˆ downlink °ídící kanály
PDCCH (Physical Downlink Control Channel) - p°enos informace pro UE (UEs) o
Resource Allocation ve form¥ DCI (Downlink Control Indicator) zpráv. DCI zprávy
obsahují pro konkrétního uºivatle detailní informace o po£tu PRB, typu modulace,
kódovacího pom¥ru apod. Pro identikaci uºivatele se vyuºívá parametr RNTI (Radio Network Temporary Identier), který je rovn¥º ve zpráv¥ DCI obsaºen.
PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) - p°enos informace pro UE
o po£tu OFDM symbol· vyuºitých pro PDCCH, p°enos probíhá pomocí tzv. CFI
(Control Format Indicator) umíst¥né vºdy na za£átku subfrámce.
91
9
PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU LTE/SAE
PHICH
- p°enos ACK/NACKs zpráv
HI (Hybrid Indicator) indikující správnost p°ijatých dat na eNodeB. Kv·li robustnosti se pouºívá pro PHICH modulace BPSK.
(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel)
ˆ uplink provozní kanály
PUSCH (Physical
- p°enos uºivatelských dat
Uplink Shared Channel)
ˆ uplink °ídící kanály
PUCCH
(Physical Uplink Control Channel) - p°enos ACK/NACKs zpráv procedury HARQ. Vyuºívá se rovn¥º pro pro p°enos CQI (Channel Quality Indicator)
a p°enos SR (Scheduling Request) zpráv.
PRACH (Physical Random Access Channel) - pouºívá se v p°ípad¥, kdy chce UE
náhodn¥ p°istoupit do systému (nap°. po zapnutí telefonu). V PRACH se posílá
p°edem denovaná sekvence, která je dopln¥na CP. Ve frekven£ní rovin¥ obsazuje
PRACH 6xRB (1,08 MHz) a v £asové 1, 2 nebo 3 ms z d·vodu rozdílných velikostí
bun¥k.
9.4 Mapování mezi logickými, transportními a fyzickými kanály
Na obr. 9.2 je uveden zp·sob mapování logických kanál· do transportních a následn¥ do
fyzických kanál·.
u p lin k
L o g ic a l
c h a n n e ls
T ra n sp o rt
c h a n n e ls
CCCH
DCCH
d o w n lin k
DTCH
BCCH
PCCH
CCCH
DCCH DTCH M CCH M TCH
R A C H U L -S C H
BCH
PCH
D L -S C H
UCI
P h ys ic a l
c h a n n e ls
M BSFN
S in g le c e ll
MBMS
PRACH PUSCH PUCCH
MCH
DCI
PBCH
PDSCH
PMCH
CFI
HI
P D C C H P C F IC H P H IC H
Obrázek 9.2: Mapování logických kanál· do transportních a následn¥ do fyzických kanál·
9.5 Mapování fyzických kanál· rámce systému LTE/SAE
Na obr. 9.3 je uveden zp·sob mapování fyzických kanál· do rámce systému LTE/SAE. Pouºitý
rámec je uveden pro ²í°ku pásma 20 MHz a 1 Tx port. Umíst¥ní referen£ních symbol· je
provedeno dle informací kap. 8.4. Princip mapování lze shrnout do n¥kolika základních bod·:
ˆ kanál PDCCH je mapován vºdy na za£átek kaºdého slotu ve v²ech PRB,
ˆ v 0. a 10. slotu je vºdy na 6. a 7. symbolu p°ená²ena synchronizace pomocí SSS a PSS
(p°ená²eno jen skrz 6 centrálních PRB),
92
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
ˆ do PRB0, PRB25, PRB50 a PRB75 je mapován vºdy na za£átek kaºdého subrámce
PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel), v obrázku uveden jen pro PRB0
a PRB50,
ˆ do PRB0-6, PRB33-39 a PRB66-72 se mapuje PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator
Channel).
Pro ostatní ²í°ky pásma se rozmíst¥ní symbol· kanál· PCFICH a PHICH m¥ní, analogie
ale z·stává zachována.
Subframe 1
Subframe 0
Slot 0
Slot 1
6 0
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 2
Slot 1
6 0
Slot 0
Subframe 3
Slot 1
6 0
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 4
Slot 1
6 0
Slot 0
Subframe 5
Slot 1
6 0
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 6
Slot 1
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 7
Slot 1
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 8
Slot 1
6 0
Slot 0
6 0
Subframe 9
Slot 1
6 0
Slot 0
6 0
Slot 1
6
PRB0
PRB1
...
PRB6
PRB7
...
PRB46
PRB47
PRB48
PRB49
PRB50
PRB51
PRB52
PRB51 . . .
PRB99
0
PDCCH (Physical Downlink Control Channel)
Reference Signal
Unused
PBCH (Physical Broadcast Channel)
PSS ((Primary Synchronization Signal)
SSS (Secondary Synchronization Signal)
PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel)
PHICH (Physical Hybrid ARQ (Automatic Repeat reQuest) Indicator Channel)
Obrázek 9.3: Mapování fyzických kanál· rámce systému LTE/SAE
93
10
10
DAL’Í VÝVOJOVÉ VERZE LTE/SAE
Dal²í vývojové verze LTE/SAE
10.1 LTE-A
LTE-A
je jako roz²í°ení stávajícího LTE, které ve své p·vodní specikaci
nevyhoví poºadavk·m na sí´ 4G v poskytovaných rychlostech a ²í°ce variabilního spektra,
která je pouze 20 MHz. První specikace je uvedena specikace v 3GPP Release 10. LTE-A
p°iná²í nové vlastnosti jako sdruºování nosných frekvencí, tzv. CA (Carrier Aggregation) (viz.
obr.10.1). Jednotlivé moºnosti sdruºování jsou: [42]
(LTE Advanced)
ˆ sousedních nosných ve stejném pásmu (Intra-band, contiguous) ,
ˆ nesousedících nosných ve stejném pásmu (Intra-band, non-contiguous),
ˆ nesousedících nosných v r·zném pásmu (Inter-band, non-contiguous).
Sdruºováním lze dosáhnout celkov¥ aº 100 MHz.
f
band 1
band 2
band 3
band 1
band 2
band 3
band 2
band 3
f
f
band 1
Obrázek 10.1: P°íklad sdruºování nosných pro 3 pásma
10.2 LTE-B
LTE-B je p°ipravovaná dal²í verze standardu v rámci 3GPP Release 12 a Release 13. Cílem
tohoto standardu je p°edev²ím vylep²ení stávajících technik jako vícenásobné MIMO a dále
zavedení techniky LTE-Hi (LTE Hotspot Improvements and small cells) a Multi-RAT Operations, coº je koncept slou£ení více technologií (nap°. LTE, UMTS, HSPA, EDGE, ...) do
jedné antény a jedné základnové stanice.
10.3 LTE-C
V rámci LTE-C se p°edpokládá aº 800x lep²í energetická ú£innost a 1000x v¥t²í kapacita
systému. Návrh toho standardu je²t¥ neza£al, nicmén¥ se p°edpokládá jeho uvoln¥ní v roce
2020 jako 3GPP Release 14 a Release 15.
94
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
Reference
[1] 3GPP. The 3rd generation partnership project. URL <http://www.3gpp.org> .
[2]
[3]
3GPP TS 25.433: UTRAN Iub interface Node B Application Part (NBAP) signalling.
3gpp, www.etsi.org, 2014.
3GPP TSG SA, 2000. URL <http://www.3gpp.
org/ftp/tsg_sa/tsg_sa/TSGS_08/Docs/PDF/SP-000257.pdf> .
WARC-92 frequencies for IMT-2000.
[4] J.L. Burbank, J. Andrusenko, J.S. Everett, and W.T.M. Kasch. Wireless Networking:
Understanding Internetworking Challenges. Wiley, 2013. ISBN 9781118590782.
[5] G. Camarillo and M.A. García-Martín. The 3G IP Multimedia Subsystem (IMS): Merging
the Internet and the Cellular Worlds. Wiley, 2011. ISBN 9781119964414.
[6] L'. Dobo², J. Dúha, S. Marchevsky, V. Wieser, and šilinská univerzita. Mobilné rádiové
siete. Odborné kniºné publikácie. šilinská univerzita, 2002. ISBN 9788071009368.
[7] L. Dryburgh and J. Hewett. Signaling System No. 7 (SS7/C7): Protocol, Architecture, and
Services. Cisco Press networking technology series. Cisco, 2005. ISBN 9781587050404.
[8] J. Eberspächer, H.J. Vögel, and C. Bettstetter.
Wiley, 2001. ISBN 9780471499039.
GSM Switching, Services and Protocols.
[9] J. Eberspächer, H.J. Vögel, C. Bettstetter, and C. Hartmann. GSM - Architecture, Protocols and Services. Wiley InterScience online books. Wiley, 2008. ISBN 9780470741726.
[10] ETSI. European telecommunications standards institute. URL <http://www.etsi.
org> .
[11]
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Mobile Application Part (MAP)
[12]
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem link control
ETSI, 1996. URL <http://www.etsi.org/
deliver/etsi_gts/09/0902/05.03.00_60/gsmts_0902v050300p.pdf> .
specication (GSM 09.02), Version 5.3.0.
ETSI, 1996. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_gts/05/0508/
05.00.00_60/gsmts_0508v050000p.pdf> .
(GSM 05.08).
[13]
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); High Speed Circuit Switched Data
[14]
ETSI TS 101 038 V7.0.0 (1999-08) Digital cellular telecommunications system (Phase
ETSI, 1997. URL <http://www.etsi.
org/deliver/etsi_gts/02/0234/05.02.01_60/gsmts_0234v050201p.pdf> .
(HSCSD) - Stage 1 (GSM 02.34 version 5.2.1).
2+); High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) - Stage 2 (GSM 03.34 version 7.0.0
ETSI, 1999. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/101000_
101099/101038/07.00.00_60/ts_101038v070000p.pdf> .
Release 1998).
[15]
ETS
300
599
Digital
cellular
telecommunications
system
(Phase
2);
Mobile
Ap-
ETSI, 2000.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_i_ets/300500_300599/300599/09_60/
ets_300599e09p.pdf> .
plication
Part
(MAP)
specication
(GSM
09.02
version
4.19.1).
95
REFERENCE
[16]
ETSI EN 301 344 V7.4.1 (2000-09)Digital cellular telecommunications system (Phase
2+); General Packet Radio Service (GPRS); Service description; Stage 2 (GSM 03.60
ETSI, 2000. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_
en/301300_301399/301344/07.04.01_60/en_301344v070401p.pdf> .
version 7.4.1 Release 1998).
[17]
ETSI TR 125 944 V4.1.0 (2001-06). Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS); Channel coding and multiplexing examples (3GPP TR 25.944 version 4.1.0 Re-
ETSI, 2001. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/125900_125999/
125944/04.01.00_60/tr_125944v040100p.pdf> .
lease 4).
[18]
ETSI TR 150 059 V4.0.1 (2001-08) Digital cellular telecommunications system (Phase
2+); Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE); Project scheduling and open issues
ETSI, 2001. URL <http://www.etsi.org/
deliver/etsi_tr/150000_150099/150059/04.00.01_60/tr_150059v040001p.pdf> .
(3GPP TR 50.059 version 4.0.1 Release 4).
[19]
ETSI TS 100 908 V8.11.0 (2003-06) Digital cellular telecommunications system (Phase
2+); Multiplexing and Multiple Access on the Radio Path (3GPP TS 05.02 version 8.11.0
ETSI, 2003. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/100900_
100999/100908/08.11.00_60/ts_100908v081100p.pdf> .
Release 1999).
[20]
ETSI TS 101 343 V8.12.0 (2004-05) Digital cellular telecommunications system (Phase
2+); General Packet Radio Service (GPRS); Base Station System (BSS) - Serving GPRS
Support Node (SGSN); BSS GPRS Protocol (3GPP TS 08.18 version 8.12.0 Release
ETSI, 2004. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/101300_101399/
101343/08.12.00_60/ts_101343v081200p.pdf> .
1999).
[21]
ETSI TS 101 350 V8.12.0 (2004-04) Digital cellular telecommunications system (Phase
2+); General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS rainterface; Stage 2 (3GPP TS 03.64 version 8.12.0 Release 1999).
ETSI,
2004. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/101300_101399/101350/08.12.
00_60/ts_101350v081200p.pdf> .
dio
[22] ETSI.
ETSI TS 122 228 V11.6.0 (2013-01). Digital cellular telecommunications system
(Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; Service requirements for the Internet Protocol (IP) multimedia core network subsystem ( ); Stage 1,
March 2006. URL <http://www.3gpp.org> .
[23] ETSI.
org> .
[24]
IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2,
March 2006. URL <http://www.3gpp.
ETSI TS 123 101 V11.0.0 (2012-09) Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS); General Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) architecture
ETSI, 2012. URL <http://www.etsi.org/
deliver/etsi_ts/123100_123199/123101/11.00.00_60/ts_123101v110000p.pdf> .
(3GPP TS 23.101 version 11.0.0 Release 11).
[25]
ETSI
96
TS
125
215
V11.0.0
(2012-11).
Universal
Mobile
(UMTS);
Physical
layer;
Measurements
(FDD).
Telecommunications
ETSI, 2012.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125200_125299/125215/11.00.00_60/
ts_125215v110000p.pdf> .
System
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
[26]
ETSI
TS
125
301,
V11.0.0
(2012-09).
Universal
Mobile
Telecommunications
(UMTS); Radio interface protocol architecture.
ETSI, 2012.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125300_125399/125301/11.00.00_60/
ts_125301v110000p.pdf> .
System
[27]
[28]
ETSI TS 125 101, v 11.7.0 (2013-10). Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS); User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD).
ETSI, 2013.
URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125100_125199/125101/> .
ETSI TS
125
212 V11.6.0
(2013-10).
Universal
Mobile
Telecommunications Sys-
ETSI, 2013.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125200_125299/125212/11.06.00_60/
ts_125212v110600p.pdf> .
tem
(UMTS);
Multiplexing
and
channel
coding
(FDD).
[29]
ETSI TS 125 302, V11.4.0 (2013-07). Universal Mobile Telecommunications System
[30]
ETSI
ETSI, 2013. URL <http://www.etsi.org/
deliver/etsi_ts/125200_125299/125214/11.07.00_60/ts_125214v110700p.pdf> .
(UMTS); Physical layer procedures (FDD).
[31]
TS
125
302,
V11.4.0
(2013-07).
Universal
Mobile
Telecommunications
ETSI, 2013.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125300_125399/125301/11.00.00_60/
ts_125301v110000p.pdf> .
System
(UMTS);
Services
provided
by
the
physical
layer.
ETSI TS 125 104 V11.8.0 (2014-01). Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS); Base Station (BS) radio transmission and reception (FDD) (3GPP TS 25.104
ETSI, 2014. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_
ts/125100_125199/125104/11.08.00_60/ts_125104v110800p.pdf> .
version 11.8.0 Release 11).
[32]
ETSI TS
[33]
ETSI TS 136 211 V11.5.0 (2014-01) LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-
125
331 V11.8.0
(2014-01).
Universal
Mobile
Telecommunications Sys-
tem (UMTS); Radio Resource Control (RRC); Protocol specication.
ETSI, 2014.
URL
<http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125300_125399/125331/11.08.00_
60/ts_125331v110800p.pdf> .
-UTRA); Physical channels and modulation (3GPP TS 36.211 version 11.5.0 Release 11).
ETSI, 2014. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/136200_136299/136211/
11.05.00_60/ts_136211v110500p.pdf> .
[34]
ETSI TS 136 300 V12.3.0 (2014-09) LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN);
Overall description; Stage 2 (3GPP TS 36.300 version 12.3.0 Release 12).
ETSI,
2014. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/136300_136399/136300/12.03.
00_60/ts_136300v120300p.pdf> .
[35]
ETSI TS 136 321 V11.5.0 (2014-03) LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access
(E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specication (3GPP TS 36.321 ver-
ETSI, 2014. URL <http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/
136300_136399/136321/11.05.00_60/ts_136321v110500p.pdf> .
sion 11.5.0 Release 11).
97
REFERENCE
[36]
ETSI TS 125 306 V11.8.0 (2014-01). Universal Mobile Telecommunications System
ETSI, 2014. URL <http://www.etsi.org/
deliver/etsi_ts/125300_125399/125306/11.08.00_60/ts_125306v110800p.pdf> .
(UMTS); UE Radio Access capabilities.
[37] B. Furht and S.A. Ahson. HSDPA/HSUPA Handbook. Internet and Communications.
Taylor & Francis, 2010. ISBN 9781420078640.
[38] T. Halonen, J. Romero, and J. Melero. GSM, GPRS and
Towards 3G/UMTS. Wiley, 2004. ISBN 9780470866955.
EDGE Performance: Evolution
[39] S. Hanus, J. Fencl, and V. ’tencel. Bezdrátové a mobilní komunikace II. Vysoké u£ení
technické v Brn¥, Fakulta elektrotechniky a komunika£ních technologií, Ústav radioelektroniky, 2005. ISBN 9788021428171.
[40] G. Heine and H. Sagkob. GPRS: Gateway to Third Generation Mobile Networks. Artech
House mobile communications series. Artech House, 2003. ISBN 9781580536073.
[41] H. Holma and A. Toskala.
ISBN 9781119991908.
WCDMA for UMTS: HSPA Evolution and LTE.
Wiley, 2010.
[42] H. Holma and A. Toskala.
ISBN 9781119992936.
LTE for UMTS: Evolution to LTE-Advanced.
Wiley, 2011.
[43]
IEEE 802.3: Ethernet.
802/802.3.html> .
IEEE, 2012. URL <http://standards.ieee.org/about/get/
[44] ietf. The internet engineering task force. URL <http://www.ietf.org> .
[45]
[46]
Signalling requirements and protocols for IMT-2000, Framework for IMT-2000 networks.
ITU, March 1999. URL <http://www.itu.int> .
World
Radiocommunication
Conference
2000
(WRC-2000).
ITU,
http://www.itu.int/ITU-R/index.asp?category=conferences&rlink=wrc-00&lang=en,
2000.
[47] ITU. International telecommunication union, March 2013. URL <http://www.itu.int> .
[48]
G.703 : Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces.
[49] C. Kappler.
UMTS Networks and Beyond.
ITU-T, 2001.
Wiley, 2009. ISBN 9780470743133.
[50] Luká² Martynek. Datové p°enosy v mobilních sítích. Master's thesis, V’B-TU Ostrava,
2010.
[51] P. McGuiggan. GPRS
9780470095089.
[52] A.F. Molisch.
9781118355688.
Wireless Communications.
[53] Andrew Richardson.
ISBN 0521828155.
98
in Practice: A Companion to the Specications.
Wiley, 2005. ISBN
Wiley - IEEE. Wiley, 2012.
WCDMA Design Handbook.
ISBN
Cambridge University Press, 2005.
RÁDIOVÉ SÍT… II PRO INTEGROVANOU VÝUKU VUT A V’B-TUO
[54] S. Sesia, I. Touk, and M. Baker. LTE - The UMTS
to Practice. Wiley, 2011. ISBN 9780470978641.
Long Term Evolution: From Theory
[55] L. Song and J. Shen. Evolved Cellular Network Planning
and LTE. Taylor & Francis, 2010. ISBN 9781439806500.
and Optimization for UMTS
[56] P. Stavroulakis. Interference analysis and reduction for wireless systems. Artech House
Mobile Communications Library. Artech House, Incorpor, 2003. ISBN 9781580533164.
[57] S.J. Yi, S.D. Chun, Y.D. Lee, S.J. Park, and S.H. Jung.
LTE-Advanced. Wiley, 2012. ISBN 9781118188569.
[58] V. šalud.
Moderní radioelektronika.
Radio Protocols for LTE and
BEN, 2000. ISBN 9788086056470.
99
Autor:
Katedra:
Název:
Místo, rok, vydání:
Po£et stran:
Vydala:
Náklad
Libor Michalek, Roman ’ebesta
Katedra telekomunika£ní techniky
Rádiové sít¥ II pro integrovanou výuku VUT a V’B-TUO
Ostrava, 2014, 1. vydání
99
Vysoká ²kola bá¬ská-Technická univerzita Ostrava
CD-ROM, 30 ks
Neprodejné
ISBN 978-80-248-3559-4

Podobné dokumenty

Nové technologie mobilních komunikací

Nové technologie mobilních komunikací prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc. Autor textu: prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc.

Více

2006 / 12 prosinec

2006 / 12 prosinec a velká paměť podmínkou.“ Přihlásilo se hned 72 kandidátů. C H I P

Více

DVB

DVB Metalické symetrické páry jsou v přístupové síti zatím stále nejběžnější a přípojky xDSL tvoří celosvětově základ k zajištění vysokorychlostního přenosu (broadband) a přístupu široké veřejnosti k I...

Více

Mobilní sítě - IMProVET - České vysoké učení technické v Praze

Mobilní sítě - IMProVET - České vysoké učení technické v Praze nahrazují klasické telefonní přístroje. Do této kategorie bezesporu patří systémy CT (Cordless Telephone) ve verzích CT0, CT1 a CT2 a systémy DECT (Digital European Cordless Telephone). Účelem výše...

Více

Profi na míru 1 Profi na míru 2 Profi na míru 3

Profi na míru 1 Profi na míru 2 Profi na míru 3 požádat o její převedení na smlouvu v síti PPS u T-Mobile, (viz výše) nebo požádat administrátora pana Tomana o přidělení jiného tel. čísla, které bude na vás zaregistrováno s novou smlouvou v PPS ...

Více

NP9 - Naše Praha 9

NP9 - Naše Praha 9 navíc, ale stejně nám to nedává převedeni na jednotlivé radzáruku, že zaparkujeme někde nice. Placeni budou z výnosů v okolí bydliště,“ argumentují. parkovného. Je to pravda hlavně tam, kde je mnoh...

Více