6.4. Передача данных пользователя

При передаче данных пользователя в системах второго поколения, например в первых версиях GSM, обычно в одно и то же время предоставлялась только одна услуга: либо передача речи, либо передача данных с низкой скоростью. С самого начала технологическая база потребовала, чтобы реализация на физическом уровне была определена до мельчайших подробностей, что не позволяло иметь реальной гибкости. Например, схемы прореживания в GSM были определены побитно, тогда как такое определение для всех возможных комбинаций обслуживания и скоростей передачи данных для UTRA просто не представляется возможным. Вместо этого определены алгоритмы получения таких схем. В технике обработки сигналов также сделан большой шаг вперед, так что теперь больше нет необходимости иметь элементы оборудования, подобные прореживателям, как это было в начале разработки аппаратного оборудования GSM.

6.4.1 Восходящий выделенный канал

Как описывалось ранее, в направлении восходящего канала используется I-Q/кодовое мультиплексирование для данных пользователя и информации управления на физическом уровне. Информация управления на физическом уровне переносится Выделенным каналом управления на физическом уровне (DPCCH) с постоянным коэффициентом расширения спектра равным 256. Информация на более высоком уровне, включая данные пользователя, переносится одним или несколькими Выделенными каналами передачи на физическом уровне (DPDCHs) с возможным значением коэффициента расширения спектра от 256 до 4. Передача по восходящей линии может вестись по одному или нескольким Выделенным каналам передачи на физическом уровне (DPDCH) с переменным коэффициентом расширения спектра и одному Выделенному каналу на физическом уровне(DPCCH) с постоянным коэффициентом расширения спектра.

Скорость передачи данных в DPDCH может меняться от фрейма к фрейму. Обычно при обслуживании с переменной скоростью информация о скорости передачи в DPDCH передается по DPCCH. DPCCH передается постоянно, и информация о скорости передачи посылается вместе с Индикатором комбинации транспортного формата (TFCI), информацией DPCCH о скорости передачи данных в текущем кадре DPDCH. Если TFCI декодируется неправильно, то теряется весь фрейм данных. Поскольку TFCI указывает на транспортный формат того же фрейма, потеря TFCI не оказывает влияния на другие фреймы. Надежность TFCI выше, чем надежность обнаружения данных пользователя в DPDCH. Поэтому потеря TFCI происходит исключительно редко. На рис. 6.11 показана более подробно структура восходящего выделенного канала.

В восходящем DPCCH используется слотовая структура, во фрейме радиосигнала длительностью 10 мс содержится 15 слотов. Длительность слота соответствует 2560 чипам или 666 мкс. Это фактически довольно близко к длительности пакета GSM, составляющей 577 мкс. В каждом слоте имеется 4 поля, предназначенных для пилотных бит, TFCI, бит управления мощностью передачи (TPC) и бит информации обратной связи (FBI). Пилотные биты используются для оценки канала в приемнике, а биты TPC переносят команды управления мощностью для управления мощностью в нисходящем канале. Биты FBI используются в том случае, если в нисходящем канале применяется разнесение передачи в замкнутом контуре. Использование бит FBI рассматривается в разделе, посвященном описанию процедуры на физическом уровне. Для восходящего канала DPCCH имеется всего 6 слотовых структур. Различаются варианты с 0, 1 или 2 бит в качестве бит FBI и те же самые варианты с бит TFCI и без них. Биты пилотные и TPC присутствуют всегда, и их число изменяется таким образом, что слот DPCCH оказывается использованным полностью.

Выгодно вести передачу по одному DPDCH как можно дольше с точки зрения эффективности работы усилителя терминала, так как мультикодовая передача повышает отношение пикового значения к среднему при передаче, что уменьшает эффективность работы усилителя мощности терминала. Максимальную скорость передачи данных пользователя с использованием одного кода получают исходя из максимальной скорости передачи данных в канале, составляющей 960 Кбит/с без канального кодирования и при коэффициенте расширения спектра 4. При канальном кодировании используемая на практике максимальная скорость передачи данных пользователя для одного кода составляет 400 – 500 Кбит/с.

Когда требуются более высокие скорости передачи, используются параллельные кодовые каналы. Это позволяет использовать до шести кодов параллельно, увеличивая скорость передачи в канале при передаче данных до 5740 Кбит/с, что позволяет вести передачу данных пользователя со скоростью 2 Мбит/с и даже больше, если скорость кодирования составляет ½. Поэтому можно обеспечить передачу данных пользователя со скоростью 2 Мбит/с даже после повторения передачи. Достижимые скорости передачи данных при различных коэффициентах расширения спектра представлены в таблице 6.2. В приведенных скоростях предполагается использование кодирования со скоростью ½ и в них не включены последние [“хвостовые”] биты кодера или проверочной комбинации кода (CRC). Относительные издержки, обусловленные последними битами и битами CRC, имеют значение только при низких скоростях передачи

Рис. 6.11. Структура выделенного восходящего канала.

Таблица 6.2

Скорость передачи данных в восходящем DPDCH

Коэффициент расширения спектра в DPDCH	Скорость передачи данных в DPDCH (Кбит/с)	Максимальная скорость передачи данных пользователя при скорости кодирования ½ (приблизительно)
256	15	7,5 Кбит/с
128	30	15 Кбит/с
64	60	30 Кбит/с
32	120	60 Кбит/с
16	240	120 Кбит/с
8	480	240 Кбит/с
4	960	480 Кбит/с
4, с 6 параллельными кодами	5740	2,3 Мбит/с

Необходимо, чтобы приемник восходящего канала на базовой станции выполнял следующие функции при приеме передачи от терминала:

• Приемник начинает прием фрейма и осуществляет сжатие DPCCH и буферизацию DPDCH в соответствии с максимальной скоростью передачи, соответствующей наименьшему коэффициенту расширения спектра.

• Для каждого слота

• получает оценки канала от пилотных битов по DPCCH;

• оценивает SNR от пилотных битов для каждого слота;

• посылает команду TPC в нисходящем направлении в терминал для управления его мощностью передачи в восходящем канале;

• декодирует бит TPC в каждом слоте и соответствующим образом регулирует мощность в нисходящем канале этого соединения.

• Для каждого второго или четвертого слота

• декодирует биты FBI [информации обратной связи], если они имеются, по двум или четырем слотам и регулирует фазы антенн для разнесенного приема, или фазы и амплитуды в зависимости от режима разнесения передачи

• Для каждого фрейма длительностью 10 мс

• декодирует информациюTFCI из фрейма DPCCH для получения битовой скорости и параметров декодирования канала для DPCCH.

• Для интервала времени передачи (TTI, период перемежения)10, 20, 40 или 80 мс

• декодирует данные DPDCH.

Эти же функции действительны также и для нисходящего канала за исключением:

• В нисходящем канале коэффициент расширения спектра выделенного канала является постоянным, как и в общих каналах. Единственное исключение составляет совмещенный нисходящий канал (DSCH), у которого коэффициент расширения спектра также является переменным.

• Биты FBI не используются в нисходящем направлении.

• Имеется общий пилот-канал помимо пилотных битов в DPCCH. Общий пилот-канал может использоваться в помощь при оценке канала.

• В нисходящем канале передача может осуществляться с двух антенн в случае разнесения при передаче. Приемник производит оценку канала по пилот-сигналам, посылаемым с двух антенн, и затем принимает их в виде сжатых данных, переданных двумя различными антеннами. Общее влияние на увеличение сложности, однако, небольшое.

6.4.2. Мультиплексирование восходящего канала

В направлении восходящего канала услуги мультиплексируются динамично, так что поток данных является непрерывным за исключением случая нулевой скорости передачи. Символы по DPDCH посылаются с равным уровнем мощности для всех услуг. На практике это означает, что в некоторых случаях необходимо служебное кодирование и мультиплексирование канала для регулирования относительных скоростей передачи символов для различных услуг для того, чтобы сбалансировать требования к уровню мощности для канальных символов. Для таких операций балансировки качества для различных услуг по одному DPDCH может использоваться функция согласования скоростей в цепи мультиплексирования, показанная на рис. 6.12.

Для восходящего DPDCH постоянных позиций для различных услуг не существует, но фрейм заполнен в соответствии с результатом операции согласования скоростей и перемежения. Мультиплексирование в восходящем канале осуществляется с использованием 11 операций, как показано на рис. 6.12.

После получения транспортного блока от высоких уровней выполняется первая операция присоединения CRC. Проверочная комбинация кода (CRC) используется для проверки ошибок в транспортных блоках на приемном конце. Длина вставляемой CRC имеет четыре разных значения: 0. 8, 12, 16 и 24 бита. Чем больше бит содержит CRC, тем меньше вероятность появления необнаруженной ошибки в транспортном блоке, поступающем в приемник. Физический уровень обеспечивает транспортный блок для высоких уровней, а также индикацию ошибок при проверке с помощью CRC.

Рис. 6.12. Мультиплексирование в восходящем канале и последовательность канального кодирования.

После присоединения CRC транспортные блоки либо сцепляются вместе, либо сегментируются на различные кодовые блоки. Это зависит от того, подходит ли транспортный блок к имеющемуся размеру кодового блока, как это определено для метода канального кодирования. Выигрышем от сочленения (concatenation) является улучшение рабочих характеристик с точки зрения уменьшения непроизводительных затрат на биты оконечной части кодера и в некоторых случаях благодаря лучшей характеристике канального кодирования из-за большего размера блока. С другой стороны сегментация кодовых блоков позволяет избежать слишком больших по размеру кодовых блоков, что также связано с вопросом сложности построения. Если транспортный блок с присоединенным CRC не подходит для максимального имеющегося кодового блока, он будет разделен на несколько кодовых блоков.

Канальное кодирование производится на кодовых блоках после операции сочленения (concatenation) или сегментации. Для некоторых услуг или битовых классов канальное кодирование не применяется. Например, это имеет место для битов класса «c» AMR, которые посылаются без канального кодирования. В этом случае ограничение на размер кодового блока отсутствует, поскольку никакого фактического кодирования на физическом уровне не выполняется.

Функция выравнивания фрейма радиосигнала предназначена для того, чтобы поделить данные на равные блоки при их передаче более, чем в одном фрейме радиосигнала длительностью 10 мс. Это осуществляется путем дополнения необходимого числа битов в данные до получения блоков одинакового размера на фрейм.

Первое перемежение или межфреймовое перемежение используется тогда, когда бюджет по задержке позволяет иметь перемежения длительностью более 10 мс. Длительность первого перемежения между уровнями определена величинами 20, 40 и 80 мс. Период перемежения строго соотносится с Интервалом времени передачи (TTI), который показывает, как часто поступают данные с высоких уровней на физический уровень. Начальные положения TTIs для различных транспортных каналов, мультиплексированных в одном соединении, выравниваются по времени. TTIs имеют общую начальную точку, т.е. TTI, составляющий 40 мс, проходит ее дважды при одном соединении; это же относится и к TTI равному 80 мс. Это необходимо для ограничения возможных комбинаций транспортных форматов с точки зрения сигнализации. Временные соотношения для различных TTIs иллюстрирует рис. 6.13. Если используется первое перемежение, сегментация фрейма позволит распределить данные, поступающие от первого перемежения по 2, 4 или 8 последовательным фреймам в соответствии с длиной перемежения.

Рис.6.13. Соотношение начального момента времени TTI с различными TTIs

в одном соединении.

Согласование скоростей передачи используется для того, чтобы согласовать число подлежащих передаче битов с числом битов, имеющихся в одном фрейме. Это достигается либо путем прореживания, либо путем повторения. В направлении восходящего канала повторение предпочтительнее, и по существу имеется только одна причина для использования прореживания, когда приходится сталкиваться с ограничениями, налагаемыми передатчиком терминала или приемником базовой станции. Вторая причина использования прореживания заключается в желании избежать мультикодовой передачи. При операции согласования скоростей передачи, показанной на рис. 6.12, необходимо учитывать число битов, поступающих из других транспортных каналов, являющихся активными в этом фрейме. Согласование скоростей в восходящем канале является динамичной операцией, которая меняется от фрейма к фрейму. Когда скорость передачи при обслуживании при самом малом TTI изменяется, как это показано на рис. 6.13, динамическое согласование скорости передачи обеспечивает регулирование скорости также и для других транспортных каналов с таким расчетом, чтобы использовать все символы во фрейме радиосигнала. Например, если используются два транспортных канала, и один имеет в данный момент нулевую скорость передачи, то согласование скоростей ведет к увеличению скорости передачи символов для обслуживания второго с таким расчетом, чтобы в восходящем канале использовались все символы, предполагая, что коэффициент расширения спектра будет оставаться тем же самым.

На высоких уровнях обеспечивается полустатичный параметр, атрибут согласования скоростей, для управления согласованием относительных скоростей передачи между транспортными каналами. Он используется для вычисления величины согласования скоростей при мультиплексировании нескольких транспортных каналов для одного фрейма. Когда это правило определяется так, как указано, то с помощью атрибута согласования скоростей и TFCI приемник может проделать обратный расчет для использованных параметров согласования скоростей и выполнить обратную операцию. Регулируя атрибут согласования скоростей, можно точно согласовать качество передачи для различных услуг и удовлетворить требование в отношении равного или почти равного уровня мощности символа.

Различные транспортные каналы мультиплексируются вместе с помощью операции мультиплексирования транспортных каналов. Это простое последовательное мультиплексирование по принципу фрейм за фреймом. Каждый транспортный канал для этого мультиплексирования предоставляет данные в виде блоков длительностью 10 мс. В том случае, когда используется более одного физического канала (код расширения спектра), применяется сегментация. При этой операции просто производится деление данных поровну по имеющимся кодам расширения спектра, поскольку в настоящее время не определено, в каких случаях коэффициенты расширения спектра будут различаться при мультикодовой передаче. Использование последовательного мультиплексирования означает также, что при мультикодовой передаче могут применяться более низкие скорости за счет передачи меньшего числа кодов, чем при передаче с полной скоростью.

Второе перемежение производит перемежение фреймов радиосигнала длительностью 10 мс, иногда называемое внутрифреймовым перемежением. Это перемежитель блоков с перестановкой колонок, применяемой к 30 колонкам перемежителя. Следует отметить, что второе перемежение применяется отдельно для каждого физического канала в том случае, если используется более одного кодового канала. С выхода второго перемежителя биты переносятся на физические каналы. Количество битов, передаваемых в физический канал на этом этапе, точно соответствует количеству битов, которое может передаваться при коэффициенте расширения спектра этого фрейма. И, как вариант, по физическому каналу передача отсутствует.

6.4.3. Передача данных пользователя по каналу случайного доступа

Помимо передачи по выделенному восходящему каналу, данные пользователя могут посылаться по каналу случайного доступа (RACH), переносимый на физический канал случайного доступа (PRACH). Этот вариант предназначен для передачи пакетных данных с низкой скоростью, когда постоянное соединение не сохраняется. В сообщении RACH будет возможно вести передачу с ограниченным рядом скоростей передачи на основе предварительных согласований с сетью UTRA. Действия RACH не включают в себя управление мощностью; таким образом, установка уровня мощности, полученная с помощью процедуры вывода мощности на рабочий режим в PRACH, будет правильной лишь в течение короткого периода времени, самое большее в течение одного или двух фреймов в зависимости от среды.

Отличительной особенностью PRACH являются преамбулы, которые посылаются перед началом передачи данных. Они используют коэффициент расширения спектра 256 и содержат сигнатурную последовательность из 16 символов, что в результате дает полную длину преамбулы равную 4096 чипам. Как только преамбула обнаруживается и подтверждается ее прием, по Каналу индикатора данных (AICH) передается часть сообщения длительностью 10 мс (или 20 мс). Коэффициент расширения спектра для части, содержащей сообщение, может изменяться от 256 до 32 в зависимости от потребности передачи, но для этого необходимо иметь предварительное согласование с сетью UTRA. Кроме того, длина сообщения 20 мс была определена с целью увеличения длительности; этот вопрос подробно рассматривается в разделе 11.2.2. Структура AICH описывается в части, посвященной сигнализации, тогда как процедура RACH подробно рассматривается в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне.

6.4.4. Общий восходящий канал передачи пакетов

Так же, как и для ранее рассмотренных методов передачи данных пользователя, для RACH было определено расширение. Основные отличия передачи в восходящем канале от передачи данных по RACH состоят в резервировании канала для нескольких фреймов и использовании быстрого управления мощностью, которое не требуется для RACH при посылке одного или двух фреймов. Общий восходящий канал передачи пакетов (CPCH) в нисходящем направлении имеет парный канал – DPCCH, обеспечивающий информацию для быстрого управления мощностью. Кроме того, сеть имеет вариант, позволяющий давать указание терминалам о посылке 8-слотовой преамбулы управления мощностью перед началом фактической передачи сообщения. В некоторых случаях это выгодно, так как позволяет сократить управление мощностью до начала фактической передачи данных.

Сигнализация на высоком уровне в нисходящем направлении к терминалу, использующему восходящий канал CPCH, обеспечивается Прямым каналом доступа (FACH). Основная причина того, что для этого не используется DPDCH выделенного канала, состоит в том, что CPCH является быстро устанавливаемым и быстро сбрасываемым каналом, которым управляют подобно приему RACH на физическом уровне базовой станции. Содержимое DPDCH определяется протоколами сигнализации высокого уровня, которые помещаются в Контроллере радиосети (RNC). В том случае, когда RNC хочет послать сообщение сигнализации для терминала в качестве ответа на активизацию CPCH, например, сообщением ARQ (автоматического перезапроса данных), соединение CPCH к этому моменту может оказаться завершенным базовой станцией. Отличия действия восходящего CPCH от процедур RACH рассматриваются более подробно в разделе, посвященном процедурам на физическом уровне.

6.4.5. Выделенный нисходящий канал

Выделенный нисходящий канал передается по Выделенному нисходящему каналу передачи данных на физическом уровне (Нисходящему DPCH). В нисходящем DPCH применяется мультиплексирование по времени для управления информацией на физическом уровне и передачи данных пользователя. Как и для восходящего канала термины Выделенный канал передачи данных на физическом уровне (DPDCH) и Выделенный канал управления на физическом уровне (DPCCH) используются в спецификациях 3GPP для выделенных нисходящих каналов.

Коэффициент расширения спектра для наивысшей скорости передачи определяет код передачи с данного кодового дерева, подлежащий резервированию. Передача данных с переменной скоростью может быть осуществлена двумя способами:

• При осуществлении TFCI позиции бит DPDCH во фрейме постоянны. Поскольку коэффициент расширения спектра также всегда является постоянным в Нисходящем DPCH, более низкие скорости реализуются при прерывистой передаче (DTX) путем включения/выключения передачи. Так как это производится в интервале слота, то получающаяся скорость переключений составляет 1500 Гц. Как и в восходящем канале, здесь приходится 15 слотов на фрейм радиосигнала длительностью 10 мс; этим определяется скорость переключений. Скорость передачи данных при наличии нескольких возможностей определяется с помощью слепого приема транспортного формата (DTFD), основанного на использовании направляющего транспортного канала или каналов, которые имеют различные позиции CRC для различных Комбинаций транспортного формата (TFCs). Для терминала возможность осуществления BTFD является обязательной только для сравнительно низких скоростей, например для речевого обслуживания с AMR. При высоких скоростях передачи выигрыш от отсутствия TFCI незначителен, а сложность BTFD начинает возрастать.

• При наличии TFCI также оказывается возможным иметь гибкие позиции и какой режим работы следует использовать выбирает сеть. При использовании гибких позиций можно сохранять непрерывную передачу и осуществлять DTX только для повторения бит. В этом случае фрейм всегда заполнен, как и фрейм в направлении восходящего канала.

На последовательность операции мультиплексирования в нисходящем канале, показанную на рис. 6.16, (раздел 6.4.6) DTX также оказывает влияние, при этом индикация DTX вставляется перед первым перемежением.

В нисходящем канале коэффициенты расширения спектра находятся в пределах от 4 до 512 при некоторых ограничениях на использование коэффициента расширения спектра 512 при мягком хэндовере. Ограничения обусловлены операцией регулировки 256 чипов синхронизации при мягком хэндовере, но в любом случае не ожидается, что использование коэффициента расширения спектра 512 будет частым. Обычно такой коэффициент расширения спектра используется для обеспечения информации по управлению мощностью и пр., при обеспечении сервиса при минимальной активности нисходящего канала, как например, при загрузке файлов и т. д. Это также имеет место в CPCH, где информация об управлении мощностью при ограниченной длительности передачи по восходящему каналу обеспечивается с помощью DPCCH при коэффициенте расширения спектра 512. В этом случае мягкий хэндовер также не требуется

Модуляция приводит к некоторым различиям в скоростях передачи в восходящем и нисходящем каналах. В то время как восходящий канал DPDCH имеет символы BPSK, нисходящий DPDCH имеет символы QPSK. Хотя часть времени нисходящего DPDCH резервируется для DPCCH, особенно при высоких скоростях передачи данных, скорость передачи, которая согласуется с одним кодом в нисходящем DPDCH, почти в два раза выше, чем в восходящем DPDCH, при одинаковом коэффициенте расширения. Эти скорости передачи для нисходящего канала приводятся в таблице 6.3 при грубом определении скоростей передачи в битах, вычисленных на основе символов значений QPSK в нисходящем канале, зарезервированном для передачи данных.

Таблица 6.3.