6.6. Процедуры на физическом уровне
На физическом уровне систем CDMA имеется много процедур, существенно важных для работы системы. Примером могут служить процедуры быстрого управления мощностью и случайного доступа. Кроме того, важными процедурами на физическом уровне являются поисковый вызов, измерения при хэндовере и работа с разнесением при передаче. Эти процедуры естественно основаны на присущих CDMA свойствах физического уровня UTRA FDD.
6.6.1. Процедура быстрого управления мощностью
в замкнутом контуре
Процедура быстрого управления мощностью в замкнутом контуре обозначается в спецификациях UTRA как управление мощностью по внутреннему контуру. Оно, как известно, играет существенную роль в системах, основанных на CDMA, из-за проблемы ближней-дальней зоны в восходящем канале, проиллюстрированной в главе 3. Операции, связанные с быстрым управлением мощностью, действуют на основе: одна команда на слот, что приводит к частоте передачи команд 1500 Гц. Основной размер шага при этом равен 1 дБ. Кроме того, могут быть получены величины, кратные этому размеру шага, а также шагу меньшего размера. Эмулированный размер шага означает, что шаг, равный 1 дБ, используется, например, только в каждом втором слоте, тем самым эмулируя размер шага, равный 1/2 дБ. «Настоящие» размеры шагов менее 1 дБ трудно реализовать вследствие сложности операции, поскольку трудно обеспечить достаточно высокую точность в большом динамическом диапазоне. Спецификации определяют относительную точность для шага управления мощностью 1 дБ, равную 0,5 дБ. Другим «настоящим» определенным шагом является шаг, равный 2 дБ.
При быстром управлении мощностью имеется два особых случая: работа с мягким хэндовером и работа в сжатом режиме, что связано с измерениями при хэндовере. Мягкий хэндовер требует к сети особого внимания, так как здесь имеется несколько базовых станций, посылающих команды одному терминалу, тогда как в сжатом режиме терминалу периодически обеспечиваются перерывы в потоке команд.
При мягком хэндовере основным вопросом для терминала является то, как реагировать на множество команд по управлению мощностью, исходящих от разных источников. Этот вопрос решен путем определения действий таким образом, что терминал суммирует (объединяет) команды, но также учитывает надежность каждого принятого решения по отдельной команде при решении вопроса о том, увеличивать или уменьшать мощность.
При сжатом режиме для управления мощностью используется шаг большего размера в течение короткого промежутка времени после сжатия кадра. Это позволяет уровню мощности сходиться быстрее к правильному значению после перерыва в потоке управления. Необходимость применения этого метода в большей мере зависит от среды и он не подходит для низких скоростей передачи терминала или очень коротких по длительности интервалов передачи.
Установка заданного SIR при управлении мощностью в замкнутом контуре производится с помощью управления мощностью во внешнем контуре, которое представляется в разделе 3.5 и подробно описывается в разделе 9.2.2.
На стороне терминала достаточно строго определяется, что должно быть сделано внутри терминала в отношении операции по (быстрому) управлению мощностью. На стороне сети имеется гораздо больше свободы, чтобы решать то, как должна вести себя базовая станция после приема команды по управлению мощностью, а также на каком основании базовая станция должна давать команду терминалу об увеличении или уменьшении мощности.
6.6.2. Управление мощностью в открытом контуре
В UTRA FDD имеется также управление мощностью в открытом контуре, которое применяется перед началом передачи по RACH или CPCH. Управление мощностью в открытом контуре не является очень точным, так как, используя оборудование терминала, трудно измерить мощность точно при большой динамике ее изменений. Сопоставление фактически принимаемой абсолютной мощности с абсолютной мощностью, которая должна передаваться, показывает на большие отклонения из-за изменений свойств компонентов, а также влияния условий среды, в первую очередь – температуры. Кроме того, передача и прием ведутся на разных частотах, но основным источником неопределенности служит сам терминал (погрешность элементов внутри терминала). Точность управления мощностью в открытом контуре в соответствии с тем, как это определено, должна составлять 9 дБ в нормальных условиях.
Управление мощностью в открытом контуре использовалось в ранних системах CDMA, например, в IS-95, и действовало параллельно с управлением мощностью в замкнутом контуре. Причиной для такого использования послужило то, что нужно было компенсировать такие воздействия, как воздействие поворота за угол или внезапное изменение окружающей среды. Поскольку быстрое управление мощностью в UTRA производится с удвоенной скоростью подачи команд, было сделано заключение, что возможности регулировки мощности в пределах 15 дБ позволяют не требовать, чтобы одновременно работало управление мощностью в открытом контуре. Кроме того, размер шага при быстром управлении мощностью может быть увеличен с 1 дБ до 2 дБ, что позволит производить регулировку в пределах 30 дБ во фрейме длительностью 10 мс.
Использование управления мощностью в открытом контуре в активном режиме оказывает также некоторое влияние на качество канала. Большая неточность управления мощностью в открытом контуре может приводить к тому, что будут производиться регулировки, когда это совсем не требуется. Поскольку такое поведение зависит от погрешностей терминала и различных переменных окружающей среды, использование управления мощностью в открытом контуре затрудняет предсказание со стороны сети того, как будет терминал вести себя в различных условиях.
6.6.3. Процедура поискового вызова
Работа канала поискового вызова (PCH) организована следующим образом. Терминалу, зарегистрированному сетью, назначается группа поискового вызова. Для группы поискового вызова имеются индикаторы поискового вызова (PI), которые периодически появляются в канале поискового вызова, когда появляются сообщения поискового вызова для какого-либо терминала, принадлежащего к этой группе поискового вызова.
Как только PI детектируется [принимается], терминал декодирует следующий фрейм PCH, передаваемый по дополнительному CCPCH, чтобы увидеть предназначено ли для него сообщение поискового вызова. Терминалу может потребоваться также декодировать PCH в случае, если прием PI указывает на низкую надежность решения. Интервал поискового вызова показан на рис. 6.24.
Рис. 6.24. Отношение PICH к PCH
Чем реже появляются PIs, тем реже терминалу нужно пробуждаться от сна и тем будет больше срок жизни батареи. Компромиссом, очевидно, будет служить время реакции на вызов, исходящий от сети. Бесконечный интервал индикатора поискового вызова не приводит к бесконечному сроку жизни батареи, поскольку имеются и другие задачи, которые выполняет терминал также и в режиме ожидания.
6.6.4. Процедура RACH
Процедура случайного доступа в системе CDMA должна решать проблему ближней-дальней зоны, поскольку при начале передачи отсутствует точное знание о необходимой мощности передачи. Управление мощностью в открытом контуре отличается большой неопределенностью в отношении значений абсолютной мощности, получаемой в результате измерений принимаемой мощности и сопоставления их с величиной установки уровня передаваемой мощности, как уже отмечалось при описании открытого контура. В UTRA процедура RACH имеет следующие этапы:
Терминал декодирует BCH для определения имеющихся подканалов RACH и их кодов скремблирования и сигнатур.
Терминал выбирает случайным образом один из подканалов RACH из группы, которую ему позволяет использовать его класс доступа. Кроме того, также случайным образом выбирается сигнатура из имеющихся сигнатур.
Измеряется уровень мощности в нисходящем канале и устанавливается исходный уровень мощности RACH с соответствующим запасом, обусловленным неточностью открытого контура.
Вместе с выбранной сигнатурой передается преамбула RACH, длительностью 1 мс.
Терминал декодирует AICH, чтобы увидеть приняла ли базовая станция преамбулу.
Если AICH не принят (не декодирован), терминал увеличивает мощность передачи преамбулы на величину шага, задаваемого базовой станцией, кратного 1 дБ. Преамбула повторно передается в следующем слоте доступа.
Когда от базовой станции принимается передача AICH, терминал передает часть, относящуюся к сообщению в передаче RACH, длительностью 10 мс или 20 мс.
Процедура RACH показана на рис. 6.25, где терминал передает преамбулу, пока не получит подтверждение приема по AICH, и затем уже следует часть, относящаяся собственно к сообщению.
Рис. 6.25. Вывод PRACH на режим и передача сообщения.
При передаче по PACH коэффициент расширения спектра и, таким образом, скорость передачи данных могут меняться; это указывается индикатором TFCI в DPCCH в PRACH. В качестве возможных определены коэффициенты расширения спектра от 256 до 32, таким образом, один фрейм в RACH может содержать до 1200 канальных символов, которые в зависимости от канального кодирования сводятся приблизительно к 600 или 400 битам. Для максимального числа бит достижимая дальность будет естественно меньше той, которая может обеспечиваться при более низких скоростях, особенно в силу того, что сообщения RACH не используют такие методы, как макроразнесение, принимаемое в выделенном канале.
6.6.5. Действие CPCH
Действие общего нисходящего канала передачи пакетов (CPCH) довольно похоже на действие RACH. Основное различие заключается в обнаружении столкновений (CD) на Уровне 1 на основе структуры сигналов, схожей со структурой сигналов преамбулы RACH. Действие следует процедуре RACH, пока терминал не обнаружит AICH. После этого преамбула CD с тем же самым уровнем мощности все еще передается обратно с другой сигнатурой, случайным образом выбранной из данного ряда. Затем ожидается, что базовая станция будет отправлять эту сигнатуру обратно к терминалу по каналу индикации данных о столкновениях (CD-ICH), и таким образом строить метод уменьшения вероятности столкновений на Уровне 1. После того, как правильная преамбула послана базовой станции в соответствии с процедурой обнаружения столкновений, терминал начинает передачу, которая может по времени составлять несколько фреймов. Более продолжительная передача свидетельствует о необходимости подключения механизма определения столкновений на физическом уровне. При действии RACH только одно сообщение RACH может быть утеряно в результате столкновения, тогда как при действии CPCH необнаруженное столкновение может привести к посылке нескольких фреймов и вызвать только дополнительные помехи.
Быстрое управление мощностью в CHCH помогает уменьшить помехи, вызванные передачей данных, и одновременно показывает важность добавления обнаружения столкновений в RACH. Терминал, передающий данные на протяжении нескольких фреймов и следующий за потоком команд по управлению мощностью, предназначенных для другого терминала, будет создавать серьезную проблему в отношении помех в ячейке, особенно, если используются высокие скорости передачи данных. В начале передачи CPCH может посылаться преамбула управления мощностью по выбору до начала фактической передачи данных. Это позволяет управлению мощностью сходиться, поскольку в CPCH имеется задержка больше, чем в RACH между преамбулой с подтвержденным приемом и фактической передачей фрейма данных. 8-слотовая преамбула управления мощностью также использует размер шага 2 дБ для ускорения сходимости управления мощностью.
Передаче CPCH необходимо иметь ограничение по максимальной длительности, поскольку CPCH не поддерживает ни мягкий хэндовер, ни сжатый режим, которые допускают межчастотные и межсистемные измерения. UTRAN устанавливает максимальную длительность передачи CPCH во время согласования обслуживания.
Последним дополнением к действию CPCH являются функции контроля состояния и назначения канала. Канал индикации статуса CPCH (CSICH) представляет собой отдельный физический канал, передаваемый от базовой станции, который имеет биты индикатора, чтобы показывать состояние различных каналов CPCH. Это позволяет исключить ненужные попытки доступа, когда все каналы CPCH являются занятыми, тем самым повышается пропускная способность. Функция назначения канала (CA) – это опция системы в виде сообщения, которое может направить терминал на канал CPCH, отличный от использования при процедуре доступа. Сообщение CA передается параллельно с сообщением обнаружения столкновений.
Рис. 6.26. Действие процедуры доступа CPCH.
6.6.6. Процедура поиска ячейки
Процедура поиска ячейки или процедура синхронизации в асинхронной системе CDMA значительно отличается от процедуры, принятой в синхронной системе, например в IS-95. Так как ячейки в асинхронной системе UTRA CDMA используют различные коды скремблирования, а не просто различные фазовые сдвиги кодов, терминалы, использующие имеющуюся на сегодняшний день технологию, не позволяют производить поиск 512 кодов длительностью 10 мс без какого-либо предварительного знания. Необходимо производить слишком много сравнений, и пользователи будут воспринимать слишком большую задержку между включением питания до указания на терминале возможности получения обслуживания.
Процедура поиска ячейки при использовании канала синхронизации включает по существу три операции, хотя с точки зрения выполнения требований стандарта не определено, какие операции следует выполнять и когда. Скорее стандарт будет устанавливать требования к эффективности работы в отношении максимальной длительности поиска в эталонных условиях испытаний. Основные операции при начальном поиске ячейки обычно следующие.
Терминал осуществляет поиск 256-чипового основного кода синхронизации, одинакового для всех ячеек. Поскольку основной код синхронизации одинаков для каждой ячейки, обнаруженный пик соответствует границе ячейки.
На основе пиков, обнаруженных для основного кода синхронизации, терминал осуществляет поиск наивысшего пика от кодового слова Дополнительного SCH. Имеется 64 возможности для кодового слова дополнительной синхронизации. Терминалу необходимо проверить все 15 позиций, так как граница фрейма не известна до обнаружения кодового слова Дополнительного SCH.
Как только обнаружено кодовое слово Дополнительного SCH, становится известной синхронизация кадра по времени. Терминал начинает поиск основных кодов скремблирования, которые принадлежат к этой конкретной кодовой группе. Каждая группа состоит из 8 основных кодов скремблирования. Их необходимо проверить для выбора только одной позиции, так как начальная точка уже известна.
При установлении параметров сети для обеспечения ее оптимальной работы необходимо учитывать свойства схемы синхронизации. Для начала поиска ячейки это особого практического значения не имеет, но поиск заданной ячейки в связи с хэндовером может быть оптимизирован. По существу, поскольку имеется достаточно большое число кодовых групп, в ситуации практического планирования во многих случаях можно составить такой список соседних ячеек, что все ячейки в списке будут принадлежать различным кодовым группам. Таким образом, терминал может производить поиск заданной ячейки и полностью пропустить операцию 3, просто подтверждая обнаружение, без необходимости проведения сравнения различных основных кодов скремблирования для этой операции.
Дальнейшие способы улучшения действий по поиску ячейки включают в себя возможность обеспечения информации по относительной синхронизации ячеек по времени. Этот вид информации, которая получается при измерениях, производимых терминалом для мягкого хэндовера, в любом случае может послужить улучшению действий особенно при операции 2. Чем точнее будет информация по относительной синхронизации по времени, тем меньше позиций слотов потребуется проверять для кодового слова Дополнительного SCHи тем больше будет вероятность правильного обнаружения.
6.6.7 Процедура разнесения при передаче
Как уже упоминалось в связи с нисходящими каналами, UTRAиспользует два типа разнесения при передаче для улучшения передачи данных пользователя (подробнее вопрос рассматривается в главе 11). Эти методы классифицируются как методы для открытого контура и для закрытого контура. В данном разделе описывается процедура обратной связи для разнесения при передаче в закрытом контуре. Метод для открытого контура рассматривается в связи с рассмотрением выделенного нисходящего канала.
Для разнесений при передаче в закрытом контуре базовая станция использует две антенны для передачи информации пользователей. Использование этих двух антенн основано на обратной связи от терминала, получаемой за счет передачи бит обратной связи (FB) в восходящем DPCCH. Само разнесение при передаче в закрытом контуре имеет два режима работы.
В режиме 1 команды обратной связи от терминала управляют регулировками фазы, которые, как ожидается, максимизируют мощность, принимаемую терминалом. Так базовая станция сохраняет фазу с антенной 1 и затем регулирует фазу антенны 2 на основе плавного усреднения по двум последовательным командам обратной связи. При использовании этого метода к антенне 2 применяются 4 разные установки фазы.
В режиме 2 помимо регулировки фазы регулируется еще и амплитуда. Используется та же скорость сигнализации, но теперь команда распространена на 4 бита в четырех слотах восходящего канала DPCCH, при этом 1 бит используется для регулировки амплитуды и три бита – для регулировки фазы. Это дает вместе восемь различных комбинаций для фазы и две – для амплитуды, таким образом, всего 16 комбинаций для передачи сигналов с базовой станции. Было определено, что значения амплитуд составляют 0,2 и 0,8, а значения фаз распределены естественным образом равномерно для фазовых сдвигов антенн, при этом фазовый сдвиг составляет от – 135до180. В этом режиме последние три слота фрейма содержат только информацию о фазе, а информация об амплитуде берется из предыдущих четырех слотов. Это позволяет периоду передачи команд двигаться плавно по 15 слотам, как в режиме 1, где среднее значение на границе фрейма слегка корректируется путем усреднения команд от слота 13 и слота 0 во избежание прерывистости процесса регулировки.
6.6.8. Процедура измерений при хэндовере
В UTRA FDD возможными хэндоверами являются:
Внутрирежимный хэндовер, который может быть мягким хэндовером, полумягким или жестким. Жесткий хэндовер может быть внутричастотным либо межчастотным.
Межрежимный хэндовер – хэндовер для режима UTRATDD.
Межсистемный хэндовер, который в Рабочей версии-99 означает только хэндовер для GSM. Хэндовер дляGSMможет иметь место в системеGSM, работающей на 900 МГц, 1800 МГц и 1900 МГц. Ожидается, что Рабочая версия-2000 рассмотрит дополнительные вопросы, связанные с жестким хэндовером наCDMAс множеством несущих, описанной в главе 13.
Основное, что связывает хэндовер с физическим уровнем, это вопрос о том, что необходимо измерять в качестве критерия для совершения хэндовера и как получать данные измерений.