реф. Исследование методов повышения пропускной способности в сетях UMTS

Внутренние интерфейсы:

A-bis – интерфейс между базовой станицей и контролем базовых станции;

Iub – интерфейс между контроллерами RNC и Node B.

Iur – интерфейс между контроллерами радиосети;

C – интерфейс между центром системы коммутации MSC и HLR;

B – интерфейс между центром системы коммутации и VLR; D – интерфейс между адресным регистром HLR и VLR;

Gb – интерфейс между адресным регистром HLR и SGSN/GGSN; X2 – интерфейс между разными базовыми станциями Node B;

S1 – интерфейс между узлом управления мобильностью ММЕ и

Node B.

1.2.Технические характеристики сети UMTS

Втаблице 1.1 приведены основные технические характеристики UMTS.

Продолжение таблицы 1.1.

UMTS представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS –CDMA). Для обеспечения очень высоких скоростей передачи (до 2 Мбит/с)

поддерживается использование переменного коэффициента расширения и мультикодовых комбинаций [6].

Скорость передачи, равная 3,84 Мчип/с, приводит к занятию полосы приблизительно в 5 МГц. Не нарушая полученной лицензии на работу сети,

оператор может иметь несколько таких несущих с полосой 5 МГц для повышении пропускной способности, возможно, в виде сот иерархической структуры. Фактически такое разнесение несущих может быть реализовано и на 200 килогерцовой сетке приблизительно в полосе 4,4 и 5 МГц в зависимости от уровня интерференции несущих.Такое построение также отражено на рис. 1.2.

15

Рис. 1.2. Распределение ресурсов UMTS в частотно-временно-кодовом пространстве

UMTS поддерживает самые разные скорости передачи данных пользователя рис.1.3. Каждому пользователю выделяются фреймы длительностью 10 мс, в течение каждого из которых скорость передачи данных пользователя остается постоянной. Однако пропускная способность для передачи данных у пользователя может меняться от фрейма к фрейму.

Быстрое выделение пропускной способности для радиосвязи будет обычно управляться сетью для достижения максимальной пропускной способности при передаче пакетированных данных. На рис. 1.2. показан пример такой особенности.

UMTS поддерживает два основных режима работы: частотное разделение дуплексных каналов (FDD) и временное разделение дуплексных каналов (TDD). В режиме FDD для восходящего и нисходящего каналов используются раздельные несущие с частотой 5 МГц, тогда как в режиме

TDD только одна несущая 5 МГц используется для восходящего и нисходящего каналов с разделением прием-передача во времени [6].

Восходящий канал – это канал от подвижной станции к базовой, а

нисходящий – от базовой станции к подвижной. Режим TDD в значительной

16

1.3.Обеспечение мобильности абонентов в сетях UMTS

Как и во всех современных сетях мобильной связи в сети UMTS

мобильность абонентов обеспечивается за счет процедуры реселекции соты и хэндоверов.

1.3.1. Процедура реселекции соты

Процедура реселекции соты - это движении мобильной станции,

находящаяся в состоянии ожидания и выбирать наилучшую соту по мощности принимаемых от различных базовых станции.

В UMTS процедура реселекции, осуществляется в переделах UTRAN и

реализуется на уровне ядра сети [6]. Внутри UTRAN процедура реселекции ограничивается обменом сообщениями между RNC и UE по протоколу RRC.

Различают процедуры обновление соты (Cell Update) и обновление URA Update.

Рассмотрим процедуру Cell Update рис. 1.4. Ее выполняет станция,

находящаяся в состоянии Сеll_РСН, при перемещении из соты в соту. При этом UE в запросе на процедуру (Cell Update) именует себя как C-RNTI .

Контроллер изменяет в базе данных номер соты, где находится UE, и ее C-

RMTI (Cell Update Confirm). С процедуры Cell Update начинается также запрос на любую услугу, которая требует подключения к пакетной сети (PS).

RNC

UE

RRC: Cell Update

RRC: Cell Update Confirm

Обмен информацией между UE и RNC

Рис. 1.4. Процедура обновления соты

При смене зоны регистрации происходит процедура URA Update рис.

1.5., во многом похожая на Cell Update, но станция именует себя как U-RNTI.

Особенность процедуры состоит в том, что соседними зонами регистрации

18

могут управлять разные контроллеры. В этом случае помогает идентификатор U-RNTI, где кроме кода собственно UE, записан код обслуживающего контроллера (SRNC). Если запрос на локализацию попал на соседний контроллер, тот может связаться с SRNC по Iur-интерфейсу и произойдет переключение UE с одного RNC на другой. Заметим, что при этом обычно происходит и смена зоны локализации, определяемая ядром сети.

RNC

UE

RRC: URA Update

RRC: URA Update Confirm

Обмен информацией между UE и RNC

Рис. 1.5. Процедура обновления URA

1.3.2.Процедура хэндовера

Всоответствии со спецификацией ETSI [5] в UMTS можно выделить несколько видов хэндоверов рис. 1.6. Во время мягкого хэндовера (soft handover)мобильная станция одновременно устанавливает соединение с двумя или более базовыми станциями, соединенными с одним или разными контроллерами радиосети (RNC).

Для этого в нисходящем канале подвижная станция принимает сигнал от нескольких БС и суммирует их в RAKE-приемнике, а в восходящем канале с кодом МС сигналы принимаются двумя или более БС. Принятые кадры перенаправляются в RNC для выбора кадра с наименьшим числом ошибок. Выбор производится после каждого интервала перемежения, т.е.

перестановки символов в кодированной последовательности до модуляции сигнала, в данном случае – каждые 10-80 мс. Также следует отметить, что каждая БС использует свой контур управления мощностью, и что мягкий хэндовер может происходить только на одной частоте.

19

Мягчайший хэндовер (softer handover) основан на том же принципе, что и мягкий, но происходит внутри одной БС, если она имеет несколько секторов.

Отличие его от мягкого хэндовера состоит в том, что выбор кадра с минимальным числом ошибок проводится контроллером БС, а не RNC,

используется также один контур управления мощностью.

Во время жесткого хэндовера (Hard handover) МС перед установлением сигнальных и разговорного каналов с новой БС разрывает соединение со старой БС.

Рис. 1.6. Виды хэндовера в сети UMTS

Для трафика в реальном времени это может означать кратковременную потерю данных. Нетребовательный к задержкам трафик проходит без потерь,

так как существует система повторной передачи данных. При данном виде хэндовера, в отличие от мягкого хэндовера, БС могут работать как на одной,

так и на разных частотах.

Во время жесткого хэндовера МС в каждый момент времени взаимодействует только с одной БС, и решение принимается на основе одного условия. В случае мягкого хэндовера существует активный набор БС,

участвующих в процедуре хэндовера, в который с течением времени добавляются и удаляются отдельные БС. Поэтому жесткий хэндовер имеет

20

четко определенный момент выполнения, а мягкий выполняется в течение некоторого периода.

Процесс мягкого хэндовера неодинаков для восходящего и нисходящего каналов. В случае восходящего канала МС передает сигнал через всенаправленную антенну, и все БС в активном наборе принимают сигнал одновременно, так как размер кластера в сетях CDMA равен единице

(во всех сотах одна и та же частота). Затем принятые кадры сигнала направляются в RNC, где из них выбирается лучший, а кадры с ошибками

отбрасываются. Поэтому в восходящем направлении не нужны дополнительные сигнальные каналы для проведения мягкого хэндовера. В нисходящем канале сигнал передается несколькими БС одновременно, и RAKE-приемник МС воспринимает передаваемые сигналы как многолучевые компоненты одного и обрабатывает их. Тем не менее, канал от каждой станции из набора активных является ресурсом сети, выделяемым для хэндовера, и служит дополнительным источником интерференции. Поэтому для мягкого хэндовера в нисходящем канале требуются дополнительные ресурсы.

В [5] предложена следующая классификация причин, приводящих к хэндоверу.

1.Хэндовер спасения может произойти по следующим причинам:

•плохое качество восходящего канала, определяемое по количеству ошибок (BER - Bit Error Rate);

•низкий уровень сигнала в восходящем канале, определяемый по принимаемой мощности сигнала (RSCP - Received Signal Code Power);

•плохое качество нисходящего канала, определяемое по скорости появления блоков с ошибками (BLER - Block Error Rate);

•низкий уровень сигнала в нисходящем канале, определяемый по принимаемой мощности сигнала в общем контрольном канале (CPICH -

Common Pilot Channel), Eb / N0 -соотношению сигнал/шум для канала

CPICH, потерями мощности на трассе;

• слишком большое расстояние между БС и МС.

21

2.Хэндовер качества обслуживания происходит при смене типа оказываемой услуги, например, при переходе от передачи речевого трафика к пакетному.

3.Хэндовер бюджета мощности для минимизации мощности, излучаемой МС.

4.Хэндовер перегрузки для балансировки нагрузки в части передаваемой информации между отдельными БС.

5.Хэндовер по команде из центра управления и обслуживания.

Также в сетях UMTS реализована поддержка межсистемных хэндоверов с сетями GSM. Данная особенность облегчает и увеличивает скорость развертывания сетей третьего поколения.

1.4.Пропускная способность сети UMTS

Пропускная способность (Capacity, Throughput) представляет собой показатель, определяющий максимальное количество единиц информации,

которое можно передать по каналу или системе в единицу времени с заданной степенью достоверности и качеством обслуживания. Причем пропускная способность канала – это фундаментальное теоретическое понятие, определяющее потенциальные возможности данного канала.

Пропускная способность же системы является технической характеристикой,

определяющей скорость передачи с учетом архитектуры самой системы и условий ее функционирования рис. 1.7.

Рис. 1.7. Эволюция пропускной способности в системах мобильной связи

22

Рассмотрим два основных аспекта, оказывающие влияние на

пропускную способность в нисходящем канале.

1.4.1. Использование ортогональных кодов в нисходящем канале

Короткие коды в нисходящем канале в одном коде скремблирования являются ортогональными, но только в однолучевом канале. В многолучевом канале ортогональность частично теряется, и пользователи внутри соты

мешают друг другу.

Критерием пропускной способности сектора UMTS является

характеристика работы рис. 1.9. На горизонтальной оси показана полная передаваемая мощность этой базовой станции, поделенная на принимаемые

помехи от других сот, включая и тепловой шум Pш . Этот параметр

называется также геометрическим фактором G. Высокое значение G

получается, когда подвижная станция находится в непосредственной близости от базовой станции, и низкое –на краю соты.

В таблице 1.2 приведены характеристики качества радиоканала для различных скоростей движения абонентов в зависимости от положения в соте [2].

23