Rambler's Top100
Статьи ИКС № 7-8 2008
Юхан БЕРГМАН  Б. ЭРИКСОН  Д. ГЕРСТЕНБЕРГЕР  Б. ЁРАНССОН  Ж. ПЕЙСА  С. ВАГЕР  28 июля 2008

HSPA Evolution. Мобильная связь повышает эффективность широкой полосы

Технология высокоскоростной пакетной передачи данных HSPA позволила сделать услуги мобильных сетей 3G сопоставимыми с услугами ADSL. Сейчас в 3GPP проходят стандартизацию следующие версии спецификации WCDMA (Rel. 7 и 8). Какие возможности они открывают перед операторами и какие требования предъявляют к их сетям?

Недавнее внедрение технологии HSPA (версия 6 3GPP) привело к существенному росту скорости пакетной передачи (например, оборудование Ericsson способно обеспечивать до 14 Мбит/с в нисходящем канале и до 1,4 Мбит/с в восходящем канале). И именно пакетная передача данных стала теперь основным видом трафика в сетях 3G   

Поэтому основное направление эволюции стандартов мобильной связи 3-го поколения в версиях 7 и 8 спецификации
WCDMA (HSPA Evolution, Rel. 7 и 8 3GPP) – дальнейшее повышение скорости передачи данных. Усовершенствования коснулись также увеличения емкости сети, снижения задержек и энергопотребления терминалов, а также поддержки VoIP и услуг групповой передачи.
   

За счет чего достигаются эти улучшения?
   

Модуляция высокого порядка
   

Как известно, чем выше порядок используемой модуляции, тем выше максимальная битовая скорость при данной символьной скорости.
   

если
HSPA поддерживает в нисходящем канале модуляцию QPSK и 16QAM, а в восходящем – BPSK и QPSK, то в версии 7 вводятся схемы модуляции более высокого порядка: в нисходящем канале – 64QAM, увеличивающая пиковую битовую скорость с 14 до 21 Мбит/с, а в восходящем канале – 16QAM, удваивающая пиковую битовую скорость с 5,7 до 11 Мбит/с

того, изменению подверглись физические каналы управления потоком: теперь они поддерживают сигнализацию для новых схем модуляции, транспортные блоки большей длины, а также больший диапазон индикации качества канала (
CQI).
   

При хорошем прохождении радиосигнала модуляция более высокого порядка обеспечивает значительно более высокие битовые скорости.
   

Множественные входы/выходы
   

Дальнейшего повышения битовой скорости можно добиться, передавая параллельно несколько транспортных блоков одному пользователю с нескольких антенн. Эта технология часто называется
MIMO с пространственным мультиплексированием (в противоположность разнесенному приему/передаче, при котором один транспортный блок передается или принимается несколькими антеннами). Для разделения потоков данных в приемнике анализируется информация о свойствах канала и схеме кодирования.
   

Для
HSDPA в 3GPP выбрана схема MIMO, основанная на предкодированной и рангоадаптивной передаче с использованием множественных кодовых слов. Передача потоков данных осуществляется через различные антенны с различными весами передачи.
  

 
С целью поддержки технологии MIMO в версии 7 физические каналы управления в восходящем и нисходящем направлениях приспособлены к передаче информации о весовых коэффициентах предкодирования, формате транспорта и параметрах гибридного протокола автоматического запроса повторной передачи (HARQ) для каждого потока.   

В версии 7 с помощью
MIMO может быть организована передача максимум двух потоков, причем для каждого потока может использоваться модуляция QPSK или 16QAM. В результате пиковая битовая скорость в нисходящем канале увеличится примерно до 28 Мбит/с.
   

В версии 8 для каждого потока может использоваться модуляция 64
QAM, а пиковая битовая скорость возрастет до 42 Мбит/с (рис. 1).
   

Усовершенствования уровня 2
   

Чтобы выигрыш в битовых скоростях, полученный за счет технологии
MIMO и модуляции 64QAM, не потерять на канальном уровне (L2), требуются блоки данных (PDU) протокола RLC большого размера. Поэтому в версии 7 размер блока RLC PDU сделан переменным.
   

Если из-за условий прохождения радиоволн блоки
RLC PDU слишком велики для передачи по радиоинтерфейсу с разумным количеством повторов HARQ, они должны сегментироваться. Соответственно, в версии 7 вводится новый протокол MAC (MAC_ehs), который поддерживает переменные размеры блоков RLC PDU и их сегментацию. Кроме того, возможности мультиплексирования MAC усовершенствованы таким образом, что блоки RLC PDU, которые обеспечивают передачу сигнализации или данных от различных каналов радиодоступа, теперь могут «упаковываться» в один блок.
   

В версии 8 усовершенствования протокола управления нисходящего канала распространяются и на восходящий канал. Поддержка гибких размеров
RLC PDU расширяет зону покрытия восходящего канала и помогает сократить накладные расходы на уровне 2.
   

Непрерывная связность пакетов
   

Пользователю услуг пакетной передачи данных даже в период временной неактивности может быть выгодно сохранять выделенное соединение (
CELL_DCH), например, чтобы избежать задержек, связанных с переходными состояниями.
  

 
Для повышения эффективности выделенного соединения в версии 7 используется так называемая непрерывная связность пакетов (CPC). Она включает в себя две основные функции: прерывистые прием/передачу (UE DTX/DRX) и режим работы без нисходящего канала управления (HS_SCCH).   

Прерывистые прием и передача

 
  Прерывистая передача от абонентского терминала позволяет выключать непрерывную передачу по выделенному физическому каналу управления при отсутствии передаваемой информации. В этом случае передача сохраняется только для обеспечения синхронизации и управления мощностью. Это снижает энергопотребление и уменьшает уровень помех, что положительно сказывается на емкости восходящего канала (если брать в расчет всю совокупность пользователей).   

Аналогично
опция прерывистого приема позволяет абонентским терминалам выключать приемники при отсутствии принимаемого сигнала в нисходящем канале. Она еще больше снижает энергопотребление. При этом терминалы должны лишь периодически проверять, не требуется ли выйти из режима «микросна».
   

Эти опции могут использоваться в течение даже очень кратких периодов неактивности в промежутках между передачей пакетов
VoIP-вызовa

Режим работы без нисходящего канала управления
   

Когда по нисходящему каналу передаются пакеты очень малого размера (обычно пакеты
VoIP), объем служебной информации от нисходящего канала управления становится существенным. В версии 7 делается попытка уменьшить объем этой информации за счет полного исключения передачи по каналу HS_SCCH при первой передаче в режиме HARQ. В этом случае в абонентском терминале осуществляется слепое декодирование до четырех различных форматов нисходящего канала данных HS_DSCH. Таким образом, благодаря уменьшению использования кода и снижению уровня помех от управляющих сигналов повышается емкость нисходящих каналов.
   

Моделирование показывает, что в версии 7 функции
CPC обеспечивают увеличение емкости VoIP по сравнению с версией 6 в восходящем канале примерно на 40% и в нисходящем – на 10% (рис. 2).
   

Усовершенствования терминального оборудования
   

С ростом скоростей передачи данных меняется характер использования сотовых сетей. Появляются различные приложения, которые взаимодействуют друг с другом в фоновом режиме без участия конечного пользователя. Помимо прочего, фоновый трафик включает сообщения подтверждения активности, проверки наличия обновлений ПО и сигнализацию присутствия. Для эффективной поддержки такого трафика в версиях 7 и 8 внесены изменения в состояния терминалов пользователя, в частности в состояние
CELL_FACH (канал прямого доступа).
   

Начиная с версии 7 для пользователей, чьи терминалы находятся в состоянии
CELL_FACH, активируется HSDPA. В версии 8 улучшения коснулись и восходящего канала.
   

Усовершенствование приемников
   

Требования к приемникам абонентских терминалов постоянно растут. В версиях 6 и 7 предусматривается использование:
   

* разноса приемных антенн (приемник типа 1);
   

* линейных эквалайзеров, например
G-RAKE (приемник типа 2);
   

* линейных эквалайзеров в сочетании с разносом приемных антенн, например
G-RAKE2 (приемник типа 3, пригодный, в частности, для MIMO).
   

В версии 8 в приемники
G-RAKE2 типа 3 будет включена дополнительная поддержка помехоподавления (приемник типа 3i).
   

Оптимизированная широковещательная передача в нисходящем направлении
   

В версии 7 повышена эффективность мультимедийного многоадресного широковещания (
MBMS). Это сделано за счет использования одночастотной сети групповой/широковещательной передачи (MBSFN), которая предполагает одновременную передачу одинаковых сигналов с нескольких сот, воспринимаемых абонентским терминалом как единая большая сота (рис. 3).
   

При этом вместо межсотовых помех от излучения соседних сот на приемник терминала воздействует положительная интерференция сигналов, передаваемых с нескольких сот
MBSFN. А использование в приемниках таких технологий, как G-RAKE, позволяет избавиться от влияния внутрисотовых помех, возникающих из-за задержки сигнала при многолучевом распространении.
   

Консорциум 3
GPP предлагает расширить использование режима MBSFN, введя оптимизированную широковещательную передачу по нисходящему каналу (DOB) в качестве специального TDD-режима на скорости работы 3,84 Мбит/с в непарных участках спектра.
   

Принципы и радиотехнические решения для
DOB идентичны соответствующим решениям для MBSFN FDD, поэтому производительность системы будет той же. Это также означает, что операторы WCDMA, которые могут работать в непарных частотных диапазонах, имеют привлекательные возможности для модернизации своих сетей.
   

Влияние
DOB на пользовательские терминалы и базовые станции системы незначительно вследствие максимальной совместимости между WCDMA MBMS и MBSFN.
   

Работа на нескольких несущих
   

В следующие версии спецификации
WCDMA предполагается включить возможность использования нескольких несущих. Тогда операторы, владеющие несколькими примыкающими друг к другу диапазонами частот, смогут повысить эффективность использования спектра, организовав согласованную реализацию HSPA на нескольких соседних несущих с разносом 5 МГц. Например, им будет не нужно полностью дублировать канал управления на всех несущих. Используя для него только одну несущую, на других можно будет организовать более высокоскоростную передачу данных.
   

Поэтому если по каким-либо причинам нельзя будет развернуть систему 2
x 2 MIMO, то в качестве альтернативного метода достижения в нисходящем канале пиковой битовой скорости 42 Мбит/с операторы могут рассмотреть возможность работы на двух несущих. С другой стороны, работа на двух несущих в сочетании со схемой 2 x 2 MIMO и модуляцией 64QAM позволит поднять пиковую битовую скорость до 84 Мбит/с без антенных систем 4 x 4 MIMO. А четыре несущие могут обеспечить скорость 4 x 42 Мбит/с.
   


. . .
   
Итак, усовершенствования, предусматриваемые версиями 7 и 8, позволят существенно увеличить пиковую скорость передачи данных, повысить эффективность использования спектра и емкость протокола VoIP. Например, в версии 8 пиковые скорости передачи данных достигают 42 Мбит/с в нисходящем канале и 11 Мбит/с в восходящем канале (при разносе несущих 5 МГц).   

Однако ничто не дается даром. В некоторых аспектах возрастают и требования к сетям. Так, использование модуляции более высоких порядков требует хорошей радиообстановки. Достижение таких условий подразумевает более тщательное планирование расположения сот. А необходимой предпосылкой реализации
MIMO является стандартизация схемы многоуровневой передачи.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!