WCDMA: Dostęp z podziałem kodowym
Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS) został zaprojektowany dla szybkiej transmisji danych, rozmów wideo i usług internetowych. Do obsługi wielu użytkowników potrzebował sposobu współdzielenia fal radiowych, który wykorzystuje szerokie kanały oraz kody. Wybraną technologią był Szerokopasmowy Wielodostęp z Podziałem Kodowym, czyli WCDMA. W porównaniu z 2G/GSM zmienia on sposób rozdzielania transmisji między użytkowników korzystających z zasobów radiowych.
W GSM zasoby radiowe były współdzielone za pomocą kombinacji podziału częstotliwości (FDMA) i podziału czasu (TDMA). Użytkownicy otrzymywali różne częstotliwości albo kolejne szczeliny czasowe. WCDMA pozwala wielu transmisjom zajmować ten sam szeroki kanał w tym samym czasie. Odbiornik rozdziela interesujący sygnał za pomocą kodu przypisanego do kanału, a pozostałe transmisje traktuje jako składnik zakłóceń.
Podstawowa Zasada: Wielodostęp z Podziałem Kodowym (CDMA)
WCDMA to specyficzna implementacja szerszej technologii znanej jako CDMA. U podstaw CDMA leży stosowanie kodu do danych każdego użytkownika. Kod jest mnożony chip po chipie z symbolami danych i rozprasza je na szerokim paśmie częstotliwości, mieszając z sygnałami innych użytkowników. Odbiornik, znając konkretny kod i synchronizację, może odwrócić ten proces, "odkodowując" sygnał, aby wyodrębnić oryginalne dane, podczas gdy sygnały innych pozostają składnikiem zakłóceń.
Przydatną analogią jest zatłoczona sala, w której kilka par prowadzi rozmowy. Każda para używa innego języka, więc odbiorca znający jeden język może skupić się na wybranej rozmowie, a pozostałe głosy tworzą tło. W systemie CDMA kod pełni rolę cechy rozpoznawczej rozmowy, lecz wynik zależy również od synchronizacji, ortogonalności i poziomu zakłóceń. Analogią jest model wyjaśniający, a korelacja kodów jest rzeczywistą operacją odbiornika.
1. Rozpraszanie widma: proces nadawania i odbioru
Techniczny proces leżący u podstaw CDMA jest znany jako . Polega on na przekształceniu sygnału danych użytkownika o niskiej przepustowości w sygnał zajmujący znacznie szerszy kanał częstotliwości. Odbiornik odtwarza dane przez korelację z przydzielonym kodem.
Oryginalne dane, na przykład mowa po digitalizacji albo dane internetowe, są sygnałem stosunkowo wąskopasmowym. WCDMA pracuje na kanale o szerokości . To 25 razy szerzej niż kanały o szerokości używane w GSM. Proces polega na mnożeniu wąskopasmowego strumienia danych przez szybki kod, często nazywany lub "kodem rozpraszającym". W WCDMA chip rate wynosi 3,84 Mcps, więc kod ma znacznie wyższą szybkość niż dane użytkownika.
Mnożenie strumienia danych przez szybki kod daje sygnał szerokopasmowy. Energia oryginalnego sygnału zostaje rozłożona na całym kanale . Dla zewnętrznego obserwatora taki sygnał może wyglądać jak szum, ponieważ jego moc w pojedynczym wycinku częstotliwości jest mała.
Odbiornik pobiera przychodzący sygnał szerokopasmowy, będący mieszaniną wielu transmisji, i mnoży go przez zsynchronizowany kod użyty przy nadawaniu wybranego kanału. W praktycznym odbiorniku najpierw stosuje się odpowiednią sekwencję scramblingową, a następnie kod kanałowy. Ta operacja despreadingu ma dwa skutki:
- Przywraca wybrany sygnał do postaci wąskopasmowej, więc energia symboli jest skupiona w procesie korelacji.
- Transmisje rozproszone innymi kodami pozostają składnikiem szerokopasmowego zakłócenia, którego wpływ na wynik korelacji jest mniejszy.
Odbiornik może następnie odróżnić wybrany sygnał od pozostałych składników. Wzrost stosunku sygnału do zakłóceń uzyskany podczas despreadingu nazywany jest . Wartość zysku zależy od szerokości pasma i szybkości danych, a zwiększenie szybkości danych przy stałym chip rate zmniejsza współczynnik rozpraszania.
2. Kody WCDMA: podział kanałów i komórek
Skuteczność WCDMA wynika z właściwości matematycznych używanych kodów oraz z zasad ich przydziału. Sieć korzysta z zestawu kodów o określonej ortogonalności, a poszczególne warstwy kodowania pełnią różne funkcje. W WCDMA wyróżnia się dwie główne warstwy kodów.
Do oddzielania kanałów różnych użytkowników w tej samej komórce (Node B), WCDMA używa zestawu kodów znanych jako . Dwa kody z poprawnego przydziału są ortogonalne, gdy nie pozostają w relacji przodek-potomek w drzewie. Wtedy iloczyn ich chipów zsumowany w okresie kodu daje zero. Ta właściwość pozwala odbiornikowi ograniczyć wpływ innych kanałów podczas despreadingu, o ile przydział kodów spełnia reguły drzewa. W kanale wielodrogowym opóźnione kopie sygnałów mogą jednak naruszać tę ortogonalność na wejściu odbiornika. Palce odbiornika grabiowego oraz estymacja kanału rozdzielają użyteczne składowe i ograniczają pozostałą interferencję.
Część nazwy "Zmienny Współczynnik Rozpraszania" określa elastyczność kodów. Współczynnik rozpraszania to stosunek szybkości kodu rozpraszającego do szybkości danych użytkownika. W drzewie OVSF długość kodu może przyjmować wartości używane przez kanały o różnych szybkościach, między innymi od SF 4 do SF 512 w opisanych konfiguracjach. Przydzielenie kodu o niskim współczynniku może obsłużyć wysoką szybkość danych, a kod o wysokim współczynniku odpowiada niższej szybkości. Sieć może w ten sposób zarządzać zasobami i przypisywać różne szybkości użytkownikom lub usługom.
Kody OVSF rozdzielają kanały w obrębie jednej komórki przy przydziale zgodnym z drzewem. Telefon może jednak odbierać sygnały z wielu pobliskich komórek, dlatego potrzebna jest druga warstwa kodowania. Do rozróżniania transmisji służą (scrambling codes).
W downlink komórka korzysta z primary scrambling code wybranego z grup zdefiniowanych w TS 25.213. Konfiguracja może obejmować także secondary scrambling codes. Dokument opisuje 512 zestawów primary, z których każdy zawiera primary i kody secondary. Sekwencja jest powtarzana w ramach ramki 10 ms. W uplink scrambling code jest związany z UE i konfiguracją łącza. Kod jest nakładany na kody kanałowe. Odbiornik stosuje właściwą sekwencję do sygnału z wybranego źródła, a transmisje z innymi sekwencjami pozostają składnikiem zakłócenia. Scrambling nie oznacza szyfrowania kryptograficznego.
Techniki warstwy fizycznej WCDMA
Użycie rozpraszania widma i podwójnej warstwy kodowania umożliwia kilka technik wpływających na wydajność i niezawodność UMTS. Warstwa fizyczna dostarcza transport kanałami, a parametry transportowe określają kodowanie, przeplot, rate matching i czas ramki. Zestawienie tych operacji z kontrolą mocy i obsługą wielodrogowości opisuje praktyczny tor WCDMA.
Istotnym ograniczeniem projektowym każdego systemu CDMA jest . Ponieważ wielu użytkowników korzysta z tej samej częstotliwości, telefon znajdujący się bardzo blisko stacji bazowej może w scenariuszu ilustracyjnym nadawać sygnał tysiące razy silniejszy niż telefon na skraju komórki. Bez regulacji taki "głośny" sygnał może zagłuszyć transmisję odległego użytkownika i utrudnić jej odbiór w Node B.
WCDMA ogranicza ten problem za pomocą szybkiego mechanizmu kontroli mocy. Celem jest utrzymanie sygnałów uplink odbieranych przez Node B w zakresie pozwalającym na wspólną detekcję. Procedura korzysta z dwóch pętli:
- Kontrola Mocy w Pętli Otwartej: Jest to wstępne, zgrubne oszacowanie. Kiedy telefon po raz pierwszy chce nadawać, mierzy siłę sygnału downlink, który odbiera od wieży, i zgaduje, ile mocy powinien użyć do własnej transmisji.
- Kontrola Mocy w Pętli Zamkniętej: Jest to szybki proces dostrajania. Node B mierzy moc sygnału otrzymywanego od telefonu. Gdy poziom jest za niski, wysyła polecenie "zwiększ moc", a gdy jest za wysoki, polecenie "zmniejsz moc". TPC jest przekazywane w slotach. W określonych trybach pętli zamkniętej częstotliwość aktualizacji wynosi 1500 Hz. Podczas soft handover UE może otrzymywać polecenia z kilku radio links, a procedura musi uwzględniać ich kombinację. Pozwala to ograniczać problem bliskiej-dalekiej stacji, zużycie energii i zakłócenia w sieci.
W środowiskach bezprzewodowych, zwłaszcza w miastach, sygnały radiowe odbijają się od budynków, drzew i innych przeszkód. Tworzy to zjawisko zwane , gdzie odbiornik otrzymuje wiele kopii tego samego sygnału docierających w nieco różnych momentach. W tradycyjnych systemach wąskopasmowych te echa zakłócają się nawzajem i degradują sygnał. W szerokopasmowym torze można rozdzielić składowe według opóźnienia i ocenić ich jakość przed połączeniem.
WCDMA wykorzystuje (Rake receiver). Szerokie pasmo WCDMA pozwala rozróżniać echa docierające z różnymi opóźnieniami. Odbiornik ma kilka sub-odbiorników, zwanych "palcami". Każdy "palec" może śledzić inną silną składową wielodrogową. Odbiornik niezależnie despreaduje sygnał z każdego palca i łączy wyniki, co może zwiększyć niezawodność detekcji w kanale z wielodrogowością. Liczba palców i sposób łączenia wyników zależą od implementacji odbiornika oraz dostępnych estymat kanału.
W scenariuszu same-frequency sąsiednie komórki WCDMA korzystają z tego samego szerokiego kanału i rozróżniają transmisje za pomocą kodów scramblingowych. Telefon może wtedy utrzymywać radio links z więcej niż jedną komórką jednocześnie. Umożliwia to (soft handover). Zmiana radio links odbywa się przez procedurę ACTIVE SET UPDATE, która dodaje albo usuwa elementy active set na podstawie raportów pomiarowych i decyzji RNC. Inne procedury, na przykład handover między częstotliwościami, mają odmienny przebieg.
W GSM przełączenia są "twarde", czyli telefon zwalnia połączenie ze starą komórką przed ustanowieniem połączenia z nową. W WCDMA, gdy użytkownik wchodzi w obszar nakładającego się zasięgu dwóch komórek, telefon może dodać radio link do nowej komórki i nadal utrzymywać radio link do starej. Przez pewien czas telefon komunikuje się z obiema stacjami bazowymi. Zmiana active set jest sterowana przez sieć. Po ustabilizowaniu warunków stary radio link może zostać usunięty. Podejście "ustanów-zanim-zwolnisz" ogranicza ryzyko przerwy podczas przełączenia. Wymiana active set aktualizuje zbiór obsługujących punktów dostępu bez konieczności natychmiastowego zwalniania całej sesji.