České Vysoké Učení Technické Fakulta elektrotechnická
Seminární práce
Mobilní komunikace
Radiové rozhraní UMTS
Michal Štěrba
Alokace spektra UMTS
Spektrum se skládá z jednoho párového pásma (1920-1980 MHz + 2110-2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910-1920 MHz + 2010-2025 MHz).
Pro nepárová pásma (časově dělený duplex TDD) byla pro UMTS vybrána technologie TD-CDMA, která je vhodná pro asymetrické vysokorychlostní datové přenosy, pokrytí hlavně uvnitř budov. Pro párová pásma (s frekvenčním duplexem FDD) byla vybrána pro UMTS technologie W-CDMA, která je zase vhodnější pro velkoplošné pokrytí a symetrické středně rychlé datové služby, ale je mnohem náročnější na regulaci výkonu na straně mobilního telefonu i základnové stanice Node B. Tyto dvě technologie dohromady tvoří společné rádiové rozhraní označované zkratkou UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access)
Číslo na obrázku
Frekvenční rozsah
Šířka pásma
Použitá technologie
pásmo č. 1
1885 - 1900 MHz
15 MHz
DECT
pásmo č. 2
1900 - 1920 MHz
20 MHz
TD-CDMA
pásmo č. 3
1920 - 1980 MHz
60 MHz
W-CDMA – Uplink
pásmo č. 4
1980 - 2010 MHz
30 MHz
Satelitní složka
pásmo č. 5
2010 - 2025 MHz
15 MHz
TD-CDMA
pásmo č .6
2110 - 2170 MHz
60 MHz
W-CDMA – Downlink
pásmo č. 7
2170 - 2200 MHz
30 MHz
Satelitní složka
V květnu 2000 byla schválena další frekvenční pásma použitelná pro UMTS resp. IMT-2000 . Stalo se tak na konferenci WRC-2000 (World Radiocommunication Conference) v Istambulu. Jedná se o nová pásma 1710-1885 MHz a 2500-2690 MHz. Dále byl schválen záměr použít pro UMST také frekvence, které jsou již dedikovány pro mobilní komunikace – jde o frekvence v pásmu 806-960 MHz. Pro satelitní složku mobilní sítě 3. generace bylo rozhodnuto použít pásmo pod 3 GHz.
CDMA (Code division multiple access) U sítí založených na CDMA prakticky odpadá frekvenční plánování, protože faktor vícenásobného využití kmitočtů (Frequency reuse factor) může být roven jedné, neboli sousední buňky stejné hierarchické úrovně mohou používat stejné kmitočty. CDMA dále umožňuje podstatným způsobem eliminovat interference vzniklé vícecestným šířením signálu, zvyšuje ochranu přenášeného signálu proti případnému odposlechu díky nízké výkonové hustotě rozprostřeného signálu a použitých kódů a potlačuje interference zapříčiněné úzkopásmovými nebo rušicími signály. Z problémů souvisejících s použitím přístupu CDMA patří k největším optimální řízení výkonů mobilních terminálů různě vzdálených od základnové stanice BS. Bez patřičného algoritmu by nejbližší účastníci vzhledem k základnové stanici představovali vážné interference pro vzdálenější účastníky (Near-far effect). Nominální šířka kanálu všech rádiových rozhraní sítí 3G je 5 MHz, jež byla vyhodnocena jako optimální volba s ohledem na podporované přenosové rychlosti, dostupnost přenosového pásma a odolnost proti vícecestnému šíření, vedoucí ke zvýšení výkonu celého systému. Kmitočtové rozestupy jsou v souladu s rastrem rádiových kanálů o šířce 200 kHz. Kmitočtové pásmo rezervované pro UTRA je dále členěno na subpásma určená pro párový provoz s kmitočtovým oddělením přenosových směrů FDD (Frequency Division Duplex) a pro nepárový přenos s časovým oddělením vzestupného a sestupného směru TDD (Time Division Duplex). Oba typy provozu (módu) UTRA FDD i UTRA TDD jsou z pohledu základních parametrů vzájemně harmonizovány. Shodují se např. v šířce kanálu 5 MHz, čipové rychlosti 3,85 Mčipů/s a délce rámce 10 ms. Díky tomu lze realizovat duální mobilní terminály FDD/TDD, které podporují oba typy provozu, s nižšími náklady.UMTS fórum doporučuje jako nejvhodnější zaváděcí kmitočtové schéma v rámci jedné země přidělení každému ze čtyř potenciálních mobilních operátorů UMTS pásma 15 MHz pro párový provoz FDD plus 5 MHz pro nepárový provoz TDD.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) Širokopásmový násobný přístup s kódovým dělením WCDMA byl pro Evropu a Japonsko standardizován spojeným úsilím institucí ETSI (European Telecommunications Standards Institute) a ARIB (Association for Radio Industry and Bussines). V rámci UTRA je pro WCDMA vyhrazeno párové pásmo 2 ī 60 MHz v kmitočtové oblasti 1920–1980 MHz a 2110–2170 MHz. Párové pásmo je vyžadováno především pro aplikace určené pro plně mobilní účastníky s širokým územním pokrytím. Šířka kanálu WCDMA se pohybuje od 4,2 do 5,4 MHz v závislosti na frekvenčním využití. Odlišné kmitočtové rozestupy sousedních kanálů lze tak stanovit v závislosti na tom, náleží-li jednomu mobilnímu operátorovi UMTS nebo se jedná o kmitočty různých operátorů. WCDMA využívá přímého rozprostírání spektra DS (Direct Spread). V sestupném směru jsou použity rozdílné kódy pro oddělení jednotlivých buněk, ve směru vzestupném kódy oddělují jednotlivé účastníky. Základnové stanice BS nemusí být vzájemně zasynchronizovány a proto nevyžadují žádné externí zdroje synchronizace, jako např. přijímač GPS (Global Positioning System).
Princip měkkého handoveru Kromě mezifrekvenčního handoveru řízeného s asistencí mobilního terminálu (uvedeného výše) umožňuje WCDMA realizovat v rámci jedné hierarchické úrovně tzv. měkký handover (Soft handover) řízený mobilním terminálem. V případě měkkého handoveru je mobilní stanice současně připojena ke dvěma nebo více základnovým stanicím BS. Vzhledem ke stejnému kmitočtu v rámci jedné úrovně a principu kódově děleného násobného přístupu je ve vzestupném směru signál přijímán větším počtem základnových stanic a ve směru sestupném mobilní terminál kombinuje přijímaný signál z několika základnových stanic. Přijímaný signál může být považován za přídavný prvek vícecestného šíření a může být využit pro tzv. makro-diverzifikaci (Macro diversity). Princip měkkého handoveru je naznačen na obrázku.
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)
Síť
UTRAN se skládá z jednoho nebo více subsystémů rádiových sítí RNS (Radio Network Sub-system). Každý tento subsystém řídí jednotka RNC, která je připojena do páteřní sítě přes rozhranní Iu. Oproti GSM, UMTS definuje propojení mezi RNC (rozhranní Iur). Jednotka RNC má na starost rádiové zdroje a jejich management pro určitou geografickou oblast, rozdělenou na jednotlivé buňky. O pokrytí jednotlivých buněk rádiovým signálem se starají základnové stanice, označované Node B. Základnové stanice jsou s RNC propojeny přes rozhranní Iub.
Při každém uskutečněném spojení pracuje jeden RNC jako tzv. Serving RNC (SRNC). Jedná se o RNC, který v průběhu spojení komunikuje s páteřní sítí. V případě přechodu účastníka do oblasti jiného RNC, slouží tento nový RNC jako tzv. Drift RNS (DRNC). Úkolem DRNC je podpora pro SRNC tím, že poskytuje rádiové prostředky v době, kdy spojení mezi UTRAN a UE vyžaduje použití buněk, kontrolovaných tímto RNC. V případě, že DRNC má přímé připojení k CN, může později převzít úlohu SRNC.
Protokoly pro radiové rozhraní
Protokolová architektura UMTS vychází ze sedmivrstvového referenčního modelu OSI. V protokolovém sloupci UMTS pro UU rozhraní, který je díky složitosti celé technologie vícerozměrný (podobně jako referenční model B-ISDN Broadband Integrated Service Digital Network) můžeme najít protokoly známé z dřívějších technologií, jako • • • • •
AAL (ATM Adaptation Layer) SCCP (Signalling Connection Control Part) MTP (Message Transfer Part) TCAP (Transaction Capabilities Application Part) MAP (Mobile Application Part)
Byly však zavedeny zcela nové protokoly, jako je RANAP (Radio Access Network Applicatio Part). Vrstva ATM byla použita nejen pro páteřní síť, ale také pro síť přístupovou – radiovou mezi mobilní stanicí a sítí, označovaná jako WATM – Wireless ATM. Důvodem je kompatibilita s páteřní sítí a schopnost podpory multimediálních služeb se zaručenou kvalitou. WATM je nadstavbou klasického ATM, z toho plyne, že WATM zahrnuje všechny klíčové funkce ATM. Všechny zpracovávané informace jsou rozděleny do buněk o délce 53 oktetů (48 oktetů užitečná informace, 5 oktetů záhlaví). Řídicí mechanismus sítě přiděluje uživateli síťové zdroje tak, jak bylo dohodnuto při sestavovaní.
Zdroje :
http://tomas.richtr.cz/mobil/umts-radio.htm http://isgi.unas.cz/3g.htm http://www.computerworld.cz/cw.nsf/id/technologie_mobilni_moderni_d atove_site?OpenDocument&cast=3 http://www.stech.cz/articles.asp?idk=320&ida=430 http://en.wikipedia.org http://access.feld.cvut.cz http://www.stech.cz/articles.asp?idk=320&ida=430
