Duomenų perdavimo technologijos (II dalis)

Pirmoje dalyje buvo aptartos CSD, HSCSD ir GPRS technologijos.

Šioje dalyje aptarsime EDGE ir UMTS technologijas bei bus atliktas CSD, HSCSD, GPRS, EDGE ir UMTS palyginimas.

• 1. EDGE – didesnės duomenų perdavimo spartos technologija
• 1.1 EDGE sistemos struktūra
• 1.2 EDGE pranašumai prieš GPRS
• 2. UMTS – universalioji mobiliųjų telekomunikacijų sistema
• 2.1 UMTS tinklo architektūra
• 2.2 Fizinis lygmuo
• 2.3 Technologijų palyginimas

1. EDGE – didesnės duomenų perdavimo spartos technologija

EDGE – tai aukštesnė paketinio duomenų perdavimo GSM tinkle pakopa. Pagrindinis EDGE privalumas – itin spartus ryšys. GPRS tinklas, naudojantis EDGE technologiją, techniškai yra vadinamas EGPRS (angl. Enhanced GPRS) – patobulintu GPRS tinklu. GSM ir EDGE technologijų sujungimas vadinamas GERAN. EDGE yra visiškai suderinama su GPRS, taigi bet kuri GPRS technologijai sukurta taikomoji programa veiks ir su EDGE.

1.1 EDGE sistemos struktūra

1 paveiksle pateikta EDGE sistemos struktūra. Kaip matyti iš šio paveikslo, ji yra beveik identiška GPRS tinklo struktūrai. Yra tik vienas pakeitimas BSS (angl. Base Station System) – bazinės stoties kontrolerio dalyje pažymėti raudoni stačiakampiai, kurie reiškia, kad norint operatoriui įdiegti EDGE duomenų perdavimo technologiją reikalinga įdiegti siųstuvus/imtuvus, palaikančius 8-PSK moduliavimą.

Visi kiti EDGE tinklo elementai yra tokie patys kaip ir GPRS, t.y. panaudojama GPRS infrastruktūra.

1 pav. EDGE tinklo struktūrinė schema

1.2 EDGE pranašumai prieš GPRS

Kuriant EDGE buvo panaudoti trys pažangūs metodai, kurie leidžia pasiekti itin aukštą spektro efektyvumą siaurajuosčiam duomenų perdavimui. Pirmasis metodas tai naujos 8-PSK (angl. Octonary Phase Shift Keying) – aštuonfazės manipuliacijos moduliacijos panaudojimas, kuri per vieną fazės pokytį leidžia perduoti tris informacijos bitus (2 pav.).

2 pav. GMSK ir 8PSK moduliavimas

Tuo tarpu GPRS technologija naudoja GMSK (angl. Gaussian Minimum Shift Keying) moduliaciją kuri vienu radijo simboliu perduoda tik vieną informacijos bitą. Tokiu būdu EDGE duomenų perdavimo sparta teoriškai gaunama 3 kartus didesnė nei GPRS (praktikoje 2–3 kartai).

Antrasis metodas, leidžiantis pasiekti kur kas didesnę spartą nei GPRS, yra daugialypių kodavimo schemų panaudojimas, kur priklausomai nuo ryšio sąlygų, tinklas gali reguliuoti bitų skirtų klaidų kontrolei skaičių. EDGE turi penkias 8-PSK, bei keturias GMSK kodavimo schemas. Tai viso sudaro 9 skirtingas moduliavimo ir kodavimo schemas (žr. 1 lent.).

1 lentelė. EDGE kodavimo schemos

EDGE dinamiškai pasirenka optimalią moduliaciją ir kodavimo schemą priklausomai nuo tuo metu esančių ryšio sąlygų, tiksliau nuo C/I ( angl. Carrier to Interference) – signalo/triukšmo santykio.

Kaip ir GPRS technologijai, 3 pav. pateikiame praktinius kodavimų schemų pasiskirstymo matavimus, kurie buvo atlikti realiomis sąlygomis Vilniaus mieste. Aukščiausios EDGE kodavimo schemos MCS-9 įsisotinimas stebimas jau nuo -60 – -70 dBm signalų lygių, o ne nuo -80 – -90 dBm GPRS CS-4 atveju. Tai reškia, kad efektyviai išnaudoti 8-PSK moduliaciją reikia geresnių radijo sąlygų nei GMSK (taip ir turi būti). Iš 3 paveikslo išryškėja dar vienas svarbus efektas: esant -95 dBm signalo lygiui pastebimas persijungimas iš GMSK moduliacijos į 8-PSK (pirmos 4 EDGE kodavimo schemos naudoja GMSK moduliaciją).

Kalbant apie atstumo tarp bazinės ir judriosios stočių įtaką, pagal 1 dalies 4 pav. ir šios dalies 3 pav., galime teigti, kad aukščiausia EDGE kodavimo schema MCS-9 dominuoja esant iki 1,5 km atstumui tarp bazinės ir mobiliosios stoties.

3 pav. EDGE kodavimo schemų MCS-1, MCS-2 ... MCS-9 priklausomybės nuo signalo lygio RxLev ir signalas-trikdys santykio C/I (vid.)

Na ir paskutinis trečiasis metodas leidžiantis padidinti EDGE duomenų perdavimo spartą veikia taip: jei duomenų blokai gaunami su klaidomis, EDGE kiekvienu kitu siuntimu išsiunčia vis didesnį klaidų taisymo bitų kiekį, taip kiekvieną siuntimą padarant labiau tikėtiną sėkmingą nei prieš tai buvusį. Šis ypatingai efektyvus trečiasis metodas užtikrina greičiausią įmanomą teisingų duomenų gavimą ir yra vadinamas didėjančiu dubliavimu (angl. incremental redundancy).

Naudojant EDGE, duomenų perdavimas vienu laiko intervalu kinta nuo 8,8 kbps esant nepalankioms sąlygoms iki 59,2 kbps esant labai geram signalo/triukšmo santykiui. Palyginimui, GPRS perduoda 13,4 kbps naudojant 2 kodavimo schemą ir 21,4 kbps – 4 kodavimo schemą. EDGE, teoriškai gali perduoti 59,2 kbps kiekvienu iš keturių laiko intervalų, iš viso gaunant net 236,8 kbps.

Svarbu paminėti, kad ši duomenų perdavimo sparta nurodyta antrajam OSI lygmeniui (RLC/MAC), todėl reali sparta vartotojui bus šiek tiek mažesnė. Sparta taip pat priklauso ir nuo naudojamos taikomosios programos ir protokolo. Skirtingą spartą gausime duomenis siunčiant rinkmenų perdavimo protokolu (FTP), negu tos pačios apimties duomenis siunčiant hipertekstų perdavimo protokolu (HTTP).

Kiekvienu laiko intervalu siunčiant daugiau duomenų, EDGE, lyginant su GPRS padidina spektro efektyvumą apytiksliai nuo 100 iki 150 %.

2. UMTS – universalioji mobiliųjų telekomunikacijų sistema

Plėstojo spektro radijo technologijos, be abejonės ateities radijo ryšių pagrindas. Jos taikomos pradedant nuo radijo modemų, vietinių kompiuterinių tinklų radijo prieigų iki kompleksinių projektų, tokių kaip trečiosios kartos mobilaus ryšio tinklai – UMTS. Pavadinimas UMTS – universalioji mobiliųjų telekomunikacijų sistema, vartojamas Europoje. Kaip technologijos sinonimas vartojamas pavadinimas WCDMA (angl. Wideband Code Division Multiple Access) – plačiajuostė kodinio dalijimo daugkartinė prieiga. Tarptautiniu mastu UMTS vadinama IMT-2000. Dar paprasčiau ši technologija pristatoma kaip 3G – trečioji karta.

2.1 UMTS tinklo architektūra

Kuriant UMTS architektūrą remtasi nusistovėjusia antrosios kartos mobiliųjų tinklų architektūra. Supaprastinta UMTS struktūra parodyta 4 pav.

4 pav. UMTS tinklo struktūra

Esminės tinklo dedamosios:

• Pagrindinis tinklas CN (angl. Core Network)
• Radijo prieigų tinklas RAN (angl. Radio Access Network)
• Sausumos radijo prieigų tinklas UTRAN (angl. UMTS Terrestrial RAN)
• Vartotojo įranga, apibūdinama santrumpa UE (angl. User Equipment)

Išsamiau skaidant bendrą struktūrą išskiriama:

• Radijo tinklo sistema RNS (angl. Radio Network System)
• Radijo tinklo kontroleris RNC (angl. Radio Network Controller) ir kitos dedamosios

2.2 Fizinis lygmuo

UMTS radijo prieigų esminę specifiką nulemia spektro plėtimo kodinio dalijimo būdas – WCDMA. Plėstojo spektro signalai užima apytikriai 5 MHz dažnių ruožą. Visi perdavimai organizuojami taip, kad suformuoti duomenų masyvai tilptų į 10 ms laiko intervalą. Bazinis dažnių – laiko ryšio kanalų resurso skirstymas parodytas 5 pav. Abipusiam radijo ryšiui sudaryti ir palaikyti UMTS numatyti du būdai:

• Dažnių dalijimo FDD (angl. Frequency Division Duplex)
• Laiko dalijimo TDD (angl. Time Division Duplex)

Kai abipusis ryšys organizuojamas dažnių dalijimo būdu (FDD), ryšys žemyn vyksta vienu dažnių ruožu, o ryšys aukštyn kitu dažnių ruožu (5 pav. a). Tarp šių ruožų numatytas 190 MHz apsauginis dažnių ruožas. Projektuojant UMTS FDD radijo tinklą turi būti rezervuoti abu dažnių ruožai.

5 pav. Dažnių FDD (a) ir laiko TDD (b) išteklių skirstymas

Laiko dalijimo būdu organizuoto abipusio ryšio (TDD) kryptys naudoja tą patį dažnių ruožą, tačiau skirtingais laiko tarpais (5 pav. b). Perdavimas ir priėmimas vyksta pakaitomis (taip vadinamas ping-pong metodas). Bendra ciklo trukmė 10 ms. Tarp perdavimų aukštyn ir žemyn paliekamas apsauginis laiko tarpas.

Skirtingi abipusio ryšio organizavimo būdai numatyti siekiant sudaryti galimybes racionaliau panaudoti radijo spektrą bei valdomų kryptinių antenų galimybes. Pavyzdžiui, TDD versijai pakanka vieno dažnių ruožo. Racionaliau panaudojamas radijo spektras, kai perduodamų duomenų srautai aukštyn ir žemyn žymiai skiriasi (pavyzdžiui, naršant internete), patogiau valdyti bazinių stočių antenų spindulius. Aišku, TDD negali aptarnauti tokios didelės apkrovos kaip FDD.

Abiejų – FDD ir TDD versijų perdavimai organizuojami 10 ms trukmės radijo kadre. Bendras spektro plėtimo taktų – čipų (angl. chips) dažnis yra 3,84 MHz. Per 10 ms kadrą susidaro 38400 čipų. Kiekvienas 10 ms trukmės radijo kadras dar dalijamas į 15 dalių (angl. slots) po 2560 taktų (6 pav.). Toks dalijimas įgalina kiekviename radijo kadre perduoti duomenų ir valdymo masyvus ir taip formuoti duomenų (DK) ir valdymo kanalus (VK). Kiekvieną DK palydi valdymo kanalu perduodamas transporto formato indikatorius TFI (angl. Transport Format Indicator). Keletas atskirus transporto kanalus palydinčių TFI apjungiama į vieną transporto formato kombinacijų indikatorių TFCI (angl. Transport Format Combination Indicator). Kartu su TFCI valdymo kanalu taip pat perduodami grįžtamoji informacija FBI (angl. Feed Back Information) ir perdavimo galios valdymo komandos TPC (angl. Transmission Power Control).

6 pav. Radijo kadro struktūra

UMTS numatyta galimybė perduoti skirtingos spartos informacijos srautus. Tuo tikslu formuojami skirtingo laidumo kanalai. Kanalo laidumą sąlygoja tam kanalui nustatytas plėtimo faktorius (PF) – dydis, išreiškiamas kiekiu čipų, priskiriamų vienam informacijos bitui. Galimi PF dydžiai išreiškiami formule 2ⁿ, kur n gali būti 2, 3, ..., n.

FDD versijos ryšio žemyn kanaluose spektro plėtimo faktorius gali kisti nuo 4 iki 512 ir nuo 4 iki 256 – ryšio aukštyn kanaluose (2 lentelė). TDD versijos spektro plėtimo faktorius mažesnis, jis gali kisti nuo 1 iki 16. Didesnės spartos duomenų srautai, aišku, plečiami mažiau.

2 lentelė. Plėtimo faktorius ir duomenų sparta

Radijo signalai skirtingoms perdavimo kryptims moduliuojami taip pat skirtingai. Perduodant žemyn, signalai moduliuojami panaudojant kvadratūrinę fazinę manipuliaciją (angl. QPSK – Quadrature Phase Shift Keying), o perduodant aukštyn, taikoma dvejetainė fazinė manipuliacija (angl. BPSK – Binary Phase Shift Keying). Todėl duomenų perdavimo žemyn sparta yra du kartus aukštesnė už perdavimo aukštyn spartą.

2.3 Technologijų palyginimas

7 pav. pavaizduotos visų aptartų technologijų užimamos nišos bendroje bevielių duomenų perdavimo technologijų skalėje. Iš jos matyti, kad nei viena kita technologija nėra tokia mobili kaip mūsų tiriamos. Tuo pačiu, mūsų tiriamos technologijos negali suteikti tokių spartų kaip pvz. WLAN (angl. Wireless Local Area Network) technologija.

7 pav. Duomenų perdavimas įvairiais tinklais

Taigi, dauguma technologijų viena kitos nenurungia, o tik papildo viena kitą, taip galinčios garantuoti vartotojui optimalią duomenų perdavimo spartą priklausomai nuo jo judrumo.

3 lentelėje pateikiami apibendrinti nagrinėtų technologijų duomenys palyginimui.

3 lentelė. CSD, HSCSD, GPRS, EDGE ir UMTS palyginimas

***

Visą darbą taip pat galite atsisiųsti iš portalo archyvo.