Wolna encyklopedia

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) - technologia związana z dostępem do sieci radiowej stosowana w sieciach komórkowych budowanych w standardzie UMTS. Umożliwia osiągniecie przepływności danych na poziomie zdefiniowanym przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny dla systemów 3G: 384 kbit/s dla poruszającego się użytkownika i 2 Mb/s dla nieruchomego terminala znajdującego się w zasięgu małych tzw. mikro-komórek definiowanych w biurach, salach konferencyjnych, itp. Dodatkowo transfer danych może być usprawniony dzięki wdrożeniu technologii HSPA, która zazwyczaj opiera się na interfejsie WCDMA.

Glówna idea technologii WCDMA związana jest z użyciem wspólnego kanału transmisyjnego o szerokości 5 MHz dla wielu jednoczesnych transmisji (które są rozpraszane w całym, około 5 MHzowym paśmie). Dla potrzeb komunikacji operator musi zdefiniować dwa takie zakresy częstotliwości - jedno do transmisji z terminali do stacji bazowej (uplink), drugie dla transmisji ze stacji bazowej w kierunku terminali (downlink) (oczywiście jeśli operator jest w posiadaniu odpowiednio dużego zakresu częstotliwości, może zdefiniować więcej takich par).

Dostęp do sieci radiowej na bazie technologii WCDMA zestal w roku 1998 zgłoszony przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI) jako propozycja do rodziny systemów 3G (IMT-2000) definiowanej przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU). Obecnie specyfikacje rozwijane są przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Pierwsza siec komórkowa (FOMA) używająca technologii WCDMA została zbudowana w roku 2001 przez operatora NTT DoCoMo. W drugim kwartale 2008 roku technologia ta była ona wdrożona w 228 sieciach w 94 krajach^[1], dzięki czemu jest to najpopularniejsze rozwiązanie stosowane w sieciach trzeciej generacji.

Pojęcie WCDMA stosuje się także w kontekście sieci komórkowych (sieci WCDMA), które umożliwiają transmisję dzięki użyciu tej technologii.

Spis treści 1 Podstawy 2 Szczegoly zwiazane z transmisja 2.1 Dane 2.2 Radio Link Control 2.3 Kanały logiczne 2.4 Media Access Control 2.5 Kanały transportowe 2.6 Warstwa fizyczna 2.6.1 Kanały fizyczne 2.6.2 Rozpraszanie transmisji we wspólnym kanale radiowym 2.6.3 Ciagi skramblujace 2.6.4 Modulacja 3 Przypisy 4 Bibliografia 5 Zobacz też

Podstawy

Do każdej transmisji w dowolnym systemie radiowym potrzebne jest pewne pasmo częstotliwości (tzw. pasmo przenoszenia) o szerokości tym większej im większa jest przepływność danych z nią związana. Najprostszym sposobem jest przypisywanie dla poszczególnych transmisji odrębnych pasm, nie jest to jednak zbyt dobre rozwiązanie, gdyż operator nie mógłby wykorzystać optymalnie przyznanego mu pasma częstotliwości. Na terenie kontrolowanym przez stację bazową poszczególne pasma przenoszenia muszą być od siebie oddzielone (muszą być zdefiniowane na odpowiednio oddalonych od siebie częstotliwościach) ze względu na interferencje. Dodatkowym problemem jest fakt, ze nawet w sąsiadujących komórkach (ang. cells) muszą być używane rożne częstotliwości (na których definiowane są pasma przenoszenia), ponieważ bliskie stacje bazowe zakłócałyby nawzajem swoje transmisje. W systemie GSM problem ten rozwiązano częściowo w ten sposób, ze definiuje się poszczególne pasma przenoszenia (200 kHz) większe niż jest to niezbędne dla transmisji związanej z jedna rozmowa i dzieli sie je na tzw. szczeliny czasowe (ang. time slots), w których nadawane są ramki danych związane z poszczególnymi transmisjami. Zrealizowana jest idea 8 szczelin, tzn. najpierw nadawana jest ramka danych związana z pierwsza rozmową (lub transmisją danych), potem z drugą, ..., siódmą, ósmą, potem znowu pierwszą itd. (w razie potrzeby dla jednej transmisji można przypisać kilka szczelin i w ten sposób zwiększyć przepływność, kosztem zajęcia zasobów radiowych).

Zupełnie inne podejście zastosowano podczas projektowania interfejsu WCDMA. Dostęp do zasobów radiowych odbywa sie na bazie technologii CDMA (technika Direct Sequence Spread Spectrum). Strumień danych, który mógłby być przesyłany w pewnym wąskim pasmie przenoszenia rozprasza sie za pomocą specjalnych ciągów nadawanych z przepływnościa 3.84 Mczip/s na pasmo o szerokości 4.68 MHz (w praktyce definiuje się dla tego celu 5 MHzowe pasmo, aby zminimalizować interferencje z innymi transmisjami, np. odbywającymi się w sieciach innych operatorów). Ponieważ energia tego sygnału jest rozproszona w tym szerokim paśmie, można tam zmieścić także wiele innych podobnych transmisji, które musiałyby być umieszczone w osobnych pasmach przenoszenia.

Okazuje się, że technologia ta umożliwia lepsze wykorzystanie zasobów radiowych, które są w posiadaniu operatora:

• gdyby dla wszystkich transmisji, które za pomocą technologii WCDMA można jednocześnie zmieścić w pasmie 5 MHz, przypisano osobne pasma przenoszenia (nawet używając dodatkowej optymalizacji związanej z technologia TDMA, opisanej powyżej dla systemu GSM) to wraz z odstępami pomiędzy sobą (koniecznymi do uniknięcia interferencji) zajęły by wspólnie szersze pasmo częstotliwości
• stacje bazowe w sąsiadujących ze sobą komórkach (ang. cells) mogą używać tych samych częstotliwości, co znacznie ułatwia planowanie sieci radiowej i umożliwia lepsze wykorzystanie zasobów radiowych operatorów
• interfejs WCDMA zapewnia lepszą odporność na zakłócenia (związane z szumem termicznym i interferencjami) niż rozwiązania stosowane w GSM. Możliwe jest zapewnienie odpowiedniej jakości przy nadawaniu sygnału z mniejsza mocą. Np. dla połączeń głosowych w sieciach WCDMA stosunek mocy sygnału (E) do mocy szumu termicznego (N) może być na poziomie 5 dB. W GSM współczynnik E/N musi być utrzymywany na poziomie 9-12 dB.

Szczegoly zwiazane z transmisja

Transmisję w sieci radiowej w której dostęp do realizuje się za pomocą technologii WCDMA można przedstawić na podstawie kilku warstw:

Dane

Terminal lub stacja bazowa ma za zadanie wyemitować dane użytkownika oraz informacje używane przez sieć do kontroli połączenia.

• Dane użytkownika zawierają np. informacje przesyłane z/do sieci związane z przeglądaniem stron WWW, ściąganiem plików, rozmowa, wideo rozmową, smsami itp. Dodatkowo, mogą zawierać informacje związane z protokołem PDCP (Packet Data Convergence Protocol) używanym do kompresowania danych, które będą później przesyłane dzięki komutacji pakietów, oraz z protokołem BMC (Broadcast Multicast Control Protocol) używanym do tzw. broadcastu krótkich wiadomości tekstowych do wszystkich użytkowników znajdujących się w zasięgu danej stacji bazowej.
• Dane dzięki którym sieć radiowa kontroluje połączenie przesyłane są na bazie protokołu RRC (Radio Resource Control). Są one związane np. z zestawianiem połączenia, przesyłaniem informacji związanych z pomiarami jakości transmisji (tak by sieć mogła dostosowywać jej parametry do zmieniających się warunków), z handoverem i innymi procedurami charakterystycznymi dla sieci radiowej. Protokół RRC ma wpływ także na inne procedury obsługiwane bezpośrednio przez protokoły warstw niższych.

Radio Link Control

W warstwie RLC (Radio Link Control Protocol) dokonuje się segmentacji danych z warstwy wyższej na bloki informacji, które będą transmitowane w sieci radiowej (oraz dokonuje sie desegmentacji informacji dostarczonej drogą radiową na pakiety, które będą transmitowane poprzez sieć szkieletową). W tej warstwie dokonuje się też sprawdzenia integralności przesyłanych danych, korekcji błędów i związanej z nimi retransmisji. RLC odpowiada tez za dostarczanie pakietów do warstwy wyższej w odpowiedniej kolejności.

Kanały logiczne

Usługi warstwy MAC (opisanej poniżej) są oferowane poprzez tzw. kanały logiczne (ang. logical channels). Kanały logiczne można podzielić na te związane z informacją kontrolującą połączenie pomiędzy terminalem i siecią radiowa (Controll Channels) , oraz te związane z danymi przesyłanymi do/od użytkownika (Traffic Channels).

Control Channels:

• BCCH (Broadcast Control Channel) - kanał na którym stacja bazowa emituje cały czas informacje o parametrach sieci radiowej, które mogą być użyte przez terminale.
• PCCH (Paging Control Channel) - kanał na którym stacja bazowa wysyła informacje o połączeniu, które ma być zestawione do terminala znajdującego się w jej zasięgu.
• DCCH (Dedicated Control Channel) - kanał utworzony na czas połączenia, ustanowiony pomiędzy konkretnym terminalem a RNC (Radio Network Controller). W tym kanale przeprowadzana jest wymiana danych (w obu kierunkach) związana z pomiarami jakości połączenia, procedura handoveru itp.
• CCCH (Common Control Channel) - kanał na którym (w obu kierunkach) następuje wymiana informacji pomiędzy siecią a terminalem podczas zestawiania połączenia.

Traffic Channels:

• DTCH (Dedicated Traffic Channel) - kanał ustanowiony pomiędzy siecią a konkretnym terminalem na czas połączenia. Wymiana danych odbywa sie w nim w obu kierunkach.
• CTCH (Common Traffic Channel) - kanał na którym odbywa sie przesyłanie informacji transmitowanej przez stację bazową do wszystkich terminali (lub pewnej grupy terminali) znajdujących się na kontrolowanym przez nią terenie (np. usługa SMS broadcast).

Media Access Control

W warstwie MAC (Media Access Controll) odpowiednim kanałom logicznym przypisuje się kanały transportowe, które są interfejsem warstwy fizycznej. Do głównych zadań warstwy MAC mozna zaliczyc:

• selekcja właściwego formatu transportowego dla każdego kanału transportowego w zależności od charakteru danych, które mają być transmitowane
• identyfikacja danych pochodzących od poszczególnych terminali we wspólnym kanale transportowym poprzez dodanie odpowiedniego identyfikatora w nagłówku MAC dołączanym do pakietów przekazywanych do warstwy fizycznej.
• multiplexing/demultiplexing danych należących do wyższych warstw do/z bloków transportowych dostarczanych do/z warstwy fizycznej poprzez kanały transportowe.
• Monitorowanie natężenia ruchu w kanałach transportowych i wysyłanie informacji pomiarowych do warstw wyższych (informacje te są wykorzystywane przez protokół RRC do sterowania ilością danych wysyłanych na poszczególne kanały transportowe).

Kanały transportowe

Kanały transportowe są interfejsem warstwy fizycznej. Informacja trafia do nich z warstw wyższych poprzez kanały logiczne w postaci bloków transportowych, które następnie są przesyłane drogą radiową (następuje tez proces odwrotny, informacja z sieci radiowej w postaci bloków transportowych trafia poprzez kanały transportowe do kanałów logicznych, na bazie których dochodzi do jej dalszego przetworzenia). Każdy z kanałów transportowych określa sposób w jaki dane maja być przesyłane droga radiowa: np. kierunek transmisji (uplink lub downlink), przepustowość, dopuszczalną stopę błędów i inne. Dzięki temu łatwiej jest zarządzać realizacjatransmisji z zadanym QoS, priorytetem itp.

Istnieje wiele rodzajów kanałów transportowych, dodatkowo rożne kanały tego samego typu mogą mieć przypisane rożne parametry związane z transmisja.

Aby zapoznać sie ze wszystkimi kanałami transportowymi definiowanymi przez specyfikacje 3GPP oraz szczegółami związanymi z przypisaniem poszczególnych kanałów transportowych do kanałów fizycznych i logicznych zobacz artykuł Kanały logiczne, transportowe i fizyczne używane w UMTS.

Warstwa fizyczna

W warstwie fizycznej transmisja odbywa sie w 10 ms ramkach (lub w ramkach których czas przesyłania jest wielokrotnością 10 ms). Ilość danych użytkownika w konkretnej ramce zależy od raportowanych przez terminal warunków transmisji (stosowane jest to szczególnie dla transmisji pakietowej), w ten sposób przepływność związana z danym połączeniem może być dostosowywana dynamicznie do warunków propagacji sygnału. Dane które maja być przesyłane przez sieć radiową są rozpraszane na całe dostępne pasmo o szerokości około 5MHz, i dodatkowo przetworzone za pomocą specjalnych ciągów skramblujących, dzięki czemu odbiornik będzie mógł wyodrębnić tę konkretną transmisję ze wspólnego kanału radiowego. Sekwencja wynikowa (dane użytkownika przetworzone za pomocą ciągów rozpraszających i skramblujacych) jest modulowana za pomocą modulacji QPSK i przesyłana z szybkością 3.84 Mchip/s w sieci radiowej.

Kanały fizyczne

Poszczególne kanały transportowe są przypisywane do kanałów fizycznych. W danej komórce (ang. cell), lub jej sektorze jest zazwyczaj jeden wspólny kanał fizyczny dla transmisji danych które będą podlegały komutacji pakietów w sieci szkieletowej (np. pliki ściągane z internetu) oraz kanały fizyczne dedykowane poszczególnym połączeniom głosowym w obrębie danej stacji bazowej. Dodatkowo istnieją np. kanały fizyczne, które mogą być używane do rozgłaszania informacji przez siec (np. żądanie zgłoszenia się konkretnego terminala), lub wspólny kanał, którego używają terminale do zainicjowania połączenia.

Aby poznać wszystkie rodzaje kanałów fizycznych i sposób w jaki przypisane są do kanałów transportowych zobacz artykuł Kanały logiczne, transportowe i fizyczne używane w UMTS.

Informacja z każdego z tych kanałów, jest osobno kodowana (zobacz następne podrozdziały), modulowana i transmitowana we wspólnym pasmie transmisyjnym o szerokości około 5 MHz.

Rozpraszanie transmisji we wspólnym kanale radiowym

Aby rozproszyć transmisje w kanałach fizycznych na 5 Mhz pasmo stosuje sie tzw. ciągi ortogonalne (nazywane także ciągami OVSF, Orthogonal Variable Spreading Factor), które umożliwiają uzyskanie rożnych współczynników rozproszenia. Ciągi te powstają jako kolejne gałęzie "drzewa ciągów ortogonalnych" (OVSF code tree) budowanego na zasadzie - z gałęzi na której jest zapisana wartość (c) wyprowadzane są dwie gałęzie z wartościami (c, c) i (c, -c). Poniżej znajduje sie rysunek przedstawiający takie drzewo zawierające cztery pierwsze poziomy rozgałęzień, na których znajdują sie poszczególne kody.

Do każdej z transmisji w obrębie danej stacji bazowej przypisywany jest jeden z kodów ortogonalnych. Każdy z bitów oryginalnej transmisji (któremu przypisana jest liczba 1 lub -1) mnożony jest przez ten ciąg. Gdy dany ciąg ma długość N bitów (nazywanych w tym przypadku czipami), każdy z bitów oryginalnej transmisji zamieniany jest na N bitów, a pasmo przenoszenia rozpraszane jest na N razy szersze spektrum. Poniżej znajduje się przykład rozpraszania trzech kolejnych bitów (1,-1,-1) danych użytkownika za pomocą ciągu (1,-1,-1,1,-1,1,1,-1) (ciąg c[8,8] znajdujący sie na drzewie ciągów ortogonalnych).

Do każdej transmisji w kanale fizycznym o pewnej przepływności (od 7.5 kb/s do 960 kb/s) dostosowuje się kod ortogonalny o takiej długości, aby po przemnożeniu bitów związanych z transmisją przez ten ciąg otrzymać strumień danych o założonej przepływności 3.84 Mbit/s (np. dla transmisji 960 kb/s stosuje sie ciąg ortogonalny o długości 4). Należy przy tym zauważyć, ze mimo zwiększenia przepływności związanej z transmisją we wspólnym kanale transmisyjnym, nie zwiększa sie w ten sposób ilości informacji wysyłanej przez użytkownika. Odbiornik, używając tego samego kodu przypisanego danej transmisji w kanale fizycznym, zamieni strumień danych o przepływności 3.84 Mbit/s na dane transmitowane z początkowa szybkością.

Ciagi skramblujace

Ciąg danych przetworzony za pomocą ciągów rozpraszających jest następnie mnożony przez tzw. kody scramblujace (ang. scramble codes) (używane są do tego celu dwa rodzaje ciągów - Ciągi Golda i ciągi krótkie S(2)). Dzięki tej operacji odbiornik, znając użyty kod, może wyodrębnić transmisję związaną z konkretnym nadajnikiem ze wspólnego kanału transmisyjnego.

Modulacja

Dane, które mają być wysyłane przez nadajnik są w poszczególnych kanałach fizycznych przetwarzane za pomocą ciągów rozpraszających i skramblujacych. Następnie sekwencje związane z poszczególnymi kanałami fizycznymi są łączone i przesyłane do modulatora gdzie dzięki modulacji QPSK następuje transmisja informacji.

Przypisy

1. ↑ "3GSM/3G Market Update. July 31, 2008". Raport przygotowany przez Global mobile Suppliers Association]]

Bibliografia

• "UMTS. system Telefonii Komorkowej Trzeciej Generacji" J. Kołakowski, J. Cichocki
• "WCDMA for UMTS - HSP Evolution and LTE". Harri Holma, Antti Toskala
• "Convergence Technologies for 3G Networks. IP, UMTS, EGPRS and ATM". Jeffrey Bannister, Paul Mather, Sebastian Coope

Zobacz też

• UMTS - standard, w którym budowane są sieci telefonii komórkowej wykorzystujące technologię WCDMA w sieci radiowej.
• TD-CDMA, TD-SCDMA - inne technologie związane z dostępem do sieci radiowej zdefiniowane dla standardu UMTS.