Klávesové zkratky na tomto webu - základní
Přeskočit hlavičku portálu

UMTS díl III. - Přístupové metody, Handover a kontrola výkonu

aktualizováno 
Jak v sítích UMTS komunikuje telefon se sítí, jak si ho mezi sebou předávají jednotlivé základnové stanice a jak se řídí výkon vysílačů, o tom je dnešní díl série o fungování sítí třetí generace.
V buněčných systémech je mobilní telefon nebo terminál připojen k síti skrz základnovou stanici, která vysílá signály směrem k mobilnímu telefonu a zároveň z něj signály přijímá. Toto připojení je bezdrátové, využívá rádiových vln v rádiovém rozhraní a tím vytváří připojení. Styl, jakým využíváme těchto rádiových vln, se nazývá přístupové metody a existuje jich celé množství. Nejčastěji využívané přístupové metody v rádiových sítích jsou FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) a CDMA (Code Division Multiple Access).

FDMA se používá v analogové mobilní telefonii, tedy v první generaci bezdrátů. Každému uživateli je zde přiřazena určitá část RF spektra. FDMA povoluje vždy jen jednoho uživatele na jeden kanál, protože tento uživatel má kanál přiřazen pouze pro sebe, na sto procent celé doby.

V TDMA je každému uživateli taktéž přiřazena určitá část RF spektra, ale tentokrát mnohonásobní uživatelé sdílejí RF nosič na bázi časových slotů. Každý z uživatelů obměňuje jejich použití v RF kanálu. Je zde použito frekvenční dělení, přičemž tyto nosiče jsou dále rozděleny do několika časových slotů pro jeden nosič (3 pro TDMA-AMPS, 8 pro GSM Full Rate, 16 pro GSM Half Rate). V CDMA neexistuje žádné časové dělení a všichni uživatelé používají celý nosič po celou dobu. CDMA je širokopásmový komunikační systém, ve kterém mají mnohonásobní uživatelé přístup do stejného frekvenčního pásma. Segment přiřazené frekvence pro tento jeden nosič je větší než ten který je použitý v FDMA a TDMA. K rozeznání různých uživatelů, kteří používají jedno frekvenční pásmo simultánně, má každý uživatel přidělen binární (dvojkový) kód.

Přístupové metody FDMA, TDMA, CDMA, FDD vs. TDD

FDMA, Frequency Division Multiple Access
Ve schématech FDMA je celá volná frekvence rozdělena do pásem a každé z nich je přiřazeno stanici. FDMA je charakteristická souvislým přístupem k telefonu v daném frekvenčním pásmu. Mezi stanicemi není zapotřebí žádné koordinace nebo synchronizace. Každá z nich může používat své vlastní pásmo bez rušení. FDMA je ale neefektivní především v době nevyrovnaného zatížení. I když stanice zrovna nevysílá, její sdílená část spektra nemůže být použita žádnými jinými stanicemi. Systémy FDMA nejsou nijak flexibilní a to znamená, že přidání každé nové stanice vyžaduje modifikace zařízení.

umtsdil3_obr_FDMA

Výhody: Tato technika je výhodná ve své jednoduchosti a spoléhá se na využití prověřeného zařízení.
Nevýhody: Chybějící flexibilita v případě opětovné konfigurace, jako je přizpůsobení různým stupňům kapacity.

TDMA, Time Division Multiple Access
Ve schématech TDMA je čas rozdělen do časových slotů (dílčích rámů). Každý časový slot je před-přiřazen stanici. V čase přiřazeného slotu je každé stanici povoleno volně vysílat a všechny systémové prostředky jsou věnovány stanici. Přiřazování slotů se děje periodicky a každá perioda se nazývá cyklus nebo rámec. Během jednoho cyklu může být stanici přiřazen jeden čí více časových slotů. Stanice musí být synchronizovány tak, že každá stanice přesně ví, kdy má vysílat. Hlavní nevýhodou TDMA je, že každá stanice musí vždy mít fixní alokaci kanálového času, ať už má či nemá data k přenosu. Ve většině aplikací ovšem existují hlavně požadavky přerušovaného přenosu. Pro tyto aplikace je fixní alokace kanálového času ztrátou prostředků.

umtsdil3_obr_TDMA

Výhody: V každém okamžiku zabírá jediná stanice celou šíři kanálu. Vysoká přenosová kapacita pro velký počet stanic. Není třeba kontrolovat vysílací výkon stanic. Digitální zpracování signálu vede k funkční jednoduchosti. Všechny stanice vysílají a přijímají na stejné frekvenci a to znamená zjednodušené vyladění.
Nevýhody: Je nutná synchronizace. Dále je nutné dimenzovat stanice pro přenos ve vysokou propustnost. Systém využívá nákladné zařízení, i když tyto můžou být kompenzovány lepším využitím kanálů a tím i lepší propustností.

CDMA, Code Division Multiple Access
Techniky FDMA a TDMA neumožňují žádné časové překrývání přenosů jednotlivých stanic. Bezkonfliktní protokol, který povoluje tento překrývaný přenos, jak v technice frekvenčního dělení (FD, Frequency Division) i časového dělení (TD, Time Division), je CDMA (Code Division Multiple Access). Obecně je CDMA označován jako širokospektrový komunikační systém, ve kterém mají mnohonásobní uživatelé přístup do stejného frekvenčního pásma.

Bezkonfliktní vlastnost CDMA je dosažena použitím quasi-ortogonálních signálů v kombinaci se shodnými filtry v přijímajících stanicích. Využitím mnohonásobných ortogonálních signálů (informace, jež se mezi sebou neruší) se rozšíří pásmo potřebné pro přenos. V CDMA má každá stanice přiřazenou určitou kódovou sekvenci, která je modulovaná na nosiči, a navrch toho jsou za pomoci tzv. Scrambling kódu modulována digitální data. V systémech CDMA není tedy zapotřebí žádného plánování frekvencí.

umtsdil3_obr_CDMA

Výhody: Jednoduchost operace, protože mezi mobilními stanicemi není zapotřebí synchronizace přenosu. Nabízí také vlastnosti ochrany proti rušení z jiných systémů.
Nevýhody: Hlavní nevýhodou je nízká propustnost.

WCDMA pro UMTS

Jak již bylo řečeno v prvním díle této série článků, pro sítě 3. generace byla zvolena technologie CDMA (Code Division Multiple Access). Pro přenos využívají sítě UMTS dvou technik dělení (TD a FD), neboli přenosové módy FDD a TDD.

Alokace spektra UMTS
Spektrum se skládá z jednoho párového pásma (band) (1920-1980 MHz + 2110-2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910-1920 MHz + 2010-2025 MHz). V párovém pásmu bude použita technika WCDMA a v nepárovém pásmu bude použita technika TD/CDMA.

umtsdil3_obr_alokacefddtdd_m

V módu FDD (Frequency Division Duplex) probíhá spojení mezi mobilním telefonem a základnovou stanicí na oddělených frekvencích v uplinku a downlinku. To znamená, že mobilní telefon vysílá na jedné frekvenci a poté přijímá na frekvenci jiné.
V módu TDD (Time Division Duplex) probíhá spojení směrem nahoru i dolů (uplink a downlink) na jedné jediné frekvenci. Tato spojení se pak v pásmu střídají.

umtsdil3_obr_FDDvsTDD

Rádiový přenos v módu FDD

UTRA/FDD je navržený k fungování v následujících párových pásmech:
  • 1920 – 1980 MHz - Telefon vysílá / Základnová stanice přijímá
  • 2110 – 2170 MHz - Telefon přijímá / Základnová stanice vysílá

    Základní parametry UTRA FDD a TDD

    Rozteč nosiče
    Nominální rozteč nosiče je 5 MHz. Rastr kanálu je 200 kHz, což znamená, že nosná frekvence musí vždy být násobkem 200 kHz.
    Odstup frekvencí TX – RX
    K dosažení odstupu vysílacích a přijímacích frekvencí v kmitočtu při operacích v párovém pásmu je zapotřebí nejméně 130 MHz. Módy FDD a TDD by měly mít sladěné parametry.

    Handovery v UMTS

    Handover
    Obecně je handover považován za změnu fyzických kanálů přiřazených telefonátu v době tohoto telefonátu.

    Hard Handover
    Během tohoto handoveru je telefonu nařízeno přesunout z jednoho kanálu na druhý a přijímat pouze z jedné základnové stanice v určitém čase. Handovery v sítích GSM jsou diky rozdílným frekvencím mezi základnovými stanicemi prováděny jako Hard Handovery.

    Soft Handover
    Tento handover probíhá v UMTS mezi dvěma různými NodeB. V soft handoveru náleží telefon dvěma NodeB během doby pohybu mezi nimi a to v praxi znamená, že hovory nebudou během handoveru (a pohybu mezi dvěma NodeB) padat. V aktivním módu telefon průběžně vyhledává nové NodeB ve stávající frekvenci, během tohoto vyhledávání monitoruje přijímanou sílu signálu ze sousedních NodeB, srovnává je se sadou svých prahových hodnot a tyto informace pak adekvátně zasílá zpět do NodeB. Na základě těchto informací síť (respektive RNC) nařizuje telefonu přidat nebo ubrat vazby na některé NodeB ze své aktivní sady. Aktivní sada tedy obsahuje všechny nejbližší sousední NodeB, vhodné pro handover.

    Softer Handover
    Tento handover je speciálním případem Soft Handoveru mezi jednotlivými sektory (buňkami), jež patří jedné NodeB. Tento handover tedy probíhá uvnitř jedné NodeB. Koncepčně je Softer Handover prováděn stejným způsobem jako Soft Handover. Hlavní rozdíly existují zejména na úrovni implementace uvnitř sítě.
    Handover mezi buňkami, jež používají stejnou rádiovou frekvenci, se nazývá Intra-frequency Handover (uvnitř jedné frekvence) a handover mezi buňkami jež používají rozdílných frekvencí se nazývá Inter-frequency Handover (mezi rozdílnými frekvencemi). Inter-frequency Handover je vždy vykonáván jako Hard Handover.

    Handover mezi UMTS RNS a GSM BSS
    V kombinovaných sítích UMTS a GSM může docházet k handoverům mezi NodeB a základnovou stanicí a takový handover pak probíhá vždy jako Hard Handover.

    umtsdil3_obr_handover_m

    Kontrola výkonu

    Zatímco v FDMA má každé spojení svoji vlastní frekvenci a v TDMA má každé spojení jeden vlastní časový slot, v systémech CDMA sdílí uživatelé stejnou frekvenci a jejich rušení je minimalizováno pomocí rozdílných scrambling kódů. CDMA systémy tedy svými vlastnostmi dovolují vysokou izolaci mezi spojeními a to nazýváme ortogonalitou.

    Máme-li několik uživatelů ve stejném kmitočtovém pásmu, síla přijímaného signálu bude různá pro různé telefony a toto má za následek tzv. Near–far Intereference Problem (Near-far se vztahuje k síle signálu z blízkých a vzdálených telefonů). Tento problém může způsobit nižší výkonnost a snížit kapacitu v systému. A proto je zde důležitá kontrola výkonu. Jak taková kontrola výkonu funguje, si můžeme jednoduše vysvětlit v následujícím příkladu: Představte si prázdnou místnost, do které zrovna vstoupili 2 lidé, jež hovoří anglicky. Za okamžik do té samé místnosti vstoupí další 2 lidé, ti hovoří španělsky, a poté se celá místnost zaplní lidmi hovořícími rozdílnými jazyky. Každý z nich při hovoru používá stejný kmitočtový rozsah, ale hovoří jiným jazykem (tzn. Používají rozdílné kódy) a každý z nich může konverzovat s partnerem tak dlouho, dokud všichni lidé hovoří dostatečně hlasitě na to, aby je jejich partneři slyšeli (kontrola výkonu). Pokud všichni lidé začnou mluvit příliš hlasitě (špatná kontrola výkonu), pak budou všichni mít problém mezi sebou komunikovat, protože se budou navzájem rušit. Čím vyšší je počet uživatelů na stejné frekvenci ve stejnou dobu, tím nižší musí být výkon všech. Kontrola výkonu k minimalizování hladiny rušení v přijímači základnové stanice je efektivní pouze pro telefony, jež jsou přiřazeny této stanici.

    Závěr

    V příštím pokračování tohoto seriálu si detailně přestavíme kanály v UMTS a také plánování buněk a sítí UMTS s ohledem na rádiové vlastnosti buněčných systémů.


  • Nejčtenější

    Google posílá vzkaz Evropské komisi. Takhle se bude bránit

    Protikartelová komisařka Margrethe Vestagerová.

    Google se s obří pokutou od Evropské komise nehodlá smířit. Firma se proti ní odvolá a chce Komisi dokázat, že systém...

    Rekordní pokuta pro Google, za dominanci Androidu zaplatí 112 miliard

    Ilustrační snímek

    Evropská komise uložila internetovému gigantu Google další pokutu. Firma by měla platit za to, že zneužívá dominantního...



    Blesková krádež. Zloději za 30 sekund vybílili obchod Applu

    Blesková krádež v kalifornském Apple Storu

    Skupina mužů za méně než minutu vykradla před očima zákazníků i personálu obchod Apple Store v kalifornském Fresnu....

    Nový supersmartphone vysune kameru a nahrává uživatele bez jeho vědomí

    Vivo NEX

    V rámci právě skončeného mistrovství světa ve fotbalu byla hrací plocha obklopena panely s reklamami na nový čínský...

    Jeden z nejočekávanějších mobilů roku. Nokia 8110 je chytrá jen trochu

    Nokia 8110 4G

    Retro model Nokia 8110 4G je možná jedním z nejočekávanějších mobilů letošního roku. V Česku se začal prodávat počátkem...

    Další z rubriky

    Obyčejné mobily někde táhnou víc než iPhony. Google do nich investoval

    Nokia 8110 4G

    Google nesází pouze na svůj operační systém Android, ale nyní se snaží proniknout i do segmentu obyčejných mobilů. Do...

    Na klávesnici od Googlu můžete mít jen dva znaky. Tečku a čárku

    Klávesnice od Googlu bude umět i moresovku

    Google oznámil, že jeho softwarová klávesnice Gboard bude podporovat psaní pomocí Morseovy abecedy. A to jak na...

    Spor mezi Evropskou komisí a Googlem trvá téměř osm let

    Ilustrační snímek

    Evropská komise ve středu oznámila rekordní pokutu pro společnost Google. Za zneužívání dominantního postavení Androidu...

    Najdete na iDNES.cz