Процедуры сигнализации UTRAN

7.1.3. Процедуры и сообщения прикладной подсистемы радиосети

Процедуры прикладной подсистемы радиосети (RNSAP — Radio Network System Application) разделяются на 3 модуля:

Модули базовых процедур управления мобильностью содержат процедуры, используемые при перемещении внутри сети UTRAN, и управляют транспортными потоками данных по интерфейсу Iur.

DCH-процедуры используются для обработки сообщений, поступающих по DCH каналам между двумя RNS по интерфейсу Iur.

Модуль глобальных процедур содержит процедуры, не относящиеся к специфике UE. Эти процедуры, в отличие от упомянутых выше, работают по принципу "процесс — процесс".

Заголовок RNSAP имеет вид, представленный на рис 7.3, а процедуры и сообщения приведены в табл. 7.3.

Поля на рис 7.3 имеют следующие значения [69].

Тип сообщения указывает на модули, перечисленные выше.

Идентификатор сообщения указывает процедуры согласно табл. 7.3.

Процедуры сигнализации изложены в основном документе 3GPP [118]. Описание процедур не является стандартом или типовым примером, но показывает некоторую технику обмена сигналами и действий в процессе обслуживания заявок пользователей.

7.1.4. Нотация сигнальных процедур

Приводимые ниже сигнальные процедуры показывают последовательность взаимодействия протоколов на различных узлах. Для изображения этих процедур применяются правила "Диаграммы обмена последовательностями", изложенной в документе 3GPP "25.931 V1.1.0 1 1999-06".

Они состоят в следующем:

Эти правила необходимо иметь в виду при дальнейшем анализе диаграмм рассматриваемых процедур.

7.1.5. Процедура широковещательной передачи информации

Эта процедура глобальная, т. е. относится ко всем элементам сети. Диаграмма приведена на рис 7.4.

На рисунке показан принцип рассылки широковещательных сообщений от базового узла (CN). Широковещательная информация, обозначенная на рисунке как системная, передается на управляющий RNC (CRNC). Далее она пересылается на определенный узел B. Этот узел определяет, что информация является широковещательной, и передает ее далее всем UE в управляемой соте (на рис 7.4 — трем UE).

7.1.6. Процедуры оповещения (paging)

В этом разделе рассматриваются примеры двух процедур (рис 7.5, 7.6):

Первая процедура заключается в том, что станция запрашивает свободный UE. Этот вызов с номером абонента передается управляемым сотам. Требуемый UE устанавливает сигнальное соединение, после чего базовый узел может начать конкретное взаимодействие.

Пример такой процедуры — входящий вызов.

Рассмотрим первую из этих процедур — оповещение (Paging) для UE на уровне управления радиоресурсом (RRC) в режиме "свободно".

Теперь по установленному сигнальному каналу может идти передача сообщений.

Рассмотрим вторую процедуру — ).

В этом случае для передачи широковещательного сообщения используется выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel).

Процедура применяется, например, при подготовке работы со службой коротких сообщений (SMS — Short Message Service).

7.1.7. Установление сигнального канала для передачи с помощью системы, не разделенной на уровни (NAS — Non-Access Stratum)

Следующие примеры показывают установление сигнального соединения либо от UE, либо от CN через слой NAS. Напомним, что NAS — это слой без доступа (non-access stratum, NAC), информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.

Установление соединения NAS от UE

Этот пример (рис 7.7) показывает установление сигнального соединения NAS от UE либо от CN через слой NAS.

Сигнальное соединение NAS между UE и CN может теперь использоваться для передачи сообщений NAS.

7.1.8. Установление соединения RRC с использованием специализированного канала (DCH)

Следующие примеры показывают установление соединения RRC с помощью либо специализированного канала (DCH), либо общего транспортного канала.

Установление соединения RRC на специализированном канале (DCH)

Сначала устанавливается канал DCH (рис 7.8). Далее RNC использует канал DCH для создания RRC-соединения, распределения временных номеров радиосети (RNTI) и радиоресурсов RRC-соединения.

7.2. Процедуры мягкого хэндовера

В рамках UMTS используется хэндовер, который во многом повторяет концепцию, принятую для многих других систем CDMA. Имеется три типа хэндовера — жесткий, мягкий и более мягкий. Все три типа применяются в зависимости от обстоятельств.

Жесткий хэндовер используется при передаче соединения системе предыдущего поколения. В данном случае соединение, работающее на одной частоте, должно быть передано каналу другой частоты. При таких обстоятельствах одновременный прием информации несколькими станциями невозможен, и при передаче соединения оно должно быть прервано.

Мягкий хэндовер — этот метод не может быть реализован системами предыдущих поколений мобильной связи. В системах, использующих технологию CDMA, возможна работа смежных сот на одной и той же частоте. В результате возможно, что UE получит сигналы из RNC двух смежных сот и они также смогут получить сигналы от одного и того же UE. Такое явление называется мягким хэндовером.

Более мягкий хэнедовер заключается в том, что каналы от двух RNC воспринимаются как один объединенный и один из каналов исключается после его значительного ослабления. Это обычно происходит при переходе управления в разных секторах одной соты.

Решение о передаче вызова в общем случае принимается контроллером управления радиосетью (RNC — Radio Network Controller). Он непрерывно следит за уровнем сигналов, поступающих на UE и узел B, и, когда их уровень падает ниже заданного уровня и имеются радиоканалы с лучшими характеристиками, запускается процесс хэндовера. Частью процесса слежения (мониторинга) является измерение кода мощности принятого сигнала (RSCP — Received Signal Code Power) и индикатора уровня принимаемого сигнала (Received Signal Strength Indicator).Эта информация возвращается узлу B по управляющим каналам, а, следовательно, по RNC.

Если требуется жесткий хэндовер, то RNC дает команды UE для измерения качества каналов в других сотах.

7.2.1. Дополнение радиоканала

Это пример установления соединения по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC) c текущим обслуживающим контроллером (SRNC — обслуживающий контроллер) (рис 7.9).

Этот канал будет функционировать параллельно с существующим, и в этом смысле это будет разнесенный канал.

7.2.2. Удаление радиоканала

Это пример удаления соединения по радиоканалу, когда узел B (BTC) управляется по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC). Другими словами, дрейфующий RNC становится текущим (SRNC) (рис 7.10).

7.2.3. Одновременное дополнение и удаление соединений (дополнение и удаление ветвей)

Этот пример показывает одновременное дополнение и удаление радиосоединения, которое проходит через узел B и управляет другим RNC (DRHC), нежели обслуживающий (SRNC). Напомним, что после обновления данных в процедуре удаления они меняют свои роли — дрейфующий RNC становится обслуживающим и наоборот. Процедура следующая (рис 7.11).

7.3. Процедуры жесткого хэндовера

7.3.1. Жесткий хэндовер между контроллерами одной основной сети

Рассматривается случай передачи управления от SRNC к DRNC, принадлежащих одному CN (рис 7.12). Процесс основан на операциях дополнения и удаления радиоканалов, которые рассмотрены выше.

7.3.2. Хэндовер с использованием интерфейса Iur

Контроллеры RNS сети UMTS могут иметь сигнальные каналы, непосредственно связывающие их друг с другом. Они могут быть использованы для хэндовера, что иллюстрируется диаграммой на рис 7.13.

При этом виде хэндовера выполняется следующая последовательность действий:

7.3.3. Хэндовер с использованием интерфейса Iur (организация каналов DCCH)

Согласно интерфейсу между RNC могут быть установлены (рис 7.14) специализированные транспортные каналы (например, DCCH).

7.3.4. Хэндовер с коммутацией на CN (UE перемещается между зонами, принадлежащими разным MSC)

В рассматриваемом случае UE перемещается между зонами, принадлежащими разным MSC. Обслуживающий RNS (SRNC) принимает решение (рис 7.15) осуществить жесткий хэндовер через основную сеть (CN). SRNC также определяет, какой RNC может быть целью перемещения.

7.4. Изменение местоположения

7.4.1. Изменение местоположения соты с изменением обслуживающего RNC

Этот пример (рис 7.16) показывает взаимодействие во время изменения местоположения между RNC с переключением на узле основной сети при изменении обслуживающего RNC.

На рисунке представлен алгоритм работы при перемещении UE к новой RNC-цели. Рассматривается момент, когда уже выполнена часть алгоритма, в которой обслуживающий SRNC обнаруживает, что величина мощности сигнала от UE меньше заданного порога, и с помощью CN определена сота (RNC-цель), в которую должно переместиться UE.

Опишем этапы рассматриваемого процесса.

7.4.2. Хэндовер между базовой станцией системы GSM и сеть наземного доступа UMTS (UTRAN)

Этот вид хендовера иллюстрирует рис 7.17. Основная особенность рассматриваемого случая состоит в том, что выполняется процедура жесткого хэндовера. Устройства сети UTRAN обеспечивают физическую совместимость с системой GSM. Последовательность выполнения процесса следующая.

7.5. Физический уровень UMTS

Физический уровень UMTS/WCDMA полностью отличается от решений, применяемых в GSM. Он использует технологию расширения спектра передачи в виде, применяемом в CDMA, а не технологию TDMA, которая применяется в GSM. Кроме того, UMTS работает в другом диапазоне частот.

7.5.1. Частоты

В настоящее время имеется шесть полос частот, определенных для использования в UMTS/CDMA, хотя и другие не запрещены. Однако все диапазоны, применяемые в настоящее время, выбираются около 2 ГГц. Международная конференция администраций по радиочастотам (WARC — World Administrative Radio Conference) еще в 1992 году рекомендовала администрациям, предполагающим внедрить IMT-2000, не занимать диапазоны 1885–2005 и 2110–2200 МГц. Целью такой рекомендации было облегчить всемирный роуминг для пользователей UMTS.

В пределах этих полос были зарезервированы участки для различных приложений:

Как уже упоминалось, в России для систем 3G распределяются диапазоны 1935–1950, 2015–2040, 2225–2240. UMTS использует транспортный механизм WCDMA для транспортировки информации. Каждый канал занимает диапазон 5 МГц. Для передачи информации от узла B к UE и в обратном направлении применяются различные способы модуляции. Для передачи от узла B к UE применяется квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK — Quadrate Phase Shift Keying). Для передачи в обратном направлении используются два отдельных канала, так, чтобы прямые и обратные линии передачи речи не влияли друг на друга (эта проблема была обнаружена в GSM). Для образования двойного канала (DQPSK — Dual Quadrate Phase Shift Keying) применяются специальные модуляторы-демодуляторы. Он использует для передачи по каждому из каналов различные фазы модуляции (I и Q) или квадратурный выход модулятора.

7.5.2. Расширение

Передаваемые данные кодируются, используя расширяющий код, конкретный для каждого пользователя. После такого кодирования информацию может расшифровать только желательный получатель. Все другие сигналы появляются и отделяются как шум. Это позволяет нескольким пользователям одновременно пользоваться одним физическим радиочастотным каналом.

Коды исходного сигнала CDMA умножаются на расширяющую кодовую последовательность (spreading code), что увеличивает ширину полосы, занимаемую сигналом. Для WCDMA каждый физический канал расширяется уникальной и различной расширяющейся последовательностью. Полный коэффициент расширения (отношение ширины полосы частот в радиоканале к скорости передаваемой информации) изменяется, чтобы в полной степени использовать полосу пропускания. В той мере как будет изменяться требуемая скорость от приложения к приложению, так соответственно будет изменяться коэффициент расширения.

При передаче информации от узла B к UE скорость передачи равна 3,84 Мбит/с. При модуляции QPSK возможна передача двух бит на каждый символ (чип). Таким образом, скорость в канале будет равна 7,68 Мбит/c. Если фактическая скорость передачи данных равна 15 бит/с, то коэффициент расширения — 512. Если первоначальная скорость будет выше, чем скорость последовательности расширения, то система должна будет регулировать первоначальную скорость. Следует помнить, что изменение скорости чипов изменяет полностью всю эффективность работы системы. Высокий коэффициент расширения улучшает характеристики и дает возможность осуществлять простую корреляцию, а следовательно, позволяет уменьшить мощность передачи при прежнем уровне ошибок.

Коды, которые требуются для расширения сигнала, должны быть ортогональны, чтобы множество пользователей и каналов работали без взаимных помех и влияний, и должны работать синхронно. Поскольку невозможно при переменном коэффициенте расширения сохранить точный синхронизм, используется второй набор кодов скремблирования, которые гарантируют, что взаимное влияние не отразится на работе системы. Код скремблирования — это код, применяющий для шифрования псевдослучайные числа. Таким образом, имеется две ступени расширения: первая ступень — на основе ортогональных кодов с переменным коэффициентом расширения кодов (OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor codes), и вторая — на основе псевдослучайных чисел. Эти коды используются, чтобы обеспечить два отличающихся уровня отделения сигнала.

Ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения — это ансамбль кодов с переменной длиной; он формируется на основе кодового дерева, каждый уровень которого удваивает число возможных комбинаций и длину кода.

Расширяющие кодовые последовательности OVSF используются, чтобы идентифицировать пользовательские услуги в соединительных и пользовательских каналах в направлении от узла B к UE, тогда как псевдокоды (PN) применяются, чтобы идентифицировать индивидуальный узел B или UE.

На канале связи от UE к узлу B есть выбор миллионов различных псевдокодов (PN), позволяющих выработать индивидуальный код для идентификации UE. В результате имеется более чем достаточно кодов, чтобы разместить большое число различных UE, которые, вероятно, могут обратиться к сети для обслуживания. Для каналов с направлением от узла B к UE используется короткий код. Общее количество различных кодов, которые могут быть использованы, — 512. Один из них назначается каждому узлу B.

7.5.3. Кодирование речи

При кодировании речи в UMTS используются различные скорости и поэтому могут применяться различные вокодеры. Когда система предоставляет возможность использовать различные скорости, она называется "адаптивной многоскоростной системой" (AMRS — Adaptive Multi-Rate System). Она может применяться там, где скорость выбирается в соответствии с емкостью и требованиями системы. Эта схема — та же, что используется в GSM.

7.5.4. Прерывистая передача

Одной из важных характеристик мобильных телефонов является время разрядки батареи. Это "ключевая особенность", которой интересуются люди, покупающие телефон, и это определяет его ценность. Принимая во внимание это обстоятельство, в стандарт UMTS/CDMA был введен режим прерывистой передачи (DTX — Discontinuous Transmission) или "спящий режим" (режим ожидания). Этот режим позволяет отключить несколько энергоемких элементов UE до тех пор, пока не будет получен сигнал широковещательного вызова.

Для введения такого механизма в UMTS/CDMA цепи, работающие с широковещательным каналом, разделены на группы и подканалы. Реальный номер используемого широковещательного подканала (используемой части оборудования) назначается сетью. Таким образом, UE только часть времени должен "слушать сеть". Чтобы обеспечить это, канал индикатора вызова (PICH — Paging Indicator Channel) разбит на 10 мс кадры, каждый из которых содержит 300 бит: 288 для широковещательной рассылки данных и 12 незанятых битов. В начале каждого кадра канала широковещательного вызова есть индикатор оповещения (PI — Paging Indicator), который идентифицирует передаваемую группу оповещения. Согласно номеру PI определяется широковещательный канал вызова — можно включить приемник, только когда он должен контролировать широковещательный канал вызова.

7.5.5. Синхронизация

Синхронизация, которая требуется для UMTS-системы, обеспечивается первичным каналом синхронизации (PSCH) и вторичным каналом синхронизации (SSCH). Эти каналы работают по методике, отличающейся от методик нормальных каналов, и в результате они действуют не расширяясь и не используя псевдокоды (PN) и OVSF-коды, — вместо этого для расширения применяются коды синхронизации. Имеются два типа соответствующих кодов. Первый называется "первичный код" и используется PSCH-каналом, а второй — "вторичный код" для применения в SSCH-каналах. Первичный код — один и тот же для всех сот и состоит из последовательности 256 чипов, которые передаются в каждом временном положении. Это позволяет UE синхронизировать свою работу с временными положениями узла B.

Когда UE получает слот синхронизации, это лишь сигнал о начале или конце временного положения, но ничего не известно об особенностях информации, содержащейся в этом временном положении, или о характеристиках кадра. Для передачи этих сведений используются вторичные коды синхронизации.

Всего существует 16 различных вторичных кодов синхронизации. Один из кодов (256 чипов) посылается в начале временного положения. Он содержит 15 кодов синхронизации и 64 кода групп скремблирования. Когда UE получает эту информацию, он может определить, какой код обозначает начало кадра, и таким способом завершить синхронизацию.

Скремблирующие коды в SSCH дают возможность UE идентифицировать, какой код используется в данном случае, и, следовательно, идентифицировать узел B. Скремблирующие коды разделяются на 64 группы, каждая по 8 кодов. Это означает, что после достижения синхронизации кадра UE имеет для выбора только 8 кодов и поэтому может попытаться отслеживать общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Как только это будет сделано, он сможет "прочитать" широковещательный канал BCH и достигнет еще лучшей синхронизации, что позволит ему отслеживать первичный физический канал управления (PCCPCH — Primary Common Control Physical Channel).

7.5.6. Управление мощностью

Как в любой системе CDMA, в рассматриваемой системе существенно, чтобы узел B получал от всех UE сигнал приблизительно одной и той же мощности. Если это не регулировать, то станции, находящиеся дальше от узла B, будут иметь более низкий уровень сигнала, чем ближайшие. Последние будут подавлять сигналы с низким уровнем, и узел B не сможет принять их. Этот эффект часто упоминается в литературе как эффект "ближний-дальний". Чтобы его преодолеть, узел B передает команды ближним станциям — с целью уменьшить им мощность передачи, а тем, которые дальше, увеличить ее. Этим способом узел B будет получать от всех станций приблизительно одинаковый уровень сигналов.

Управление мощностью также важно для узлов B. Так как сигналы, передаваемые различными узлами, не ортогональны друг другу, возможно, некоторые из них будут влиять друг на друга. Соответственно, их мощности должны быть минимально необходимыми для обслуживаемых UE.

Для регулирования мощности есть два метода: по открытому и по закрытому циклу.

Метод по открытому циклу используется на начальном этапе перед установлением соединения между UE и узлом B. Это простые действия, основанные на измерении напряженности полученного сигнала для принятия решения о требуемой мощности сигнала на передаче. При этом предполагается, что мощности прямого и обратного сигнала коррелированы. Однако частоты прямого и обратного канала различны, и могут отличаться также пути следования, поэтому этот метод не может давать хорошей оценки требуемой мощности. Он может использоваться лишь для приблизительной оценки.

Как только UE получил доступ к системе через узел B, задействуется техника замкнутого цикла. На узле B проводятся измерения в каждом временном положении. Как результат этих измерений, к UE передается информация о регулировании мощности передатчика (запрос на пошаговое увеличение или уменьшение мощности). Этот процесс идет в обоих направлениях (от узла B к UE и обратно). Для непрерывного управления мощности используется фактически один бит (1 — "увеличить", 0 — "уменьшить"). Как только достигается необходимый уровень мощности, его либо уменьшают, либо увеличивают, чтобы обеспечить непрерывность процесса. Практически позиция UE все время изменяется, или изменяется путь следования радиосигнала. В результате движение приводит к изменению уровня сигнала, так что непрерывность процесса регулирования мощности не представляет проблемы.

7.6. Краткие итоги лекции 7

Задачи и упражнения к части 3