новый уровень развития CDMA – стандарт 1xEV-DV
По мере того, как мобильная связь становится все привычней, мы с возрастающим нетерпением ждем от нее новых видов услуг, таких, как полноценный доступ в Интернет и потоковое видео. Операторы надеются заработать на предоставлении информации и новых услуг. В производстве новых видов сетевого оборудования и телефонов промышленность видит возможность выйти из затянувшегося спада. Непрерывное развитие технологий мобильной связи призвано обеспечить эти надежды. Сегодня очередным шагом в процессе развития является стандарт 1xEV-DV.
две технологии
Стандарт Cdma2000 1x (1x - с одной несущей) позволил увеличить вдвое емкость голосовых каналов по сравнению со стандартом cdmaOne (IS-95). Необходимость увеличения скорости передачи данных и повышения эффективности использования выделенного диапазона частот привели к дальнейшему развитию стандарта Cdma2000 1x.
В результате появились две новые технологии. Стандарт 1xEV-DO (Single carrier EVolution-Data Only) отличается от cdma2000 только увеличенной скоростью передачи данных (благодаря применению видов модуляции высшего порядка).
Стандарт 1xEV-DV (Single carrier EVolution-Data and Voice) – еще более позднее развитие стандарта cdma2000. В нем появляется возможность одновременной передачи голоса и данных за счет динамического выделения каналов и видов модуляции еще более высокого порядка (до 16-уровневой квадратурной амплитудной модуляции, 16-QAM). Пакеты данных делятся на части и передаются во временных слотах (как в 1xEV-DO), в то время как голосовой трафик непрерывен (как в cdma2000).
Эти две новые технологии развивались параллельно на основе стандарта cdma2000. 1xEV-DV обладает всеми возможностями cdma2000 по передаче голоса и добавляет к ним возможность передачи данных по дополнительным каналам, обеспечивая, таким образом, поддержку передачи голоса и данных в рамках одной технологии. Технология 1xEV-DV была стандартизирована в последних стандартах 3GPP2 для cdma2000 (таком как C.S0002-C, физический уровень). Стандарт 1xEV-DO содержится в отдельном документе (C.S0024).
Оба стандарта, 1xEV-DO и 1xEV-DV, внесли изменения в управление сетью, повышающие эффективность ее работы. В системах 1xEV-DO базовая станция всегда передает сигнал на полной мощности, и скорость передачи данных будет зависеть от уровня мощности в месте приема. Каждый телефон (подвижная станция) посылает базовой станции запрос на скорость передачи данных в пределах каждого временного слота, и базовая станция решает, какой телефон получит очередной пакет. Кроме того, базовая станция следит за средним уровнем запросов на скорость передачи для каждого работающего телефона. Если последний запрос скорости передачи от телефона будет больше, чем его средний уровень, то телефон будет выбран для передачи пакета данных, а если меньше, то он получит меньший приоритет.
Таким образом, данные обычно передаются телефону, работающему также или лучше своего среднего уровня, что максимизирует суммарную передачу данных в сети. Период ожидания обслуживания у каждого телефона получается разный, но, сетевой алгоритм определения предпочтительного телефона принимает во внимание время ожидания и не допускает длительного простоя.
Эффективная работа CDMA-систем возможна только при условии адаптивного регулирования мощности излучения как базовой, так и подвижных станций. Иначе, ближайший к базовой станции телефон создавал бы недопустимо большие помехи для остальных телефонов.
В системах 1xEV-DV управление мощностью в прямом канале (от базовой станции к подвижной станции) при передаче голоса происходит также как в cdma2000, с пошаговым изменением уровня мощности. Однако пакеты данных передают с постоянным уровнем мощности, а при ухудшении условий связи просто снижают скорость передачи. Телефон постоянно передает информацию о качестве канала связи на базовую станцию, которая использует ее и другие показатели для установления скорости передачи данных на телефон. Базовая станция получает больше возможностей по адаптации скорости передачи данных к существующим условиям, чем это допускается в стандарте 1xEV-DO.
Другим улучшением в системах 1xEV является применение более эффективного по сравнению со сверточным кодом кодирования с исправлением ошибок. Также, в случае достаточной мощности в канале связи, для передачи пакетов данных применяются виды модуляции высшего порядка (8-PSK или 16-QAM). Эти виды модуляции требуют больше затрат энергии в расчете на бит (при неизменном уровне шума и помех), но обеспечивают большую скорость передачи данных.
разные структуры кадров
Две системы 1xEV имеют разную структуру кадров в прямом канале. В 1xEV-DO кадр длительностью 26,67 мс разделен на 16 слотов (по 1,67 мс каждый), и в каждом слоте применяется мультиплексирование с разделением по времени (Time-Division Multiplexing, TDM). В зависимости от формата пакета, для его передачи могут понадобиться 1, 2, 4, 8, или 16 слотов. Все 16 кодов Уолша (кодовых каналов) предназначены для передачи пакетов данных. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мб/с.
В стандарте 1xEV-DV, также как и в cdma2000, используется кадр длительностью 20 мс, который делится на 16 слотов по 1,25 мс. Субпакеты данных занимают 1, 2, или 4 временных слота. Каналы данных разделяются по времени от слота к слоту, но, в отличие от 1xEV-DO, не имеют внутренней структуры TDM в каждом слоте. Хотя, стандарт 1xEV-DV разрешает выделенные для передачи данных кодовые каналы разделить пополам, что делает возможным обслуживание двух абонентов одновременно в одном слоте. В 1xEV-DV количество выделенных для передачи данных кодов Уолша может меняться от 1 до 28 (из 32-х). Скорость передачи данных может составлять от 81,6 кб/с до 3,1 Мб/с.
В обеих системах структура обратного канала (от подвижной станции к базовой станции) очень похожа по форме на структуру обратного канала cdma2000. Хотя некоторые функции доработаны для нужд новых систем. Например, в 1xEV-DO отсутствует канал для передачи в сеть информации по управлению мощностью в прямом канале, но применяется выделенный канал для запросов на скорость передачи данных. В обоих стандартах, 1xEV-DO и 1xEV-DV, в канале обратного трафика вместо сверточного кодирования применяется кодирование с исправлением ошибок.
новые каналы управления данными в стандарте 1xEV-DV
Чтобы подчеркнуть разницу между 1xEV-DV и предыдущей версией cdma2000, на рисунке 1 показана структура прямого канала 1xEV-DV, на которой добавленные каналы выделены красным цветом. "Конфигурациями на выбор" (Radio configurations) называют предустановленные форматы передачи для параметров физического уровня, таких как скорость передачи данных, количество Уолш-кодов (ортогональных каналов), число бит в пакете и вид модуляции. Настройка "Radio Configuration 10" была определена в 1xEV-DV для прямого канала передачи пакетных данных (Forward Packet Data Channels, F-PDCH) и для прямого канала управления пакетными данными (Forward Packet Data Control Channels, F-PDCCH). F-PDCCH обеспечивает телефон сигналами управления, а F-PDCH передает пакеты данных.
Рисунок 1.
На рисунке 2 показана структура обратного канала 1xEV-DV, на которой также выделены добавленные каналы. В ответ на данные, полученные в прямом канале управления пакетными данными, по обратному каналу подтверждения (Reverse Acknowledgement Channel) с телефона на базовую станцию передаются сигналы подтверждения. Канал индикации качества в составе обратного канала (Reverse Channel Quality Indicator Channel) используется телефоном для информирования базовой станции о качестве принимаемого телефоном сигнала в пилот-канале (Forward Link Pilot Channel), и для индикации переключения между базовыми станциями.
Рисунок 2.
чувствительность к ошибкам
Как было сказано ранее, в обеих системах 1xEV применяются виды модуляции высшего порядка (8-PSK и 16-QAM), в отличие от стандарта cdma2000, в котором единственным применяемым видом модуляции была QPSK. Виды модуляции высшего порядка позволяют увеличить скорость передачи данных, используя более плотное "заселение" пространства сигналов. Для представления группы из n битов с помощью M символов (состояний сигнала) понадобится 2n однозначно определяемых символа. Одним из способов является кодирование каждого символа сигналами с одинаковой амплитудой, но с разной фазой. Такой способ называется фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying, PSK). В случае квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) каждый из 4-х символов представляет 2 бита, для 8-PSK каждый символ представляет 3 бита. При модуляции 16-QAM для кодирования символов используются изменения, как фазы, так и амплитуды, и каждый символ представляет 4 бита.
Однако, по мере увеличения числа символов в пространстве символов, расстояние между ними уменьшается (при той же мощности сигнала), что делает такие методы модуляции более чувствительными к шуму. В идеальном (но полностью нереальном) мире демодулятор приемника всегда будет детектировать символ в единственной бесконечно малой выборочной точке в центре ограниченной области каждого символа. Конечно, такого никогда не произойдет, потому что шум, искажения и другие виды помех вносят неопределенность в положение символа и детектирование происходит в точке, отличной от идеального местоположения. Ухудшение сигнала вследствие случайного шума, АМ/АМ- или АМ/ФМ-искажений, межсимвольной интерференции и взаимных помех приводит к невозможности точного определения символа.
На рисунке 3 показаны положения символов и относительная устойчивость к шуму применяемых в 1xEV-DV трех видов модуляции. Очевидно, что модуляция 16-QAM больше всего подвержена воздействию шума и требует от приемника наиболее точного соответствия заданным характеристикам.
Рисунок 3.
Можно принять, что если приемник прошел проверку демодуляции для 16-QAM, то он пройдет тесты и для QPSK или 8-PSK, а вот обратное утверждение – неверно. Устройства, работающие в cdma2000, могут не подключиться к сети стандарта 1xEV на высоких скоростях передачи данных.
По материалам компании "Юнитест".
две технологии
Стандарт Cdma2000 1x (1x - с одной несущей) позволил увеличить вдвое емкость голосовых каналов по сравнению со стандартом cdmaOne (IS-95). Необходимость увеличения скорости передачи данных и повышения эффективности использования выделенного диапазона частот привели к дальнейшему развитию стандарта Cdma2000 1x.
В результате появились две новые технологии. Стандарт 1xEV-DO (Single carrier EVolution-Data Only) отличается от cdma2000 только увеличенной скоростью передачи данных (благодаря применению видов модуляции высшего порядка).
Стандарт 1xEV-DV (Single carrier EVolution-Data and Voice) – еще более позднее развитие стандарта cdma2000. В нем появляется возможность одновременной передачи голоса и данных за счет динамического выделения каналов и видов модуляции еще более высокого порядка (до 16-уровневой квадратурной амплитудной модуляции, 16-QAM). Пакеты данных делятся на части и передаются во временных слотах (как в 1xEV-DO), в то время как голосовой трафик непрерывен (как в cdma2000).
Эти две новые технологии развивались параллельно на основе стандарта cdma2000. 1xEV-DV обладает всеми возможностями cdma2000 по передаче голоса и добавляет к ним возможность передачи данных по дополнительным каналам, обеспечивая, таким образом, поддержку передачи голоса и данных в рамках одной технологии. Технология 1xEV-DV была стандартизирована в последних стандартах 3GPP2 для cdma2000 (таком как C.S0002-C, физический уровень). Стандарт 1xEV-DO содержится в отдельном документе (C.S0024).
Оба стандарта, 1xEV-DO и 1xEV-DV, внесли изменения в управление сетью, повышающие эффективность ее работы. В системах 1xEV-DO базовая станция всегда передает сигнал на полной мощности, и скорость передачи данных будет зависеть от уровня мощности в месте приема. Каждый телефон (подвижная станция) посылает базовой станции запрос на скорость передачи данных в пределах каждого временного слота, и базовая станция решает, какой телефон получит очередной пакет. Кроме того, базовая станция следит за средним уровнем запросов на скорость передачи для каждого работающего телефона. Если последний запрос скорости передачи от телефона будет больше, чем его средний уровень, то телефон будет выбран для передачи пакета данных, а если меньше, то он получит меньший приоритет.
Таким образом, данные обычно передаются телефону, работающему также или лучше своего среднего уровня, что максимизирует суммарную передачу данных в сети. Период ожидания обслуживания у каждого телефона получается разный, но, сетевой алгоритм определения предпочтительного телефона принимает во внимание время ожидания и не допускает длительного простоя.
Эффективная работа CDMA-систем возможна только при условии адаптивного регулирования мощности излучения как базовой, так и подвижных станций. Иначе, ближайший к базовой станции телефон создавал бы недопустимо большие помехи для остальных телефонов.
В системах 1xEV-DV управление мощностью в прямом канале (от базовой станции к подвижной станции) при передаче голоса происходит также как в cdma2000, с пошаговым изменением уровня мощности. Однако пакеты данных передают с постоянным уровнем мощности, а при ухудшении условий связи просто снижают скорость передачи. Телефон постоянно передает информацию о качестве канала связи на базовую станцию, которая использует ее и другие показатели для установления скорости передачи данных на телефон. Базовая станция получает больше возможностей по адаптации скорости передачи данных к существующим условиям, чем это допускается в стандарте 1xEV-DO.
Другим улучшением в системах 1xEV является применение более эффективного по сравнению со сверточным кодом кодирования с исправлением ошибок. Также, в случае достаточной мощности в канале связи, для передачи пакетов данных применяются виды модуляции высшего порядка (8-PSK или 16-QAM). Эти виды модуляции требуют больше затрат энергии в расчете на бит (при неизменном уровне шума и помех), но обеспечивают большую скорость передачи данных.
разные структуры кадров
Две системы 1xEV имеют разную структуру кадров в прямом канале. В 1xEV-DO кадр длительностью 26,67 мс разделен на 16 слотов (по 1,67 мс каждый), и в каждом слоте применяется мультиплексирование с разделением по времени (Time-Division Multiplexing, TDM). В зависимости от формата пакета, для его передачи могут понадобиться 1, 2, 4, 8, или 16 слотов. Все 16 кодов Уолша (кодовых каналов) предназначены для передачи пакетов данных. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мб/с.
В стандарте 1xEV-DV, также как и в cdma2000, используется кадр длительностью 20 мс, который делится на 16 слотов по 1,25 мс. Субпакеты данных занимают 1, 2, или 4 временных слота. Каналы данных разделяются по времени от слота к слоту, но, в отличие от 1xEV-DO, не имеют внутренней структуры TDM в каждом слоте. Хотя, стандарт 1xEV-DV разрешает выделенные для передачи данных кодовые каналы разделить пополам, что делает возможным обслуживание двух абонентов одновременно в одном слоте. В 1xEV-DV количество выделенных для передачи данных кодов Уолша может меняться от 1 до 28 (из 32-х). Скорость передачи данных может составлять от 81,6 кб/с до 3,1 Мб/с.
В обеих системах структура обратного канала (от подвижной станции к базовой станции) очень похожа по форме на структуру обратного канала cdma2000. Хотя некоторые функции доработаны для нужд новых систем. Например, в 1xEV-DO отсутствует канал для передачи в сеть информации по управлению мощностью в прямом канале, но применяется выделенный канал для запросов на скорость передачи данных. В обоих стандартах, 1xEV-DO и 1xEV-DV, в канале обратного трафика вместо сверточного кодирования применяется кодирование с исправлением ошибок.
новые каналы управления данными в стандарте 1xEV-DV
Чтобы подчеркнуть разницу между 1xEV-DV и предыдущей версией cdma2000, на рисунке 1 показана структура прямого канала 1xEV-DV, на которой добавленные каналы выделены красным цветом. "Конфигурациями на выбор" (Radio configurations) называют предустановленные форматы передачи для параметров физического уровня, таких как скорость передачи данных, количество Уолш-кодов (ортогональных каналов), число бит в пакете и вид модуляции. Настройка "Radio Configuration 10" была определена в 1xEV-DV для прямого канала передачи пакетных данных (Forward Packet Data Channels, F-PDCH) и для прямого канала управления пакетными данными (Forward Packet Data Control Channels, F-PDCCH). F-PDCCH обеспечивает телефон сигналами управления, а F-PDCH передает пакеты данных.
Рисунок 1.
На рисунке 2 показана структура обратного канала 1xEV-DV, на которой также выделены добавленные каналы. В ответ на данные, полученные в прямом канале управления пакетными данными, по обратному каналу подтверждения (Reverse Acknowledgement Channel) с телефона на базовую станцию передаются сигналы подтверждения. Канал индикации качества в составе обратного канала (Reverse Channel Quality Indicator Channel) используется телефоном для информирования базовой станции о качестве принимаемого телефоном сигнала в пилот-канале (Forward Link Pilot Channel), и для индикации переключения между базовыми станциями.
Рисунок 2.
чувствительность к ошибкам
Как было сказано ранее, в обеих системах 1xEV применяются виды модуляции высшего порядка (8-PSK и 16-QAM), в отличие от стандарта cdma2000, в котором единственным применяемым видом модуляции была QPSK. Виды модуляции высшего порядка позволяют увеличить скорость передачи данных, используя более плотное "заселение" пространства сигналов. Для представления группы из n битов с помощью M символов (состояний сигнала) понадобится 2n однозначно определяемых символа. Одним из способов является кодирование каждого символа сигналами с одинаковой амплитудой, но с разной фазой. Такой способ называется фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying, PSK). В случае квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) каждый из 4-х символов представляет 2 бита, для 8-PSK каждый символ представляет 3 бита. При модуляции 16-QAM для кодирования символов используются изменения, как фазы, так и амплитуды, и каждый символ представляет 4 бита.
Однако, по мере увеличения числа символов в пространстве символов, расстояние между ними уменьшается (при той же мощности сигнала), что делает такие методы модуляции более чувствительными к шуму. В идеальном (но полностью нереальном) мире демодулятор приемника всегда будет детектировать символ в единственной бесконечно малой выборочной точке в центре ограниченной области каждого символа. Конечно, такого никогда не произойдет, потому что шум, искажения и другие виды помех вносят неопределенность в положение символа и детектирование происходит в точке, отличной от идеального местоположения. Ухудшение сигнала вследствие случайного шума, АМ/АМ- или АМ/ФМ-искажений, межсимвольной интерференции и взаимных помех приводит к невозможности точного определения символа.
На рисунке 3 показаны положения символов и относительная устойчивость к шуму применяемых в 1xEV-DV трех видов модуляции. Очевидно, что модуляция 16-QAM больше всего подвержена воздействию шума и требует от приемника наиболее точного соответствия заданным характеристикам.
Рисунок 3.
Можно принять, что если приемник прошел проверку демодуляции для 16-QAM, то он пройдет тесты и для QPSK или 8-PSK, а вот обратное утверждение – неверно. Устройства, работающие в cdma2000, могут не подключиться к сети стандарта 1xEV на высоких скоростях передачи данных.
По материалам компании "Юнитест".
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 04 за 2005 год в рубрике технологии
