ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ <<Βελτιστοποίηση της παρεχόµενης υπηρεσίας (QoS) δικτύου κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενεάς (3G), τεχνολογίας WCDMA>> ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΚΑΝΙΑΤΣΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΤΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ Α.Μ ΦΟΙΤΗΤΗΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωµατική εργασία µε θέµα: << Βελτιστοποίηση της παρεχόµενης υπηρεσίας (QoS) δικτύου κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενεάς (3G), τεχνολογίας WCDMA>> Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΓΚΑΝΙΑΤΣΟΥ του ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ Α.Μ Παρουσιάσθηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 17/10/2008 Ο Επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα Σ. Κωτσόπουλος, Καθηγητής Ν. Φακωτάκης, Καθηγητής 3

4 4

5 Πρόλογος Στόχος της διπλωµατικής αυτής είναι η παρουσίαση τεχνικών στα πλαίσια της ιαχείρισης Ραδιοπόρων µε σκοπό την βελτιστοποίηση της παρεχόµενης υπηρεσίας (QoS), σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 3 ης γενιάς. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µια εισαγωγή στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και µια ιστορική αναδροµή. Στη συνέχεια παρουσιάζεται µια επισκόπηση της τεχνολογίας του CDMA και γίνεται καταγραφή και ανάλυση τεχνικών RRM. Στο σύστηµα UMTS είναι αφιερωµένο ολόκληρο το δεύτερο κεφάλαιο. Το UMTS εξετάζεται από πλευράς αρχιτεκτονικής και πρωτοκόλλων. Το handover ως βασικό στοιχείο της ιαχείρισης Ραδιοπόρων µελετάται στο τρίτο κεφάλαιο. Ιδιαίτερη αναφορά και µελέτη γίνεται για το Soft Handover, ως το βασικό Handover του συστήµατος WCDMA, που χρησιµοποιείται προκειµένου να διασφαλιστεί η απαιτούµενη υπηρεσία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περνάµε στην multicast µετάδοση. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζουµε την αποδοτική επιλογή καναλιού (Efficient Channel Selection), µε στόχο την διασφάλιση του ίδιου QoS για όσο το δυνατόν περισσότερους χρήστες κάνοντας την καλύτερη δυνατή διαχείριση των πόρων του συστήµατος. Τέλος το πέµπτο κεφάλαιο αφιερώνεται στην συνολική παρουσίαση των συµπερασµάτων που έχουν εξαχθεί στα προηγούµενα κεφάλαια. Ευχαριστίες Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διευθυντή του Εργαστηρίου Ασυρµάτου Τηλεπικοινωνίας και επιβλέποντα της διπλωµατικής εργασίας καθηγητή κ. Σταύρο Κωτσόπουλο, χωρίς την κατάρτιση και βοήθεια του οποίου η εργασία δε θα είχε λάβει ποτέ την ολοκληρωµένη της µορφή. Ιδιαιτέρως ευχαριστώ τον κ. Ιωάννη Φραίµη, µεταπτυχιακό φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών για το πλούσιο υλικό που µου παρείχε και για την υποστήριξη και συµµετοχή του στην όλη προετοιµασία αυτού του έργου. Τελειώνοντας, ένα µεγάλο ευχαριστώ στα άτοµα του στενού µου περιβάλλοντος, για την κατανόηση και την στήριξη που µου παρείχαν. 5

6 6

7 ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ 2G-2 nd Generation 3G-3 rd Generation 4G-4 th Generation AAL-ATM Adaptation Layer AC-Admission Control AMPS-Advanced Mobile Phone Service ARQ-Automatic Repeat Request ATM-Asynchronous Transfer Mode B(T)S-Base (Transceiver) Station BER-Bit Error Rate BLER-Block Error Ratio BCCH-Broadcast Control Channel BCH-Broadcast Channel CCCH-Common Control Channel CCH-Common Channel CCPCH-Common Control Physical Channel CDMA- Code Division Multiple Access CN-Core Network CPICH-Common Pilot Channel CS-Circuit Switched CTCH-Common Traffic Channel DCCH-Dedicated Control Channel DCH-Dedicated Channel 7

8 DL Downlink DRNC-Drift RNC DPCCH- Dedicated Physical Control Channel DPCH- Dedicated Physical Channel DPDCH- Dedicated Physical Data Channel DRNC- Drift Radio Network Controller DRNS- Drift Radio Network Subsystem DSCH- Downlink Shared Channel DTCH- Dedicated Traffic Channel EDGE- Enhanced Data Rates for Global Evolution ETSI- European Telecommunications Standards Institute FACH- Forward Access Channel FDD- Frequency Division Duplex FDMA-Frequency Division Multiple Access GGSN- Gateway GPRS Support Node GPRS- General Packet Radio Services GSM- Global System for Mobile Communications HLR- Home Location Register HSCSD- High-Speed Circuit-Switched Data HSDPA- High Speed Downlink Packet Access HS-DSCH- High-Speed Downlink Shared Channel IMT International Mobile Telecommunications 2000 IP-Internet Protocol IS-136- D-AMPS, US-TDMA system IS-95- cdmaone, US-CDMA system 8

9 ISDN- Integrated Services Digital Network ITU- International Telecommunications Union L1-Layer 1 L2-Layer 2 L3-Layer 3 LA-Location Area LOS-Line Of Sight M3UA- MTP3 User Adaptation Layer MAC- Medium Access Control MS-Mobile Station MUD-Multiuser Detection MSC- Mobile Services Switching Center MSID- Mobile Station Identifier MTP3- Message Transfer Part Level 3 NMT- Nordic Mobile Telephone NTT- Nippon Telephone and Telegraph OSI- Open Systems Interconnection P- CCPCH- Primary Common Control Physical Channel P- CPIH- Primary Common Pilot Channel PCCCH- Paging Common Control Channel PCCH- Paging Control Channel PCH- Paging Channel PDCP- Packet Data Convergence Protocol PRACH- Physical Random Access Channel PTM- Point to Multipoint 9

10 PS- Packet Switched PSTN- Public Telephone Switched Network QoS- Quality of Service RACH- Random Access Channel RANAP- Radio Access Network Application Part RLC- Radio Link Control RNC- Radio Network Controller RNS- Radio Network Subsystem RNSAP- Radio Network Sublayer Application Part RRM- Radio Resource Management S- CCPCH- Secondary Common Control Physical Channel S- CPICH- Secondary Common Pilot Channel SHO-Soft Handover SGSN- Serving GPRS Support Node SIR- Signal to Interference Ratio SRNC- Serving RNC SRNS- Serving RNS TCP- Transport Control Protocol TDD- Time Division Duplex TDMA- Time Division Multiple Access UDP- User Datagram Protocol UE- User Equipment UL-Uplink UMTS- Universal Mobile Telecommunications System UTRA- Universal Terrestrial Radio Access 10

11 UTRAN- UTRA Network VLR- Visitor Location Register WARC- World Administrative Radio Conference WCDMA- Wideband CDMA 11

12 12

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ Πρόλογος 5 Συντοµογραφίες 7 Κεφάλαιο1:Εισαγωγή ίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας Αναλογικά συστήµατα κινητής τηλεφωνίας 1 ης γενιάς ίκτυα κινητής τηλεφωνίας 2 ης γενιάς και Συστήµατα κινητών επικοινωνιών 3 ης γενιάς και µετά Στόχοι και απαιτήσεις Εναέριες διεπαφές και κατανοµή φάσµατος G συστήµατα και µετά Επισκόπηση της CDMA τεχνολογίας Αρχές της εξάπλωσης φάσµατος CDMA ιαχείριση Ραδιοπόρων 28 Κεφάλαιο 2: Το ίκτυο UMTS: Αρχιτεκτονική και Λειτουργική οµή Χαρακτηριστικά του δικτύου UMTS Φάσµα συχνότητας για το UMTS Η δοµή του UMTS ιεπαφές πρωτοκόλλων και αρχιτεκτονική Τα κανάλια του UTRAN 51 Κεφάλαιο 3: Τα Handovers στο UMTS Soft Handover and Softer Handover SRNS Relocation Hard Handover Intersystem Handovers Το Soft Handover στο UMTS Μοντέλα συστηµάτων Περιβάλλον Ραδιοδιάδοσης Μοντέλο ραδιοκαναλιού 65 13

14 3.7 Ανάλυση Παρεµβολής Κάτω Ζεύξης Ενδοκυψελική και διακυψελική παρεµβολή Κατανοµή ισχύος κάτω ζεύξης Κατανοµή ισχύος χωρίς SHO Κατανοµή ισχύος µε SHO Συµπεράσµατα 80 Κεφάλαιο 4: Αποδοτική Επιλογή Καναλιού κατά τη multicast µετάδοση Εισαγωγή στον έλεγχο ισχύος του WCDMA Έλεγχος ισχύος και κανάλια µετάδοσης Κατανοµή ισχύος για κοινά κανάλια ελέγχου Κατανοµή ισχύος για DCH Η περίπτωση του ενός κελιού Αποτελέσµατα Ανάλυσης Η περίπτωση πολλαπλών κελιών Κατανοµή ισχύος για το HS-DSCH Ταυτόχρονη Ύπαρξη HS-DSCH και DCH καναλιών Σηµείο εναλλαγής µεταξύ DCH και FACH καναλιών Σηµείο εναλλαγής µεταξύ DCH και HS-DSCH καναλιών Συµπεράσµατα 102 Κεφάλαιο 5 Συµπεράσµατα 104 Βιβλιογραφία 106 Προτεινόµενη βιβλιογραφία για περαιτέρω µελέτη

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ίκτυα κινητής τηλεφωνίας Αναλογικά συστήµατα κινητής τηλεφωνίας 1 ης γενιάς Το 1980 η εποχή της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας είχε αρχίσει και από τότε οι κινητές τηλεπικοινωνίες έχουν γνωρίσει µεγάλη ανάπτυξη, µέσα από ένα φάσµα αλλαγών. Το σχήµα 1.1 παρουσιάζει την ανάπτυξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Τα συστήµατα κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς, χρησιµοποιούσαν αναλογική µετάδοση για υπηρεσίες φωνής. Το 1979 το πρώτο κυψελοειδές σύστηµα στο κόσµο τέθηκε σε λειτουργία από την Νippon Telephone and Telegraph (NTT) στο Τόκυο, Ιαπωνία. Το σύστηµα χρησιµοποιούσε στα κανάλια διπλής κατεύθυνσης (duplex) µε ένα φάσµα 30 MHz στη ζώνη των 800 MHz µε χωρισµό καναλιών 25 ΚΗz.Το διευρυµένο TACS χρησιµοποιήθηκε το ύο χρόνια αργότερα η κυψελοειδής εποχή έφτασε στην Ευρώπη. Τα δύο πιο δηµοφιλή αναλογικά συστήµατα ήταν το Nordic Mobile Telephones (NMT) και Total Access Communication Systems (ΤΑCS).To 1981,το σύστηµα NMT-450 δόθηκε στο εµπόριο από την NMT στη Σκανδιναβία. Το σύστηµα λειτουργούσε στη ζώνη των 450 MHz και 900 MHz µε ένα συνολικό εύρος ζώνης των 10 MHz.Το TACS, που τέθηκε σε λειτουργία στο Ηνωµένο Βασίλειο το 1982,λειτουργούσε στα 900 MHz σε µια ζώνη των 25 ΜΗz για κάθε µονοπάτι και µε εύρος ζώνης καναλιού 25 ΚΗz. Το διευρυµένο ΤΑCS αναπτύχθηκε το 1985.Εκτός από τα ΝΜΤ και ΤΑCS,µερικά άλλα αναλογικά συστήµατα αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1980 στην Ευρώπη.Για παράδειγµα στη Γερµανία το κυψελοειδές σύστηµα C-450,που λειτουργούσε στα 450 ΜΗz και στα 900ΜΗz,αναπτύχθηκε το Σεπτέµβριο του 1985.Όλα αυτά τα συστήµατα προσέφεραν δυνατότητες µεταγωγής κλήσεων και περιαγωγής αλλά τα κυψελοειδή δίκτυα ήταν αδύνατο να συνεργαστούν µεταξύ διαφορετικών χωρών. Αυτό ήταν ένα από τα αναπόφευκτα µειονεκτήµατα των δικτύων κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς. Στις ΗΠΑ, το ΑΜΡS (Advanced Mobile Phone System) υλοποιήθηκε το 1982.Το σύστηµα χρησιµοποιούσε 40 ΜΗz εύρος ζώνης, µέσα σε µια ζώνη συχνοτήτων από τα 800 ως τα 900 ΜΗz.Το 1988 ένα επιπρόσθετο εύρος ζώνης 10 ΜΗz,ονοµασµένο ως διευρυµένο φάσµα (Expanded Spectrum - ES),αφιερώθηκε στο ΑΜΡS ίκτυα κινητής τηλεφωνίας 2 ης γενιάς και φάσης 2+ Τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G) εµφανίστηκαν στο τέλος της δεκαετίας του 1980.Παράλληλα µε τις παραδοσιακές υπηρεσίες φωνής, υποστηρίζουν και υπηρεσίες δεδοµένων χαµηλού ρυθµού µετάδοσης. Σε αυτά τα συστήµατα προτιµήθηκε η ψηφιακή µετάδοση, έναντι της αναλογικής. Συνεπώς σε σύγκριση µε τα συστήµατα πρώτης γενιάς, τα συστήµατα 2G προσέφεραν υψηλότερη εκµετάλλευση φάσµατος,καλύτερες υπηρεσίες δεδοµένων και αναπτυγµένες δυνατότητες περιαγωγής. Στην Ευρώπη το παγκόσµιο σύστηµα για κινητές 15

16 επικοινωνίες (GSM) αναπτύχθηκε για την παροχή ενός ενοποιηµένου προτύπου. Έτσι έγινε δυνατή η δηµιουργία seamless υπηρεσιών στην Ευρώπη µέσω διεθνούς περιαγωγής. Το πρώτο GSM σύστηµα λειτουργούσε στη ζώνη των 900 ΜΗz µε συνολικό εύρος ζώνης 50ΜΗz.Μέσω διαρκούς ανάπτυξης περισσοτέρων από 20 ετών, η τεχνολογία GSM βελτιώνεται συνεχώς ώστε να προσφέρει καλύτερες υπηρεσίες στην αγορά. Νέες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί βασισµένες στο αρχικό σύστηµα GSM,που οδήγησαν στα συστήµατα 2.5G.Ως τώρα το GSMείναι το µεγαλύτερο σύστηµα κινητών επικοινωνιών παγκοσµίως,αποτελώντας τεχνολογική επιλογή για περισσότερες από 190 χώρες µε 787 εκατοµµύρια συνδροµητές παγκοσµίως. Σχήµα 1.1 Εξέλιξη δικτύων κινητής τηλεφωνίας Στις ΗΠΑ υπήρξαν τρία στάδια ανάπτυξης των κινητών συστηµάτων δεύτερης γενιάς.το πρώτο ψηφιακό σύστηµα εµφανίστηκε το 1991και ήταν το IS-54 (North America TDMA Digital Cellular),µια νέα έκδοση του οποίου εµφανίστηκε το 1996 προσφέροντας επιπρόσθετα υπηρεσίες (IS-136).Εν τω µεταξύ,το IS-95 (cdmaone) εµφανίστηκε το 1993.Η οµοσπονδιακή επιτροπή Επικοινωνιών Ηνωµένων Πολιτειών (FCC) πούλησε ένα νέο κοµµάτι φάσµατος στη ζώνη των 1900 ΜΗz (PCS),επιτρέποντας τη δηµιουργία του GSM1900 στην αµερικάνικη αγορά. Στην Ιαπωνία καθορίστηκε το 1990,το προσωπικό κυψελωτό σύστηµα (PDC) αρχικά γνωστό ως Ιαπωνικό κυψελωτό σύστηµα. Οι εµπορικές υπηρεσίες άρχισαν το 1993 στα 800 ΜΗz και το 1994 στα 1.5 GHz από την ΝΤΤ. Ο πίνακας 1.1 παρουσιάζει τις 16

17 τεχνικές παραµέτρους των τεσσάρων τυπικών συστηµάτων κινητών επικοινωνιών δεύτερης γενιάς. Πίνακας 1.1 Τεχνικές παράµετροι ψηφιακών συστηµάτων δεύτερης γενιάς Σήµερα τα συστήµατα 2-G κυριαρχούν ακόµη στη βιοµηχανία κινητών επικοινωνιών παγκοσµίως. Όµως οι απαιτήσεις από την µεγάλη κίνηση στις κινητές επικοινωνίες και την ανάπτυξη νέων εφαρµογών, οδηγούν στην ανάπτυξη και εφαρµογή συστηµάτων τρίτης γενιάς (3G).Tα νέα συστήµατα, όπως το HSCSD (HighSpeed Circuit Switched Data) το GPRS (General Packet Radio Service) και το IS-95B συχνά αναφέρονται συστήµατα 2.5G.Το HSCSD,το GPRS και το EGDE βασίζονται στο αρχικό σύστηµα GSM.Το HSCSD είναι η αρχική βελτιώση της εναέριας διεπαφής του GSM.Συνδέει τις θυρίδες δεδοµένων του GSM ώστε να αποδώσει ένα θεωρητικό µέγιστο ρυθµό µετάδοσης 57.6Kbits/s(συνδέοντας 4x14.4Kbits/s χρονοθυρίδες πλήρους ρυθµού).το HSCSD προσφέρει συµµετρικές και ασύµµετρες υπηρεσίες και είναι σχετικά εύκολο στην υλοποίηση του. Πάντως το HSCSD δεν είναι οικονοµικά ανταγωνιστικό διότι κάθε χρονοθυρίδα αποτελεί πρακτικά και κανάλι GSM. Ακολουθώντας το HSCSD,το GPRS είναι το επόµενο βήµα εξέλιξης της εναέριας επαφής του GSM.Εκτός από την µίξη χρονοθυρίδων, προτείνονται 4 νέοι τρόποι κωδικοποίησης καναλιών. Το GPRS προσφέρει υπηρεσίες µεταγωγής πακέτων, συνεχώς ενεργοποιηµένες µε χρήση του εύρους ζώνης µόνο όταν χρειάζεται. Έτσι, το GPRS παρέχει πρόσβαση διαδικτύου στο GSM µε υψηλή αποδοτικότητα φάσµατος µοιράζοντας τις χρονοθυρίδες µεταξύ διαφορετικών χρηστών. Θεωρητικά το GPRS µπορεί να υποστηρίξει ρυθµούς δεδοµένων ως 160 Kbps (αν και το παρόν εµπορικό GPRS φτάνει στα 40 Kbps).H ανάπτυξη του GPRS δικτύου δεν είναι τόσο απλή όσο του HSCSD διότι πρέπει να αναβαθµιστεί και το βασικό δίκτυο. Το EDGE χρησιµοποιεί την τηλεπικοινωνιακή δοµή του GSM και τον χειρισµό TDMA αλλά µε µια νέα µορφή διαµόρφωσης, 8QPSK αντί για GMSK, ώστε να 17

18 αυξάνεται 3 φορές ο όγκος δεδοµένων µε τον ίδιο ρυθµό µετάδοσης. Το EDGE σε συνδυασµό µε το GPRS θα αποδώσει ρυθµούς της τάξης των 384Kbps ανά χρήση Συστήµατα κινητών επικοινωνιών 3 ης γενιάς και µετά. Η τεράστια επιτυχία των 2G τεχνολογιών ωθεί τα κινητά δίκτυα σε υπερβολικά γρήγορη ανάπτυξη καθώς η αυξανόµενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση φτάνει την χωρητικότητα του δικτύου σε οριακό στάδιο. Επιπρόσθετα, η ισχυρή ώθηση που υπάρχει για χρήση νέων εφαρµογών όπως η ασύρµατη πρόσβαση διαδικτύου και η βιντεο-κλήση έχουν δηµιουργήσει την ανάγκη για ένα καθολικό πρότυπο στους υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης 3G.Το σχήµα 1.2 παρουσιάζει τις απαιτήσεις για ρυθµούς µετάδοσης για κάποιες εφαρµογές που προορίζονται για τα 3G δίκτυα. Οι περισσότερες από τις νέες υπηρεσίες απαιτούν ρυθµούς ως 2 Mbit/s. Σχήµα 1.2 Απαιτήσεις ρυθµού µετάδοσης bit για µερικές 3G εφαρµογές Ως αποτέλεσµα, η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών (ITU) αναπτύσσει το 3G από το 1985.Τα 3G δίκτυα αναφέρονται ως IMT-2000 ( ιεθνής κινητή τηλεφωνία) στην ITU και ως UMTS (Καθολικές Υπηρεσίες κινητών τηλεπικοινωνιών) στην Ευρώπη. Στον ETSI (Ευρωπαικό ινστιτούτο τηλεπικοινωνιακών προτύπων) η διαδικασία δηµιουργίας προτύπων για το UMTS άρχισε το

19 Στόχοι και απαιτήσεις Τα συστήµατα 3G έχουν σχεδιαστεί για εφαρµογές πολυµέσων:η διαπροσωπική επικοινωνία µπορεί να βελτιωθεί µε υψηλής ποιότητας εικόνα και βίντεο. Επίσης, η πρόσβαση στις υπήρεσιες και στις πληροφορίες σε δηµόσια και ιδιωτικά δίκτυα θα βελτιωθεί από τους υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης και τις νέες ευέλικτες δυνατότητες των συστηµάτων αυτών. Τα συστήµατα 3G µπορούν να προσφέρουν ταυτόχρονα πολλαπλές υπηρεσίες στον χρήστη και υπηρεσίες µε διαφορετικά επίπεδα ποιότητας (QoS). Οι κύριοι στόχοι για το IMT-2000 είναι οι: -Πλήρης κάλυψη και φορητότητα κινητών επικοινωνιών στα 144 Kbps (και στ 384 Kbps προτιµότερα) -Μειωµένη κάλυψη και φορητότητα στα 2Mbps -Συµµετρική και ασσύµετρη µετάδοση δεδοµένων -Προσφορά συνδέσεων µε µεταγωγή κυκλώµατος και µεταγωγή πακέτων - υνατότητα µετάδοσης κίνησης µε πρωτόκολλα διαδικτύου (IP) -Παγκόσµια δυνατότητα περιαγωγής -Υψηλή εκµετάλλευση φάσµατος σε σχέση µε τα υπάρχοντα συστήµατα -Μεγάλη ευελιξία για τις νέες υπηρεσίες Οι στόχοι για τους ρυθµούς µετάδοσης έχουν καθοριστεί σύµφωνα µε το ψηφιακό δίκτυο ολοκληρωµένων υπηρεσιών (ISDN).O ρυθµός 144 Kbps προσφέρει ISDN 2Β+D καναλιών ενώ τα 384 Kbps προσφέρουν το ISDN HO και τα 1.92 Mbps το ISDN H12.Το σχήµα 1.3 παρουσιάζει τη σχέση µεταξύ ρυθµού µετάδοσης και φορητότητας για διάφορα συστήµατα. 19

20 Σχήµα 1.3 Ρυθµός χρήστη συναρτήσει κάλυψης και κινητικότητας Εναέριες διεπαφές και κατανοµή φάσµατος Με το πλαίσιο εργασίας του IMT-2000, διάφορες διεπαφές έχουν καθοριστεί για τα συστήµατα 3G, βασισµένα στην τεχνολογία CDMA ή TDMA. Επί του παρόντος, υπάρχουν πέντε διεπαφές καθορισµένες από την ITU και είναι στην φάση καθορισµού προτύπων όπως δείχνει το σχήµα 1.4 Σχήµα 1.4 Εναέριες διεπαφές IMT

21 Ανάµεσα σε αυτές τις διεπαφές, το WCDMA έχει υιοθετηθεί ως η τεχνολογία πρόσβασης στις ραδιοεπικοινωνίες του UMTS. Επίσης χρησιµοποιείται στην Ασία συµπεριλαµβανοµένων της Ιαπωνίας και της Κορέας. Περισσότερες λεπτοµέρειες για το WCDMA θα παρουσιαστούν σε επόµενη παράγραφο. Το CDMA πολλαπλών φορέων (cdma 2000) µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως αναβάθµιση για το υπάρχον IS- 95. To 1992, το WARC κατένειµε τις ζώνες συχνοτήτων MHz και MHz για τα συστήµατα IMT-2000, και στο WRC 2000 προστέθηκαν δύο ακόµη ζώνες και MHz.Πάντως, η κάθε χώρα έχει τη δική της χρήση λόγω των διαφορετικών επιλογών εναέριων διεπαφών του 3G. Σχήµα 1.5 Κατανοµή φάσµατος σε διάφορες χώρες G συστήµατα και µετά Οι τρέχουσες τεχνολογίες 3G αρχίζουν να γίνονται εµπορικά διαθέσιµες, για παράδειγµα το Hutchison στη Μεγάλη Βρετανία ξεκίνησε το 3G µέσα στο Με το πέρασµα του χρόνου, τα συστήµατα µετά το 3G (Β3G) προσελκύουν όλο και περισσότερο ενδιαφέρον. Πολλές παγκόσµιες κοινότητες όπως το ITU-R WP8F Vision Group και το WWRF ερευνούν τα Β3G συστήµατα. Το 2002, η ITU-R WP8F διεξήγαγε το ένατο συνέδριο µε τίτλο υνατότητες συστηµάτων µετά το 3G. Το σχήµα 1.6 παρουσιάζει τις αναµενόµενες δυνατότητες για B3G συστήµατα. Υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης µε µεγαλύτερη φορητότητα θα χρειαστούν για µελλοντικές εφαρµογές. 21

22 Σχήµα 1.6 Συστήµατα µετά το 3G (Πηγή:ITU-R M.[FPLMTS.REVAL]) Εν τω µεταξύ, τα κινητά δίκτυα τέταρτης γενιάς 4G, έχουν ήδη προταθεί. Αν και δεν υπάρχει καθολικός ορισµός για το τι θα αποτελεί την 4G τεχνολογία και ποιο θα είναι το χαρακτηριστικό σηµείο της, το όραµα της 4G τεχνολογίας αναπτύσσεται, µε τη βοήθεια διαφορετικών απόψεων ανά τον κόσµο. Στην Ασία, το 4G προβλέπεται ως µια εναέρια διεπαφή που θα υποστηρίζει µέχρι 100 Mbps ρυθµούς για υψηλή φορητότητα και 1Gbps για χαµηλή. Στις ΗΠΑ, το 4G αναµένεται να είναι ο συνδυασµός του ασύρµατου δικτύου τοπικής πρόσβασης (WLAN) και του ΙΕΕΕ Στην Ευρώπη το 4G αντιµετωπίζεται ως ένα δίκτυο µέσα σε άλλα δίκτυα που περιλαµβάνει διασύνδεση µεταξύ των δικτύων και των διαφόρων συσκευών. Σε αυτό τον τύπο δικτύου, οι ακόλουθες διαφορετικές τεχνολογίες θα µπορούσαν να συνυπάρξουν µε seamless συνδέσεις. -Κυψελωτή κινητή τηλεφωνία (2, 2.5, 3G) -Ασύρµατο LAN (IEEE x) - ίκτυο προσωπικής περιοχής (Bluetooth) -Ψηφιακή ευρεία µετάδοση (βίντεο, ήχος, DVB, DAB) - Ασύρµατο δίκτυο οικιακής ψυχαγωγίας 22

23 -Πολυτροπικές υπηρεσίες Το σχήµα 1.7 παρουσιάζει την ιδέα ενός ετερογενούς δικτύου Σχήµα 1.7 Ετερογενές δίκτυο µε διασυνεργασία πρόσβασης Στο µέλλον, οι ασύρµατες επικοινωνίες θα κινηθούν προς την κατεύθυνση των παγκοσµίων επικοινωνιών πράγµα που απαιτεί ευέλικτες δικτυακές δοµές και δυναµική προσαρµογή στις απαιτήσεις που αλλάζουν. 1.2 Επισκόπηση της CDMA τεχνολογίας Αρχές της εξάπλωσης φάσµατος (CDMA) Tα συστήµατα ψηφιακών επικοινωνιών σχεδιάζονται ώστε να µεγιστοποιηθεί η χρήση χωρητικότητας των καναλιών. Από την αρχή χωρητικότητας καναλιού του Shannon όπως εκφράζεται στην 1.1 είναι προφανές ότι η χωρητικότητα µπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας το εύρος ζώνης του καναλιού. S C = Bi log(1 + ) (1.1) N 23

24 Όπου Β είναι το εύρος ζώνης (Hz), C είναι η χωρητικότητα καναλιού (bit/s),s είναι η ισχύς του σήµατος και Ν η ισχύς του θορύβου. Έτσι για ένα συγκεκριµένο λόγο σήµατος προς θόρυβο η χωρητικότητα αυξάνεται αν το εύρος ζώνης που χρησιµοποιείται για την µεταφορά της πληροφορίας αυξηθεί. Το CDMA είναι µια τεχνολογία που διευρύνει το αρχικό σήµα σε ένα σήµα ευρείας ζώνης πριν τη µετάδοση. Το CDMA συχνά ονοµάζεται ως Πολλαπλή πρόσβαση διευρυµένου φάσµατος (SSMA). Ο λόγος του µεταδιδόµενου εύρους ζώνης ως προς το εύρος ζώνης πληροφορίας ονοµάζεται processing κερδος Gp (επίσης ονοµάζεται και παράγων διεύρυνσης) Bt Gp = ή Bi B Gp = (1.2) R Όπου Βt είναι το εύρος ζώνης µετάδοσης, Βi το εύρος ζώνης της πληροφορίας που περιέχει το σήµα, Β το Rf εύρος ζώνης και R ο ρυθµός πληροφορίας. Συσχετίζοντας το λόγο S/N µε τον Εb/Io όπου Εb είναι η ενέργεια ανά bit και Ιο η φασµατική πυκνότητα ισχύος θορύβου, οδηγούµαστε στο: S Eb R Eb 1 = = N Io B Io Gp (1.3) Έτσι, για συγκεκριµένο Εb/Ιο όσο υψηλότερο είναι το Gp τόσο µικρότερος λόγος απαιτείται. Στο αρχικό CDMA σύστηµα γίνεται περίπου 5 MHz. Στο CDMA, κάθε χρήστης έχει µια µοναδική ακολουθία κωδικού (κωδικός διεύρυνσης) που χρησιµοποιείται για την διεύρυνση του σήµατος πληροφορίας σε σήµα ευρείας ζώνης πριν τη µετάδοση. Ο δέκτης γνωρίζει την κωδική ακολουθία για κάθε χρήστη και µπορεί συνεπώς να αποκωδικοποιήσει και να ανακτήσει τα αρχικά δεδοµένα. ιεύρυνση και συµπίεση Η διεύρυνση και η συµπίεση είναι µια από τις πιο βασικές διαδικασίες στα DS- CDMA συστήµατα, όπως φαίνεται στο σχήµα 1.8. Εδώ, υποθέτουµε ότι τα δεδοµένα του χρήστη είναι µια ακολουθία bit ρυθµού R µε διαµόρφωση BPSK. H διαδικασία διεύρυνσης είναι ο πολλαπλασιασµός κάθε bit µε ακολουθία n κωδικών bit που ονοµάζονται chips. Εδώ, n=8 και ο παράγων διεύρυνσης είναι 8 συνεπώς. Το ίδιο υποθέτουµε για την BPSK διαµόρφωση διεύρυνσης. Τα τελικά διευρυµένα δεδοµένα 24

25 είναι σε ρυθµό 8 R και έχουν την ίδια τυχαία εµφάνιση (σαν ψευδο-θόρυβος) όπως ο κώδικας διεύρυνσης. Ο αυξηµένος, κατά έναν παράγοντα 8, ρυθµός δεδοµένων αντιστοιχεί σε µια διεύρυνση (επί 8) του κατελειµµένου φάσµατος του σήµατος. Το διευρυµένο σήµα στη συνέχεια θα µεταδοθεί στον δέκτη µέσω του ραδιοδιαύλου. Σχήµα 1.8 ιεύρυνση και συµπίεση Κατά τη συµπίεση η διευρυµένη ακολουθία δεδοµένων/chip πολλαπλασιάζεται για κάθε bit µε τα 8 κωδικά chip που χρησιµοποιήθηκαν κατά τη διαδικασία της διεύρυνσης. Όπως παρουσιάζεται, τα αρχικά δεδοµένα ανακτώνται δίχως κανένα σφάλµα. Πολλαπλή πρόσβαση Ένα δίκτυο κινητών επικοινωνιών είναι σύστηµα πολλών χρηστών όπου ένας µεγάλος αριθµός χρηστών µοιράζεται µια κοινή πηγή για τη µετάδοση και τη λήψη πληροφοριών. Η δυνατότητα πολλαπλής πρόσβασης είναι συνεπώς βασικό στοιχείο. Η διεύρυνση φάσµατος του µεταδιδόµενου σήµατος δίνει τη δυνατότητα πολλαπλής πρόσβασης για CDMA συστήµατα. Το σχήµα 1.9 παρουσιάζει τρείς διαφορετικές τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης: TDMA, FDMA, CDMA Σχήµα 1.9 Τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης 25

26 Στο FDMA (Πολλαπλή πρόσβαση µε επιµερισµό συχνότητας) τα σήµατα για τους διαφορετικούς χρήστες µεταδίδονται το καθένα σε διαφορετικό κανάλι µε διαφορετική συχνότητα διαµόρφωσης. Στο TDMA ( Πολλαπλή πρόσβαση µε επιµερισµό χρόνου) τα σήµατα για διαφορετικούς χρήστες µεταδίδονται σε διαφορετικές χρονοθυρίδες. Με αυτές τις δύο τεχνολογίες, ο µέγιστος αριθµός χρηστών που µπορούν να µοιραστούν τα φυσικά κανάλια ταυτόχρονα είναι σταθερός. Όµως, στο CDMA, τα σήµατα για τους διαφορετικούς χρήστες µεταδίδονται στην ίδια ζώνη συχνοτήτων ταυτόχρονα. Κάθε σήµα δρα ως παρεµβολή στο σήµα των άλλων χρηστών και συνεπώς η χωρητικότητα του CDMA συστήµατος σχετίζεται άµεσα µε το επίπεδο της παρεµβολής. εν υπάρχει σταθερός µέγιστος αριθµός και χρησιµοποιείται ο όρος soft χωρητικότητα Το σχήµα 1.10 παρουσιάζει ένα παράδειγµα του πως οι χρήστες µπορούν να έχουν ταυτόχρονα πρόσβαση σε ένα CDMA σύστηµα. Στον δέκτη ο χρήστης 2 συµπιέζει το σήµα του στην αρχική του µορφή στενής ζώνης αλλά κανείς άλλος δεν κάνει το ίδιο. Αυτό συµβαίνει διότι οι ετεροσυσχετίσεις µεταξύ των κωδικών των χρηστών είναι µικρές. Η σύµφωνη ανίχνευση θα συµπεριλάβει στο σήµα πληροφορίας µόνο την ισχύ του επιθυµητού σήµατος και ένα µικρό τµήµα από τα σήµατα των υπολοίπων χρηστών. Το Gp, σε συνδυασµό µε την ευρυζωνική φύση της διαδικασίας, προσδίδουν οφέλη στα CDMA συστήµατα όπως η υψηλή αποδοτικότητα φάσµατος και η soft χωρητικότητα. Πάντως αυτά τα οφέλη απαιτούν προσεκτική διαχείριση ισχύος και σταδιακή µεταγωγή για να αποφευχθεί η επικάλυψη των διαφόρων σηµάτων. Η διαχείριση ισχύος και η σταδιακή µεταγωγή θα αναλυθούν σε επόµενη παράγραφο. Σχηµα 1.10 Πρόσβαση χρηστών σε σύστηµα CDMA 26

27 Χαρακτηριστικά του WCDMA Το ευρυζωνικό CDMA (WCDMA) έχει υιοθετηθεί από το UMTS ως η τεχνολογία πολλαπλής πρόσβασης και επίσης αναφέρεται γήινη ραδιοπρόσβαση του UMTS (ULTRA). Αυτή η παράγραφος εξετάζει τις αρχές της εναέριες διεπαφής του WCDMA. Ειδική προσοχή δίνεται στα στοιχεία όπου το WCDMA διαφέρει από το GSM και το IS-95. O πίνακας 1.2 συνοψίζει τις βασικές παραµέτρους που σχετίζονται µε την εναέρια διεπαφή του WCDMA. Μερικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν το WCDMA είναι τα: -Το WCDMA είναι ένα ευρυζωνικό CDMA σύστηµα. Τα bit πληροφορίας µεταδίδονται µε µεγάλο εύρος ζώνης (5 MHz) πολλαπλασιαζόµενα µε κωδικούς διεύρυνσης και ανακτώνται µε αποκωδικοποιήση στον δέκτη. -Ο ρυθµός chip της τάξης των 3.84 Mchips/s οδηγεί σε εύρος ζώνης φορέα της τάξης των περίπου 5 MHz. Στο GSM το εύρος ζώνης φορέα είναι µόνο 200 KHz. Ακόµα και στο CDMA στενού εύρους ζώνης, όπως το ΙS-95, το εύρος ζώνης φορέα είναι µόνο 1.25 MHz. Το µεγάλο εύρος ζώνης φορέα του WCDMA υποστηρίζει υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης και έχει οφέλη απόδοσης όπως η µεγάλη ευελίξια διαδροµών. -Το WCDMA υποστηρίζει πολλούς µεταβλητούς ρυθµούς µετάδοσης για τους χρήστες. Με άλλα λόγια η ιδέα του εύρους ζώνης κατά ζήτηση (ΒοD) υποστηρίζεται αρκετά. Σε κάθε χρήση κατανέµονται πλαίσια των 10 ms, κτά την διάρκεια των οποίων ο ρυθµός δεδοµένων µένει σταθερός, η χωρητικότητα δεδοµένων όµως µπορεί να αλλάζει από πλαίσιο σε πλαίσιο. -Το WCDMA υποστηρίζει δύο βασικούς τρόπους λειτουργίας. Τον αµφίδροµο επιµερισµό συχνότητας FDD και τον αµφίδροµο επιµερισµό χρόνου TDD. Με το FDD, ξεχωριστοί φορείς των 5 MHz χρησιµοποιούνται για την άνω ζεύξη και την ζεύξη αντίστοιχα ενώ στο TDD µόνο µία ζώνη 5 MHz µοιράζεται χρονικά µεταξύ δύο ζεύξεων. -Το WCDMA υποστηρίζει την λειτουργία ασύγχρονων σταθµών βάσης. Σε αντιδιαστολή µε το σύγχρονο IS-95, δεν υπάρχει ανάγκη για παγκόσµια χρονική αναφορά, όπως στο GPS, και έτσι διευκολύνεται η ανάπτυξη µικρών σταθµών βάσης. -Το WCDMA χρησιµοποιεί σύµφωνη φώραση στην ανάγκη της κάτω ζεύξης βασιζόµενο στη χρήση συµβόλων οδηγών ή κοινών οδηγών. Στο IS-95 η σύµφωνη φώραση χρησιµοποιείται µόνο στην κάτω ζεύξη. Η χρήση της στην άνω ζεύξη θα οδηγήσει σε συνολική αύξηση κάλυψης και χωρητικότητας της άνω ζεύξης. Αυτό καθιστά την κάτω ζεύξη πιθανότερη στο να συµφορίσει το σύστηµα. 27

28 -Η εναέρια διεπαφή του WCDMA έχει κατασκευαστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε οι ιδέες για αναπτυγµένους δέκτες CDMA, όπως η ανίχνευση πολλαπλών χρηστών (MUD) [Ver86][OPH98][JL00] και οι έξυπνες προσαρµοζόµενες κεραίες, [VMB00] [LA01], να µπορούν να χρησιµοποιηθούν από τους χειριστές των δικτύων σαν επιλογείς για την αύξηση της χωρητικότητας και/ή της κάλυψης. Στα περισσότερα 2G συστήµατα δεν υπάρχει πρόβλεψη για τέτοιες ιδέες. -Το WCDMA έχει σχεδιαστεί για να αναπτυχθεί σε συνδυασµό µε το GSM. Γι αυτό οι µεταγωγές µεταξύ του GSM και του WCDMA υποστηρίζονται. Πίνακας 1.2 Βασικές παράµετροι WCDMA 1.3 ιαχείριση ραδιοπόρων RRM στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών Το RRM στα 3G δίκτυα είναι υπεύθυνο για την βελτίωση της χρήσης των πόρων των εναέριων διεπαφών. Οι στόχοι του RRM συνοψίζονται ως εξής: -Εξασφάλιση του QoS για διάφορες υπηρεσίες - ιατήρηση της προβλεπόµενης κάλυψης -Βελτιστοποίηση χωρητικότητας του συστήµατος Στα 3G δίκτυα, η εκ των προτέρων κατανοµή των πόρων και η υπερδιαστασιοποίηση του δικτύου δεν είναι πλέον εφικτή λόγω της µη προβλέψιµης ζήτησης και των µεταβλητών απαιτήσεων της κάθε υπηρεσίας. Έτσι, η διαχείριση των πόρων απαρτίζεται από δύο µέρη: Την ρύθµιση τους και την επαναρύθµιση. Η ρύθµιση είναι υπεύθυνη για την σωστή κατανοµή των πόρων στις νέες αιτήσεις που προκύπτουν στο σύστηµα ώστε το δίκτυο να µην υπερφορτώνεται και να παραµένει ευσταθές. Αλλά, καθώς τα 3G δίκτυα µπορούν να παρουσιάσουν συµφόριση λόγω της φορητότητας των χρηστών, η επαναρύθµιση απαιτείται στο δίκτυο όταν το φορτίο αυξάνεται ή αρχίζει να εµφανίζεται συµφόριση. Η επαναρύθµιση είναι υπεύθυνη για 28

29 την επιστροφή του υπερφορτωµένου συστήµατος γρήγορα και ελέγξιµα στο αρχικό προβλεπόµενο φορτίο Λειτουργίες του RRM Το RRM µπορεί να χωριστεί στον έλεγχο ισχύος, στην µεταγωγή, έλεγχος αποδοχής, και λειτουργίες ελέγχου φορτίου. Το σχήµα 1.11 παρουσιάζει τις τυπικές τοποθεσίες των λειτουργιών του RRM σε ένα WCDMA δίκτυο. Σχήµα 1.11 Τυπικές τοποθεσίες RRM λειτουργιών σε WCDMA δίκτυο Ο έλεγχος ισχύος είναι απαραίτητο µέρος όλων των συστηµάτων κινητών επικοινωνιών λόγω προβληµάτων διάρκειας της µπαταρίας και για λόγους ασφαλείας, αλλά στα CDMA συστήµατα, ο έλεγχος ισχύος είναι απαραίτητος λόγω της περιορισµένης από παρεµβολές φύσης του CDMA. Στο αργό GSM (συχνότητα περίπου 2 Hz) ενσωµατώνεται ο έλεγχος ισχύος. Στο IS-95 χρησιµοποιείται γρήγορος έλεγχος ισχύος µε 800 Hz για την άνω ζεύξη αλλά στην κάτω ζεύξη χρησιµοποιείται αργός έλεγχος ισχύος (σχεδόν 50 Hz). Στο WCDMA υποστηρίζεται γρήγορος έλεγχος ισχύος µε 1.5KHz για την άνω και κάτω ζεύξη. Ο ακριβής και γρήγορος έλεγχος ισχύος είναι πολύ βασικός για τα συστήµατα WCDMA. Οι λόγοι που χρησιµοποιείται ο έλεγχος ισχύος διαφέρουν για την άνω και την κάτω ζεύξη. Οι στόχοι του ελέγχου συνοψίζονται ως εξής: -Αντιστάθµιση του κοντινού-µακρινού (near-far) φαινοµένου στην άνω ζεύξη -Βελτιστοποίηση χωρητικότητας συστήµατος µε έλεγχο της παρεµβολής -Μεγιστοποίηση διάρκειας µπαταρίας κινητών µονάδων (δεν θα ασχοληθούµε περισσότερο µε το τελευταίο) 29

30 Το σχήµα 1.12 παρουσιάζει το κοντινό-µακρινό πρόβληµα στην άνω ζεύξη. Σήµατα από διαφορετικά MSs µεταδίδονται στην ίδια ζώνη συχνοτήτων ταυτόχρονα στα WCDMA συστήµατα. Χωρίς έλεγχο ισχύος, το σήµα που προέρχεται από τον MS που είναι πιο κοντά στον BS µπορεί να εµποδίσει σήµατα από άλλα MSs που είναι πιο µακριά από τον ΒS. Στην χειρότερη περίπτωση ένας MS µε περισσότερη ισχύ από το κανονικό, θα µπορούσε να µπλοκάρει ένα ολόκληρο κύτταρο. Η λύση είναι η εφαρµογή ελέγχου ισχύος ώστε να εξασφαλισθεί ότι τα σήµατα που προέρχονται από διαφορετικούς σταθµούς έχουν ίση ισχύ ή το ίδιο SIR (λόγος σήµατος προς παρεµβολή) όταν φθάνουν στον BS. Σχήµα 1.12 Επιδράσεις κοντινού-µακρινού φαινοµένου στο UL Στην κάτω ζεύξη, δεν υπάρχει κοντινό-µακρινό φαινόµενο λόγω του σεναρίου ένα προς πολλά. Ο έλεγχος ισχύος είναι υπεύθυνος για την αντιστάθµιση της ενδοκυτταρικής παρεµβολής που συµβαίνει στα κινητά, ειδικά σε όσα βρίσκονται στα όρια του κυττάρου όπως φαίνεται στο σχήµα Επιπρόσθετα ο έλεγχος ισχύος στην κάτω ζεύξη είναι υπεύθυνος για την ελαχιστοποίηση της συνολικής παρεµβολής διατηρώντας το QoS στην επιθυµητή τιµή. Σχήµα 1.13 Αντισταθµίζοντας την ενδοκυτταρική παρεµβολή ( έλεγχος ισχύος στο DL) 30

31 Στο σχήµα 1.13 το κινητό 2 έχει περισσότερη ενδοκυτταρική παρεµβολή από το κινητό 1. Έτσι, για την επίτευξη του στόχου, όσον αφορά την ποιότητα, περισσότερη ισχύς πρέπει να δοθεί στην κάτω ζεύξη µεταξύ του BS και του κινητού 2. Υπάρχουν τρεις τύποι ελέγχου στα συστήµατα WCDMA: Έλεγχοι ισχύος ανοιχτού βρόχου, έλεγχος ισχύος κλειστού βρόχου και ελέγχου ισχύος εξωτερικού βρόχου. 1 Έλεγχος ισχύος ανοιχτού βρόχου Ο Έλεγχος ισχύος ανοιχτού βρόχου χρησιµοποιείται στο UMTS FDD για την ρύθµιση της αρχικής ισχύος του κινητού. Το κινητό υπολογίζει προσεγγιστικά τις απώλειες διαδροµής µεταξύ του σταθµού βάσης και του κινητού µετρώντας την ισχύ του λαµβανοµένου σήµατος χρησιµοποιώντας ένα κύκλωµα ελέγχου αυτοµάτου κέρδους (AGC). Σύµφωνα µε αυτό τον υπολογισµό για τις απώλειες διαδροµής το κινητό αποφασίζει την ισχύ µετάδοσης για την άνω ζεύξη. Ο έλεγχος κέρδους ανοιχτού βρόχου είναι αποτελεσµατικός σε TDD σύστηµα επειδή η άνω και η κάτω ζεύξη έχουν κανάλια σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων και η εξασθένιση Rayleigh είναι ανεξάρτητη στις δύο ζεύξεις. Άρα ο έλεγχος ισχύος ανοιχτού βρόχου πολύ λίγο µπορεί να αντισταθµίσει την εξασθένιση λόγω απόστασης. Γι αυτό χρησιµοποιείται µόνο για την αρχική ρύθµιση ισχύος στα FDD συστήµατα. 2 Έλεγχος ισχύος κλειστού βρόχου Ο έλεγχος ισχύος κλειστού βρόχου, ονοµάζεται και γρήγορος έλεγχος ισχύος στα WCDMA συστήµατα, είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της εκπεµποµένης ισχύος του MS (άνω ζεύξη) ή του σταθµού βάσης (κάτω ζεύξη) ώστε να αντισταθµιστεί η εξασθένιση του ραδιοδίαυλου και να επιτευχθεί το SIR ( λόγος σήµατος προς παρεµβολή ) που θέτει ως στόχο ο εξωτερικός βρόχος. Για παράδειγµα, στην άνω ζεύξη, ο σταθµός βάσης συγκρίνει το λαµβανόµενο SIR από τον MS µε το επιθυµητό SIR για κάθε χρονοθυρίδα (0.666 ms). Αν ο λαµβανόµενος SIR είναι µεγαλύτερος του επιθυµητού ο BS εκπέµπει µια TCP εντολή στον MS µέσω του αφιερωµένου καναλιού της κάτω ζεύξης. Αν όµως είναι µικρότερος τότε ο BS αποστέλλει στον MS µια TCP εντολή. Επειδή η συχνότητα του ελέγχου ισχύος κλειστού βρόχου είναι πολύ γρήγορη, µπορεί να αντισταθµίσει την γρήγορη και την αργή εξασθένιση. 3 Έλεγχος ισχύος εξωτερικού βρόχου Ο έλεγχος ισχύος εξωτερικού βρόχου χρειάζεται για να διατηρήσει την ποιότητα της επικοινωνίας στα επιθυµητά επίπεδα θέτοντας ως στόχο τον γρήγορο έλεγχο ισχύος κλειστού βρόχου. Στοχεύει στο να προσφέρει την απαιτούµενη ποιότητα, ούτε µικρότερη ούτε µεγαλύτερη. Η συχνότητα του είναι τυπικά Hz. Το σχήµα 1.14 παρουσιάζει τον γενικό αλγόριθµο του ελέγχου ισχύος εξωτερικού βρόχου. 31

32 Σχήµα 1.14 Γενικός αλγόριθµος ελέγχου ισχύος εξωτερικού βρόχου Ο έλεγχος ισχύος εξωτερικού βρόχου συγκρίνει την λαµβανόµενη ποιότητα µε την απαιτούµενη. Συνήθως η ποιότητα καθορίζεται από έναν συγκεκριµένο ρυθµό λανθασµένων bit ( BER) ή ρυθµό λανθασµένων πλαισίων (FER). Η σχέση µεταξύ του SIR που ζητάµε και την ποιότητα που ζητάµε εξαρτάται από την ταχύτητα του κινητού και το προφίλ πολλαπλών διαδροµών. Αν η λαµβανόµενη ποιότητα είναι καλύτερη, αυτό σηµαίνει ότι το τρέχον SIR είναι υψηλό αρκετά για να εξασφαλίσει το απαιτούµενο QoS. Για να ελαχιστοποιηθεί το άνω περιθώριο, το απαιτούµενο SIR πρέπει να µειωθεί. Πάντως, αν η λαµβανόµενη ποιότητα είναι χειρότερη του επιθυµητού, ο SIR πρέπει να αυξηθεί ώστε να εξασφαλισθεί το ζητούµενο QoS. Έλεγχος µεταγωγής Ο έλεγχος µεταγωγής είναι απαραίτητο στοιχείο των συστηµάτων των κινητών κυψελωτών επικοινωνιών. Η φορητότητα προκαλεί δυναµικές µεταβολές στη ποιότητα της σύνδεσης και επίπεδα παρεµβολών στα κυψελωτά συστήµατα, και µερικές φορές απαιτείται να αλλάξουν κάποιοι χρήστες σταθµό βάσης. Αυτή η αλλαγή ονοµάζεται µεταγωγή. Μια πιο λεπτοµερής ανάλυση θα γίνει σε επόµενο κεφάλαιο. 32

33 Έλεγχοι αποδοχής Αν ο φόρτος της εναέριας διεπαφής επιτραπεί να αυξηθεί υπερβολικά, η περιοχή κάλυψης του κελιού µειώνεται από την προβλεπόµενη ( cell breathing ) και του QoS των συνδέσεων δεν µπορεί να εξασφαλισθεί. Ο λόγος του cell breathing είναι η περιορισµένη λόγω παρεµβολών φύση του CDMA. Έτσι, πριν την αποδοχή µιας νέας σύνδεσης, ο έλεγχος αποδοχής πρέπει να ελέγξει ότι η αποδοχή της νέας σύνδεσης δε θα θυσιάσει την προσχεδιασµένη περιοχή κάλυψης ή το QoS των υπάρχοντων. Ο έλεγχος αποδοχής δέχεται ή απορρίπτει µια αίτηση για την πραγµατοποίηση µιας σύνδεσης στο ραδιοδίαυλο. Η δυνατότητα αυτή βρίσκεται στο RNC όπου υπάρχουν οι πληροφορίες για το φορτίο πολλών κελιών. Ο αλγόριθµος για τον έλεγχο αποδοχής υπολογίζει την αύξηση φορτίου που θα προκαλούσε στο δίκτυο η πραγµατοποίηση της συνδέσεως. Ο υπολογισµός εφαρµόζεται και για την άνω και για την κάτω ζεύξη. Η αποδοχή θα συµβεί µόνο αν ο έλεγχος αποδοχής και για τις δύο ζεύξεις πραγµατοποιήσει την αποδοχή, αλλιώς θα απορριφθεί λόγω της υπερβολικής παρεµβολής που προσθέτει στο δίκτυο. ιάφορα σχήµατα για τον έλεγχο αποδοχής έχουν προταθεί. Μια πρόταση θεωρεί την χρήση της συνολικής λαµβανοµένης ισχύος από το σταθµό της βάσης ως το πρωτεύον κριτήριο αποδοχής για την άνω ζεύξη. Σε µια άλλη πρόταση ένας αλγόριθµος ελέγχου αποδοχής χρησιµοποιείται για την κάτω ζεύξη βασισµένος στην συνολική ισχύ µετάδοσης της κάτω ζεύξης. Γενικά ο έλεγχος αποδοχής έχει δύο στρατηγικές: Ευρυζωνική αποδοχή βασισµένη στην ισχύ και αποδοχή βασισµένη στον όγκο που µεταδίδεται. Σχήµα 1.15 Καµπύλη φορτίου Ο νέος χρήστης απορρίπτεται αν το νέο επίπεδο παρεµβολής είναι υψηλότερο από την τιµή κατωφλιού reject : I + I > I total _ old threshold admit : I + I < I total _ old threshold (1.4) 33

34 Η τιµή κατωφλιού είναι η ίδια µε τη µέγιστη αύξηση θορύβου για την άνω ζεύξη και µπορεί να καθοριστεί µε τον σχεδιασµό του δικτύου. reject : n + L > n total _ old threshold admit : n + L < n total _ old threshold (1.5) Στην στρατηγική ελέγχου αποδοχής µε βάση τον όγκο των δεδοµένων (διεκπεραιωτική ικανότητα) ο νέος αιτών χρήστης δεν γίνεται αποδεκτός αν το νέο συνολικό φορτίο είναι µεγαλύτερο της τιµής κατωφλιού. Πρέπει να σηµειωθεί ότι επειδή ο έλεγχος αποδοχής εφαρµόζεται ξεχωριστά για την άνω και κάτω ζεύξη, η κάθε κατεύθυνση µπορεί να ακολουθεί διαφορετική στρατηγική. Έλεγχος φορτίου ( έλεγχος συµφόρισης ) Ένας σηµαντικός στόχος της λειτουργίας διαχείρισης των ραδιοπηγών είναι να εξασφαλισθεί ότι το σύστηµα δεν θα υπερφορτωθεί και θα παραµείνει ευσταθές. Αν το σύστηµα σχεδιαστεί σωστά, και ο έλεγχος αποδοχής λειτουργεί σωστά, οι περιπτώσεις υπερφόρτωσης πρέπει να είναι σπάνιες. Όµως στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, η υπερφόρτωση σε κάποιο σηµείο είναι αναπόφευκτη διότι οι ραδιοπηγές δεν µπορούν να κατανεµηθούν εκ των προτέρων στο δίκτυο. Όταν συµβαίνει υπερφόρτωση, ο έλεγχος φορτίου, ονοµαζόµενος και έλεγχος συµφόρισης, επιστρέφει το σύστηµα γρήγορα και ελέγξιµα στο προβλεπόµενο φορτίο, που καθορίζεται από τον αρχικό σχεδιασµό. Οι πιθανές ενέργειες ελέγχου φορτίου ώστε να µειωθεί ή να ισορροπηθεί το φορτίο αναφέρονται παρακάτω: -Μη αποδοχή εντολών του MS για αύξηση ισχύος της κάτω ζεύξης -Μείωση του ζητουµένου Εb/Io για την άνω ζεύξη χρησιµοποιώντας γρήγορο έλεγχο ισχύος στην άνω ζεύξη -Αλλαγή µεγέθους της οµαλής µεταγωγής ώστε να εξυπηρετεί περισσότερους χρήστες -Μεταγωγή σε άλλον WCDMA φορέα ( ενδο-συχνοτικη µεταγωγή ) -Μεταγωγή σε επικαλυπτόµενο δίκτυο ( άλλο UMTS ή GSM δίκτυο ) Μείωση ρυθµού µετάδοσης για τους χρήστες εκείνη τη στιγµή, π.χ. AMR codec οµιλίας -Μείωση του όγκου των πακέτων που µεταδίδονται ( όχι σε πραγµατικό χρόνο ) 34

35 -Απόρριψη κλήσεων µε ελεγχόµενο ρυθµό Οι πρώτες δύο ενέργειες στη λίστα, είναι γρήγορες και λαµβάνουν χώρα µέσα στον BS. Μπορούν να γίνουν σε µια χρονοθυρίδα, π.χ. 1.5 KHz συχνότητα και να προσφέρουν ρύθµιση προτεραιότητας για τις διάφορες υπηρεσίες. Η Τρίτη ενέργεια, η αλλαγή του µεγέθους της ζώνης οµαλής µεταγωγής, είναι χρήσιµη ειδικά σε δίκτυα περιορισµένα ως προς την κάτω ζεύξη και θα αναλυθεί σε άλλο σηµείο. Οι άλλες ενέργειες ελέγχου φορτίου είναι τυπικά πιο αργές. Η ενδόσυχνοτική µεταγωγή και η διασυστηµική µεταγωγή µπορούν να υπερκεράσουν την υπερφόρτωση ισορροπώντας το φορτίο. Η τελική ενέργεια είναι να απορριφθούν οι χρήστες πραγµατικού χρόνου ( π.χ. χρήστες δεδοµένων µεταγωγής οµιλίας ή κυκλώµατος ), ώστε να µειωθεί το φορτίο. Αυτή η ενέργεια γίνεται µόνο όταν το φορτίο του δικτύου παραµένει αρκετά υψηλό ακόµη και αν άλλες ενέργειες ελέγχου φορτίου έχουν πραγµατοποιηθεί νωρίτερα. Η εναέρια διεπαφή του WCDMA και η αναµενόµενη αύξηση της κίνησης του µη-πραγµατικού χρόνου στα 3G δίκτυα, δίνουν µια µεγάλη επιλογή από δυνατές ενέργειες για τον χειρισµό περιπτώσεων υπερφόρτωσης και συνεπώς η ανάγκη για απόρριψη χρηστών πραγµατικού χρόνου θα πρέπει να εµφανίζεται σπάνια. Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό δίνει µια σύντοµη περιγραφή της εξέλιξης των δικτύων κινητών επικοινωνιών και παρουσιάζει τις βασικές αρχές της CDMA τεχνολογίας και τις λειτουργίες διαχείρισης των ραδιοπόρων. Ως κρίσιµο στοιχείο της διαχείρισης ραδιοπόρων, η µεταγωγή περιγράφεται σε επόµενο κεφάλαιο. 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΟ ΙΚΤΥΟ UMTS: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΟΜΗ Ο σχεδιασµός του UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει ως στόχο το συγκερασµό των πλεονεκτηµάτων των νέων τεχνολογιών και των ευκολιών που προσφέρει η κινητή τηλεφωνία, όπου δε µας ενδιαφέρει µόνο το κοµµάτι της τηλεφωνίας (ως επικοινωνία φωνής) αλλά και αυτό των εφαρµογών πολυµέσων. Έτσι για τα συστήµατα τηλεπικοινωνιών 3 ης γενιάς έχει τεθεί ως πρωταρχικός στόχος η αύξηση των δυνατοτήτων και της λειτουργικότητας των κινητών τερµατικών του χρήστη, από τα οποία υπάρχει πλέον απαίτηση µεταξύ άλλων να παρέχουν πλούσιες σε ήχο και εικόνα εφαρµογές πολυµέσων. Η χρονική µετάβαση σε αυτή τη γενιά συστηµάτων δε µπορεί να καθοριστεί µε ακρίβεια καθώς θα εξαρτηθεί από τις ανάγκες και τις απαιτήσεις της αγοράς, η οποία θα αντιµετωπιστεί ξεχωριστά για κάθε ήπειρο αν όχι για κάθε χώρα. Με βάση τα µέχρι τώρα δεδοµένα, αν και έχουν γίνει σηµαντικά βήµατα προόδου στον τοµέα των κινητών επικοινωνιών, υπάρχουν εµφανείς περιορισµοί στους εφικτούς ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων και πληροφορίας, καθώς και στη δυνατότητα παροχής πολύπλοκων υπηρεσιών. Μια από τις πλέον καινοτόµες προτάσεις και παροχές του UMTS δικτύου προς τους χρήστες του είναι αυτή του Ιδεατού Οικείου Περιβάλλοντος (Virtual Home Environment, VHE). Πρόκειται για µια πλατφόρµα η οποία παρέχει µια πλειάδα δοµικών στοιχείων και εργαλείων για τον ορισµό υπηρεσιών στους κοµιστές και στους παρόχους, έτσι ώστε να µπορούν να επεκτείνουν τις ήδη υπάρχουσες υπηρεσίες για να είναι συµβατές στο νέο περιβάλλον αλλά και να δηµιουργήσουν εντελώς καινούριες. Με τον τρόπο αυτό επιχειρείται να παρέχεται στο κινητό τερµατικό του χρήστη όλη η λειτουργικότητα και η προσωποποίηση στις υπηρεσίες που αυτός απολαµβάνει στο σπίτι ή στο χώρο εργασίας του, παράλληλα µε την ικανότητα να κινείται. Για τη συνολική δόµηση του δικτύου UMTS θα χρησιµοποιηθούν αρκετά στοιχεία από το ίκτυο Κορµού (Core Network) του GSM Phase 2+ ( της σηµερινής δηλαδή µορφής που αυτό έχει πάρει και η οποία θεωρούµε ότι ανήκει στο στάδιο 2+ όπου παρέχονται υπηρεσίες GPRS-General Packet Radio Services). Με αυτή τη θεώρηση οι σηµερινοί πάροχοι κινητών τηλεπικοινωνιών αφενός προστατεύουν τις επενδύσεις τους στα συστήµατα 2 ης γενιάς που συνεχίζουν να χρησιµοποιούνται και αφετέρου είναι σε θέση να ανταπεξέλθουν στο κόστος της µετάβασης προς την επόµενη γενιά συστηµάτων. 36

37 2.1 Χαρακτηριστικά του δικτύου UMTS Φάσµα συχνότητας για το UMTS Η χρήση του φάσµατος από τους λειτουργούς του δικτύου αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό παράγοντα για την περαιτέρω εξέλιξη του UMTS. Πρέπει να διατίθεται αρκετό φάσµα ώστε να καλύπτονται οι αυξηµένες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης για την κίνηση που θα προκαλέσει η ανάπτυξη πολύπλοκων εφαρµογών ενώ η χρήση ζευγών συχνοτήτων για λειτουργία Frequency Division Duplex (FDD) θεωρείται επιβεβληµένη. Η κατανοµή του φάσµατος για τις κυριότερες περιοχές του πλανήτη φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα 2.1 Κατανοµή φάσµατος στις κυριότερες περιοχές του πλανήτη 37

38 Στο συνέδριο World Radio Conference(WRC) το 1992 η περιοχή φάσµατος που φαίνεται στο σχήµα 2.2 χρησιµοποιήθηκε για συστήµατα τρίτης γενιάς. Σχήµα 2.2 Το φάσµα για τα 2G και 3G δίκτυα Ένα σύνολο 175MHz για τα επίγεια συστήµατα είναι διαθέσιµο από τα 1880MHz µέχρι τα 1980 MHz,από τα 2010 MHz µέχρι τα 2025MHz και από τα 2110 MHz µέχρι τα 2170 MHz. Επιπροσθέτως δύο τµήµατα των 30 MHz το καθένα είναι διαθέσιµα για δορυφορικά συστήµατα. Για να γίνουν κάποιες συγκρίσεις στην Ευρώπη ένα σύνολο 220 MHz έχει δεσµευτεί για κυψελωτά 2G συστήµατα. Αυτό αποτελείται από 2x10MHz από το / MHz για το GSM900(P-GSM) και 2x25MHz από / MHz για το GSM1800. Στην Ευρώπη, µέρη του φάσµατος έχουν ήδη καταληφθεί από ήδη υπάρχοντα 2G συστήµατα.για παράδειγµα 1880 MHz µέχρι 1900 MHz είναι οι συχνότητες που χρησιµοποιούνται για ψηφιακά ασύρµατα τηλέφωνα που λειτουργούν σύµφωνα µε το DECT πρότυπο. Τα UMTS συστήµατα χρησιµοποιούν ένα εύρος ζώνης καναλιού των 5 MHz. Ένα σύνολο 7 αζευγάρωτων καναλιών καναλιών είναι διαθέσιµο µε τις συχνότητες 1900 MHz µέχρι 1920 MHz και 2010 MHz µέχρι 2025 MHz.Αυτό σηµαίνει ότι ένα κανάλι 5 MHz πρέπει να υλοποιήσει την κατεύθυνση µετάδοσης κινητών σταθµών- σταθµών βάσης (uplink) όπως και για την αντίθετη κατεύθυνση σταθµός βάσης-κινητός σταθµός (downlink). Στο εύρος 1920 MHz µέχρι 1980 MHz 12 κανάλια ζευγαρωµένων φασµάτων είναι διαθέσιµα, π.χ. για κάθε κανάλι 5 MHz σε αυτές τις συχνότητες ένα άλλο κανάλι υπάρχει στις συχνότητες 2110 MHz-2170 MHz. Αυτές οι συχνότητες καλούνται paired-bands. Οι ζευγαρωµένες συχνότητες δορυφόρων δεν έχουν δεσµευτεί ούτε από ένα σύστηµα αλλά ούτε και από έναν χειριστή. 38

39 Στη δέσµευση αδειών µέχρι 6 άδειες πουλήθηκαν για χειρισµό συστηµάτων ζευγαρωµένων συχνοτήτων. Αυτό σηµαίνει ότι κάθε µία από τις έξη άδειες µπορούν να χρησιµοποιήσουν 10 MHz από το uplink ανάµεσα στα 1920 MHz και 1980 MHz όπως και 10 MHz στο αντίστοιχο downlink εύρος ανάµεσα στα 2110 MHz και 2170 MHz. Επιπλέον µε αυτές τις συχνότητες, άδειες δόθηκαν για ένα από τα 7 µη ζευγαρωµένα µπλοκ των 5MHz.Ασσυµετρικές υπηρεσίες Internet έπρεπε να προσφερθούν σε αυτό το προστιθέµενο φάσµα. Σε συγκεκριµένες περιοχές, µερικά από τα µη ζευγαρωµένα µπλοκ έχουν προβλεφθεί για χρήση άνευ άδειας µε εφαρµογές παρόµοιες µε την ασύρµατη τηλεφωνία. Στην Ιαπωνία το εύρος 1900 MHz µέχρι 1920 MHz έχει ήδη δεσµευτεί από την Personal Handyphone Service(PHS),πράγµα που σηµαίνει ότι αυτό το εύρος συχνότητας δεν είναι διαθέσιµο για 3G.Το φάσµα στις Η.Π.Α. ήδη χρησιµοποιείται από µία ποικιλλία 2G συστηµάτων συµπεριλαµβανοµένου και του GSM1900.Έτσι, δεν θα είναι εύκολο για τα Γιαπωνέζικα ή τα Ευρωπαικά 3G συστήµατα να λειτουργήσουν στις Η.Π.Α. Καµία δέσµευση δεν έχει γίνει αν και η κυβέρνηση έχει ιδρύσει µία κρατική υπηρεσία για να αντιµετωπίσει αυτό το πρόβληµα το συντοµότερο δυνατόν. Το 3G φάσµα θα έπρεπε να έχει δεσµευτεί από τα µέσα του 2002 αλλά ακόµα καθυστερεί.3 τµήµατα συζητούνται αυτή την περίοδο:698mhz -960 MHz 1710 MHz MHz 2500 MHz-2690 MHz.Σαν αποτέλεσµα των γεγονότων της 11 ης Σεπτεµβρίου 2001 επανατοποθέτηση των στρατιωτικών και κρατικών συστηµάτων που χρησιµοποιούν φάσµα µεταξύ MHz και MHz έπρεπε να καθυστερήσει η είσοδος του 3G στις Η.Π.Α. Το σχήµα 2.1 δείχνει την υπάρχουσα δέσµευση φάσµατος για τα συστήµατα 2G όπως και των 3G επίγειων συστηµάτων στην Ευρώπη.Το σχέδιο είναι να χρησιµοποιηθεί επιπλέον τµήµατα φάσµατος από το 2005.Σε αυτή τη σύνδεση το UMTS forum συζητά τα πλεονεκτήµατα και τα πλεονεκτήµατα των υπάρχοντων υποψηφίων. Το φάσµα που δείχνει πιο πιθανό αυτή τη δεδοµένη στιγµή είναι αυτό από το 2520 MHz MHz Αν και άλλα συστήµατα λειτουργούν σε αυτό το φάσµα θα ήταν αντίστοιχα εύκολο για να τα µεταφέρουν σε άλλα φάσµατα. Αυτό το µπλοκ άλλων 150 MHz θα µπορούσε να κάνει ικανή την υλοποίηση των περισσότερων σχεδιασµένων εφαρµογών και τοποθετείται κοντά στο δεύτερο υποψήφιο φάσµα( MHz) θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί για τα 3G κατά τη διάρκεια της τρίτης φάσης. Ακόµα η επανατοποθέτηση των υπάρχοντων υποσυστηµάτων σε ένα άλλο εύρος συχνότητας είναι πολύ δύσκολη ακριβή και επίπονη διαδικασία που δεν θα µπορέσει να ολοκληρωθεί µέχρι το 2005 Τα διάφορα σώµατα την ίδια στιγµή ήδη αποφασίζουν αν θα γίνει χρήση των υπάρχοντων 2G φασµάτων για τα 3G συστήµατα. Η 3GPP ήδη προτυποποιεί το UMTS για τη λειτουργία του σε συχνότητες που είχαν δεσµευτεί από το GSM.Σκέψεις γίνονται επίσης και για η λειτουργία σε συχνότητες της τηλεόρασης κάτω από τα 800MHz. Μελέτες έγιναν από την οργάνωση για τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στο πανεπιστήµιο τεχνολογίας του Άαχεν της Γερµανίας έδειξαν ότι µπορεί να ήταν πιθανό κάτω από 39

40 συγκεκριµένες συνθήκες να λειτουργήσουν narrowband 2G συστήµατα όπως το GSM µαζί µε broadband 3G συστήµατα όπως το UMTS στις ίδιες συχνότητες. Αν αυτό ήταν το θέµα οι χειριστές δικτύων θα µπορούσαν είτε να χειριστούν UMTS στις ήδη υπάρχοντες GSM συχνότητες ή αντί για το UMTS να χρησιµοποιήσουν GSM/EDGE τεχνολογία στις νέες συχνότητες 3G.Αυτό µπορούσε να οδηγήσει σε ένα λιγότερο ακριβό τρόπο να κατασκευαστούν και αναπτυχθούν δίκτυα Η δοµή του UMTS Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η αρχιτεκτονική του δικτύου UMTS. Σχήµα 2.3 Η δοµή του UMTS Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήµα, τρία είναι τα βασικά στοιχεία του δικτύου: -Εξοπλισµός Χρήστη (User Equipment) -To ίκτυο Επίγειας Ασύρµατης Πρόσβασης (UTRAN) -Το ίκτυο Κορµού (Core Network) 40

41 Εξοπλισµός Χρήστη (User Equipment) Ο εξοπλισµός χρήστη αποτελείται από τις τερµατικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν στο χρήστη πρόσβαση στις κινητές υπηρεσίες µέσω της ραδιοδιεπαφής. Από αρχιτεκτονικής άποψης, διαιρείται σε δύο τοµείς, οι οποίοι διαχωρίζονται από το σηµείο αναφοράς Cu (βλέπε σχήµα 2.3): -Τοµέας Κινητού Εξοπλισµού (ΜΕ): Αυτός αντιπροσωπεύει τη φυσική οντότητα (π.χ. µια χειροσυσκευή) η οποία µε τη σειρά της υποδιαιρείται στην Οντότητα Κινητού Τερµατισµού (ΜΤ), η οποία επιτελεί τη ραδιοεκποµπή και τη ραδιολήψη, και τον Τερµατικό Εξοπλισµό, ο οποίος περιέχει τις εφαρµογές. Αυτές οι δύο οντότητες µπορεί να βρίσκονται από φυσικής άποψης στην ίδια συσκευή υλισµικού ανάλογα µε τη συγκεκριµένη εφαρµογή. Για παράδειγµα στην περίπτωση της χειροσυσκευής η οποία χρησιµοποιείται για εφαρµογές οµιλίας, τόσο ο ΜΤ όσο και ο ΤΕ συνήθως βρίσκονται στη χειροσυσκευή, ενώ αν η ίδια χειροσυσκευή χρησιµοποιείται σε µια εφαρµογή διαφύλλισης ιστού, η χειροσυσκευή θα περιέχει τον ΜΤ ενώ ο ΤΕ µπορεί να βρίσκεται, για παράδειγµα, σε ένα εξωτερικό φορητό προσωπικό υπολογιστή ο οποίος θα περιέχει τον διαφυλλιστή ιστού. -Την κάρτα USIM: πρόκειται για µια κάρτα η οποία περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες προκειµένου να είναι δυνατή η πρόσβαση στο UMTS και η ταυτοποίηση από αυτό. Η κάρτα USIM είναι αντίστοιχη της κάρτας SIM των δικτύων GSM. Όµως ενώ η χωρητικότητα µιας κάρτας SIM είναι 8 ή 32 Κbytes, η χωρητικότητα της κάρτας USIM είναι τέτοια ώστε να µπορεί να αποθηκεύει προσωπικά δεδοµένα της τάξης των Mbytes. UTRAN Η αρχιτεκτονική του UTRAN φαίνεται στο σχήµα 2.4. Αποτελείται από Radio Network Subsystems (RNSs) τα οποία συνδέονται στο ίκτυο Κορµού (Core Network) µέσω της διεπαφής Iu η οποία συµπίπτει µε το σηµείο αναφοράς Iu στην αρχιτεκτονική του δικτύου UMTS. Κάθε RNS είναι υπεύθυνο για τη µετάδοση και τη λήψη πάνω από ένα σύνολο από UMTS κύτταρα. Η σύνδεση µεταξύ του RNS και του UE γίνεται µέσω της Uu ή ραδιοδιεπαφής. Τα RNSs περιλαµβάνουν έναν αριθµό από κόµβους Β ή σταθµούς βάσης και έναν Radio Network Controller (RNC), συνδεδεµένων µέσω των διεπαφών Ιub.Oι RNCs οι οποίοι ανήκουν σε διαφορετικά RNSs είναι διασυνδεδεµένoι µέσω της διεπαφής Iur. Ένας κόµβος Β αποτελεί το τερµατικό σηµείο µεταξύ της ραδιοδιεπαφής και του δικτύου και µπορεί να αποτελείται από ένα ή και περισσότερα κύτταρα ή τοµείς. Σύµφωνα µε την ορολογία 3GPP, ένα κύτταρο αποτελεί την µικρότερη οντότητα ραδιοδικτύου, η οποία έχει τον δικό της αριθµό αναγνώρισης, γνωστό ως αναγνωριστικό κυψέλης. Ένα κύτταρο θεωρείται ως ένα Σηµείο Πρόσβασης UTRAN µέσω του οποίου αποκαθίστανται ραδιοζεύξεις µε τους UE. Από λειτουργικής άποψης, το κύτταρο εκτελεί τις διεργασίες µετάδοσης και λήψης πάνω από την ραδιοδιεπαφή. 41

42 Ο RNC είναι ο κόµβος υπεύθυνος για τον έλεγχο της χρήσης των Ραδιοπόρων στους κόµβους Β που βρίσκονται υπό τον έλεγχο του, οπότε είναι η κυρίως οντότητα όπου εκτελούνται οι αλγόριθµοι ιαχείρισης Ραδιοπόρων (RRM) UMTS. Σχήµα 2.4 Αρχιτεκτονική UTRAN Η πλειοψηφία των λειτουργιών που σχετίζονται µε την ραδιοδιεπαφή εκτελούνται στον RNC µε εξαίρεση τις διεργασίες φυσικής λήψης και φυσικής µετάδοσης και κάποιες συγκεκριµένες MAC (Medium Access Control) λειτουργίες οι οποίες εκτελούνται στον κόµβο Β. Στην πλευρά δικτύου, ο RNC διαλειτουργεί µε το CN µέσω της διεπαφής Iu και αποκαθιστά, διατηρεί και απολύει τις συνδέσεις µε τα στοιχεία του CN τα οποία χρειάζονται οι UE υπό τον έλεγχο του προκειµένου να παραλάβουν τις υπηρεσίες UMTS. Επιπροσθέτως, όπως φαίνεται και από το σχήµα 2.4, είναι επίσης δυνατόν ένας RNC να διαλειτουργεί µε τα Υποσυστήµατα Σταθµού Βάσης (Base Station Subsystems- BSSs) τα οποία αποτελούν το GERAN (GSM/EGDE Radio Access Network) µέσω της διεπαφής Iur-g. Αυτή η διαλειτουργία επιτρέπει την εκτέλεση των CRRM (Common Radio Resource Management) αλγορίθµων µεταξύ του UMTS και των GSM/GPRS συστηµάτων. 42

43 Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά της λειτουργίας του UTRAN είναι τα εξής: Υποστήριξη όλων των λειτουργιών που συµβαίνουν µέσα στο δίκτυο, όπως soft handover, WCDMA-specific Radio Resource Management. Μεγιστοποίηση των κοινών χαρακτηριστικών στο χειρισµό των δεδοµένων που δροµολογούνται µέσω των τµηµάτων του δικτύου τα οποία υποστηρίζουν µεταγωγή κυκλώµατος (circuit-switched) και µεταγωγή πακέτου (packet-switched). Σκοπός είναι η ύπαρξη µίας µόνο στοίβας πρωτοκόλλων και της χρήσης της ίδιας διεπαφής για την επικοινωνία των τµηµάτων αυτών µε το UTRAN. Μεγιστοποίηση των κοινών χαρακτηριστικών µε το GSM. Χρήση ATM τεχνολογίας για τη µεταφορά των δεδοµένων µέσα στο UTRAN. ίκτυο Κορµού (Core Network) Το Core Network (CN) είναι το δίκτυο κορµού του UMTS συστήµατος. Καλύπτει όλες εκείνες τις λειτουργίες του δικτύου που δε σχετίζονται µε πρόσβαση στο ασύρµατο κανάλι. Μερικές από τις λειτουργίες µπορούν να είναι η εγκαθίδρυση και η διαχείριση µιας σύνδεσης καθώς και η παρακολούθηση της γεωγραφικής θέσης του UE µε σκοπό την ταχύτερη δροµολόγηση των κλήσεων. Σε ότι αφορά το σχεδιασµό και την υλοποίηση του CN δικτύου (Σχήµα 2.5) θα πρέπει να αναφερθεί ότι αυτό φέρει αρκετές οµοιότητες µε το GSM/GPRS δίκτυο καθώς έχει κατά κάποιο τρόπο επεκτείνει τις λειτουργίες του τελευταίου. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι δόθηκε περισσότερο βάρος στο σχεδιασµό των διεπαφών και της τεχνολογίας για την ασύρµατη πρόσβαση στο δίκτυο, έτσι ώστε να µπορούν να υποστηρίζονται οι υπηρεσίες που θα προσέφερε ένα σύστηµα 3ης γενιάς. Βέβαια στη συνέχεια εµφανίστηκαν κάποιες σηµαντικές αλλαγές στην αρχιτεκτονική του CN δικτύου δίνοντας την εντύπωση, για τον ερχοµό ενός πλήρους IP-δικτύου. 43

44 Σχήµα 2.5 Η αρχιτεκτονική του CN δικτύου Το CN δίκτυο αποτελείται από δύο µέρη. Το Circuit Switched (CS) τµήµα και το Packet Switched τµήµα. Το CS τµήµα υποστηρίζει τη µεταφορά φωνής καθώς η δροµολόγηση γίνεται µε µεταγωγή κυκλώµατος που σηµαίνει ότι είναι απαραίτητη η δηµιουργία ενός δεσµευµένου µονοπατιού από το ένα άκρο µέχρι το άλλο. Μέσω του δικτύου αυτού, υπάρχει επίσης διασύνδεση µε PSTN και ISDN δίκτυα. Το CS µέρος του δικτύου περιλαµβάνει τα εξής: Mobile Services Switching Center (MSC). Ο κόµβος MSC αποτελεί έναν κόµβο µεταγωγής ο οποίος δροµολογεί τα δεδοµένα των υπηρεσιών µεταγωγής κυκλώµατος εντός του δικτύου UMTS. Κάθε κόµβος MSC διαχειρίζεται πολλά RNC τα οποία συνδέονται σε αυτόν µέσω της διεπαφής Iu_CS. Επίσης είναι συνδεδεµένος µε τις βάσεις δεδοµένων του δικτύου όπως τη βάση δεδοµένων Home Location Register (HLR) και την Visitor Location Register (VLR). Τέλος µια άλλη πολύ χρήσιµη λειτουργία του κόµβου MSC είναι η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών για τις υπηρεσίες µεταγωγής κυκλώµατος. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC). Ο κόµβος GMSC είναι συνδεδεµένος µε τους κόµβους MSC. Η λειτουργία του είναι να 44

45 διασυνδέει το δίκτυο UMTS µε άλλα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος όπως PSTN και ISDN. Visitor Location Register (VLR). Ο κόµβος VLR είναι µια βάση δεδοµένων. Συνήθως κάθε VLR αντιστοιχεί σε έναν MSC. Η βάση VLR αποθηκεύει προσωρινή πληροφορία σχετικά µε την ταυτοποίηση και την ασφάλεια καθώς και άλλες χρήσιµες πληροφορίες που σχετίζονται µε όλους τους χρήστες που διαχειρίζεται κάθε δεδοµένη στιγµή ο αντίστοιχος MSC. Η βάση VLR λαµβάνει την αρχική πληροφορία από τη βάση HLR και αναλαµβάνει να την ενηµερώσει για τυχόν µεταβολές στα δεδοµένα της. Όλες οι συναλλαγές µεταξύ VLR και HLR γίνονται µέσω ενός MSC. Από την άλλη πλευρά, το PS τµήµα, υποστηρίζει τη µεταφορά δεδοµένων µέσω της µεταγωγής πακέτου. Για το λόγο αυτό δεν είναι απαραίτητο να δεσµευτεί κάποιο µονοπάτι κατά µήκος της σύνδεσης από τη στιγµή που οποιοσδήποτε σύνδεσµος (link) µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µεταφορά πακέτων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα, το PS τµήµα, να µπορεί να συνδέεται µε το Internet όπου η πληροφορία µεταδίδεται µε την βοήθεια των IP-πακέτων. Το PS µέρος αποτελείται από τα εξής µέρη: Serving GPRS Support Node (SGSN). Αποτελεί τον αντίστοιχο κόµβο του MSC στο τµήµα CS. Αυτό σηµαίνει ότι αναλαµβάνει τη δροµολόγηση δεδοµένων των υπηρεσιών µεταγωγής πακέτων εντός του δικτύου UMTS. Επιπλέον διαχειρίζεται τους κόµβους RNC οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι σε αυτόν µέσω της διεπαφής Iu_PS. Επίσης αλληλεπιδρά µε βάσεις δεδοµένων, όπως η βάση HLR. Τέλος ο κόµβος SGSN είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και για τις υπηρεσίες µεταγωγής πακέτων. Gateway GPRS Support Node (GGSN). Πρόκειται για έναν κόµβο αντίστοιχο του GMSC του CS. ιασυνδέει τους κόµβους SGSN µε εξωτερικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων όπως το Χ.25 και το Internet. Τέλος, υπάρχουν οι κόµβοι HLR και AuC οι οποίοι είναι κοινοί και για τα δύο µέρη CS και PS. Σε ότι αφορά τον Home Location Register, πρόκειται για µια βάση δεδοµένων η οποία αποθηκεύει δεδοµένα των χρηστών τα οποία µένουν σχετικά σταθερά στο χρόνο. Ο κόµβος AuC αποτελεί έναν κόµβο που είναι συσχετισµένος µε έναν HLR. Ο κόµβος αυτός αποθηκεύει πληροφορίες ταυτοποίησης και κρυπτογράφησης για τους συνδροµητές. 45

46 2.1.3 ιεπαφές Πρωτοκόλλων και Αρχιτεκτονική Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστούν οι βασικότερες διεπαφές του δικτύου UMTS. Επίσης, για κάθε διεπαφή θα παρουσιαστούν τα πρωτόκολλα επικοινωνίας και σηµατοδοσίας που χρησιµοποιούνται για την επικοινωνία των κόµβων που αλληλεπιδρούν. Η ανάλυση που θα ακολουθήσει θα εστιαστεί στο πεδίο PS το οποίο είναι και το πεδίο που θα µας απασχολήσει από το σηµείο αυτό και έπειτα. Η ιεπαφή Uu Η ασύρµατη διεπαφή είναι πάντοτε η πιο κρίσιµη διεπαφή κατά το σχεδιασµό των πρωτοκόλλων ενός κινητού δικτύου. Για το UMTS, η διεπαφή Uu µεταξύ του Node B και του UE, έχει υλοποιηθεί µε την αρχιτεκτονική που απεικονίζει το σχήµα 2.6. Όπως φαίνεται, έχουν προσδιοριστεί τα επίπεδα πρωτοκόλλων που αντιστοιχούν στο επίπεδο φυσικού µέσου, το επίπεδο ζεύξης δεδοµένων καθώς και το επίπεδο δικτύου. Το επίπεδο φυσικού µέσου (1ο επίπεδο στο µοντέλο διασυνδέσεων OSI) είναι υπεύθυνο για τη µετάδοση των δεδοµένων µέσω της ασύρµατης διεπαφής. Όπως φαίνεται και από το σχήµα 2.6, για το επίπεδο αυτό οι προδιαγραφές του UMTS καθορίζουν τη χρήση των τεχνολογιών FDD και TDD του WCDMA. Όσον αφορά το επίπεδο ζεύξης δεδοµένων (2ο επίπεδο), αυτό περιέχει τέσσερα υποεπίπεδα. Τα δύο πρώτα υπο-επίπεδα χρησιµοποιούνται για τη µεταφορά δεδοµένων ελέγχου αλλά και πληροφορίας. Το πρώτο υπο-επίπεδο χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο Medium Access Control (MAC). Το πρωτόκολλο MAC βρίσκεται αµέσως µετά το φυσικό επίπεδο. Χρησιµοποιεί λογικά κανάλια και τα αντιστοιχίζει σε κανάλια µεταφοράς για την επικοινωνία του φυσικού επιπέδου µε τα υψηλότερα επίπεδα. Επίσης, το πρωτόκολλο αυτό διαχειρίζεται τις προτεραιότητες µεταξύ των UEs, όπως επίσης και τις προτεραιότητες µεταξύ των ροών δεδοµένων που αφορούν ένα συγκεκριµένο UE. Άλλες λειτουργίες που εκτελεί το πρωτόκολλο MAC είναι ο έλεγχος των κινήσεων, η κρυπτογράφηση, η πολυπλεξία κ.α. Το δεύτερο πρωτόκολλο που συναντάµε στο επίπεδο ζεύξης δεδοµένων της διεπαφής Uu είναι το Radio Link Control (RLC). Το πρωτόκολλο αυτό είναι υπεύθυνο για την εγκατάσταση και παρακολούθηση της µεταφοράς δεδοµένων καθώς και για τις ρυθµίσεις QoS. Σχήµα 2.6 Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Uu 46

47 Τα επόµενα δύο πρωτόκολλα χρησιµοποιούνται µόνο για τη µεταφορά πληροφορίας και όχι για τη µεταφορά δεδοµένων ελέγχου. Τα πρωτόκολλα αυτά είναι το Packet Data Convergence Protocol (PDCP) και το Broadcast/Multicast Control (BMC). Το πρώτο είναι υπεύθυνο για τη µετατροπή των δεδοµένων που παρέχουν τα πραγµατικά πρωτόκολλα δεδοµένων των πιο πάνω επιπέδων, σε ασύρµατα πρωτόκολλα. Το PDCP προς το παρόν υποστηρίζει τα πρωτόκολλα IPv4 και IPv6 και µπορεί εύκολα να επεκταθεί προκειµένου να υποστηρίξει περισσότερα. Το πρωτόκολλο BMC είναι υπεύθυνο για τις υπηρεσίες broadcast και multicast µετάδοσης. Η ιεπαφή Iub Η διεπαφή Iub συνδέει τους RNC κόµβους µε τους Node B. Η διεπαφή είναι ενσύρµατη εποµένως το επίπεδο φυσικού µέσου µπορεί να υλοποιηθεί µε χρήση πρωτοκόλλων όπως το ETSI STM-1, STM-4, SONET STS-3c, ITU STS-1 κ.α. Πάνω από το επίπεδο αυτό, στο επίπεδο ζεύξης δεδοµένων χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο ΑΤΜ. Επίσης πάνω από το επίπεδο αυτό, το επίπεδο ζεύξης δεδοµένων υλοποιείται µε το ATM πρωτόκολλο όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.7. Το ATM χρησιµοποιείται σε όλες τις ενσύρµατες διεπαφές του UMTS, καθώς αποτελεί ένα πανίσχυρο πρωτόκολλο που µπορεί να χειριστεί όλους τους τύπους των κινήσεων όπως σύγχρονες ασύγχρονες και µεταγωγή κυκλώµατος ή πακέτου. Σχήµα 2.7 Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iub Πάνω από το ATM, χρησιµοποιούνται τα πρωτόκολλα ATM Adaptation Layer 2 και 5 (AAL2 και AAL5). Το πρώτο χρησιµοποιείται για τη µεταφορά δεδοµένων ελέγχου και πληροφορίας ενώ το δεύτερο µόνο για τη µεταφορά δεδοµένων ελέγχου. Τα 47

48 πρωτόκολλα αυτά αναλαµβάνουν την επεξεργασία των δεδοµένων από τα υψηλότερα επίπεδα προκειµένου να µπορούν να µεταδοθούν από το επίπεδο ATM. Η ιεπαφή Iur Η διεπαφή Iur θεωρείται ως ένα από τα καινούργια στοιχεία που εισήγαγε το UMTS χωρίς να το υιοθετήσει από το GSM και αφορά την επικοινωνία µεταξύ των RNC. Μέσω της διεπαφής αυτής, γίνεται µεταφορά πληροφορίας ελέγχου (signaling) σε ότι αφορά την διαχείριση των ασυρµάτων πόρων του δικτύου καθώς και η διαδικασία του handover. Σχήµα 2.8 Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iur Σε σχέση και µε τη διεπαφή Iub παρατηρούµε ότι στην Iur διεπαφή και πάνω από το επίπεδο AAL5, γίνεται χρήση των IP και UDP πρωτοκόλλων (Σχήµα 2.8). Η υλοποίηση αυτή αφορά το IP over ATM µέσω του οποίου η πληροφορία µεταδίδεται µε το IP πρωτόκολλο χρησιµοποιώντας ATM τεχνολογία. Επίσης, χρησιµοποιούνται και κάποια άλλα πρωτόκολλα σηµατοδοσίας όπως είναι το Message Transfer Part 48

49 Level 3 (MTP3-b) για τον έλεγχο της δροµολόγησης των µηνυµάτων, το MTP3 User Adaptation Layer (M3UA), το Signaling Connection Control Part (SCCP) και το Radio Network Application Part (RANAP). Το τελευταίο είναι ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει όλες τις λειτουργίες για τη διαχείριση των ασυρµάτων πόρων και την υποστήριξη των διαδικασιών του handover και SRNS relocation. Η ιεπαφή Iu-PS Η διεπαφή Iu-PS, υλοποιήθηκε για την επικοινωνία µεταξύ UTRAN και του PS µέρους του κυρίως δικτύου του UMTS. Σχήµα 2.9 Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iu-PS Το RANAP είναι το πρωτόκολλο που εξασφαλίζει τη σηµατοδοσία µεταξύ του UTRAN και του CN. Το πρωτόκολλο αυτό παρέχει υπηρεσίες που σχετίζονται µε τη διαδικασία SRNS relocation, τη διαχείριση ροής και συµφόρησης της διεπαφής Iu- PS, τoν εντοπισµό της θέσης κάθε UE καθώς και τη διαχείριση σφαλµάτων γενικότερα. Προκειµένου να µπορεί να εκτελεί τις πιο πάνω λειτουργίες διαχείρισης, το πρωτόκολλο RANAP διαθέτει και τις αντίστοιχες δυνατότητες για εποπτεία και αναφορά της κατάστασης του συστήµατος. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθούν οι λειτουργίες κρυπτογράφησης που παρέχει το συγκεκριµένο πρωτόκολλο. Μέσω της διεπαφής Iu-PS ανταλλάσσονται οι πληροφορίες κρυπτογράφησης µεταξύ UTRAN 49

50 και CN προκειµένου τα δεδοµένα που ανταλλάσσονται να είναι προστατευµένα από τυχόν απόπειρα υποκλοπής. Οι υπόλοιπες διεπαφές Στο Σχήµα 2.10 απεικονίζονται µερικές άλλες διεπαφές σύµφωνα µε την αρχιτεκτονική του δικτύου UMTS. Μερικές από αυτές είναι η διεπαφή Gn η οποία διασυνδέει τους κόµβους SGSN και GGSN, αλλά και η Gi η οποία συνδέει τους κόµβους GGSN µε δίκτυα µεταφοράς δεδοµένων (Packet Data Network - PDN). Η τεχνολογία που χρησιµοποιούν είναι το πρωτόκολλο IP πάνω από ATM καθώς και ανώτερα πρωτόκολλα µεταφοράς δεδοµένων όπως Transport Control Protocol (TCP) και User Datagram Protocol (UDP). Σχήµα 2.10 Μερικές απο τις διεπαφές του UMTS δικτύου 50

51 2.1.4 Τα κανάλια του UTRAN Στο UTRAN υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι καναλιών: τα λογικά κανάλια, τα κανάλια µεταφοράς και τα φυσικά κανάλια. Στις επόµενες παραγράφους ακολουθεί περιγραφή των χαρακτηριστικών των καναλιών αυτών. Λογικά κανάλια Οι υπηρεσίες µεταφοράς δεδοµένων του πρωτοκόλλου MAC παρέχονται µέσω των λογικών καναλιών. Τα λογικά κανάλια είναι αυτά που προσδιορίζουν τον τύπο της πληροφορίας που µεταδίδεται. Χρησιµοποιούνται στη διεπαφή µεταξύ των επιπέδων RLC και MAC. Τα κανάλια αυτά µπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: τα κανάλια ελέγχου και τα κανάλια κίνησης. Στη συνέχεια, ένα κανάλι ελέγχου µπορεί να είναι είτε κοινό είτε αφιερωµένο. Κοινά λέγονται τα κανάλια point-to-multipoint, ενώ αφιερωµένα λέγονται τα κανάλια point-to-point, δηλαδή αυτά που χρησιµοποιούνται µόνο από ένα χρήστη. Ο πίνακας 2.1 παρουσιάζει τα λογικά κανάλια καθώς και τη λειτουργία τους. Λογικό Κανάλι Ελέγχου Λειτουργία Broadcast Control Channel (BCCH) Paging Control Channel (PCCH) Κατερχόµενο κανάλι για broadcasting πληροφοριών ελέγχου Κατερχόµενο κανάλι µεταφορά πληροφορίας paging Dedicated Control Channel (DCCH) Common Control Channel (CCCH) Λογικό Κανάλι Κίνησης Κανάλι διπλής κατεύθυνσης για µεταφορά πληροφοριών αφιερωµένου ελέγχου Κανάλι διπλής κατεύθυνσης για µεταφορά πληροφοριών ελέγχου µεταξύ του δικτύου και των UEs Λειτουργία Dedicated Traffic Channel (DTCH) Common Traffic Channel (CTCH) Αφιερωµένο κανάλι για τη µεταφορά πληροφοριών για ένα UE Κατερχόµενο κανάλι point-to-multipoint για µεταφορά πληροφοριών για όλους ή µία οµάδα UEs Πίνακας 2.1 Τα λογικά κανάλια του UTRAN Κανάλια µεταφοράς Τα κανάλια µεταφοράς είναι αυτά που προσδιορίζουν τον τρόπο µε τον οποίο θα µεταφερθούν τα δεδοµένα από το επίπεδο φυσικού µέσου. Ουσιαστικά, τα κανάλια αυτά χρησιµοποιούνται στη διεπαφή που βρίσκεται µεταξύ του MAC πρωτοκόλλου και του αµέσως κατώτερου επιπέδου. Στον πίνακα 2.2 φαίνονται οι ιδιότητες των καναλιών µεταφοράς. 51

52 Αφιερωµένα Κανάλια Κοινά Κανάλια DCH HS-DSCH FACH RACH Ανερχόµενος / Κατερχόµενος Σύνδεσµος Χρήση Κώδικα Γρήγορος Έλεγχος Ισχύος Και οι δύο Κατερχόµενος Κατερχόµενος Ανερχόµενος Σύµφωνα µε το µέγιστο ρυθµό µετάδοσης Κοινός κώδικας µεταξύ των χρηστών Σταθεροί κώδικες για κάθε κελί Σταθεροί κώδικες για κάθε κελί Ναι Όχι Όχι Όχι Soft handover Ναι Όχι Όχι Όχι Ενδεικνυόµενη Χρήση Κατάλληλο για Καταιγιστικότητα Τεχνολογία ιαθέσιµη στα Πρώιµα Συστήµατα Μεγάλα ποσά δεδοµένων Μεγάλα ποσά δεδοµένων Μικρά ποσά δεδοµένων Μικρά ποσά δεδοµένων Όχι Ναι Ναι Ναι Ναι Όχι Ναι Ναι Πίνακας 2.2 Οι ιδιότητες των καναλιών µεταφοράς Υπάρχουν δύο κατηγορίες καναλιών µεταφοράς: τα κοινά κανάλια (common channels) και τα αφιερωµένα (dedicated). Τα κοινά κανάλια είναι κανάλια µονής κατεύθυνσης τα οποία χρησιµοποιούνται από όλους τους χρήστες σε ένα κελί. Τα σηµαντικότερα από τα κανάλια αυτά είναι το Forward Access Channel (FACH) για τον κατερχόµενο σύνδεσµο και το Random Access Channel (RACH) για τον ανερχόµενο. Επίσης, στην κατηγορία των κοινών καναλιών ανήκει το Downlink Shared Channel (DSCH) καθώς και το High-Speed DSCH (HS-DSCH). Τα συγκεκριµένα κανάλια είναι πάντα συσχετισµένα µε ένα αφιερωµένο κανάλι. Ειδικότερα, το HS-DSCH αποτελεί ένα κανάλι που υλοποιεί την τεχνολογία High- Speed Downlink Packet Access (HSPDA). Είναι ένα βελτιστοποιηµένο κανάλι για ταχύτατη µετάδοση δεδοµένων το οποίο ενσωµατώνει έναν ευέλικτο µηχανισµό προσαρµογής του ρυθµού µετάδοσης. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει µόνο ένα είδος αφιερωµένου καναλιού. Πρόκειται για το Dedicated Channel (DCH) το οποίο είναι διπλής κατεύθυνσης και δεσµεύεται για ένα µόνο χρήστη. Αυτό σηµαίνει ότι αν ένα DCH δεσµευθεί είτε ως ανερχόµενος είτε ως κατερχόµενος σύνδεσµος, τότε πρέπει να δεσµευθεί και για την αντίθετη κατεύθυνση. Στην αντίθετη κατεύθυνση όµως, ο ρυθµός µετάδοσης µπορεί να διαφέρει. Ο πίνακας 2.2 απεικονίζει τις βασικές ιδιότητες των σηµαντικότερων καναλιών µεταφοράς. Όπως φαίνεται στο σχήµα, η διαδικασία του soft handover υποστηρίζεται µόνο από το κανάλι DCH. Αντίθετα, τα υπόλοιπα κανάλια υποστηρίζουν άλλων ειδών handovers. Από την άλλη πλευρά, µεταξύ των κοινών καναλιών, µόνο το HS-DSCH υποστηρίζει υψηλούς ρυθµούς δεδοµένων. Επιπλέον, όλα τα κανάλια µεταφορά εκτός του DCH δεν υποστηρίζουν γρήγορο έλεγχο ισχύος (Fast Power Control). Αυτό είναι λογικό αφού είναι κοινά µεταξύ των χρηστών που βρίσκονται στο ίδιο κελί, µε αποτέλεσµα ο έλεγχος ισχύος να µην είναι εύκολα εφικτός. 52

53 Ο πίνακας 2.3, παρουσιάζει συνοπτικά όλα τα κανάλια µεταφοράς που χρησιµοποιούνται στο UTRAN καθώς και τη λειτουργία τους. Κοινά Κανάλια Λειτουργία Broadcast Channel (BCH) Κατερχόµενο κανάλι για broadcasting πληροφοριών Paging Channel (PCH) Κατερχόµενο κανάλι µεταφορά πληροφορίας paging Random Access Channel (RACH) Ανερχόµενο κανάλι για αρχική πρόσβαση στο δίκτυο Common Packet Channel (CPCH) Forward Access Channel (FACH) Downlink Shared Channel (DSCH) High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) Uplink Shared Channel (USCH) Ανερχόµενο κανάλι για µετάδοση καταιγιστικής πληροφορίας Κατερχόµενο κανάλι για µεταφορά µικρών ποσοτήτων πληροφορίας Κατερχόµενο κανάλι για µεταφορά αφιερωµένων δεδοµένων ελέγχου και κίνησης Κατερχόµενο κανάλι βελτιστοποιηµένο για υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης Ανερχόµενο κανάλι για µεταφορά αφιερωµένων δεδοµένων ελέγχου και κίνησης Αφιερωµένο Κανάλι Λειτουργία Dedicated Channel (DCH) Κανάλι διπλής κατεύθυνσης αφιερωµένο σε ένα UE Πίνακας 2.3 Τα κανάλια µεταφοράς του UTRAN Ο ρόλος του πρωτοκόλλου MAC είναι να αντιστοιχίζει τα λογικά κανάλια σε κανάλια µεταφοράς. Οι συγκεκριµένες αντιστοιχίες που υπάρχουν µεταξύ των λογικών και των καναλιών µεταφοράς, όσον αφορά τους κατερχόµενους και τους ανερχόµενους συνδέσµους, απεικονίζονται στο Σχήµα Σχήµα 2.13 Η αντιστοιχία λογικών καναλιών σε κανάλια µεταφοράς 53

54 Φυσικά κανάλια Τα φυσικά κανάλια αποτελούνται από τα φυσικά τηλεπικοινωνιακά σήµατα που µεταδίδονται µέσω του ασύρµατου καναλιού και προς τις δυο κατευθύνσεις uplink, downlink. Ανάλογα µε τις απαιτήσεις και τα χαρακτηριστικά της προς µετάδοση πληροφορίας, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι φυσικών καναλιών οι οποίοι καθορίζουν τον τρόπο µε τον οποίο οι χρήστες θα µοιραστούν τους πόρους του δικτύου. Οι προδιαγραφές ενός φυσικού καναλιού περιλαµβάνουν χαρακτηριστικά που αφορούν τη συχνότητα, το χρόνο, και τους κώδικες που πρόκειται να χρησιµοποιηθούν. Σύµφωνα µε την FDD λειτουργία του UTRAN, υπάρχουν τρία ζευγάρια ζωνών συχνοτήτων. Για τις λειτουργίες uplink και downlink διατίθενται ξεχωριστά κανάλια συχνοτήτων. Αντίθετα στη λειτουργία TDD υπάρχει µόνο ένα κανάλι συχνοτήτων το οποίο χωρίζεται σε χρονοσχισµές. Οι χρονοσχισµές αυτές µοιράζονται µεταξύ uplink και downlink. Με βάση τον τρόπο διαχείρισης του φάσµατος συχνοτήτων τα φυσικά κανάλια διαχωρίζονται σε FDD και TDD φυσικά κανάλια. Αντιστοίχηση µεταξύ λογικών, µεταφοράς και φυσικών καναλιών Σε ότι αφορά την uplink κατεύθυνση η αντιστοίχηση µεταξύ λογικών, φυσικών και καναλιών µεταφοράς φαίνεται στο επόµενο σχήµα. Σχήµα 2.14 Αντιστοίχηση καναλιών για την uplink κατεύθυνση Το CCCH αντιστοιχίζεται πάντα στο RACH το οποίο είναι το µόνο common κανάλι µεταφοράς για σηµατοδοσία. Για µεταφορά dedicated πληροφορίας µέσω DCCH ή DTCH υπάρχουν τρεις δυνατότητες για αντιστοιχία στα RACH, CPCH και DCH. Σε ότι αφορά την αντιστοιχία από κανάλι µεταφοράς σε φυσικό κανάλι, η σχέση είναι πάντα ένα προς ένα. Σε ότι αφορά το downlink κανάλι και σύµφωνα µε το Σχήµα 2.15, το BCCH αντιστοιχίζεται στα BCH και FACH, ενώ το PCCH στο PCH και τα CTCH, CCCH στο FACH. Στην περίπτωση των DCCH και DTCH υπάρχουν περισσότερες αντιστοιχίες όπως συµβαίνει και µε το uplink. 54

55 Σχήµα 2.15 Αντιστοίχηση καναλιών για την downlink κατεύθυνση KΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΤΑ HΑΝDOVERS ΣΤΟ UMTS Όπως είναι γνωστό, τα κινητά τηλέφωνα µπορούν να διατηρούν τις συνδέσεις τους καθώς κινούνται από ένα κελί σε ένα άλλο. Αυτή η διαδικασία η οποία µεταφέρει τη σύνδεση από τον ένα Node B στον άλλο, λέγεται handover. Τα handovers στο CDMA (συστήµατα UMTS) διαφέρουν κατά πολύ από τα handovers στο TDMA (συστήµατα GSM). Αυτό γιατί στο UMTS, αντίθετα µε το GSM, όλα τα UEs χρησιµοποιούν διαρκώς το ίδιο φάσµα συχνοτήτων. Στις επόµενες παραγράφους θα αναλυθούν οι διάφοροι τύποι handover, καθώς και η διαδικασία SRNS relocation. Επίσης γίνεται παρουσίαση του υπό εξέταση συστήµατος, ανάλυση των επιδράσεων του soft handover στην παρεµβολή κάτω ζεύξης και στην κατανοµή ισχύος για τα DCH καναλια. 3.1 Soft Handover and Softer Handover Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζεται εν συντοµία το soft handover & softer handover. Σε επόµενη παράγραφο θα αναφερθούµε στο soft handover περισσότερο διεξοδικά αφού πρώτα αναφερθούµε στο hard handover και στα intersystem handovers. 55

56 Στο σχήµα 3.1 παρουσιάζεται το Soft Handover. Στο soft handover, ο UE µπορεί να επικοινωνεί ταυτόχρονα µέχρι και µε τρεις διαφορετικούς Node B. Τα δεδοµένα χωρίζονται µέσα στον RNC και µεταδίδονται µέσω broadcast στους εµπλεκόµενους Node B. Τα δεδοµένα που καταφθάνουν στους Node B από το uplink κανάλι προωθούνται στον RNC. Στη συνέχεια ο RNC συνδυάζει δυο ροές δεδοµένων και µεταφέρει την πληροφορία προς το CN. Σχήµα 3.1 Soft Handover Στο σχήµα 3.2 παρουσιάζεται το Softer Handover. 56

57 Σχήµα 3.2 Softer Handover Το softer handover θεωρείται µια ειδική έκδοση του soft handover καθώς είναι εφικτή η παράλληλη µετάδοση δεδοµένων σε διαφορετικούς τοµείς (sector) του ίδιου Node B. 3.2 SRNS Relocation Η Serving Radio Network Subsystem (SRNS) relocation διαδικασία είναι η διαδικασία κατά την οποία αλλάζει η σύνδεση του UTRAN µε το CN για τη σύνοδο που αφορά ένα συγκεκριµένο UE. Η SRNS relocation συµβαίνει όταν έχει ήδη προηγηθεί ένα inter-rns soft handover. Μετά την εκτέλεση του soft handover, ο SRNC αναλαµβάνει να προωθήσει προς τον DRNC τα δεδοµένα που απευθύνονται στο συγκεκριµένο UE. Αυτή η µετάδοση γίνεται µέσω της διεπαφής Iur. Επίσης, µπορούν να χρησιµοποιηθούν περισσότεροι από έναν DRNCs. Μετά την εκτέλεση της SRNS relocation, ο SRNC παύει να εξυπηρετεί το UE και κάποιος από τους DRNCs αναλαµβάνει την εξυπηρέτηση του συγκεκριµένου UE. Στο σηµείο αυτό αποδεσµεύονται οι διεπαφές Iur που είχαν δεσµευθεί για την επικοινωνία των RNCs. Ανάλογα µε τη σχετική θέση του αρχικού µε τον τελικό SRNC, υπάρχουν δύο είδη διαδικασιών SRNS relocation: η intra-sgsn SRNS relocation και η inter-sgsn SRNS relocation. Η intra-sgsn SRNS relocation συµβαίνει όταν οι δύο RNCs είναι συνδεδεµένοι µε τον ίδιο κόµβο SGSN του CN. Πρόκειται για τη διαδικασία που ακολουθεί ένα inter-rns/intra-sgsn handover. Αντίθετα, η inter-sgsn SRNS relocation ακολουθεί ένα inter-rns/inter-sgsn handover. Αυτό σηµαίνει ότι οι δύο RNCs συνδέονται µε διαφορετικούς SGSNs. 57

58 Σχήµα 3.3 Η ροή δεδοµένων πριν και µετά το intra-sgsn SRNS relocation Σχήµα 3.4 Η ροή δεδοµένων πριν και µετά το inter-sgsn SRNS relocation Ο λόγος για τον οποίο ενεργοποιείται η διαδικασία SRNS relocation είναι η οικονοµία στους πόρους του ασύρµατου δικτύου. Κατά τη διάρκεια του soft handover ο UE λαµβάνει την ίδια πληροφορία τόσο από κεραίες που ελέγχονται από τον SRNC, όσο και από κεραίες που ελέγχονται από τον DRNC. Στην περίπτωση που το 58

59 UE έχει αποµακρυνθεί αρκετά από τον SRNC, το σήµα που λαµβάνει από τις αντίστοιχες κεραίες είναι αδύναµο. Συνεπώς, στο σηµείο αυτό, η συγκεκριµένη εκποµπή των κεραιών δε συνεισφέρει στη µετάδοση της πληροφορίας στο UE. Προκειµένου να µη υπάρχει σπατάλη στους πόρους του SRNC, κάποιο άλλο RNC αναλαµβάνει το ρόλο του SRNC για το UE. Ένας άλλος λόγος για τον οποίο είναι απαραίτητη η SRNS relocation είναι προκειµένου να µη χρησιµοποιείται άσκοπα χωρητικότητα της διεπαφής Iur. Το σχήµα 3.3 απεικονίζει τη ροή δεδοµένων προς το UE, πριν και µετά τη διαδικασία SRNS relocation. Οι δύο ενιαίες γραµµές αντιστοιχούν στη ροή δεδοµένων πριν την εκτέλεση της SRNS relocation, δηλαδή κατά τη διάρκεια του intra-sgsn soft handover. Μετά την εκτέλεση της SRNS relocation οι συγκεκριµένες ροές παύουν να υπάρχουν. Αντίθετα, αποκαθίσταται η ροή που απεικονίζεται µε τη διακεκοµµένη γραµµή. Αυτή η γραµµή αντιστοιχεί στο µοναδικό µονοπάτι µέσω του οποίου τα δεδοµένα φτάνουν στο UE. Οµοίως, το σχήµα 3.4 απεικονίζει τις αντίστοιχες ροές πριν και µετά από µία inter-sgsn SRNS relocation. 3.3 Hard Handover Το hard handover είναι η τεχνική που ακολουθείται στα συστήµατα GSM. Κατά τη διάρκεια ενός hard handover, η ασύρµατη συχνότητα που χρησιµοποιεί το UE αλλάζει. Πιο συγκεκριµένα, το UE παύει να χρησιµοποιεί την αρχική συχνότητα, στη συνέχεια µετακινείται σε διαφορετική συχνότητα και ξεκινά να λειτουργεί στη συχνότητα αυτή. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει ένα κενό επικοινωνίας µεταξύ του UE και του κινητού δικτύου. Στα συστήµατα CDMA, το hard handover είναι δύσκολο στην υλοποίηση. Αυτό γιατί δε χρησιµοποιούνται χρονοσχισµές, εποµένως, κάθε UE δέχεται και µεταδίδει ασύρµατη πληροφορία σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Γι αυτό το λόγο δεν υπάρχουν ελεύθερες χρονοσχισµές προκειµένου το UE να κάνει µετρήσεις σε άλλη συχνότητα. Επειδή όµως αυτές οι µετρήσεις είναι απαραίτητες για την εκτέλεση του hard handover, το δίκτυο δε µπορεί να κάνει σωστή εκτίµηση του κελιού το οποίο είναι καταλληλότερο για σύνδεση µε το UE. Κατά συνέπεια, τα hard handovers χρησιµοποιούνται όταν, για κάποιο λόγο, η συχνότητα λειτουργίας του UE πρέπει να αλλάξει ή όταν δεν υπάρχει διεπαφή Iur µεταξύ δύο RNCs ώστε να µπορεί να εκτελεστεί ένα soft handover. Πάντως, είναι γεγονός ότι η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις. 3.4 Intersystem Handovers Τα intersystem handovers είναι handovers µεταξύ δύο διαφορετικών τεχνολογιών ασύρµατης πρόσβασης. Προς το παρόν, το 3GPP έχει θέσει τις προδιαγραφές για intersystem handovers µεταξύ συστηµάτων GSM και UMTS. Κατά συνέπεια, 59

60 υπάρχουν δύο τύποι intersystem handover: το handover από UMTS σε GSM και το handover από GSM σε UMTS. Η υποστήριξη της διαδικασίας αυτής είναι απαραίτητη διότι, για τα δίκτυα UMTS, δεν αναµένεται να έχουν µεγάλη περιοχή κάλυψης σύντοµα. Εποµένως, οι χρήστες των δικτύων UMTS θα εξυπηρετούνται σε µεγάλο βαθµό από δίκτυα πρόσβασης του GSM. Προκειµένου να είναι δυνατή η πραγµατοποίηση ενός intersystem handover, θα πρέπει να υπάρχει ένα UE που υποστηρίζει καί τα δύο συστήµατα. Τα intersystem handovers αποτελούν διαδικασίες οι οποίες είναι εξαιρετικά πολύπλοκες, επειδή κατά τη διάρκειά τους δηµιουργούνται πολλά και δύσκολα προβλήµατα. Το πρώτο πρόβληµα που δηµιουργείται είναι το πώς το UE θα γνωρίζει τη συχνότητα εκποµπής του νέου κελιού (για ένα handover προς το GSM) ή τον κώδικα που χρησιµοποιεί το κελί του UTRAN. Η λύση που προτάθηκε από το 3GPP και υιοθετήθηκε από τη βιοµηχανία ήταν η αποστολή αυτής της πληροφορίας από το αρχικό κελί. Ένα άλλο πρόβληµα είναι ο υπολογισµός της έντασης του σήµατος στα υποψήφια κελιά προκειµένου να επιλεχθεί το κατάλληλο για το intersystem handover. Για το σκοπό αυτό µπορούν να χρησιµοποιηθούν δύο δέκτες στο UE ή να δηµιουργηθούν κάποιες χρονοσχισµές, προκειµένου να γίνουν οι απαραίτητες µετρήσεις. Τέλος, ένα άλλο πρόβληµα είναι η ραγδαία µείωση του ρυθµού µετάδοσης στην περίπτωση του handover από UMTS προς GSM. Είναι δυνατό να συµβεί το ενδεχόµενο ένας χρήστης ενώ λαµβάνει δεδοµένα από το UTRAN µε ρυθµό που προσεγγίζει τα 2 Mbps, µετά την πραγµατοποίηση του handover να λαµβάνει µόνο ένα µικρό ποσοστό από τον αρχικό ρυθµό. 3.5 Το Soft Handover στο UMTS Η κινητικότητα είναι το βασικό πλεονέκτηµα των κινητών κυτταρικών συστηµάτων. Η ικανότητα για επικοινωνία οπουδήποτε, σε οποιαδήποτε στιγµή ήταν ο κύριος λόγος για τον οποίο οι ασύρµατες επικοινωνίες συνάντησαν τόσο µεγάλη επιτυχία στην δεκαετία του 90. Το handover (µεταποµπή) αποτελεί κύριο στοιχείο στην παροχή κινητικότητας. Ο όρος handover χρησιµοποιείται για να περιγράψει το γεγονός κατά το οποίο ένας κινητός σταθµός επικοινωνεί µε ένα άλλο σταθµό βάσης. ίνει τη δυνατότητα σε ένα χρήστη να ταξιδεύει από το ένα κελί στο άλλο χωρίς να αντιλαµβάνεται διακοπή στη σύνδεση. Στο σύστηµα GSM, η µεταποµπή πραγµατοποιούνταν µε ένα τρόπο κατά τον οποίο ένας κινητός σταθµός σταµατούσε την επικοινωνία µε τον σταθµό βάσης από τον οποίο εξυπηρετούνταν και µετά από µια µικρή περίοδο διακοπής περνούσε σε άλλο σταθµό βάσης, µια τεχνική η οποία ήταν γνωστή και ως break before make ή αλλιώς hard handover. Στο UMTS όµως έχουµε το soft handover, που είναι µια τεχνική όπου ο κινητός σταθµός βάσης ( UE στο UMTS) κατά την µετάβαση από το ένα κελί στο άλλο επικοινωνεί ταυτόχρονα και µε τους δύο σταθµούς βάσης ( Node B). To soft handover περιλαµβάνει διάφορες λειτουργίες: µετρήσεις, φιλτράρισµα των µετρήσεων, αναφορές των αποτελεσµάτων µετρήσεων, τον αλγόριθµο του soft handover και την εκτέλεση της µεταποµπής. 60

61 Στο σύστηµα UMTS, ο UE µετράει το επίπεδο του CPICH (Common Pilot Channel) των γειτονικών κελιών και η απόφαση για µεταποµπή λαµβάνεται µε βάση αυτές τις µετρήσεις. Το monitoring set µπορεί να διατηρήσει µέχρι και 32 διασυχνοτικές κυψέλες. Οι κυψέλες από το monitoring set ελέγχονται περιοδικά για τις λεγόµενες triggering conditions όπως αυτές καθορίζονται από τον αλγόριθµο του soft handover. Προκειµένου να γίνει κατανοητός ο αλγόριθµος θα πρέπει να εισάγουµε πρώτα κάποιες παραµέτρους: AS_Th Threshold for macro diversity (αναφέρει ακτίνα) AS_Th_Hyst Hysteresis for the above threshold AS_Rep_Hyst Replacement Hysteresis T Time to Trigger AS_Max_Size Maximum size of Active Set Αντί να έχουµε ένα εξυπηρετούντα σταθµό βάσης, εδώ πλέον έχουµε το Active Set (ενεργό σύνολο), το οποίο παρουσιάζει µια σειρά από σταθµούς µε τους οποίους επικοινωνεί ο UE κατά την µεταποµπή. Ο αλγόριθµος του soft handover περιγράφεται στην εικόνα 1. Μπορούµε να δούµε ότι ο γειτονικός Node B µπορεί να εισέλθει στο ενεργό σύνολο σε περίπτωση που η διαφορά µεταξύ των επιπέδων των CPICH του καλύτερου εξυπηρετούντα Node B και του υποψηφίου Node B είναι µικρότερη από AS_Th-AS_Th_Hyst κατά την περίοδο Τ. Η συνθήκη για τη διαγραφή του Node B από το ενεργό σύνολο είναι η διαφορά µεταξύ των επιπέδων των CPICH του καλύτερου εξυπηρετούντα Node B και του υποψηφίου Node B να ξεπεράσει το AS_Th+AS_Th_Hyst κατά την περίοδο Τ. Η συνθήκη για την αντικατάσταση ενός Node B µε έναν άλλο είναι το επίπεδο CPICH του υποψηφίου Node B να είναι µεγαλύτερο από το επίπεδο CPICH του προς αντικατάσταση Node B κατά AS_Rep_Hyst κατά την περίοδο Τ. Εικόνα 1 Ο αλγόριθµος soft handover στο WCDMA 61

62 Αν µια από τις παραπάνω συνθήκες ισχύει, τότε ο UE θα στείλει αναφορά στο UTRAN. Ολόκληρη η διαδικασία αξιολόγησης λαµβάνει χώρα στον UE. Αυτός ο τύπος της µεταποµπής αποκαλείται µεταποµπή υποστηριζόµενη από κινητό. Η αναφορά δεν περιλαµβάνει αποτελέσµατα µετρήσεων, µόνο πρόταση δράσης η οποία µπορεί να γίνει αποδεκτή ή και να απορριφθεί, από τον έλεγχο αποδοχής του RNC. To Soft Handover έχει κάποια συγκεκριµένα χαρακτηριστικά: Σε σύγκριση µε το Hard Handover εµφανίζει πλεονεκτήµατα όπως η ελαχιστοποίηση του φαινοµένου <<ping-pong>> και η εξοµάλυνση της µετάδοσης (δεν υπάρχει διακοπή στο SHO). Το γεγονός ότι δεν υπάρχει φαινόµενο <<ping-pong>> σηµαίνει λιγότερο φορτίο στο δίκτυο και µε το SHO, δεν υπάρχει απώλεια δεδοµένων εξαιτίας της στιγµιαίας διακοπής κατά τη διάρκεια του Hard Handover. Εκτός από την διαχείριση της κινητικότητας, υπάρχει και ένας άλλος λόγος για την εφαρµογή του SHO στο CDMA: µαζί µε τον έλεγχο ισχύος, το soft handover µπορεί να χρησιµοποιηθεί και ως µηχανισµός µείωσης της παρεµβολής. Η εικόνα 2 δείχνει δύο σενάρια: στο πρώτο εφαρµόζεται µόνο έλεγχος ισχύος ενώ στο δεύτερο εφαρµόζεται και το Soft Handover. Εικόνα 2 Μείωση παρεµβολής µέσω SHO στην άνω ζεύξη Υποθέτουµε ότι το κινητό κινείται από τον σταθµό βάσης BS1 στον BS2. Στη συγκεκριµένη θέση το πιλοτικό σήµα που λαµβάνεται από τον BS2 είναι ισχυρότερο από του BS1. Αυτό σηµαίνει ότι ο BS2 είναι «καλύτερος» του BS1. Στην (α), ο βρόχος ελέγχου ισχύος αυξάνει την εκπεµπόµενη ισχύ του κινητού για να εγγυηθεί το QoS στην άνω ζεύξη καθώς το κινητό αποµακρύνεται από τον σταθµό βάσης. Στην (β), το κινητό βρίσκεται σε κατάσταση Soft Handover: οι δυο σταθµοί είναι συνδεδεµένοι ταυτόχρονα µε το κινητό. Τα λαµβανόµενα σήµατα στη συνέχεια µεταβιβάζονται στον RNC όπου και συνδυάζονται. Το ισχυρότερο επιλέγεται και το ασθενέστερο απορρίπτεται. Επειδή ο σταθµός BS2 είναι καλύτερος από τον BS1, προκειµένου να ικανοποιηθεί η απαίτηση για το QoS, η απαιτούµενη εκπεµπόµενη ισχύς από το κινητό είναι λιγότερη από αυτή στην (α). Εποµένως η παρεµβολή στην 62

63 άνω ζεύξη από κινητό είναι µικρότερη όταν γίνεται χρήση του Soft Handover γιατί το τελευταίο κρατά το κινητό συνδεδεµένο στον καλύτερο σταθµό βάσης. Στην κάτω ζεύξη η κατάσταση είναι περισσότερο πολύπλοκη. Σε αυτή την περίπτωση χρειάζονται περισσότερα κανάλια γα την υποστήριξη του Soft Handover. Συνοπτικά τα χαρακτηριστικά του Soft Handover είναι: Μείωση του φαινοµένου <<ping-pong>> που οδηγεί σε µείωση του φορτίου σηµατοδοσίας στο δίκτυο Οµαλότερη µετάδοση χωρίς στιγµιαία διακοπή κατά την µεταποµπή Μειωµένη παρεµβολή άνω ζεύξης Καλύτερη ποιότητα επικοινωνίας για το χρήστη Περισσότεροι χρήστες για την ίδια ποιότητα υπηρεσίας (QoS) Λιγότεροι χρονικοί περιορισµοί στο δίκτυο Μεγαλύτερη πολυπλοκότητα σε σχέση µε το Hard Handover Μεγαλύτερη κατανάλωση πόρων στην κάτω ζεύξη Στη συνέχεια θα µελετήσουµε την παρεµβολή κάτω ζεύξης, την επίδραση του SHO σε αυτή και στην κατανοµή ισχύος αφού πρώτα αναφερθούµε στο περιβάλλον κινητών επικοινωνιών και στο µοντέλο ραδιοδιάδοσης. 3.6 Μοντέλα συστηµάτων Περιβάλλον ραδιοδιάδοσης Η γνώση των χαρακτηριστικών της ραδιοδιάδοσης είναι προαπαιτούµενο για την σχεδίαση συστηµάτων ραδιοεπικοινωνιών. Αντίθετα µε τις σταθερές τηλεπικοινωνίες, το περιβάλλον των κινητών επικοινωνιών είναι ιδιαίτερα δύσκολο να το προβλέψει κανείς. Παραδοσιακά, τα ραδιοκανάλια µοντελοποιούνται µε στατιστικό τρόπο χρησιµοποιώντας πραγµατικά δεδοµένα διάδοσης. Πολλές µετρήσεις και µελέτες έχουν γίνει για την εύρεση χαρακτηριστικών του ραδιοπεριβάλλοντος. Γενικά, η εξασθένιση του σήµατος αποτελείται από τρείς παράγοντες: µια ευρείας κλίµακας απώλειας διαδροµής συνιστώσα, µια µεσαίας κλίµακας αργά µεταβαλλόµενη συνιστώσα που ακολουθεί λογαριθµοκανονική κατανοµή και µια µικρής κλίµακας γρήγορα µεταβαλλόµενη συνιστώσα που ακολουθεί Ricean ή Rayleigh κατανοµή. Η κατανοµή της τελευταίας συνιστώσας εξαρτάται από την ύπαρξη ή µη οπτικής επαφής (LOS) µεταξύ του ποµπού και του δέκτη. Σύµφωνα µε αυτά, οι τρείς συνιστώσες διάδοσης που χρησιµοποιούνται για να περιγράψουν ένα ασύρµατο κυτταρικό περιβάλλον είναι η απώλεια διαδροµής, η σκίαση και η διάλειψη πολλαπλής διαδροµής. Το σχήµα 3.5 απεικονίζει τα τρία αυτά φαινόµενα διάδοσης. 63

64 Σχήµα 3.5 Εξασθένιση ραδιοκαναλιού Απώλεια διαδροµής είναι το φαινόµενο της µείωσης της λαµβανόµενης ισχύος µε την απόσταση εξαιτίας της ανάκλασης, περίθλασης γύρω από κτίρια, και διάθλασης µε αυτά. Η σκίαση προκαλείται εξαιτίας της παρεµπόδισης από κτίρια, λόφους δένδρα και φυλλώµατα. Η διάλειψη πολλαπλής διαδροµής οφείλεται στις ανακλάσεις πολυόδευσης ενός εκπεµπόµενου κύµατος από αντικείµενα όπως σπίτια, κτίρια και άλλες ανθρώπινες κατασκευές ή φυσικά εµπόδια όπως δάση που περιβάλλουν την κινητή µονάδα. Τα διαφορετικά µήκη των διαδροµών διάδοσης του σήµατος πολυόδευσης οδηγούν σε διαφορετικούς χρόνους καθυστέρησης διάδοσης. Το άθροισµα του σήµατος πολυόδευσης έχει ως αποτέλεσµα τις βυθίσεις εξασθένισης. Οι βραχυπρόθεσµες διακυµάνσεις που προκαλούνται από την πολυόδευση µπορούν να αντιµετωπιστούν µε κατάλληλες τεχνικές. ( π.χ. RAKE receiver κ.α.). Ανάλογα µε το περιβάλλον διάδοσης, οι παράµετροι για το µοντέλο ραδιοκαναλιού είναι διαφορετικοί. Υπάρχει ένας µεγάλος αριθµός από περιβάλλοντα όπου τα συστήµατα 3G αναµένεται να λειτουργήσουν. Αυτά περιλαµβάνουν µικρές και µεγάλες πόλεις, µε ποικιλία κτιρίων, καθώς επίσης σε ηµιαστικές, τροπικές, στην έρηµο και σε περιοχές µε βουνά. Τα δυνατά περιβάλλοντα διάδοσης έχουν διαιρεθεί σε τρείς γενικές οµάδες: Οχηµατικά Υπαίθρια, ενδοκτιριακά και πεζών Ενδοκτιριακά (γραφεία) Τα περιβάλλοντα διάδοσης αντιστοιχούν στους παρακάτω τύπους κυττάρων: µακροκύτταρα, µικροκύτταρα και πικοκύτταρα. Στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής θα ασχοληθούµε µε µακροκύτταρα. 64

65 3.6.2 Μοντέλο ραδιοκαναλιού Προκειµένου να µελετήσουµε την επίδραση του SHO σε αυτό το κεφάλαιο θα χρησιµοποιήσουµε ένα τυπικό µοντέλο που έχει προταθεί στην συντριπτική πλειοψηφία προηγούµενων εργασιών [YueCh03],[Vit95] κ.α. Υποθέτοντας ότι το fast fading αντιµετωπίζεται αποτελεσµατικά από το δέκτη, µπορούµε να γράψουµε: L( d, ζ ) = 10µ log d + ζ (3.1) db όπου d είναι η απόσταση (σε Km) µεταξύ του Node B και του χρήστη και ζ είναι η εξασθένιση λόγω σκίασης που ακολουθεί γκαουσιανή κατανοµή µε µέση τιµή µηδέν και τυπική απόκλιση σ. Στη συνέχεια λαµβάνοντας υπόψη µόνο τον πρώτο όρο της (3.1) λέµε: L ( d) = 10µ log d (3.2) p db όπου το µ είναι ο εκθέτης απώλειας διαδροµής µε τιµή µ=4. Στο σχήµα 3.6 απεικονίζεται το σύστηµα WCDMA το οποίο είναι υπό εξέταση. Η κεντρική κυψέλη περιβάλλεται από έξι γειτονικές κυψέλες. Θα λάβουµε υπόψιν στην µελέτη µας µόνο το πρώτο επίπεδο παρεµβολών (1 st tier). Σχήµα 3.6 Υπό εξέταση τοπολογία Στο κέντρο κάθε κυψέλης βρίσκεται ένας σταθµός ποµποδεκτών βάσης (Base Transceiver Station. Στην κεντρική κυψέλη βρίσκεται ο σταθµός ποµποδεκτών βάσης BΤS1. Από εδώ και στο εξής θα αναφερόµαστε στον BTS ως σταθµό βάσης. 65

66 3.7 Ανάλυση παρεµβολής Κάτω Ζεύξης Τα CDMA συστήµατα µπορούν να δέχονται περιορισµένη παρεµβολή και για αυτό τον λόγο η αξιολόγηση της παρεµβολής είναι θεµελιώδους σηµασίας στην ανάλυση CDMA συστηµάτων. Η συνολική παρεµβολή που δέχεται ένας κινητός χρήστης αποτελείται από δύο µέρη: την ενδοκυψελική (intracell) παρεµβολή και την διακυψελική (intercell) παρεµβολή. Στην άνω ζεύξη, για ένα συγκεκριµένο κινητό, η ενδοκυψελική παρεµβολή προέρχεται από όλα τα άλλα κινητά που εξυπηρετούνται από τον ίδιο σταθµό βάσης, η διακυψελική παρεµβολή αποτελείται από όλα τα σήµατα που λαµβάνονται από όλα τα κινητά στα άλλα κελιά εκτός από το κελί που εξυπηρετεί το συγκεκριµένο κινητό. Εποµένως στην άνω ζεύξη η παρεµβολή που δέχεται ένα κινητό εξαρτάται από την κατανοµή του φορτίου στο δίκτυο, αλλά δεν σχετίζεται µε τη θέση του κινητού. Στην κάτω ζεύξη, η ενδοκυψελική παρεµβολή σε ένα κινητό προέρχεται από τον σταθµό βάσης που το εξυπηρετεί: αυτή η παρεµβολή προέρχεται από µερική απώλεια της ορθογωνιότητας µεταξύ των χρηστών εξαιτίας του φαινοµένου της πολυόδευσης. Το WCDMA χρησιµοποιεί τους ορθογώνιους κώδικες για να διαχωρίσει τους χρήστες στην κάτω ζεύξη και χωρίς πολυοδική διάδοση η ορθογωνιότητα παραµένει και δεν εµφανίζεται ενδοκυψελική παρεµβολή. Η ορθογωνιότητα συνήθως λαµβάνει τιµές από 0.4 µέχρι 0.9. Η ενδοκυψελική παρεµβολή περιλαµβάνει µέρος της ισχύος για τα κοινά κανάλια ελέγχου και της ισχύος για τα κανάλια κάτω ζεύξης για τους άλλους χρήστες στο ίδιο κελί. Η διακυψελική παρεµβολή είναι η ισχύς που λαµβάνεται από το κινητό από όλους τους άλλους σταθµούς εκτός από αυτόν που εξυπηρετεί το κινητό. Επειδή η πηγή της παρεµβολής είναι σταθεροί σταθµοί βάσης στην κάτω ζεύξη, για ένα συγκεκριµένο κινητό, η παρεµβολή στην κάτω ζεύξη είναι αναγκαστικά συνδεδεµένη µε την θέση του κινητού Ενδοκυψελική και διακυψελική παρεµβολή Για ένα κινητό το οποίο εξυπηρετείται από τον σταθµό βάσης της κυψέλης στην οποία βρίσκεται και θεωρώντας το µοντέλο ραδιοκαναλιού της 3.6.2, η ενδοκυψελική παρεµβολή κάτω ζεύξης I intra-cell, που λαµβάνεται από τον σταθµό βάσης µπορεί να εκφραστεί ως: Iint ra cell PT 1(1 a) d µ = (3.3) 66

67 όπου P T1 είναι η συνολική εκπεµπόµενη ισχύς από το σταθµό βάσης, α είναι ο παράγοντας ορθογωνιότητας µε µέγιστη τιµή α=1 για τέλεια ορθογωνιότητα και α=0 για µη ορθογωνιότητα. Επειδή η ενδοκυψελική παρεµβολή και το επιθυµητό σήµα προέρχονται από την ίδια πηγή, αντιµετωπίζουν την ίδια εξασθένιση.. Η διακυψελική παρεµβολή µπορεί να εκφραστεί ως: M µ I inter cell PTi d i= 2 = (3.4) όπου P Ti είναι η συνολική εκπεµπόµενη ισχύς κάθε σταθµού, Μ είναι το σύνολο όλων των σταθµών βάσης που λαµβάνονται υπόψιν για την διακυψελική παρεµβολή. Θεωρητικά η διακυψελική παρεµβολή προέρχεται από όλους τους σταθµούς εκτός από αυτόν που εξυπηρετεί το κινητό. Στα πλαίσια της διπλωµατικής αυτής θα λάβουµε υπόψιν µόνο το πρώτο επίπεδο παρεµβολών (1 st tier). Η ενδοκυψελική παρεµβολή δεν εµφανίζει εξάρτηση από την γωνία του κινητού αλλά µόνο από την απόσταση του από τον σταθµό βάσης. Όµως η διακυψελική παρεµβολή εµφανίζει εξάρτηση όχι µόνο από την απόσταση από το σταθµό βάσης αλλά και από τη γωνία. Αυτό συµβαίνει γιατί η απόσταση του κινητού από τους υπόλοιπους σταθµούς βάσης είναι συνάρτηση της γωνίας θ. π = + ( 3 ) 2 3 cos[ + ( 2) ] (3.5) di d R d R θ i Για ένα συγκεκριµένο κινητό είναι φανερό ότι η παρεµβολή κάτω ζεύξης είναι στενά συνδεδεµένη µε την θέση του. Αυτό συµβαίνει γιατί οι πηγές διακυψελικής παρεµβολής είναι σταθεροί σταθµοί βάσης. Υποθέτοντας ότι το φορτίο είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένο και ότι η συνολική εκπεµπόµενη ισχύς κάθε σταθµού είναι ίδια µπορούµε να γράψουµε: M µ int er cell inter cell = Ti = T χ χ i= 2 PT I P d P I = (3.6) 67

68 όπου το χ είναι ένα µέτρο της διακυψελικής παρεµβολής προς τη συνολική ισχύ του σταθµού βάσης. Το χ εξαρτάται από την τοποθεσία του κινητού. Στα σχήµατα απεικονίζεται το χ σε διαφορετικές θέσεις Relative DL intercell interference x( d) Distance from BTS (Km) Σχήµα 3.7 Σχετική διακυψελική παρεµβολή (χ) κάτω ζεύξης συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=0 d Όσο πλησιάζουµε στα σύνορα της κυψέλης η σχετική παρεµβολή κάτω ζεύξης αυξάνεται. Στη συνέχεια ακολουθεί το σχήµα 3.8 που απεικονίζει την σχετική παρεµβολή κάτω ζεύξης σε συνάρτηση µε την απόσταση από τον σταθµό βάσης και για γωνία θ=15 ο. Πάλι πλησιάζοντας στα σύνορα η παρεµβολή αυξάνει όµως είναι µικρότερη από την περίπτωση της ευθυγράµµισης (θ=0). 68

69 2.5 Relative DL intercell interference x( d) Distance from BTS (Km) Σχήµα 3.8 Σχετική διακυψελική παρεµβολή (χ) κάτω ζεύξης συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=15 d 2.5 Relative DL intercell interference x( d) Distance from BTS1 (Km) Σχήµα 3.9 Σχετική διακυψελική παρεµβολή (χ) συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=30 ο d 69

70 Από τα σχήµατα γίνεται φανερό ότι τα κινητά που βρίσκονται στην άκρη του κελιού και στην γωνία αντιµετωπίζουν την µεγαλύτερη διακυψελική παρεµβολή. Αν αγνοήσουµε τον θερµικό θόρυβο, µπορούµε να γράψουµε για τον λόγο διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή: I n I = inter cell (3.7) intra cell Το σχήµα 3.10 απεικονίζει τον λόγο διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή σε συνάρτηση µε την απόσταση και για θ=0. 3 Interference Ratio n( d) Distance from BTS1 (km) Σχήµα 3.10 Λόγος διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=0. d Το σχήµα 3.11 απεικονίζει τον λόγο διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή σε συνάρτηση µε την απόσταση και για θ=15 ο. 70

71 3 Interference Ratio n( d) Distance from BTS1 (km) d Σχήµα 3.11 Λόγος διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=15 ο. Το σχήµα 3.12 απεικονίζει τον λόγο διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή σε συνάρτηση µε την απόσταση και για θ=30 ο. 5 4 Interference Ratio n( d) d Distance from BTS1 (km) Σχήµα 3.12 Λόγος διακυψελικής προς ενδοκυψελική παρεµβολή συναρτήσει της απόστασης από το σταθµό βάσης και θ=30 ο 71

72 Όσο το κινητό πλησιάζει στα σύνορα της κυψέλης η διακυψελική παρεµβολή γίνεται πολλαπλάσια της ενδοκυψελικής. Αυτό που συµπεραίνουµε από τα σχήµατα είναι πως οι χρήστες οι οποίοι βρίσκονται στις γωνίες της κυψέλης δέχονται την µεγαλύτερη διακυτταρική παρεµβολή. Η διακυτταρική παρεµβολή είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο εφαρµόζουµε έλεγχο ισχύος στην κάτω ζεύξη και είναι απαραίτητος για τους χρήστες που βρίσκονται στις γωνίες κυψελών. 3.8 Κατανοµή ισχύος κάτω ζεύξης Η κατανοµή ισχύος είναι ένα πολύ σηµαντικό στοιχείο για τα συστήµατα CDMA. Η συνολική εκπεµπόµενη ισχύς του σταθµού βάσης αποτελείται από δύο µέρη: ένα µέρος είναι για τα κοινά κανάλια ελέγχου κάτω ζεύξης όπως τo common pilot channel (CPICH) και το κανάλι συγχρονισµού (SCH) και το άλλο µέρος της ισχύος κατανέµεται στους χρήστες ως αφιερωµένα κανάλια. Κανονικά, η ισχύς για τα κοινά κανάλια ελέγχου αντιπροσωπεύει περίπου το 20%-30% της συνολικής εκπεµπόµενης ισχύος από τον σταθµό βάσης. Προκειµένου να µειωθεί η παρεµβολή και η κατανάλωση των ραδιοπόρων, το σύστηµα προσπαθεί να κατανείµει όσο λιγότερη ισχύ γίνεται σε κάθε αφιερωµένο κανάλι για κάθε χρήστη, όµως αυτό εξαρτάται από την απαίτηση που υπάρχει για το QoS. Στην περίπτωση που έχουµε τέλειο έλεγχο ισχύος, το λαµβανόµενο Eb/No όλων των κινητών διατηρείται στα επιθυµητά επίπεδα. Όταν το κινητό είναι συνδεδεµένο µε ένα µόνο σταθµό βάσης, µόνο ένα αφιερωµένο κανάλι κάτω ζεύξης είναι ενεργό γι αυτό το κινητό, όµως όταν λαµβάνει χώρα η διαδικασία του soft handover, τουλάχιστον δύο σταθµοί βάσης εµπλέκονται στην κατανοµή της ισχύος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι δύο αυτές περιπτώσεις Κατανοµή ισχύος χωρίς SHO Σε αυτή την περίπτωση το κινητό επικοινωνεί µε ένα µόνο σταθµό βάσης. Αγνοώντας το θερµικό θόρυβο µπορούµε να γράψουµε για το λαµβανόµενο από το κινητό Εb/No: E I b W Ps L = 1 vr P (1 a) L P L + 0 T1 1 Tn n (3.8) όπου W είναι το chip rate, v είναι ο activity factor, R είναι το bit rate, P s είναι η ισχύς που εκπέµπει ο Node B, η αφιερωµένη στο κινητό, P Tn είναι η συνολική εκπεµπόµενη ισχύς από τον ν-οστό σταθµό βάσης (Node B), L n είναι η εξασθένιση στην διαδροµή διάδοσης από τον ν-οστό σταθµό βάσης προς το κινητό. 72

73 Η απαιτούµενη ισχύς από τον σταθµό βάσης γράφεται ως: E vr L P = ( ) P [(1 a) + ] (3.9) b n s target T I0 W n L1 Ο τελευταίος τύπος µπορεί να γραφεί ως εξής: E vr P = β ( ) P (3.10) b s 1 target T N0 W όπου: 1 Ln [(1 a) ] L β = + (3.11) n 1 Το β 1 εξαρτάται από τις συνθήκες διάδοσης και τα υπόλοιπα µεγέθη από τον τύπο της υπηρεσίας. Έχουµε υποθέσει ότι όλοι οι σταθµοί βάσης εκπέµπουν την ίδια ισχύ και ότι το φορτίο είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένο στο σύστηµα Κατανοµή ισχύος µε SHO Όταν ένα κινητό βρίσκεται σε κατάσταση soft handover, οι σταθµοί βάσης οι οποίοι συµµετέχουν στη διαδικασία θα πρέπει να κατανείµουν κατάλληλα την ισχύ για τα κανάλια κάτω ζεύξης που είναι συνδεδεµένα στο κινητό. Στην πρώτη περίπτωση θεωρούµε πως το κινητό είναι συνδεδεµένο µε δύο σταθµούς βάσης. Τα επιθυµητά σήµατα από τους σταθµούς βάσης συνδυάζονται σε αυτή την περίπτωση. Το λαµβανόµενο από το κινητό Eb/Ιo µπορεί να γραφεί ως: E E E ( ) = ( ) + ( ) (3.12) b total b 1 b I I I Eb W Ps 1L1 Ps 2L2 = + I0 vr PT 1(1 a) L1 + PTn Ln PT (1 a) L PTn L n (3.13) 73

74 Σύµφωνα µε τις προτάσεις της 3GPP ο αλγόριθµος του ελέγχου ισχύος θα προσπαθήσει να αποφύγει την διαρροή ισχύος και να διατηρήσει ίσα ποσά ισχύος στους σταθµούς βάσης για το κινητό που βρίσκεται σε κατάσταση soft handover. Εποµένως µπορούµε να υποθέσουµε πως P s1 =P s2. Υποθέτοντας ακόµα πως το φορτίο είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένο στο σύστηµα µπορούµε να πούµε πως: P T1 =P T2 =P Tn. Σε αυτή την περίπτωση µπορούµε να γράψουµε: P = P = s1 s2 vr Eb ( ) t arget PT W N Ln (1 a) + (1 a) + L n L L 1 n 2 n (3.14) Η συνολική ισχύς που αφιερώνεται στο κινητό µπορεί να εκφραστεί ως: E vr P = β ( ) P (3.15) b s 2 target T N0 W όπου: β = L (1 a) + n (1 a) + L n L L 1 n 2 n (3.16) Στη δεύτερη περίπτωση θεωρούµε πως το κινητό είναι συνδεδεµένο µε τρείς σταθµούς βάσης. Με παρόµοια διαδικασία λέµε πως: β = L L L (1 a) + (1 a) + (1 a) L + L L n n n n 1 n 2 n 3 (3.17) Τα β 1,β 2,β 3 εκφράζουν την κατανάλωση ισχύος. Επίσης εκφράζουν το πόση παρεµβολή δηµιουργείται από τα κινητά στις διάφορες περιπτώσεις. Στα σχήµατα 3.13, 3.14 απεικονίζονται οι µέσες τιµές των β 1,β 2,β 3 σε συνάρτηση µε την θέση του κινητού. Οι τιµές των παραµέτρων που χρησιµοποιήθηκαν είναι: W=3840 kbps, R=12.2 kbit/s, v=0.5, a=0.6, (Eb/I 0 )=5 db, θ=30,θ=0. 74

75 no SHO 2 way SHO 3 way SHO Power ratio Pr1( d1) Pr2( d1) Pr3( d1) d1 Distance from BTS1( km) Σχήµα 3.13 Μέση τιµή β 1,β 2,β 3 µε τη θέση του κινητού (θ=30). 75

76 no SHO 2 way SHO 3 way SHO 0.01 Power ratio Pr1( d1) Pr2( d1) Pr3( d1) Distance from BTS1( km) Σχήµα 3.14 Μέση τιµή β 1,β 2,β 3 µε τη θέση του κινητού (θ=0). d1 Σηµειώνεται ότι σε αυτή την περίπτωση, όπως και στις προηγούµενες, δεν λαµβάνεται υπόψιν η σκίαση (shadowing). Αν λάβουµε υπόψιν και τη σκίαση τότε προκύπτουν οι παρακάτω γραφικές µε το ζ να έχει τυπική απόκλιση σ=8db: 76

77 Σχήµα 3.15 Μέση τιµή β 1,β 2,β 3 µε τη θέση του κινητού (θ=30). Σχήµα 3.16 Μέση τιµή β 1,β 2,β 3 µε τη θέση του κινητού (θ=0). 77

78 Από τα σχήµατα µπορούµε να διαπιστώσουµε τα εξής: όταν δεν λαµβάνεται υπόψιν η σκίαση προκύπτει η επόµενη σχέση για τα β 1,β 2,β 3: β 1 <β 2 <β 3. Αυτό σηµαίνει πως, προκειµένου να διατηρηθεί το επιθυµητό Eb/Io, χρειάζεται περισσότερη ισχύς για να υποστηριχθεί το SHO. Όσο περισσότεροι σταθµοί συµµετέχουν στη διαδικασία τόσο περισσότερη ισχύς χρειάζεται. Στην περίπτωση που συνυπολογίζεται και η σκίαση, η ισχύς που πρέπει να κατανεµηθεί αλλάζει για να επιτευχθεί το ίδιο Eb/Io. Γίνεται φανερό από τα σχήµατα 3.15, 3.16, πως για τους χρήστες οι οποίοι βρίσκονται στα σύνορα της κυψέλης χρειάζονται λιγότερη µέση ισχύ προκειµένου να επιτευχθεί το ίδιο Eb/Io. Αξίζει να σηµειωθεί πως για θ=0 το 2 way SHO έχει πάντοτε καλύτερα αποτελέσµατα από το 3 way SHO. Στις παραπάνω περιπτώσεις έχουµε υποθέσει πως το QoS είναι εξασφαλισµένο και ότι δεν υπάρχουν όρια στην ισχύ. Στα πραγµατικά δίκτυα όµως τίθενται περιορισµοί όσον αφορά την ισχύ (υπάρχουν συγκεκριµένα όρια). Αυτό γίνεται προκειµένου να αποφευχθεί υπερβολική παρεµβολή λόγω γρήγορου ελέγχου ισχύος σε ένα άσχηµο ραδιοκανάλι. Κανονικά, σε ένα µακροκυτταρικό περιβάλλον οι τιµές της µέγιστης συνολικής ισχύος σταθµών βάσης και η µέγιστη τιµή ισχύος καναλιού κάτω ζεύξης έιναι 43 dbm (20 W) και 30 dbm (1 W) αντίστοιχα [Cas01]. Υποθέτωντας πως όλοι σταθµοί βάσης εκπέµπουν ισχύ 43 dbm το σχήµα 3.17 απεικονίζει την µέση ισχύ κάτω ζεύξης για ένα κινητό σε διάφορες θέσεις (θ=30). O οριζόντιος άξονας δείχνει την απόσταση του κινητού από τον σταθµό βάσης. Θεωρούµε πώς το κινητό βρίσκεται σε κατάσταση SHO όταν d=

79 downlink traffic channel power(w) Pr1( d1) Pr2( d1) Pr3( d1) PL 0.5 no SHO 2 way SHO 3 way SHO power limit Distance from BTS1( km) Σχήµα 3.17 Ισχύς καναλιού κάτω ζεύξης d1 Από το σχήµα συµπεραίνουµε πως όταν δεν εφαρµόζεται η τεχνική του soft handover, προκειµένου να επιτευχθεί το ζητούµενο Eb/Io, όταν όλοι οι σταθµοί εκπέµπουν την µέγιστη δυνατή ισχύ, η µέση ισχύς κάτω ζεύξης που χρειάζεται το κινητό στα σύνορα της κυψέλης ξεπερνά το µέγιστο επιτρεπόµενο όριο. Αυτό µπορεί να οδηγήσει είτε σε απόρριψη του χρήστη ή σε πτώση του QoS. Το πρόβληµα αυτό αντιµετωπίζεται από το soft handover µε το µοίρασµα της ισχύος µεταξύ των σταθµών βάσης. Τα συµπέρασµα εδώ είναι ότι το soft handover µειώνει την πιθανότητα της πτώσης του QoS. 79

80 3.9 Συµπεράσµατα Οι χρήστες που βρίσκονται στα σύνορα της κυψέλης αντιµετωπίζουν την µεγαλύτερη διακυψελική παρεµβολή η οποία αποτελεί το µεγαλύτερο µέρος της παρεµβολής. Το soft handover µειώνει την πιθανότητα της πτώσης του QoS για τους χρήστες οι οποίοι βρίσκονται στα σύνορα της κυψέλης. Το soft handover µειώνει την συνολική ισχύ που χρειάζονται οι χρήστες στα σύνορα της κυψέλης. Για τους χρήστες που βρίσκονται στις γωνίες της κυψέλης (θ=30) το 3 way SHO έχει καλύτερα αποτελέσµατα από το 2 way SHO Για τους χρήστες που βρίσκονται στην άκρη της κυψέλης (θ=0) το 3 way SHO έχει χειρότερα αποτελέσµατα από το 2 way SHO Όταν δεν λαµβάνεται υπόψιν η σκίαση προκύπτει για τα β 1,β 2,β 3: β 1 <β 2 <β 3. Αυτό σηµαίνει πως, προκειµένου να διατηρηθεί το επιθυµητό Eb/Io, χρειάζεται περισσότερη ισχύς για να υποστηριχθεί το SHO. Όσο περισσότεροι σταθµοί συµµετέχουν στη διαδικασία τόσο περισσότερη ισχύς απαιτείται. 80

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΠΟ ΟΤΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΚΑΤΑ ΤΗΝ MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ Η µέθοδος αυτή έχει να κάνει µε την επιλογή του πιο αποδοτικού καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης δεδοµένων multimedia όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος. Οι εφαρµογές multimedia έχουν ιδιαίτερη σηµασία αν λάβει κανείς υπόψη τον πολλαπλασιασµό και την ολοκλήρωση των ασύρµατων συστηµάτων. ιάφορα προβλήµατα εµφανίζονται κατά την multicast µετάδοση όµως το σηµαντικότερο έχει να κάνει µε την απαίτηση για µεγάλη ισχύ που πρέπει να αντιµετωπιστεί. Η ισχύς εκποµπής που πρέπει να διαµοιραστεί στους χρήστες είναι περιορισµένη και έτσι ο έλεγχος ισχύος καθίσταται αναγκαίος. Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές για την µείωση της εκπεµπόµενης ισχύος όπως η Dynamic Power Setting, Diversity Combining, Efficient Channel Selection κ.α. Στο συγκεκριµένο κεφάλαιο επιλέγουµε την Αποδοτική Επιλογή Καναλιού (ECS). Η ροή των δεδοµένων πρέπει να βελτιστοποιηθεί όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UTRAN (τις Ιub και Uu). H κατάλληλη επιλογή καναλιού για την µεταφορά των multicast δεδοµένων στην ασύρµατη επικοινωνία είναι δύσκολη καθώς σε περίπτωση σφάλµατος ολόκληρο το κελί µπορεί να οδηγηθεί σε αστοχία. Για την υποστήριξη της multicast µετάδοσης στο UTRAN γίνεται κυρίως χρήση των υπαρχόντων καναλιών µε µικρές διαφοροποιήσεις. Τα διαθέσιµα κανάλια µεταφοράς του UMTS που χρησιµοποιούνται για τη µετάδοση των δεδοµένων είναι τo Dedicated Channel (DCH), το Forward Access Channel (FACH) και το High Speed - Downlink Shared Channel (HS-DSCH). Στόχος είναι η καλύτερη διαχείριση των πόρων του συστήµατος. Αυτό µας οδηγεί στο να κατατάξουµε κοινά κανάλια (FACH) σαν την πρώτη επιλογή αφού πολλοί χρήστες είναι δυνατόν να µοιραστούν ταυτόχρονα τους ίδιους πόρους. Ωστόσο, αυτό εξαρτάται από τον αριθµό τον χρηστών του multicast group, τον τύπο υπηρεσίας καθώς και από το QoS που µπορεί να διασφαλιστεί. Για το λόγο αυτό, όταν ο αριθµός των χρηστών που λαµβάνουν την multicast υπηρεσία είναι µικρός είναι πιο αποδοτικό να χρησιµοποιηθούν αφιερωµένα κανάλια µεταφοράς (DCHs), ώστε να ελαχιστοποιηθεί η εκπεµπόµενη ισχύς από το Node B και η παρεµβολή (interference). Το σηµαντικό ερώτηµα λοιπόν που τίθεται στο σηµείο αυτό είναι: ποιο είναι το σηµείο εναλλαγής (switching point) µεταξύ αφιερωµένων (dedicated) και κοινών (common) καναλιών; 4.1 Εισαγωγή στον Έλεγχο Ισχύος του WCDMA Μεγάλης σηµασίας είναι ο αποδοτικός έλεγχος ισχύος στα συστήµατα CDMA. Είναι απαραίτητος για την αντιµετώπιση τόσο της εξασθένησης του σήµατος (fading) όσο και της παρεµβολής (interference). Ωστόσο, είναι αποδοτικός µόνο σε ορισµένους τύπους καναλιών ανάλογα µε τον αλγόριθµο ελέγχου ισχύος που χρησιµοποιείται. Η λανθασµένη χρήση του µπορεί να οδηγήσει σε υψηλό επίπεδο σπατάλης ισχύος και κακής συµπεριφοράς του συστήµατος. Ο έλεγχος ισχύος χρειάζεται τόσο στον ανερχόµενο όσο και στον κατερχόµενο σύνδεσµο (uplink και downlink). 81

82 O γρήγορος έλεγχος ισχύος (fast power control) είναι ένας πολύ σηµαντικός παράγοντας για το WCDMA, ιδιαίτερα στο uplink. Χωρίς αυτόν ένας χρήστης µε µεγάλη ισχύ θα µπορούσε να µπλοκάρει ένα ολόκληρο κελί. Συγκεκριµένα, υπάρχει η πιθανότητα η υπερβολική ισχύς να οδηγήσει σε υψηλό επίπεδο θορύβου. To σχήµα 4.1 παρουσιάζει το near-far πρόβληµα στο uplink. Εάν ο χρήστης UE1 εκπέµπει µε µεγάλη ισχύ, τότε µπορεί να περιορίσει το σήµα από τον UE2 και η περιοχή κάλυψης του τελευταίου να µειωθεί δραµατικά. Σχήµα 4.1 Near-Far πρόβληµα στο Uplink Η βέλτιστη στρατηγική του ελέγχου ισχύος είναι ο σταθµός βάσης (BS ή Node B) να λαµβάνει το ίδιο ποσό ισχύος / bit από κάθε UE ανεξάρτητα από τη θέση τους ώστε να µειωθούν τα επίπεδα θορύβου και να µεγιστοποιηθεί η χωρητικότητα του κελιού. Στην downlink περίπτωση δεν υφίσταται το near-far πρόβληµα. Ωστόσο, στο downlink όλοι οι χρήστες διαµοιράζονται την ισχύ εκποµπής του Node B, η οποία, όπως είναι αναµενόµενο είναι περιορισµένη. Κατά συνέπεια, όταν ένας χρήστης καταναλώνει µεγάλη ισχύ τότε αποµένει λιγότερη ποσότητα ισχύος για τους υπόλοιπους χρήστες, γεγονός που µπορεί να οδηγήσει σε σηµαντική µείωση της χωρητικότητας του κελιού. Είναι κατανοητό ότι στο downlink ο έλεγχος ισχύος δε χρειάζεται για να αντιµετωπίσει το near-far πρόβληµα αλλά για να διατηρήσει την κατανάλωση ισχύος σε ένα επίπεδο που να διασφαλίζονται οι ανάγκες των χρηστών. Υπάρχουν τρεις µέθοδοι ελέγχου της ισχύος στο UMTS: η µέθοδος open-loop power control η µέθοδος closed-loop power control και η µέθοδος outer-loop power control. 82

83 Ο µηχανισµός open-loop power control κάνει εκτίµηση του path loss στο downlink, µέσω ενός σήµατος (beacon signal) υποθέτοντας ότι η τιµή του είναι ίση µε αυτή στο uplink. Ωστόσο, αυτή η µέθοδος είναι ανακριβής αφού το φαινόµενο της γρήγορης εξασθένησης (fast fading) διαφέρει σηµαντικά ανάµεσα στο uplink και στο downlink, λόγω της µεγάλης διαφοράς συχνοτήτων στους δυο συνδέσµους στο WCDMA Frequency Division Duplex (FDD) mode. Παρόλα αυτά, η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται στο WCDMA µόνο για να παράγει µια πρόχειρη αρχική εκτίµηση ισχύος στον κινητό σταθµό στην αρχή της σύνδεσης. Η λύση για τον έλεγχο ισχύος στο WCDMA (UTRAN FDD) είναι ο µηχανισµός fast closed loop power control (επίσης αποκαλείται inner loop power control) στο uplink και στο downlink. Στο uplink όταν χρησιµοποιείται η τεχνική closed loop power control, ο σταθµός βάσης εκτελεί συχνές εκτιµήσεις του ληφθέντος Signal-to- Interference Ratio (SIR) και το συγκρίνει µε µία αρχικά ορισµένη, επιθυµητή τιµή του SIR (target SIR). Εάν το υπολογισθέν SIR είναι µεγαλύτερο από το target SIR τότε ο Node B θα επιβάλλει στο χρήστη να µειώσει την ισχύ εκποµπής του. Αντιθέτως, αν είναι µικρότερο, ο Node B θα επιβάλλει στο UE να αυξήσει την ισχύ του. Αυτός ο υπολογισµός εκτελείται µε συχνότητα 1500 φορές το δευτερόλεπτο (1.5 KHz) για κάθε UE λειτουργώντας έτσι πολύ γρήγορα και προλαµβάνοντας όποια πιθανή αλλαγή του path loss. Η ίδια τεχνική του closed loop power control χρησιµοποιείται επίσης και στο downlink. Στον κατερχόµενο σύνδεσµο δεν υφίσταται το near far πρόβληµα. Όλα τα σήµατα στην κυψέλη προέρχονται από το µοναδικό σταθµό βάσης προς όλους τους χρήστες. Είναι όµως επιθυµητό να παρέχεται ένα οριακό ποσό επιπλέον ισχύος στους χρήστες που βρίσκονται στα άκρα της κυψέλης αφού αυτοί υφίστανται αυξηµένη παρεµβολή / θόρυβο από γειτονικές κυψέλες. Η τρίτη µέθοδος ελέγχου ισχύος, η outer loop power control, προσδιορίζει το target SIR, που αναφέρθηκε παραπάνω. Καθορίζει το στόχο για το fast power control ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυµητή ποιότητα. Το target SIR µπορεί να αλλάζει συνεχώς λόγω των διαφορετικών (radio) συνθηκών και των διαφορετικών παραµέτρων του εκάστοτε καναλιού. Πιο συγκεκριµένα, το SIR εξαρτάται από την ταχύτητα του UE και το multipath προφίλ του χρήστη. Για παράδειγµα, ένα UE που κινείται µε µεγάλη ταχύτητα θα απαιτεί υψηλό SIR συγκριτικά µε ένα ακίνητο. Όµως, για την εξυπηρέτηση και τον καθορισµό του SIR για τη χειρότερη περίπτωση, π.χ. για µεγάλες ταχύτητες, θα υπήρχε σπατάλη χωρητικότητας για τις συνδέσεις µε χαµηλές ταχύτητες. Συνεπώς, η καλύτερη στρατηγική είναι η τιµή του target SIR να έχει την ελάχιστη τιµή που ικανοποιεί την επιθυµητή ποιότητα υπηρεσίας Ο έλεγχος ισχύος δεν έχει καλή απόδοση όταν η µετάδοση κατευθύνεται σε πολλά τερµατικά µε διαφορετικά µοντέλα διάδοσης. Στην απλούστερη περίπτωση ο πιο αδύναµος σύνδεσµος στο multicast group καθορίζει την απαιτούµενη ισχύ µετάδοσης, οδηγώντας έτσι σε αυξηµένη παρεµβολή για όλους τους χρήστες και άρα σε απώλεια χωρητικότητας του συστήµατος. 83

84 Όπως προαναφέρθηκε, ο µηχανισµός fast power control είναι αποδοτικός για να ελεγχθεί η παρεµβολή και να αυξηθεί η χωρητικότητα στα κυψελωτά συστήµατα. Στην unicast (point-to-point) µετάδοση, στη downlink κατεύθυνση, είναι επιθυµητό να παρέχεται ένα οριακό ποσό επιπλέον ισχύος στους χρήστες που βρίσκονται στα άκρα της κυψέλης αφού αυτοί υφίστανται αυξηµένη παρεµβολή από γειτονικές κυψέλες. Επιπλέον, στο downlink είναι απαραίτητος ένας τρόπος ώστε να ενισχύονται τα σήµατα που εξασθενούν από το φαινόµενο του Rayleigh fading στις χαµηλές ταχύτητες κίνησης των χρηστών. Με άλλα λόγια, ο έλεγχος ισχύος χρησιµοποιείται για να διατηρήσει την ποιότητα του συνδέσµου και να παρέχει µια αξιόπιστη σύνδεση ώστε ο χρήστης να λαµβάνει δεδοµένα µε αποδεκτούς ρυθµούς σφαλµάτων. Επίσης, η εκποµπή µε όσο το δυνατόν λιγότερη ισχύ εξασφαλίζει ότι θα υπάρχει ελάχιστη παρεµβολή που θα επηρεάζει τα γειτονικά κελιά. Στις multicast (point-to-multipoint) µεταδόσεις επιτυγχάνονται όλα τα παραπάνω πλεονεκτήµατα όταν εφαρµόζεται έλεγχος ισχύος. Σε µια απλή µορφή multicasting ο Node B εκπέµπει σε ένα επίπεδο ισχύος αρκετό ώστε να υποστηρίξει τη σύνδεση µε το χρήστη που έχει την υψηλότερη ανάγκη ισχύος ανάµεσα σε όλους τους χρήστες του multicast group. Επίσης, η µέθοδος αυτή είναι αποδοτική αφού ο χρήστης µε τη µέγιστη ανάγκη ισχύος θα χρειαζόταν την ίδια ποσότητα ισχύος και στη unicast µετάδοση. Έτσι ικανοποιώντας αυτή την ανάγκη σε ισχύ, η ισχύς µετάδοσης θα είναι αρκετή και για όλους τους άλλους χρήστες του group. Συνεπώς, η εκπεµπόµενη ισχύς διατηρείται σε ένα υψηλό επίπεδο για µεγάλη χρονική διάρκεια, το οποίο µε τη σειρά του αυξάνει την ποιότητα του σήµατος σε κάθε δέκτη στο multicast group. Ωστόσο, η µέση ισχύς και η µέση λαµβανόµενη ποιότητα θα είναι µεγαλύτερη από την απαιτούµενη. Το σηµαντικό όµως πλεονέκτηµα του ελέγχου ισχύος είναι ότι ελαχιστοποιεί την εκπεµπόµενη ισχύ. 4.2 Έλεγχος Ισχύος και Κανάλια Μετάδοσης Σε αυτή την παράγραφο το ερώτηµα που τίθεται είναι κάτω από ποιες προϋποθέσεις, λαµβάνοντας υπόψη τα επίπεδα κατανοµής ισχύος, ένα κανάλι είναι κατάλληλο ή όχι για τη διανοµή του multicast περιεχοµένου. Η κυριαρχούσα άποψη για την υποστήριξη multicast µετάδοσης στο UTRAN είναι η χρησιµοποίηση των υπαρχόντων καναλιών µε µικρές διαφοροποιήσεις (π.χ. εισαγωγή multicast διευθυνσιοδότησης). Τα κανάλια µεταφοράς του UMTS που είναι διαθέσιµα στο downlink και θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν για multicast µετάδοση είναι το Dedicated Channel (DCH), το Forward Access Channel (FACH) και το High Speed DSCH (HS-DSCH). Κάθε κανάλι έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά όσον αφορά τον έλεγχο ισχύος. Η κύρια απαίτηση είναι να γίνεται αποδοτική χρήση των πόρων του συστήµατος. Αυτή η απαίτηση κατατάσσει τα κοινά κανάλια ως την πρώτη επιλογή αφού πολλοί χρήστες µπορούν να µοιραστούν ταυτόχρονα τους ίδιους πόρους. Ωστόσο, αυτό εξαρτάται από τον αριθµό τον χρηστών του multicast group, τον τύπο υπηρεσίας καθώς και από το QoS που µπορεί να διασφαλιστεί. Για το λόγο αυτό, όταν ο αριθµός των χρηστών που λαµβάνουν την multicast υπηρεσία είναι µικρός ίσως είναι πιο 84

85 αποδοτικό να χρησιµοποιηθούν αφιερωµένα κανάλια µεταφοράς για κάθε χρήστη ώστε να ελαχιστοποιηθεί η εκπεµπόµενη ισχύς και η παρεµβολή (interference). Το σηµαντικό ερώτηµα λοιπόν που τίθεται στο σηµείο αυτό είναι το σηµείο εναλλαγής (switching point) µεταξύ αφιερωµένων (dedicated) και κοινών (common) καναλιών. Η πληροφορία για το πλήθος των χρηστών µόνο δεν είναι αρκετή για να ορίσει το σηµείο εναλλαγής. Υπάρχει και η περίπτωση όπου ένας αριθµός χρηστών που χρησιµοποιεί αφιερωµένα κανάλια και που είναι µεγαλύτερος από το σηµείο εναλλαγής χρειάζεται λιγότερη ισχύ από την περίπτωση χρησιµοποίησης ενός µόνο κοινού καναλιού. Πράγµατι, οι χρήστες που βρίσκονται στα όρια της κυψέλης χρειάζονται περισσότερη ισχύ από αυτούς που βρίσκονται κοντά στο Node B. 4.3 Κατανοµή Ισχύος για Κοινά Κανάλια Ελέγχου Ένα ποσοστό της downlink ισχύος ενός Node B πρέπει να κατανεµηθεί για κοινά κανάλια (CPICH, SCH, PICH, AICH, CCPCH), τα οποία µεταδίδονται ανεξάρτητα από τα κανάλια µεταφοράς. Η ισχύς αυτή επηρεάζει το χρόνο συγχρονισµού, την ποιότητα λήψης του broadcast καναλιού κ.α. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τυπικές τιµές της κατανοµής ισχύος για τα κοινά αυτά κανάλια. Πίνακας 4.1 Τιµές ισχύος για κοινά κανάλια Από τον πίνακα 4.1 φαίνεται ότι η ισχύς που κατανέµεται στα Κοινά Κανάλια ανέρχεται περίπου στα 3W ή 36dBm. 85

86 4.4 Κατανοµή Ισχύος για DCH Σε αυτή την παράγραφο θα γίνει µια ποσοτική εκτίµηση της απαιτούµενης ισχύος για την εξυπηρέτηση των multicast χρηστών χρησιµοποιώντας αφιερωµένα κανάλια µεταφοράς κατά την Downlink κατεύθυνση. Το DCH δεν έχει σταθερή ισχύ, αλλά µεταβαλλόµενη κατανοµή ισχύος και µάλιστα αυξανόµενη καθώς αυξάνεται τόσο ο αριθµός των χρηστών όσο και η απόσταση τους από το Node B. Η εκτίµηση της απαιτούµενης ισχύος µπορεί να διακριθεί σε δυο διαφορετικές περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση υπάρχει µια και µοναδική κυψέλη χωρίς την ύπαρξη γειτονικών κυψελών (single cell case), ενώ στη δεύτερη θεωρείται ένα σύνολο γειτονικών κυψελών όπου υπάρχει αλληλεπίδραση µεταξύ τους (multi cell case). Αυτό το οποίο µας ενδιαφέρει στην ανάλυση που ακολουθεί είναι να υπολογίσουµε το ποσοστό της ισχύος που πρέπει να ανατεθεί από το Node B για τους χρήστες που χρησιµοποιούν τα DCHs ως συνάρτηση: του αριθµού των χρηστών που εξυπηρετούνται από το Node B της απόστασής των χρηστών από το Node B του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων από το Node B του απαιτούµενου E ( b ) N 0 για κάθε χρήστη. Με τον τρόπο αυτό, ακολούθως, µπορεί να υπολογιστεί το πλήθος των χρηστών που µπορούν ταυτόχρονα να εξυπηρετηθούν µε αφιερωµένα κανάλια από µια κυψέλη για µια multicast υπηρεσία µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά Η Περίπτωση του ενός Κελιού Σε αυτή την παράγραφο παρουσιάζεται µια ανάλυση του υπολογισµού της απαιτούµενης ισχύος που πρέπει να ανατεθεί από το Node B για τους χρήστες που εξυπηρετούνται από DCHs στην περίπτωση που υπάρχει µόνο ένα κελί. Στο κελί υπάρχουν n χρήστες συνολικά οι οποίοι λαµβάνουν δεδοµένα µέσω DCHs από το Node B. Η εξίσωση 4.1 υπολογίζει τη συνολική ισχύ που ανατίθεται από το Node B για όλους τους χρήστες, ενώ η εξίσωση 4.2 την ισχύ που ανατίθεται από το Node B ξεχωριστά για κάθε ένα χρήστη. 86

87 P T = P P + P 1 i= 1 n N i= 1 n 0 L p, i W E ( b ) i R N b, i 0 p W + E ( b ) i R N b, i + p p (4.1) P Ti = L p, i P N PT + p L W E ( b ) i R N 0 b, i p, i + p (4.2) όπου P T η συνολική ισχύς για όλους τους DCH χρήστες, P Ti η ισχύς για κάθε ένα χρήστη, L p, i οι απώλειες µετάδοσης (path loss) για τον i χρήστη, R b, i ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων για τον i χρήστη, W το εύρος ζώνης (bandwidth), P η ισχύς που ανατίθεται για τα κοινά κανάλια ελέγχου, P N ο background θόρυβος που υπεισέρχεται κατά την µετάδοση, E ( b ) η ενέργεια συµβόλου προς την πυκνότητα N i 0 φασµατικής ισχύος του θορύβου (signal energy per bit divided by noise spectral density) που απαιτείται για την επίτευξη µιας προκαθορισµένης συχνότητας εµφάνισης λανθασµένου block (Block error rate, BLER), p ο παράγοντας ορθογωνιότητας (orthogonality factor - χρησιµοποιούνται ορθογώνιοι κώδικες στον κατερχόµενο σύνδεσµο). Οι ορθογώνιοι κώδικες αλλοιώνονται λόγω του multi-path φαινοµένου. Ο παράγοντας ορθογωνιότητας λαµβάνει τιµές από το 0 έως το 1, όπου 0 σηµαίνει τέλεια ορθογωνιότητα, ενώ 1 µη-ορθογώνιοι κώδικες. Η παράµετρος Eb/No εξαρτάται από το ρυθµό µετάδοσης, την ποιότητα υπηρεσίας που παρέχεται και το προφίλ κίνησης του χρήστη. Ενδεικτικά, αναφέρουµε ότι για µικρές ταχύτητες η τιµή της παραµέτρου είναι µικρή σε αντίθεση µε τις υψηλές ταχύτητες όπου η τιµή είναι µεγάλη. Επιπλέον, για χαµηλούς ρυθµούς µετάδοσης η τιµή της παραµέτρου είναι µικρή. 87

88 Το µοντέλο path loss που χρησιµοποιούµε είναι το τροποποιηµένο µοντέλο υπολογισµού απωλειών του Okumura-Hata. Στη συγκεκριµένη περίπτωση εξετάζονται περιβάλλοντα µεγάλης έκτασης κυψελών (macrocell environments), τα οποία χαρακτηρίζονται από ευρείες κυψέλες και υψηλές τιµές ισχύος σε αστικές και ηµιαστικές περιοχές µε κεραίες στις οροφές των κτιρίων. Ειδικότερα το µοντέλο για τον υπολογισµό του path loss δίνεται από την εξίσωση 4.3 L db = h d h + f + (4.3) -3 p( ) 40 ( b)log10-18log10 b 21log10 80 όπου d είναι η απόσταση (σε Km) µεταξύ του Node B και του χρήστη, f η συχνότητα φέρουσας (σε MHz) και hb είναι το ύψος (σε m) της κεραίας του Node B από την οροφή ενός µεσαίου ύψους κτιρίου. Τυπικές τιµές για τις προηγούµενες παραµέτρους είναι h = 15m, f = 2000MHz. Έτσι προκύπτει η εξίσωση (4.4). b L ( ) log p db = + 10 d (4.4) Πρέπει να σηµειωθεί ότι ενώ ορισµένοι χρήστες που βρίσκονται στα όρια της κυψέλης χρειάζονται µεγάλη ισχύ, οι χρήστες που βρίσκονται κοντά στο Node B απαιτούν αρκετά µικρότερη ισχύ. Η διαφορά ανάµεσα στη µέγιστη και τη µέση τιµή του path loss είναι περίπου 6dB. Στη συνέχεια παρουσιάζονται ενδεικτικές τιµές των παραµέτρων που χρησιµοποιήθηκαν για τους υπολογισµούς. Παράµετροι Τιµές Μέγιστη Εκπεµπόµενη Ισχύς [dbm] 43 Πλήθος Χρηστών 0-60 Ισχύς Κοινών Καναλιών Ελέγχου [dbm] 30 Background Θόρυβος [dbm] -100 Ρυθµός Μετάδοσης [Κbps] Εύρος Ζώνης [Mchips/s] 3.84 Παράγοντας Ορθογωνιότητας 0.5 Eb/No [db] Απόσταση d [Κm] Πίνακας 4.2 Τιµές παραµέτρων ανάλυσης 88

89 Αποτελέσµατα ανάλυσης Στην παρακάτω διαδικασία εξετάζουµε την απαιτούµενη ισχύ που πρέπει να διανεµηθεί στους DCH χρήστες ανάλογα µε το πλήθος τους και ανάλογα µε κάποια παράµετρο διατηρώντας σταθερές τις υπόλοιπες. Σε όλα τα διαγράµµατα φαίνεται η µέγιστη ισχύς που µπορεί να ανατεθεί από τον Node B για να µπορούµε να διακρίνουµε το µέγιστο αριθµό χρηστών είναι δυνατόν να υποστηριχτούν. Η µέγιστη αυτή τιµή όπως διακρίνεται και στον προηγούµενο πίνακα του ορισµού των παραµέτρων ανέρχεται στα 43dBm ή αλλιώς στα 20W. Στο σχήµα που ακολουθεί παρουσιάζεται η συνολική ισχύς για τους DCH χρήστες σε συνάρτηση της απόστασης των χρηστών από το Node B. Σχήµα 4.2 Συνολική ισχύς σε σχέση µε την απόσταση των χρηστών από το Node_B Από το σχήµα 4.2 γίνεται φανερό πως αυξανοµένης της αποστάσεως από το Node B µεγαλώνει η απαίτηση για ισχύ µετάδοσης. Κάτι τέτοιο είναι αναµενόµενο αφού µε την αύξηση της αποστάσεως αυξάνει το path loss. Για απόσταση 2 Km παρατηρούµε 89

90 πως µπορούν να εξυπηρετηθούν περίπου 30 χρήστες για µια υπηρεσία 64 Kbps και για Eb/No 3 db. Στο σχήµα 4.3 απεικονίζεται η συνολική ισχύς συναρτήσει του ρυθµού µετάδοσης της υπηρεσίας για κάθε χρήστη. Σχήµα 4.3 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων Από το σχήµα 4.3 παρατηρούµε ότι η ισχύς µετάδοσης αυξάνεται εκθετικά όσο µεγαλώνει ο αριθµός των χρηστών. Επίσης για µεγαλύτερους ρυθµούς µετάδοσης απαιτείται µεγαλύτερη ισχύς µετάδοσης. Οι υπολογισµοί έγιναν για απόσταση 1 km από τον Node B και για Eb/No 3 db. Στο επόµενο σχήµα φαίνεται η ισχύς µετάδοσης σε συνάρτηση µε το απαιτούµενο Eb/No. 90

91 Σχήµα 4.4 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το Eb/No Γίνεται φανερό από το διάγραµµα πως η ισχύς µετάδοσης αυξάνεται µε την αύξηση της τιµής του Eb/No. Οι χρήστες που έχουν απαίτηση για µεγαλύτερο Eb/No απαιτούν ταυτόχρονα και µεγαλύτερη ισχύ. Οι υπολογισµοί έγιναν για απόσταση 1 km από τον Node B και για ρυθµό µετάδοσης 64Kbps. Για Εb/No ίσο µε 5dB είναι 33 χρήστες και για 3dB 50 περίπου χρήστες που µπορούν να εξυπηρετηθούν. Από τα παραπάνω αποτελέσµατα γίνεται φανερό ότι το πλήθος των χρηστών που µπορούν να εξυπηρετηθούν από µια multicast υπηρεσία µέσω DCH καναλιών όταν έχουµε µόνο µια κυψέλη είναι σχετικά υψηλό. Όµως ο αριθµός αυτός των χρηστών είναι πλασµατικός αφού µια αποµονωµένη κυψέλη δεν είναι δυνατόν να υπάρξει. 91

92 4.4.2 Η Περίπτωση Πολλαπλών Κελιών Σε αυτή την περίπτωση θα λάβουµε υπόψιν το πρώτο επίπεδο παρεµβολών (1 st tier). Το σύστηµα το οποίο εξετάζεται φαίνεται στο επόµενο σχήµα. Σχήµα 4.5 Υπό εξέταση τοπολογία ανάλυσης ισχύος DCH για πολλαπλά κελιά Όπως και στην περίπτωση ενός µόνο κελιού, εδώ εξετάζεται η ισχύς που πρέπει να ανατεθεί από το Node B για τους DCH χρήστες σε σχέση µε τον αριθµό των χρηστών, την απόστασή τους από το σταθµό βάσης, το απαιτούµενο E b για κάθε N 0 χρήστη και το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων από το Node B. Η εξίσωση 4.5 υπολογίζει τη συνολική ισχύ που ανατίθεται από το Node B για όλους τους DCH χρήστες, ενώ η εξίσωση 4.6 την ισχύ που ανατίθεται από το Node B ξεχωριστά για ένα µόνο DCH χρήστη. P T = P P + 1 n i= 1 n i= 1 ( PN + xi ) L W + p E ( b ) i R N b, i 0 p W + p E ( b ) i R N b, i 0 p, i (4.5) P Ti = L p, i T PN + xi + p L p, i W E ( b ) i R N 0 b, i P + p (4.6) 92

93 Η µόνη διαφορά µε την περίπτωση που είχαµε ένα µοναδικό κελί έγκειται στην παράµετρο x η οποία εκφράζει την παρεµβολή των γειτονικών κελιών (intercell i interference) που παρατηρείται από τον i χρήστη. Η παράµετρος x i είναι συνάρτηση της εκπεµπόµενης ισχύος από τα γειτονικά κελιά και του path loss κάθε χρήστη από τα κελιά αυτά και δίνεται από την εξίσωση 4.7. x i K Tj = (4.7) j= 1 P L ij όπου P Tj, j = 1 Κ η εκπεµπόµενη ισχύς από τις γειτονικές κυψέλες και L ij το path loss για το χρήστη i στην κυψέλη j. Είναι σηµαντικό να τονιστεί το γεγονός ότι η τελική τιµή της εκποµπής ισχύος ενός Node B εξαρτάται άµεσα από τη σχετική τιµή ισχύος P που εκπέµπουν όλα τα γειτονικά κελιά. Στην ανάλυση που ακολουθεί η Tj παράµετρος αυτή έχει οριστεί στην τιµή των 2W ή διαφορετικά 33dBm. Ο ορισµός των παραµέτρων ανάλυσης στη multi-cell περίπτωση είναι ο ίδιος µε αυτόν που χρησιµοποιήθηκε και στη single-cell περίπτωση. Στο επόµενο σχήµα απεικονίζεται η συνολική ισχύς για τους DCH χρήστες σε συνάρτηση µε την απόσταση από τον Node B. Σχήµα 4.6 Συνολική ισχύς σε σχέση µε την απόσταση των χρηστών από το Node B 93

94 Όπως και στην περίπτωση της µιας κυψέλης, έτσι και εδώ αυξανοµένης της αποστάσεως από τον Node B αυξάνεται και η ισχύς µετάδοσης. Για αποστάσεις 0.5Κm και 1Κm από το Node B µπορούν να εξυπηρετηθούν 32 και 31 αντίστοιχα χρήστες για µια 64Κbps υπηρεσία. Για απόσταση 1.5Κm ο αριθµός αυτός ανέρχεται στους 27 χρήστες και για 2Κm στους 22 χρήστες. Στο σχήµα 4.7 παρουσιάζεται η συνολική ισχύς για τους DCH χρήστες συναρτήσει του ρυθµού µετάδοσης της υπηρεσίας για κάθε χρήστη. Σχήµα 4.7 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων Παρατηρούµε πως µε την αύξηση του ρυθµού µετάδοσης, η απαίτηση για µεγαλύτερη ισχύ µετάδοσης µεγαλώνει. Η µέση απόσταση όλων των χρηστών από το Node B για όλους τους ρυθµούς µετάδοσης είναι 1Κm. Για µια 256Κbps υπηρεσία µπορούν να εξυπηρετηθούν ταυτόχρονα µόνο 8 χρήστες, ενώ για µια 144Κbps υπηρεσία 14 χρήστες. Επίσης, για µια 64Κbps υπηρεσία ο αριθµός των χρηστών ανέρχεται σε 30 χρήστες και για 32Κbps υπηρεσία στους περίπου 60 χρήστες. Στο σχήµα 4.8 απεικονίζεται η συνολική ισχύς σε συνάρτηση µε το απαιτούµενο Eb/No. 94

95 Σχήµα 4.8 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το Eb/No Προφανώς, η ισχύς αυξάνεται καθώς αυξάνεται η τιµή της παραµέτρου αυτής. Οι χρήστες µε υψηλή τιµή της παραµέτρου αυτής, οι οποίοι για παράδειγµα κινούνται µε µεγάλες ταχύτητες έχουν µεγαλύτερες απαιτήσεις σε ισχύ. Για µια 64Κbps υπηρεσία και απόσταση 1Κm από το Node B το πλήθος των χρηστών που µπορούν να εξυπηρετηθούν για Eb/No ίσο µε 5dB είναι 20, για 3dB είναι 30, για 2.5dB είναι 35, για 2dB είναι 39 και για Eb/No ίσο µε 1.5dB είναι 44 χρήστες. Αν όµως οι γειτονικοί σταθµοί βάσης εκπέµπουν µε P T =4W τότε ο αριθµός των χρηστών που µπορούν να έχουν καλύτερη ποιότητα υπηρεσίας µειώνεται όπως φαίνεται στο σχήµα 4.9. Ο αριθµός των χρηστών που µπορούν να εξυπηρετηθούν µειώνεται δραµατικά αν οι γειτονικοί σταθµοί εκπέµπουν µε την µέγιστη ισχύ δηλαδή 20W όπως φαίνεται από το σχήµα Καθίσταται λοιπόν αναγκαίος ο έλεγχος ισχύος για την ελαχιστοποίηση της εκπεµπόµενης ισχύος του σταθµού βάσης που οδηγεί σε ελαχιστοποίηση της παρεµβολής στο σύστηµα επιτρέποντας σε περισσότερους χρήστες να έχουν καλύτερη ποιότητα υπηρεσίας. 95

96 Σχήµα 4.9 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το Eb/No Σχήµα 4.10 Συνολική ισχύς σε σχέση µε το Eb/No 96

97 4.5 Κατανοµή Ισχύος για HS-DSCH Το κανάλι HS-DSCH είναι ένα κοινό κανάλι το οποίο χρησιµοποιείται από το HSDPA. ε διαθέτει έλεγχο ισχύος αλλά έλεγχο ρυθµού, είναι δηλαδή rate-controlled και όχι power-controlled. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στην ισχύ που αποµένει µετά την εξυπηρέτηση των κοινών καναλιών ελέγχου και άλλων power-controlled καναλιών να χρησιµοποιείται από το HS-DSCH επιτρέποντας έτσι πιο αποδοτική χρήση των πόρων ισχύος του συστήµατος. Η λογική αυτή αποτυπώνεται στo σχήµα Είναι δυνατόν ένα µέρος της εκπεµπόµενης ισχύος του Node B να διατίθεται στο HS-DSCH και ένα άλλο στη µετάδοση των DCH καναλιών, εξασφαλίζοντας την ταυτόχρονη χρήση τους για τη µετάδοση δεδοµένων. Σχήµα 4.11 Συνολική κατανοµή ισχύος Ο έλεγχος ρυθµού πραγµατοποιείται µέσω της διαδικασίας Link Adaptation (ή rate adaptation) και της χρήσης των τεχνικών Adaptive Modulation & Coding (AMC) και Hybrid ARQ. Το Node B καθορίζει το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων (transmission data rate) βασιζόµενο στην τιµή της παραµέτρου Channel Quality Indicator (CQI) που εκπέµπει κάθε τερµατικό χρήστη στο uplink κανάλι ελέγχου που συσχετίζεται µε το HS-DSCH. Ο ρυθµός αυτός προσαρµόζεται τροποποιώντας το σχήµα διαµόρφωσης (modulation scheme) και τον αριθµό των HS-PDSCH κωδίκων. Στο σχήµα 4.12 απεικονίζονται οι µέγιστοι ρυθµοί µετάδοσης για το HSDPA. Το ποσοστό της κατανοµής ισχύος στην περίπτωση που χρησιµοποιείται το HS-DSCH κανάλι επηρεάζει δραστικά το ρυθµό µετάδοσης των δεδοµένων. Πιο συγκεκριµένα, όσο περισσότερη ισχύς αφιερώνεται σε αυτόν το τύπο καναλιού (και αντίστοιχα λιγότερη σε DCH κανάλια) τόσο υψηλότεροι ρυθµοί επιτυγχάνονται και τόσο µεγαλύτερο throughput κυψέλης εξασφαλίζεται. 97

98 Σχήµα 4.12 HSDPA µέγιστοι ρυθµοί µετάδοσης Ο πίνακας 4.3 απεικονίζει την απόδοση του HSDPA. Πίνακας 4.3 Απόδοση HSDPA Ένα ακόµη στοιχείο που προκύπτει από τον πίνακα 4.3 είναι ότι όσο περισσότερη ισχύς ανατίθεται στο HS-DSCH κανάλι, η µέση καθυστέρηση µετάδοσης των πακέτων µειώνεται. Η καθυστέρηση αυτή αυξάνεται όσο µειώνεται η ισχύς. Όσον αφορά συγκεκριµένες τιµές ισχύος, στην περίπτωση που χρησιµοποιείται αποκλειστικά και µόνο HS-DSCH κανάλι, πρέπει να αναφερθεί ότι η ισχύς που ανατίθεται στο HS-DSCH κανάλι έχει ως κάτω όριο τα 2W (33 dbm), ίση δηλαδή µε 98