Канальная структура GPRS и схемы канального кодирования

GPRS, как расширение GSM, использует такие же частотные диапазоны, как и GSM и его производные (например, GSM1800, PCS 1900), такую же структуру TDMA/FDMA для формирования физических каналов [78]. Для восходящих и нисходящих каналов определено множество частотных каналов FDMA с шириной полосы

200 кГц. Далее они подразделены в TDMA фреймы длиной 4,615 мс. Каждый фрейм TDMA делится на восемь канальных интервалов (тайм-слотов TS).

Для передачи абонентских пакетов и пакетов различной сигнальной информации через радиоинтерфейс в сети GPRS организуются логические каналы, отличные от каналов классической сети GSM. Эти логические каналы размещаются в физических каналах, выделенных для GPRS из общего частотно-временного ресурса GSM. Напомним, что физический канал представляет собой временное окно (TS) на соответствующем частотном канале. В GSM на одном частотном канале размещают 8 физических каналов. Эти физические каналы распределяются между службой GPRS и услугами на основе коммутации каналов, причем, как уже отмечалось, это распределение может быть как статическим, так и динамическим.

Передача информации (поток цифровых радиосигналов) в GPRS осуществляется со скоростью 270,833 кбит/с с использованием гауссовской манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Как и в GSM, один символ кодированной последовательности соответствует одному модулированному символу. Теоретически GPRS позволяет выделить одному пользователю все восемь TS на одной несущей, обеспечивая максимальную скорость передачи данныхи 172,2 кбит/с. Однако, с учетом передачи управляющих протокольных блоков данных и из- быточности кодов с коррекцией ошибок, реальная скорость составляет 115,2 кбит/с (14,41 кбит/с на канал) [3]. С целью эффективного мультиплексирования пакетного IP-трафика к/от мобильным терминалам в GPRS определен тип физического канала – так называемый канал передачи пакетированных данных PDCH (Packet Data Channel), который может быть распределен на несколько логических каналов пакетных данных.

Структура логических GPRS каналов в определенной степени сходна со структурой логических каналов классической GSM, хотя и имеются существенные различия. В GPRS используют следующие логические каналы.

Канал трафика пакетированных данных PDTCH (Packet Data Traffic Channel). Его выделяют MS для передачи абонентских данных. В мультислотовом режиме одна MS может параллельно использовать до восьми PDTCH на одном частотном канале. Все PDTCH однонаправленные: для исходящей передачи данных (вверх) используют PDTCH/U (uplink), для входящей (вниз) – PDTCH/D (downlink). В отличие от классической сети GSM при paботе GPRS канал трафика PDTCH используют и для передачи сигнальной информации, относящейся к управлению мобильностью и сеансом связи (GMM/SM). В классической GSM для передачи соответствующей информации используют логический канал SDCCH.

Широковещательный канал управления GPRS PBCCH (Packet Broadcast Control Channel). Однонаправленный канал вниз. Действует по принципу «точка-многоточие». Передает системную информацию, сходную с информацией, передаваемой в классической сети GSM. Канал РВССН может быть не выделен. В этом случае MS получает необходимую системную информацию по каналу ВССН.

Общие каналы управления GPRS PCCCH (Packet Common Control Channel). Под этим наименованием объединена группа однонаправленных логических каналов, передающих сигнальную информацию. Каналы РСССН могут отсутствовать в соте. В этом случае MS получает необходимую сигнальную информацию по обычным общим каналам управления.

Архитектура канального уровня GPRS [33, 79, 80] надстраивается над форматами кадров системы GSM. Это обеспечивает их совместимость и возможности для эволюционного перехода. Формат канального интервала в GPRS идентичен GSM (см. разд. 2.3 рис. 2.2), т.е. он содержит 2x57 =114 информационных битов ED, 2 служебных бита, 26 битов обучающей последовательности, 2x3 символов защитных бланков (tail symbol). Соседние интервалы разделены защитным промежутком, равным по длительности 8,25 битам.

Основу формата канала PDCH составляют радиоблоки данных емкостью по 4x114 = 456 битов, которые передаются в одноименных временных слотах в четверках смежных TDMA кадров. Радиоблоки образуют 12-блочную структуру из 52-х TDMA кадров: (12+1)х4 = 52 (рис. 10.2). TDMA кадр содержит восемь тайм-слотов. Канал PDCH делится на сверхциклы, включающих 52 TDMA фрейма, которым соответствует длительность 240 мс, а каждый 13-й тайм-слот (так называемый незанятый тайм-слот) не используется для передачи данных, оставляя 12 радиоблоков в одном сверхцикле. Таким образом, среднее время передачи радиоблока – 20 мс.

Восходящий пакетный канал случайного доступа

Рис. 10.2. Канальная структура кадров GPRS

Временные слоты TS0 выделяются для восходящего (uplink) пакетного канала случайного доступа (PRACH – Packet Random Access Channel), слоты TS0-TS7 предназначены для размещения радиоблоков восходящего/нисходящего (uplink/downlink) пакетного канала передачи данных PDTCH. 12-ти блочные структуры содержат по 4 мультикадра пакетных данных PDMF (Packet Data Multiframe). Последние включают по 12 задействованных на канальном уровне TDMA кадров, а также по одному свободному TDMA кадру [102].

Циклы распределения ресурсов восходящего канала пакетных данных позиционируются относительно структуры мультикадров PDMF (рис. 10.3). Мобильные станции, имеющие подготовленные к передаче пакеты данных, передают в служебных слотах TS0 мультикадра по каналу PRACH (Packet Random Access Channel) свои запросы (PCR) для резервирования временных интервалов (радиоблоков) в восходящем канале PDTCH к BTS.

Контроллер BSC анализирует поступившие запросы по классам приоритета обслуживания, запрашиваемым ресурсам, а также по очередности поступления. На этой основе контроллер распределяет информационные радиоблоки в мультикадре PDMF канала PDTCH. Команды уровня MAC с выработанным распределением ресурса PUA (извещение MS о распределении временных интервалов) передаются на MS по нисходящему пакетному ассоциированному каналу управления РАССН (Packet Associated Control Channel).

Рис. 10.3. Циклы распределения ресурсов канального уровня GPRS

Таким образом, принятый в GPRS протокол MAC относится к классу известных методов смешанного доступа (случайный доступ в канале управления и контролируемый доступ в информационном канале пакетных данных) с резервированием в суперкадре/мультикадре фиксированного формата (Supperframe Format Reservation Protocol – SFRP). Более подробно организация протоколов GPRS рассмотрена в разд. 10.8.

Для обеспечения гибкого использования ресурса частотного канала в GPRS реализованы четыре схемы кодирования, основанные на сверточном кодировании [11], от CS1 до CS4. Каждая из схем позволяет обеспечить определенные скорости передачи в расчете на один канал. Как следствие, уровень защиты и пропускная способность изменяются как показано в табл. 10.8.

Таблица 10.8. Кодирующие схемы GPRS

Для управления работой радиолинии в режиме пакетной передачи разработан специальный протокол RLC, который обеспечивает ее адаптивную настройку, программную перестройку частоты (SFH) и управление мощностью. Адаптация радиолинии включает выбор той или иной схемы кодирования CS1...CS4 в зависимости от видов передаваемой информации, характеристик радиоканала и уровня помех.

Таким образом, в режиме GPRS каждому абоненту может выделяться от 1 до 8 канальных интервалов. Во время пакетной передачи ресурсы линии связи «вверх» и «вниз» могут определяться независимо, т.е. в системе может быть применен асимметричный режим пакетной передачи.

Принципы оптимизации качества связи при использовании четырех вариантов кодирования данных в зависимости от отношения сигнал/помеха (С/I) иллюстрируются на рис. 10.4. Первая схема CS1 гарантирует соединение в любых условиях и наиболее удобна при передаче сигнализации и коротких сообщений. Вторая схема CS2 предназначена для передачи трафика и позволяет увеличить пропускную способность сети. Два других варианта кодирования обеспечивают наивысшую скорость передачи при высоком отношении сигнал/помеха (С/I), однако уступают CS1/CS2 при отношении С/I меньше, чем 9 дБ. Следует тметить, что реализация CS3, CS4 требует модернизации А -интерфейса.

Рис. 10.4. Максимальная пропускная способность радиоинтерфейса GPRS на канал

В зависимости от интенсивности голосового трафика и ресурсов базовой станции (ее пропускной способности) операторы выделяют под передачу данных 1-2 тайм-слота в «часы пик», и 2-4 тайм-слота в остальное время. Поэтому в настоящее время скорость передачи данных на практике, как правило, не превышает 52 кбит/с. Для увеличения скорости передачи необходимо увеличивать ресурсы базовых станций и инфраструктуры, резервируя часть тайм-слотов под передачу данных.

Оператор может закрепить за голосовым соединением параметр «все возможное» (best effort), обеспечивая автоматическое высвобождение временных интервалов, зарезервированных за GPRS, – как только эти ресурсы потребуются абонентам для голосового соединения. Очевидно, что при этом произойдет задержка в передаче данных.