3G. TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)
Общее описание TD-SCDMA
Стандарт TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) – множественный доступ с синхронным кодовым и временным разделением – это стандарт 3G, нашедший свое применение в Китае. Одной из причин разработки этого стандарта была попытка получить независимую от западного рынка сеть сотовой связи. Так же как и другие стандарты третьего поколения TD-SCDMA предоставляет расширенные возможности по передаче данных. Этот стандарт разрабатывался совместно компанией Siemens и Китайской академией технологий связи (CATT - China Academy of Telecommunications Technology). В марте 2001 года 3GPP (Third Generation Partnering Project) принял его как часть (метод доступа) четвертого выпуска стандарта UMTS.
Преимущества TD-SCDMA
Рассмотрим основным отличия и преимущества стандарта TD-SCDMA перед другими стандартами сотовой связи:
1. Сеть хорошо подходит для ассиметричного трафика 3G приложений, например, доступ в сеть Интернет. Приложения реального времени такие как голосовые соединения и мультимедиа, и они генерируют симметричный трафик. Для оффлайн приложений (e-mail, доступ в сеть Интернет) требования к задержкам меньше, а трафик обычно ассиметричен, причем в направлении downlink (от BTS к MS) передается в несколько раз большие объемы данных. Для тех стандартов, которые требуют раздельных полос частот для uplink и downlink (GSM, CDMA2000, UMTS и т.п.) во время использования ассиметричных приложений, занимаемые данные остаются не задействованными. Это в итоге приводит к уменьшению спектральной эффективности стандарта. В свою очередь, в стандарте TD-SCDMA данные в uplink и downlink передаются в одной полосе частот, что позволяет подобрать скорость полосы в точной необходимости с требованиями приложений. Причем скорость может быть настроена достаточно точно, с небольшим шагом от 1,2 кбит/сек до 2Мбит/сек. Эти особенности позволяют более эффективно использовать имеющийся спектр частот.
2. Высокая спектральная эффективность приводит к увеличению емкости сети. Как отмечалось выше: в стандарте TD-SCDMA используется общая полоса на радио интерфейсе в uplink и downlink, что позволяет использовать все выделяемые ресурсы без остатка. Кроме того, благодаря другим технологиям (смарт-антенны, динамическое распределение ресурсов и т.п.) удается снизить интерференцию в соте, и, соответственно, увеличить емкость сети (до 3-5 раз по сравнению с GSM). Это особенно важно в пригородных областях с плотной застройкой.
3. Увеличенная гибкость в использовании частотного ресурса и построении сети, которая обусловлена полосой пропускания 1,6 МГц.
К другим преимуществам TD-SCDMA можно отнести пониженное потребление мощности, экономия транспортных ресурсов, упрощенное планирование сети.
Особенности построения радио интерфейса TD-SCDMA
Все современные системы сотовой связи предусматривают дуплексный режим передачи информации, т.е. возможна одновременная передача данных в двух направлениях: uplink (от MS к BTS) и downlink (от BTS к MS). Такая возможность важна для предоставления таких услуг как телефония, видеозвонок, доступ в сеть Интернет и т.д. Существует два основных способа организации дуплексной связи: FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). В режиме FDD восходящий и нисходящий каналы передаются в разных непересекающихся частотных диапазонах. Этот режим достаточно прост в реализации, но при этом самый неэкономичный: в случае если наблюдается значительная асимметрия между uplink и downlink, то ресурсы в недозагруженном направлении будут заняты, но не задействованы. В стандарте TD-SCDMA применяется другая технология - TDD (Time Division Duplex) – дуплекс с временным разделением. Он означает, что uplink и downlink передаются на одной частоте по очереди. Режим TDD гораздо более эффективен, т.к. позволяет динамически перераспределять ресурсы в обоих направлениях. Однако в этом случае необходима надежная система синхронизации между всем устройствам в сети, иначе возможно наложение сигналов, передаваемых в различных направлениях.
Варианты переаспредления таймслотов на радиоинтерфейсе стандарта TD-SCDMA
Стандарт TD-SCDMA также предусматривает временное разделение каналов между пользователями, т.е. TDMA (Time Division Multiple Access). Этот режим подразумевает разделение общего временного ресурса канала связи на таймслоты. TD-SCDMA использует фреймы длительностью 5 мс, каждый из которых разделен на 7 таймслотов. В зависимости от загрузки сети и потребностей абонентов таймслоты динамически распределяются между пользователями как в направление uplink, так и в downlink.
Наряду с вышеуказанными технологиями в стандарте TD-SCDMA применяется еще один способ разделения каналов – кодовый (CDMA, Code Division Multiple Access). При этом каждому передатчику информации на радио интерфейсе назначается индивидуальный код, с помощью которого он кодирует исходящие данные. Приемник, зная этот код, может принимать из эфира лишь ту информацию, которая закодирована кодом нужного отправителя. В стандарте TD-SCDMA возможна одновременная работа с 16 различными кодами в одном таймслоте на одной частоте.
Суммарно технологии TDD, TDMA и CDMA позволяют динамически перераспределять ресурсы сети, выделяемые для каждого абонента в зависимости от нагрузки сети и потребностей самого абонента (используемых им приложений). Кроме того, достигается максимальная спектральная эффективность, т.к. в случае максимальной нагрузки на сеть минимум ресурсов останется не задействованным.
Интерференция и методы борьбы с ней
Для доступа абонентов в сети стандарта TD-SCDMA среди всех прочих используется кодовый метод множественного доступа абонентов (CDMA). Главный принцип его работы основан на том, что каждому абоненту присваивается независимый (ортогональный) код, с помощью которого устройства абонента кодирует всю передаваемую им информацию. Благодаря тому, что коды независимые появляется возможность выделить (принять) из радио эфира информацию, переданную именно этим абонентом. Однако на практике невозможно сгенерировать достаточно много кодов для работы реальной сети сотовой связи, поэтому используются «почти» ортогональные. Таких кодов можно создать много, однако они обладают большим недостатком: при большом числе одновременно работающих устройств в эфире возникает интерференция, т.е. устройства начинают оказывать друг на друга влияние и при превышении определенного порога может возникнуть значительное искажение и потеря передаваемой информации. Именно интерференция является главным ограничивающим фактором пропускной способности и емкости системы TD-SCDMA.
В связи с вышесказанным возникает необходимость поиска различных способов борьбы с интерференцией. Стандарт TD-SCDMA предлагает целый набор таких методов:
1. Механизм определения совместной передачи (Joint detection). Он реализован в приемнике базовой станции в виде специального модуля и обеспечивает максимально точное выделение сигнала от каждого абонента из общего потока. Алгоритм Joint detection основан на том, что в сигнал от каждого абонента добавляется специальная тренировочная последовательность, которая при приеме позволяет оценить параметры радио канала, в том числе и уровень интерференции. Таким образом, приемник может заранее предугадать возможные проблемы и скорректировать принимаемый сигнал.
2. Умные антенны (Smart Antennas) представляют собой секторные антенны, которые могут передавать (принимать) сигнал из заранее определенной местности, часто ограниченной несколькими десятками метров. Благодаря им реализуется так называемый пространственный метод множественного доступа (SDMA - Space Division Multiple Access) абонентов. Для эффективной работы смарт-антенн необходим надежный и точный алгоритм определения местоположения абонентов, который уже заложен в стандарте TD-SCDMA. Таким образом, сигнал для каждого абонента передается по отдельности и интерференции от совместной передачи сигналов удается избежать. Однако на практике, такие антенны применяются достаточно редко из-за их высокой стоимости.
Принцип работы Smart-антенн
3. Динамическое распределение кодов, заключающееся в том, что коды для абонентов выделяются в различных (разрешенных) частотных диапазонах и временных интервалах, что дает возможность снизить общий уровень интерференции. В зависимости от используемого метода разделения каналов выделяют следующие методы динамического распределения:
4. В отличии от технологии WCDMA стандарт TD-SCDMA предусматривает четкую синхронизацию всех устройств. Необходимость синхронизации обусловлена в первую очередь использованием метода TDMA. Чтобы избежать наложение информации различных абонентов, передаваемых в соседних таймслотах и приемник, и передатчик должны точно знать структуру временных интервалов. Синхронизация также оказывает косвенную помощь в борьбе с интерференцией. Благодаря синхронизации обеспечивается надежная работа алгоритма Joint detection, а также смарт-антенн. Кроме того, синхронизация позволяет решать другие задачи и получить дополнительные преимущества:
Реализация и распространение стандарта TD-SCDMA
Первый релиз стандарта TD-SCDMA был опубликован в октябре 2004 года. Первые тестовые сети появились в 2005 году, а в коммерческую эксплуатацию сеть TD-SCDMA была запущена только в 2008 году в Китае компанией China Mobile. Лишь в 2009 году число пользователей TD-SCDMA перевалило цифру 1 млн.
В настоящее время к TD-SCDMA форуму присоединились множество известных телекоммуникационных компаний: Philips, Texas Instruments, Samsung, Intel, Nokia и мн.др. Такие организации как Siemens и Huawei предлагают полный спектр оборудования для строительства сетей данного стандарта. Несмотря на это, сети TD-SCDMA реализованы лишь в КНР.
Низкое распространение в мире TD-SCDMA, в первую очередь, обусловлено запоздалостью выпуска стандарта и, соответственно, разработки и наладке производства оборудования для него. К моменту запуска первых тестовых TD-SCDMA сетей стандарт UMTS уже широко шагал по всему миру.
Однако TD-SCDMA нельзя полностью списывать со счетов, т.к. он предоставляет некоторые дополнительные преимущества по сравнению с другими 3G-стандартами. В частности, использование временного принципа разделения каналов (TDMA) позволяет повысить спектральную эффективность и, соответственно, получить большую емкость сети и предоставить абонентам более высокие скорости передачи информации.
