LANGATTOMAT VERROSOVELLUKSET RAPORTTI Tammikuu 2003
KUVAUS GPRS:N RADIOLIITYNNÄSTÄ 1. Laajuus/Alue Tämä ETSI TS tarjoaa kaiken kattavan kuvauksen GPRS (Um) alakerrosten toiminnoista. Kuvaus antaa seuraavan tiedon: - Palvelut, joita tarjotaan ylempien kerrosten toiminnoille. - Vaadittujen toimintojen jakelu toimintoryhmiin. - Määritelmä jokaisen toimintoryhmän kyvyistä ja niiden mahdollinen jakelu verkostovälineistössä. - Palveluprimitiivit jokaiselle toimintoryhmälle, mukaan lukien yksityiskohtainen kuvaus palvelu- sekä tietovirroista, jotka voidaan tarjota. - Operaatiomalli tietovirroille toimintojen sisällä ja välillä. Kuva 1. Fyysinen GPRS ympäristö - 2 -
Tämä kuvaus on käytettävissä seuraaviin GPRS Um toimintokerroksiin: - Radiolinkki kontrollitoiminnot. - MAC toiminnot. - Fyysinen linkki kontrollitoiminnot. Kaiken kaikkiaan GPRS looginen arkkitehtuuri sekä GPRSn toimintokerrokset, jotka ovat Radiolinkkikontrolli- ja MAC-kerrosten yläpuolella kuvaillaan GSM 03.60ssä. Tämä dokumentti kuvailee tiedonsiirron sekä kontrollitoiminnot joita käytetään yleisesti radio (Um) viestinnässä kommunikointiin MSn ja verkon välillä. Muun viestinnän erikoistoiminnot on kuvailtu GSM 03.60ssä Kuva 2. GPRS loogisen radioviestinnän arkkitehtuurin laajuus 2. Pakettidatan loogiset kanavat Tämä kappale kuvailee pakettidatan loogiset kanavat, joita tukevat radion alajärjestelmä. Pakettidatan loogiset kanavat on kartoitettu fyysisiksi kanaviksi, jotka on omistettu pakettidatalle. Fyysinen kanava, joka on omistettu pakettidataliikenteelle on nimeltään paketti-datakanava PDCH. Kuva 3. GPRS:n loogiset kanavat - 3 -
2.1 PCCCH (Packet Common Control CHannel) ETSI:n suositukset määrittelevät joukon loogisia kanavia käytettäväksi pakettivälitteisessä liikenteessä. Näistä käytetään yhteistä nimitystä PCCCH. PCCCH käsittää/koostuu loogisista kanavista, jotka on tarkoitettu tavalliselle kontrollisignaloinnille ja joita käytetään pakettidataan kuten seuraavassa osiossa selitetään. 2.2 PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) PBCCH lähettää pakettidataa, joka on erityisesti järjestelmäinformaatiota. Jos PBCCH ei ole myönnetty, pakettidatan erityinen järjestelmätieto lähetetään BCCHlla. 2.3 Paketti liikennekanavat 2.3.1 PDTCH (Packet Data Traffic Channel) PDTCH on kanava, joka on myönnetty datan siirrolle. Se on väliaikaisesti omistettu yhdelle MS:lle tai ryhmälle MSiä PTM-M tapauksessa. Monijakso operaatiossa yksi MS voi käyttää useita PDTCHta rinnakkain yksittäiseen pakettisiirtoon. 2.3.2 PACCH (Packet Associated Control Channel) PACCH välittää signalointitiedon määrätylle MSlle. Signalointitieto sisältää esim. tunnustukset/hyväksymiset ja tehon ohjaus tiedon. PACCH kuljettaa myöskin resurssi/lähdetehtäviä ja uudelleenmääräysviestejä, kattaen PDTCHn kapasiteettiin mahtuvan tehtävän ja PACCHn tuleville tapahtumille. Yksi PACCH yhdistetään yhteen tai useaan PDTCHn, joka taas on määrätty yhdelle MSlle. 3. Pakettidatan loogisten kanavien kartoitus fyysisiksi kanaviksi Erilaiset pakettidatan loogiset kanavat voivat esiintyä samoilla fyysisillä kanavilla (esim. PDCH). Fyysisten kanavien jakaminen perustuu 4 peräkkäisen purskeen ryhmiin. Kartoitus PDCHn taajuudella fyysiseksi kanavaksi tullaan määrittelemään GSM 05.02ssa. - 4 -
PRACHssa käytetään sisäänpääsy pursketta. Kaikissa muissa pakettidatan loogisissa kanavissa käytetään 4 tavallisen peräkkäisen purskeen ryhmiä. Ainoa poikkeus on joissakin viesteissä ylävirtaan linkityksessä PACCHssa, joka koostuu 4stä peräkkäisestä sisäänpääsy purskeesta (lisätäkseen kestävyyttä/voimakkuutta). 3.1 PCCCH (Packet Common Control CHannel) Tiettynä aikana, PCCCHn loogiset kanavat kartoitetaan eri fyysisiksi resursseiksi kuin CCCHn loogisiksi kanaviksi. PCCCHn ei tarvitse olla sijoitettuna pysyvästi solussa. Milloin PCCCH ei ole käytössä, CCCHta käytetään osoittamaan pakettisiirto. Yksi tietty MS saa käyttää ainoastaan PCCCHn alasarjaa, tämä ollen kartoitettuna yhteen fyysiseen kanavaan (kuten PDCH). PCCCHn kartoitus, kun sellainen on olemassa, fyysiseen kanavaan seuraa yhtä seuraavista säännöistä: - PCCH on kartoitettu yhdelle tai usealle fyysiselle kanavalle (51-monikehys). Tässä tapauksessa se varaa koko fyysisen kanavan PBCCHn kanssa. - PCCCH on kartoitettu yhdelle tai usealle fyysiselle kanavalle (52-monikehys). Tässä tapauksessa PCCCH, PBCCH sekä PDTCH jakavat samat fyysiset kanavat (PDCHt) Tämä kokoonpano on yhteisesti vain tietyille osille avoin, kuten PCCCH on kartoitettu joko 51 tai 52-monikehykselle. 3.3 Paketin lähetyskontrollikanava PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) PBCCH kartoitetaan yhdelle tai usealle fyysiselle kanavalle. Tarkka kartoitus jokaisella fyysisellä kanavalla seuraa ennalta määrättyä sääntöä (katso alateksti 6.1.2), kuten se on tehty BCCHlle. PCCCHn olemassaolo sekä siitä johtuen myös PBCCHn olemassaolo määritetään BCCHlla. - 5 -
3.4 Packet Traffic Channels Yksi PDTCH on kartoitettu yhdelle fyysiselle kanavalle. Aina kahdeksaan PDTCHhon saakka (eri aikajaksoilla, mutta samoilla taajuusparametreilla) voidaan myöntää yhdelle MSlle yhtä aikaa. 3.5 Alavirtaan linkitettyjen resurssien jakaminen Erilaiset pakettidatan loogiset kanavat voivat olla multipexattuna alavirtaan samalla fyysisellä kanavalla (esim. PDCH). Viestin tyyppi, jolla se osoitetaan osan otsikossa, sallii loogisten kanavien erottamisen toisistaan. Lisäksi, MS tunnistus sallii eri MSlle nimitettyjen PDTCHden sekä PACCHden erottamisen toisistaan. Multipexaus koskee PPCHta, PAGCHta, PDTCHta sekä PACCHta. Eräät fyysiset kanavat pitävät sisällään neljää loogista kanavaa, kun taas toiset fyysiset kanavat pitävät sisällään ainoastaan PDTCHta ja PACCHta. o Viesti, joka pitää sisällään hakutietoa viittaa PPCHhon. o Viesti, joka pitää sisällään välitöntä tehtävätietoa viittaa PAGCHhon. o Viesti, joka pitää sisällään käyttäjädataa viittaa PDTCHhon. o Viesti, joka pitää sisällään avustaja signallointia viittaa PACCHhon. o Viesti, joka pitää sisällään PTM-M ilmoitusta viittaa PNCHhon. 3.6 Ylävirtaan linkityksen resurssien jakaminen Erilaiset pakettidatan loogiset kanavat voivat olla multipexattuna saman fyysisen kanavan ylävirrassa (esim. PDCH). Viestin tyyppi, jolla se osoitetaan osan otsikossa sallii loogisten kanavien erottamisen toisistaan. Lisäksi, MS tunnistus sallii eri MSlle nimitettyjen PDTCHden sekä PACCHden erottamisen toisistaan. - 6 -
Moniajo koskee PRACHta, PDTCHta sekä PACCHta. Eräät fyysiset kanavat pitävät sisällään kolme loogista kanavaa, kun taas toiset fyysiset kanavat pitävät sisällään ainoastaan PDTCHta sekä PACCHta. o Viesti, joka pitää sisällään käyttäjätietoja viittaa PDTCHhon. o Viesti, joka pitää sisällään avustaja signallointia viittaa PACCHhon. USFää, joka lähetetään alavirtaan käytetään viittaamaan/osoittamaan, että PRACH on sijoitettuna vastaavaan ylävirran osioon. 4. Radio liityntä (Um) GPRS Um viestinnän looginen arkkitehtuuri voidaan kuvailla käyttäen lähdemallia, joka koostuu toiminnallisista kerroksista, kuten on näytetty kuvassa 2. Kerrostaminen takaa mekanismin, jolla voidaan osittaa kommunikointitoimintoja hallittaviin alaosiin. 4.1 Radio resurssien hallinnan periaatteet 4.1.1 Resurssien jakaminen GPRSlle Solu, joka tukee GPRSää voi jakaa resurssit yhdelle tai usealle fyysiselle kanavalle tukeakseen GPRS liikennettä. Nuo fyysiset kanavat (PDCHt) on jaettu GPRS MSien kautta ja ne otetaan tavallisesta vapaiden fyysisten kanavien ryhmästä solussa. Fyysisten kanavien jako piirikytkentäisille palveluille sekä GPRSlle tehdään dynaamisesti alla kuvailtujen tarvekapasiteetin periaatteiden mukaan. GPRSn vaatima tavallinen kontrollisignallointi pakettisiirron alkuvaiheessa välitetään PCCCHlla, kun jaetaan, tai sitten CCCHlla. Tämä sallii operaattorille mahdollisuuden pitää kapasiteettia varattuna erityisesti GPRSlle solussa vain kun pakettia lähetetään. - 7 -
4.2.1 Viestien vaihto Radio resurssien ja liikkuvuuden hallinnan tilojen välillä Taulukko 1: Viestien vaihdosta radioresurssien ja liikkuvuuden hallinnan tilojen välillä Jokainen tila on suojattu ajastimella. Ajastimet juoksevat MSssä sekä verkostossa. Siirtotila on suojattu RLC protokolla-ajastimilla 4.3 Radioyhteyden kerrostettu yleiskatsaus GPRS radioyhteys voidaan mallintaa loogisten kerrosten hierarkiana, jolla on erityisiä toimintoja. Esimerkki tällaisesta kerrostamisesta näytetään kuvassa 3. Lukuisia kerroksia on kuvattu lyhyesti seuraavissa alateksteissä. Fyysinen kerros on eritelty kahteen eri alakerrokseen niiden toimintojen mukaisesti. - Fyysinen RF kerros tekee fyysisten aaltomuotojen moduloinnin perustuen Fyysiseltä Linkkikerrokselta saatuihin bittien taajuuksiin. Fyysinen RF kerros myös moduloinnin vastakohta!!! vastaanotetut aaltomuodot bittitaajuuksiksi, jotka siirretään sitten Fyysiselle Linkkikerrokselle tulkittaviksi. - Fyysinen Linkkikerros takaa palvelut tiedonsiirrolle fyysisellä kanavalla MSn ja verkon välillä. Nämä toiminnot sisältävät datayksikön muodostamisen, datan koodauksen ja fyysisten keskitason lähetysvirheiden etsimisen sekä niiden korjaamisen. Fyysinen Linkkikerros käyttää Fyysisen RF kerroksen palveluita. - 8 -
Alempi datalinkkikerros määritellään seuraavin toimintojen perusteella: - RLC/MAC kerros takaa palvelut tiedon siirrolle GPRS radioyhteyden fyysisellä kerroksella. Nämä toiminnot sisältävät ennakiovan virheiden korjaamistoiminnot, jotka mahdollistaa valitut virheellisten osien uudelleenlähetykset. MAC toiminto välittää sisäänpääsyn MAC-kerokselle monien MSn ja verkoston välillä. RLC/MAC kerros käyttää Fyysisen Linkkikerroksen palveluita. RLC/MAC kerroksen yläpuolella sijaitseva kerros ( siis LLC, joka on kuvattu GSM 03.60ssä ja määritelty GSM 04.64ssä ) käyttää RLC/MAC kerroksen palveluita Um yhteydessä. Kuva 3. GPRS MS Verkoston referenssimalli 4.4 Fyysinen RF kerros GSMn Fyysinen RF kerros määritellään GSM 05 sarjan suosituksissa, jotka määrittelevät muun muassa: - Kantajataajuuksien ominaisuudet sekä GSM radiokanavan rakenteen (GSM 05.02); - Lähetettyjen aaltomuotojen modulaation ja GSM kanavien raa at datamäärän/nopeuden (GSM 05.04); ja - Lähettäjän sekä vastaanottajan ominaisuudet sekä suoritusvaatimukset (GSM 05.05). - 9 -
GSMn fyysistä Linkkikerrosta käytetään perustana GPRSlle, tosin mahdolliset tulevaisuuden muunnokset huomioiden. 4.5 Fyysinen Linkkikerros Fyysinen Linkkikerros toimiin Fyysisen RF kerroksen yläpuolella tarjotakseen fyysisen kanavan MSn ja Verkoston välille. 4.5.1 Kerrospalvelut Fyysisen Linkkikerroksen tarkoitus on kuljettaa tietoa GSMn läpi radiolähetyksessä, mukaan lukien RLC/MAC tieto. Fyysinen Linkkikerros tukee useita MSiä jakaen yhden fyysisen kanavan. Fyysinen Linkkikerros takaa kommunikoinnin MSien ja verkon välillä. Fyysinen Linkkikerros kontrollitoiminto tarjoaa palveluita, jotka ovat välttämättömiä pitämään yllä kommunikointimahdollisuutta fyysisellä radiokanavalla verkon ja MSien välillä. Radion alasysteemin linkkikontrolli toiminnot tarkennetaan nykyisin GSM 05.08ssa. Verkoston kontrolloimia apuja ei käytetä GPRS palvelussa. Sen sijaan, reititys päivitykset ja solun päivitykset ovat käytössä. 4.5.2 Kerrostoiminnot Fyysinen Linkkikerros on vastuussa: o Ennakoivasta virheiden korjaus (FEC) koodauksesta, sallien lähetettyjen koodisanojen tutkimisen ja korjauksen sekä ei-korjattujen koodisanojen määrittelyn. Koodausteemat kuvaillaan alatekstissä 6.5.5. o Toiminnot Fyysisen linkkikerroksen ruuhkan löytämiseksi. Fyysisen linkkikerroksen kontrollitoiminnot sisältävät: o Synkronointitoiminnot, mukaan lukien keinot MSn ajoitusennakon varianssien päättämiseen sekä sopeuttamiseen viivästymisessä (radion alasysteemin synkronointi on selvitetty GSM 05.10ssä [9]. o Valvonta- ja arviointitoiminnot radiolinkkisignaalin laadusta - 10 -
o Solun (uudelleen-)valintatoiminnot; o Lähettimen virran kontrollitoiminnot; ja o Akkuvirran varaustoiminnot, esim. DRX 4.5.3 Palveluprimitiivit Taulukko 2 listaa Fyysisen linkkikerroksen tarjoamat palveluprimitiivit. Taulukko 2: palveluprimitiivit 4.5.4 Kanavan koodaus PDTCHL:lle Radio lohkossa käytetään neljää (CS-1 CS-4) eri koodaustapaa RLC datalohkon siirtämiseen. Radio-osissa, jotka kantavat RLC/MAC kontrolliosia, käytetään aina koodia CS-1. Poikkeuksena ovat viestit, jotka käyttävät olemassa olevaa pääsy pursketta (esim. Pakettikanavapyyntö). CS-1 CS-3 sisältävät neljän bitin hännän ja konvoluutikoodauksen virheenkorjausta varten. CS-1-koodaus on koodaustavoista raskain siinä mielessä, että sen kuljettama bittimäärä on vain 181/456 eli 39,7 % kanavan teoreettisesta maksimikapasiteetista. CS-2-koodaus on CS-1-koodausta kevyempi koodaustapa, ja sen kuljettama bittimäärä on 268/456 eli 58,7 % kanavan teoreettisesta maksimikapasiteetista. CS-3-koodaus on edellistä kevyempi, ja sen kuljettama bittimäärä on 312/456 eli 68,4 % kanavan teoreettisesta maksimikapasiteetista. - 11 -
CS-4-koodaus käyttää datan siirtoon lähes kaiken mahdollisen purskeella olevan tilan, ja sen kuljettama bittimäärä on 428/456 eli 93,8% kanavan maksimikapasiteetista. CS-4 ei sisällä mitään koodausta virheen korjausta varten. Yksityiskohdat koodaustavoista on esitetty taulukossa joka sisältää mm: - jokaisen kentän pituuden - koodattujen bittien määrän (coded bits) - lävistettyjen bittien määrän (punctured bit) - datan sisältäen RLC headerin ja RLC informaation Taulukko :Koodaus parametrit 4.5.5 Tehon ohjaus proseduuri Ylävirtaan MS voi seurata joustavasti tehon ohjaus algoritmia jonka verkko voi optimoida parametrien asetuksella. Se voi käyttää joko avoin silmukka tai suljettu silmukka tehonsäätöä. Alavirtaan tehon ohjauksen suorittaa BTS. Siksi erillistä algoritmia ei tarvita mutta informaation esittämiseen alavirtaan tarvitaan keinot. Siksi MS:n täytyy lähettää kanavan laatu raportti BTS:lle. Tehon säätö ei ole mahdollista Poin-to multipoint monilähetyspalvelussa. - 12 -
4.6 MAC (Medium Access Control) ja RLC (Radio Link Control) kerrokset MAC ja RLC kerrokset toimivat referenssiarkkitehtuurissa fyysisen linkkikerroksen alapuolella. 4.6.1 Kerroksen palvelut MAC funktio määrittelee menetelmän joka mahdollistaa MS:n jakaa perus transmissio media joka voi koostua useasta fyysisestä kanavasta. MAC- kerroksen toiminta mahdollistaa yhden MS:n käyttää useampaa fyysistä kanavaa rinnakkain niin ettei se käytä samaa aikajaksoa. RLC funktio määrittelee menetelmän jolla valikoivasti bittikartta lähetetään uudelleen mikäli RLC data lohkon toimitus ei onnistu. 4.6.2 Kerroksen tehtävät Tärkeimpiä MAC-kerroksen tehtäviä ovat: o Dataliikenteen ja merkinannon lomitus siirtotiellä. o Törmäysten havaitsemiset ja uudelleenyritykset. o Prioriteettien käsittely RLC-kerrokselle kuuluvat seuraavat tehtävät: o Rajapinnan toiminnot LLC-kerroksen ja MAC-kerroksen välillä. o LLC-kerroksen sanomien paloittelua MAC-kerrokselle ja MAC-kerrokselta tulevien sanomien kokoaminen LLC-kerrokselle. o ARQ-toiminnot käyttäen selektiivistä uudelleenlähetystä. - 13 -
LÄHTEET: 1. ETSI: Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (GSM 03.64 version 6.0.1 Release 1997) 2. Granlund, Kaj, Langaton tiedonsiirto - 14 -