22. Характеристики основных технологий подвижной радиосвязи поколений 3g/4g.

В целом, как уже отмечалось выше, образование и развитие УМСС осуществляется по 2-м направлениям. Первое (эволюционное) – совершенствование существующих стандартов СПР путем внедрения новых видов услуг. Второе (революционное) – создание новых стандартов СПР, обеспечивающих все современные услуги и возможность введения новых. На западе эти подходы получили обозначение N (Narrowband) и W (Wideband) стратегии (см. рис.4.34).

Рис.4.34. Две стратегии перехода к системам 3-го поколения

Как было показано в п.4.6.1, приверженцы двух наиболее массовых технологий 2-го поколения DAMPS и GSM встали на эволюционный путь развития. Однако и революционный путь, запланированный в ITU на начало нового тысячелетия еще во второй половине 80-х годов, несмотря на затягивание переходного периода, понемногу вырисовывается, хотя и не в том виде, в котором он изначально задумывался.

Основной движущий мотив создания единого международного стандарта на мобильную систему связи, охватывающую беспроводный доступ, наземную сотовую и спутниковую связь – обеспечение глобального покрытия земного шара с предоставлением услуг массовому потребителю вне зависимости от его местоположения, типа сети и используемого терминала (наземный или спутниковый).

Основная идея создания единого международного стандарта – предоставление услуг с помощью недорогого портативного терминала с высокими эксплуатационными характеристиками (энергопотреблением, качеством связи, уровнем безопасности). С системных позиций единый стандарт означает гибкий радиоинтерфейс с однотипной сигнализацией и расширенным набором услуг, варьируемых в зависимости от требований пользователя и сценариев организации связи.

К ключевым требованиям, предъявляемым ITU к единому стандарту, относятся: высокая степень преемственности оборудования наземных и спутниковых систем в пределах всего земного шара, возможность конвергенции услуг типа «мобильный-мобильный» (для разных мобильных сетей) и «мобильный-стационарный» (при связи с абонентами ТФОП), а также обеспечение услуг мультимедиа в рамках глобальной информационной инфраструктуры. Терминалы 3-го поколения должны обеспечивать высокое качество передачи речи, небольшие размеры и возможность передачи асимметричных потоков данных в линии «вверх» и «вниз».

Первая концепция единого стандарта называлась «Перспективная сухопутная мобильная телекоммуникационная система общего пользования» или кратко – FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications Systems). По мере разработки требований к системам нового поколения стало ясно, что одной наземной (сухопутной) связью (без спутниковой) 3-е поколение обойтись не сможет. Начиная с 1996 г. изменение взглядов ITU на концепцию развития мобильной связи нашло отражение в ее названии: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). Число 2000 в новом названии весьма символично: во-первых, это диапазон частот (в МГц), в котором будет работать новая система, во-вторых, это предполагаемый год начала внедрения системы, в-третьих, это максимальная доступная каждому абоненту информационная скорость (2048 кбит/с).

С организационной точки зрения IMT-2000 объединяет две предшествующие программы ITU: FPLMTS и GMPCS (см. п.4.5.1), которые в дальнейшем получили обозначение T-IMT-2000 и S-IMT-2000 (T –terrestrial, S – satellite).

Структура IMT-2000 должна эволюционировать от сегодняшних фиксированных и подвижных сетей связи в направлении к идеальной глобальной системе связи, доступной потребителям независимо от того, где они находятся – дома, в автомобиле, поезде, на корабле, самолете (в метро) и т.п. Потребители IMT-2000, свободно передвигаясь, смогут выходить в любую из наземных или подвижных спутниковых систем, причем вхождение в подвижные спутниковые системы происходит автоматически, когда потребитель будет выходить за пределы зон обслуживания наземных систем.

Наиболее перспективной иерархической структурой сети персональной связи является зонтичная, которая предполагает вложенность сот различного размера и управляемые перевод абонента из одной соты в другую в зависимости от условий функционирования сети. Данная структура позволяет реализовать обмен пропускной способности базовой станции на число обслуживаемых абонентов.

При слаборазвитой инфраструктуре предполагается использование маловысотных летательных аппаратов с ретрансляторами на борту, позволяющих существенно расширить зону обслуживания отдельных БС и снизить время развертывания системы связи.

Другие технические решения, в частности, иерархическая сотовая структура, адаптивная антенная решетка и когерентная демодуляция, также позволяют наращивать емкость сети. Двух-трех- (и более) уровневая архитектура сети может быть реализована в парных полосах 2х5…2х20 МГц, где каждый из уровней занимает 2х5 МГц.

При высокоплотной инфраструктуре сети с большим числом базовых станций, обслуживающих малые зоны в пределах ограниченной территории, подвижные абоненты могут полностью использовать ресурс одной базовой станции для реализации высокоскоростного обмена, в это время остальные пользователи могут обслуживаться соседней базовой станцией или в следующей по иерархии соте.

Так, например, в зависимости от местонахождения абонента ему может предоставляться разная скорость доступа:

– в помещении – до 2 Мбит/с;

– на улицах города при низкой мобильности (до 12 км/ч) – до 384 кбит/с;

– в пригороде и городе при высокой мобильности (до 120 км/ч) – до 144 кбит/с;

– вдали от населенных пунктов (спутниковая связь) – до 64 (144) кбит/с.

Одним из перспективных и уже внедряемых направлений развития мобильной связи является интеграция сотовой связи с автономной (наземной) или глобальной (спутниковой) системой навигации, такой как GPS (см.п.4.5.4).

В процессе перехода от этапа разработки концепции к конкретным проектам стало очевидным, что интересы различных международных и региональных организаций невозможно объединить в рамках единого стандарта. В связи с этим была выдвинута идея создания семейства систем 3-го поколения IFS (IMT-2000 Family of Systems). А к проблеме создания единого глобального стандарта, человечество еще, видимо, вернется во втором десятилетии XXI века, когда начнется разработка систем 4-го поколения (см.рис.4.35).

Р ис.4.35. Соотношение характеристик технологий мобильной связи

разных поколений

Провозгласив концепцию семейств IFS, МСЭ активизировал свои усилия на детализации рамочной структуры (ограничений) стандартов 3‑го поколения. Рамочная структура IMT-2000 содержит следующие базовые компоненты:

– эталонную модель протоколов и межсетевых взаимодействий (по типу ЭМВОС и стека протоколов TCP/IP);

– частотный ресурс, выделенный на конференции WARC-92 и уточненной на WARC-2000;

– рекомендации ITU по совместному функционированию различных радиоинтерфейсов и их эволюции с учетом требований IMT-2000;

– рекомендации по принципам регулирования, обеспечивающим свободное перемещение мобильных терминалов в глобальном масштабе;

– рекомендации по взаимодействию наземных и спутниковых сетей в рамках программы IMT-2000.

В процессе разработки радиоинтерфейсов, в который были вовлечены все желающие страны и крупные компании, выделились три основные тенденции: 1) сохранить упор на TDMA-стандарты, 2) взять за основу существующий стандарт CDMA (IS-95), 3) разработать новый WCDMA-стандарт. Если с предысторией двух первых тенденций все более-менее ясно, то третья, наиболее революционная из всех трех, тенденция требует некоторых пояснений.

В начале 90-х годов на волне успехов европейской экономической интеграции и успешной реализации в короткие сроки международного проекта GSM возникла идея создания UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) – универсальной мобильной телекоммуникационной системы (УМТС).

Концепции UMTS и IMT-2000 во многих чертах сходны, однако с точки зрения реализации UMTS имеет ряд преимуществ. UMTS разработана с участием крупных производителей оборудования (Nokia, Ericsson, Alcatel, Siemens, Italtel) как глобальная система, включающая как наземные, так и спутниковые сети. При этом UMTS позволяет организовать полное взаимодействие с системами GSM и ее модификациями (GPRS, EDGE и др.), чтобы не потерять уже вложенные инвестиции.

Технология радиодоступа UMTS основана на трех методах: TDMA, TDMA/CDMA и WCDMA. Последний метод лег в основу наиболее популярного и перспективного проекта UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access).

В начале 1998 г. в ITU поступили 10 предложений по проектам радиоинтерфейсов, 8 из которых разработаны на базе технологии CDMA и два – TDMA. Проекты заявлены от трех крупных регионов мира – Северной Америки, Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона (см. табл.4.9)

Таблица 4.9

Проекты радиоинтерфейсов наземной мобильной связи

ETSI после долгих обсуждений выбрал для радиоинтерфейса систем третьего поколения технологию UTRA (WCDMA) концепции UMTS (для вариант парных частотных полос). Кроме того, был поддержан проект развития DECT EP. Проекты развития GSM в данные проекты не вошли, но являются согласованными с ними.

Парные радиочастотные полосы (способ дуплекса – FDD) используются в основном в лицензируемых службах подвижной связи общего пользования, создаваемых на базе крупномасштабной инфраструктуры. Для организации систем местной и внутри объектовой подвижной связи, как лицензируемых, так и нелицензируемых, для которых используются непарные радиочастотные полосы (способ дуплекса – TDD), ETSI рекомендована технология TDMA/CDMA. Чтобы внедрять новую технологию W-CDMA с меньшими капитальными затратами, ETSI рекомендует создавать глобальную инфраструктуру для систем UMTS на базе инфраструктуры существующих сетей GSM.

В основу управления UMTS положена современная концепция сетевого управления TMN/TINA (см. п.5.3.3). Для реализации данной концепции разрабатываются специальные программно-аппаратные средства, входящие в состав основного оборудования UMTS. Современные протоколы установления соединения в перспективных сетях подвижной радиосвязи позволяют достаточно просто наделить UMTS функциями интеллектуальной сети IN (см. п.5.3.3).

США пошло по пути создания трех типов интерфейсов. Первый из них основан на дальнейшем совершенствовании технологии TDMA/AMPS. Второе предложение основано на постепенном наращивании пропускной способности системы CDMAone и эволюционном переходе к технологии CDMA2000. Что касается еще двух предложений США: WCDMA NA и WIMS, то они полностью совпадают с предложением от Европы (UTRA) и от Японии (WCDMA).

Южная Корея с 1991 г. активно участвует в разработке и внедрении сетей CDMA, причем как первой версии CDMAone, так и двух кардинально отличающихся новых: CDMA I (аналогичной американскому стандарту CDMA2000) и CDMA II (аналогичной европейскому стандарту UTRA и японскому WCDMA).

Китай ориентируется на две технологии GSM и CDMA. Поэтому им предложен комбинированный вариант, основанный на сочетании технологий TDMA и CDMA.

Следует отметить, что технология CDMA2000, являющаяся развитием CDMAone (IS-95), не совместима с WCDMA (UTRA), в частности, из-за различия тактовой скорости (3,68884=3х1,2288 и 3,84 Мчип/с, соответственно). Кроме того, технология CDMA2000, является синхронной (использует синхронизацию от глобальной системы позиционирования GPS), а технология WCDMA – асинхронной.

Для решения спорных вопросов при определении единых гармонизированных решений под эгидой ITU были созданы два партнерских объединения 3GPP и 3GPP2, которые свели приведенные выше 10 проектов к пяти вариантам радиоинтерфейсов для IMT-2000 (см. табл.4.10).

Таблица 4.10.

Характеристики радиоинтерфейсов для IMT-2000

Примечание. Н/д - нет данных. * HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) - гибридная фазовая манипуляция (известная также как OCQPSK).

Согласно концепции IMT-2000 общая архитектура системы нового поколения подразделяется на две составные части (см. рис.4.36):

– сети радиодоступа (в составе семейства пяти радиоинтерфейсов, приведенных в табл.4.10);

– базовые сети трех типов: GSM MAP (Европа), ANSI-41 (США) и универсальные сети с IP-протоколом.

Глобальный роуминг между тремя типами базовых сетей будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI. Причем глобальный роуминг в IMT-2000 может быть реализован только в том случае, если радиодоступ будет производиться с использованием многорежимных терминалов, а базовые сети будут содержать конверторы или межсетевые шлюзы IWG (Interworking GateWay).

Рис.4.36. Укрупненная архитектура наземной сети IMT-2000

Если по стандартам наземной связи T-IMT-2000 достигнут в процессе гармонизации определенный компромисс, то в отношении спутниковых сетей еще целый ряд вопросов ждет своего решения. Поэтому в рамках данной книги ограничимся лишь ссылкой на описание некоторых ключевых характеристик S-IMT-2000 в [54].

В Европе практическая реализация технологий WCDMA началась в 1999 г. в рамках программы RACE. В Японии коммерческая эксплуатация первых сетей WCDMA началась в 2001 г. под руководством их будущего оператора – компании NTT DoCoMo. Фирма Ericsson также имеет экспериментальную систему WCDMA, созданную в рамках работ по освоению стандарта IMT-2000. Система позволяет демонстрировать и отрабатывать функциональные возможности служб подвижной связи третьего поколения, соответствующие технические решения и технико-экономические характеристики.

В декабре 2002 года в Санкт-Петербурге (а затем и в Москве) начала предоставлять услуги сотовой связи 3‑го поколения компания SkyLink, использующая оборудование стандарта CDMA2000 в диапазоне 450 МГц (в Санкт-Петербурге – на базе объектов компании Дельта-Телеком, предлагающей в том же диапазоне услуги устаревшего аналогового стандарта NMT-450). Что будет дальше с внедрением новых технологий мобильной связи в России и во всем мире – время покажет.

В заключение описания планово разрабатываемых универсальных мобильных систем 3-го поколения, следует отметить, что в последние годы у них несколько неожиданно появились мощные конкуренты в лице беспроводных локальных сетей WLAN. Похоже, история повторяется!

Так же как в 90-е годы в плановое создание глобальных СПД на базе стека OSI (ЭМВОС), ISDN и ATM вмешалось неожиданное бурное развитие стека TCP/IP (Интернет) и высокоскоростных коммутируемых сетей Ethernet (на скоростях 100, 1000 и 10000 Мбит/с), в начале XXI века в плановое развитие и явно затянувшееся внедрение технологий мобильной связи 3G вмешались технологии беспроводных локальных сетей IEEE 802.11* (WiFi), IEEE 802.16* (WiMax) и им подобные (см. п.3.3.1).

По минимальной предлагаемой скорости 10 Мбит/с (пусть и со служебными издержками) технологии WLAN намного превосходят максимальный предел сетей 3-го поколения 2 Мбит/с (фаза 1). А новые версии технологий WLAN уже обещают скорости до 100 Mбит/с и более. При той же глобальности и многообразии услуг (на базе сети Интернет) данные технологии беспроводного доступа, не требуя особой инфраструктуры, по стоимости развертывания (по частям) намного дешевле системы IMT-2000. Правда, пока они уступают даже технологиям 2G в размерах зон покрытия и в мобильности, но будет спрос, будут и предложения.