Сотовые системы связи

Стандарты третьего поколения

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

5.1. Стандарты третьего поколения

5.1.1. Пути эволюции систем третьего поколения

Многие из будущих приложений мобильных систем третьего поколения (3G) обнаруживаются по мере разработки стандартов этого поколения [105]. В первую очередь разрабатываются и внедряются такие услуги, как доступ к беспроводным услугам Интернет, постоянный доступ к Сети, диалоговому видео и речи для сопровождения компьютерных услуг.

Термин 3G стал довольно неопределенным. Ранее положение о системах третьего поколения были определены достаточно точно в рамках стандартов. Они ставили цель обеспечить пользователям мобильной связи характеристики услуг не хуже, а может быть и лучше, чем в системе ISDN при скорости обмена 144 Кбит/с.

Некоторые первоначальные стандарты, переходные от поколения 2G к 3G, такие как стандарт "общая служба пакетной радиопередачи" (GPRS — General Packet Radio Service) и IS-95, могли обеспечивать характеристики, близкие к намеченным в 3G при некоторых оптимальных условиях. Например, служба пакетной передачи составляет не более 115 Кбит/с. Системы третьего поколения вначале не были предназначены для широкого использования из-за дорогих терминалов и оборудования базовых станций.

Технологически увеличение скоростей реализуется несколькими способами: расширением используемого спектра и новыми методами модуляции, применяющими сжатие данных при заданном частотном диапазоне. Например, новые методы модуляции заменяют традиционную двоичную систему системой с большим значением одного разряда (амплитудно-фазовая модуляция).

Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в рекомендациях IMT-2000 Международным союзом электросвязи (МСЭ). Наиболее важные из них:

  • глобальный роуминг;
  • сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов;
  • эффективное использование спектра частот;
  • открытая архитектура;
  • обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг;
  • качество речи, сопоставимое с проводной связью;
  • защита информации, сопоставимая с уже имеющейся системой в ТфОП/ISDN;
  • взаимная работа со спутниковыми системами;
  • высокая скорость передачи данных;
  • поддержка иерархической структуры сот (HCSHierarchical Cell Structure);
  • поэтапный подход к повышению скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
  • В Европе (рис 5.1) преобладает тенденция разработки систем на основе CDMA, совместимых с GSM (в частности, с японскими системами), но не предусматривается совместимость в глобальном масштабе.

    В США имеется много сторонников эволюционного развития CDMA One к системе CDMA-2000. При этом ни один из стандартов не предполагает взаимодействия с европейской и японской системой.

    Операторы DAMPS и GSM являются сторонниками дальнейшего развития систем на базе временного разделения каналов (TDMA). В результате пока глобальный роуминг видится возможным только с использованием многорежимного телефона.

    Последнее требование особенно важно для поставщиков услуг, операторов и производителей аппаратуры. Они заинтересованы в том, чтобы предоставлять лучшие услуги (естественно, получая прибыли), но при этом сохранить доходы с уже вложенных средств (защита инвестиций). Поэтому наиболее подходящим является эволюционный путь развития. Один из многих вариантов [.

    (рис 5.1) Пути эволюции к системе 3G

    В связи с этим разрабатываемые стандарты должны предусматривать совместимость с их предшественниками. Конечная цель заключается в том, чтобы имеющиеся телефоны могли обслужить соединение при перемещении мобильной станции между сотами, базирующимися на старых и новых технологиях.Имеются различные направления эволюции.

    В апреле 2007г. Федеральным агентством связи (Россвязь) проводился конкурс на право предоставления услуг подвижной радиотелефонной связи с использованием полос частот в трех диапазонах 1935-1950 МГЦ, 2010-2015 МГЦ, 2125, 2140 МГЦ. Это по сути явилось началом внедрения услуг 3G на территории России. Если рассмотреть сегодняшние прогнозы систем 3G, то они сводятся к трем моментам:

  • Системы, относящиеся к 3G, являются наиболее совместимыми с существующим оборудованием, дешевыми и имеют большие перспективы развития, поскольку в них вложены большие средства и имеется хорошая административная база.
  • Россия имеет уникальный шанс сразу перейти на широкополосную систему (наиболее вероятно – это система WiMAX, о ней будет сказано далее).
  • Система 3G и широкополосные системы имеют разные сектора применения на рынке услуг и могут существовать параллельно.
  • Рассмотрение доводов в защиту каждого из этих направлений выходит за рамки этой книги. Ниже приведены основные сведения о системах, охватываемых понятием систем 3G, и их характеристикам. Естественно, что системы развиваются стремительно во времени, и в ближайшее время можно ожидать новых свойств, например, повышения скоростей и расширения услуг до уровня, сравнимого с сиcтемами широкополосной мобильной связи

    5.1.2. IMT-2000

    Работы по созданию системы 3G начались в 1992 г., когда стало ясно, что мобильные системы играют все более и более важную роль. Международная исследовательская группа предсказала, что через 10 лет мобильные телефоны составят конкуренцию стационарной сети [128]. Однако в некоторых странах это предсказание осуществилось несколько раньше.

    Работы были начаты в проекте, который получил название FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System — будущая система мобильной телефонной связи) [125]. Акроним был несколько неуклюжий даже по сравнению с другими принятыми в жаргоне телекоммуникаций, так что ITU скоро принял немного более удобное название IMT-2000 (International Mobile Telecommunication — 2000 — Международная мобильная связь – 2000).

    Проект ITU-2000 ставил цели:

  • предполагаемое ITU начало работы этой системы — 2000 год;
  • скорость передачи данных 2000 Кбит/с;
  • область значения частоты, которую ITU хотел бы сделать доступной для новой технологии, — 2000 МГц.
  • Ни одна из этих задач не была полностью выполнена, но название закрепилось.

    Скорость данных, поставленная в виде цели, в настоящее время достижима, но только при некоторых оптимальных условиях.

    Наиболее важно, что не каждая страна разрешила запрошенный ITU частотный диапазон. Европа и многие из азиатских стран это сделали, но США пока не могут отвести для IMT-2000 весь запрашиваемый спектр. Технология IMT-2000 в США считается важной, и в перспективе отсутствие новой пропускной способности заставит США вступить на этот путь.

    FPLMTS (будущая система мобильной телефонной связи) [125] рассматривала только мобильную телефонную связь и мобильную передачу данных. IMT-2000, как предполагалось, сможет охватывать все возможные применения беспроводной связи. Например:

  • беспроводные сети доступа и локальные вычислительные сети (LAN) смогут обеспечить пользователям высокие скорости передачи данных на улице, в офисе и дома;
  • связь через спутники позволила бы людям обращаться к основным речевым службам и услугам передачи данных буквально из любой точки Земли, даже если они находятся вне области, охваченной сотовой сетью. Она называется мобильной спутниковой службой (MSS — Mobile Satellite Service) и мобильной глобальной персональной спутниковой связью (GMPCS — Global Mobile Personal Communication by Satellite).
  • Беспроводные сети IMT-2000 могли бы впервые предоставить связь более бедным странам, обеспечивая их сравнительно дешевым и быстрым путем совместного развития наземных и мобильных линий связи.

    Теоретически, ориентируясь на использование всех типов беспроводных услуг по единственной системе радиосвязи, пользователи могли приобретать для них единое устройство. Они могли использовать мобильный телефон как домашний переносной телефон или даже делать вызовы через спутник посреди океана. Промышленность могла бы экономить деньги, потому что составляющие устройство компоненты развивались бы для одного типа технологии и могли бы легко применяться в разных странах.

    Первоначально МСЭ надеялся создать единый стандарт универсальной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало ясно, что, несмотря на относительную несложность формулировки основных требований к системе 3G, весьма непростым вопросом оказалась разработка стратегии достижения этих требований. Большинство этих идей было оставлено к 1999 г., когда были созданы первые прототипы оборудования IMT-2000.

    (рис 5.2) Конвергенция различных технологий в IMT-2000

    Фиксированные беспроводные системы (беспроводный доступ и локальные сети) лучше всего работают на намного более высоких частотах, чем обычные мобильные телефоны.

    Спутниковые телефоны являются более дорогими и имеют намного большие размеры, чем те, которыми готово воспользоваться большинство людей. Беспроводные LAN получают развитие в некоторых областях — например, беспроводная работа по Интернету на улице и в движении, но реализация этих стандартов в рамках IMT-2000 маловероятна, поэтому IMT-2000 сегодня имеет наиболее эффективную цель — это высокоскоростная передача данных по сотовой сети.

    Первоначально ITU IMT-2000 определяло только скорости передачи данных.

    Предложены три различных скорости, каждая для различного типа информации ISDN, а также стандарт на несущие частот для основных сетей передачи речи.

    Предлагаются следующие скорости:

  • 144 Кбит/с. Та же скорость, как и у ISDN - линии цифровой сети интегрального обслуживания (базовый доступ). Этот тип линий может использоваться в движении и в тех местностях, где этот сервис не может быть реализован иными способами;
  • 384 Кбит/с. Эта скорость — одна из ближайших реальных целей. Она соответствует каналу цифровой сети интегрального обслуживания H-скорости (H0), часто используемому для видео-конференц-связи. Хотя передача видео возможна и на много более медленных скоростях, эта скорость считается минимально необходимой по качеству;
  • 2048 Кбит/c. Скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя (скорость перемещения объекта до 3 км/час). Она соответствует скорости обмена первичного доступа линии цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN). Обычно для этого используется кабель, несущий до 30 отдельных телефонных каналов до распределительного щита.
  • Идея применения высоких скоростей заключается в создании маленьких пикосот (picocells), которые могли бы быть установлены в общественных местах, таких как вокзалы или залы прибытия и отправления в аэропортах, давая людям возможность обращаться к высоким скоростям передачи данных.

    Эти рекомендации по скоростям были предложены для служб, показанных на рис 5.2, в 1992 г., когда Интернет не был еще широко известен вне академических и технических кругов. IMT-2000 задумывался для того, чтобы формировать только мобильную часть Интернета, дополняя наземную службу.

    Когда Интернет вошел в общественное и коммерческое пользование, ITU убедилось, что интернет-сеть стала одним из наиболее важных аспектов использования технологии IMT-2000. Это повлекло за собой дополнительные требования для поддержания протоколов, связанных с сетью коммутации пакетов. Предварительно установленные скорости обмена данных коммутационных каналов, как в цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN), остались неизменными.

    5.1.3. Сервисные требования

    В 1992 г., возможно, еще не были обнаружены многие из окончательных приложений 3G. Однако сейчас для промышленности ясны направления, по которым надо двигаться. Тенденция конвергенции к третьему поколению стремится объединить Интернет, телефоны и широковещательные средства обмена информацией в едином устройстве.

    Для этого система IMT-2000 должна в основном обеспечивать шесть широких классов обслуживания. В настоящее время операторы могут предложить службы на скорости передачи данных не свыше 2 Мбит/c, и клиенты смогут оценить, будут ли они покупать новое устройство в будущем, независимо от того, что они могут позволить себе сейчас.

    Описание этих служб также полезно для людей, планирующих количество и ассортимент продаж, и, возможно, для людей, которые будут покупать терминалы, когда они наконец станут доступными.

    Три сервисных класса уже существуют до некоторой степени на сети 2G, в то время как имеются три новых, которые включают в себя мультимедиа-службы.

    Услуги по стандарту третьего поколения

    Речь, голосовая почта

    Эта услуга может быть предоставлена на скорости 4–32 Кбит/с. Даже учитывая, что в будущем появится быстродействующая передача данных, эта служба не может рассматриваться как новая услуга. Для рынка мобильной связи 3G сможет предложить качество вызова не лучше, чем хорошая современная стационарная телефонная сеть. Голосовая почта также будет стандартна, в конечном счете полностью интегрирована с электронной почтой и, может быть, только дополнена компьютеризированным распознаванием голоса и синтезированной речью для передачи сообщений диктора.

    Передача сообщений, коммутация пакетов

    Данная услуга — дополнительно расширенная служба, объединенная с электронной почтой Интернета при скорости 9,6–14,4 Кбит/с.

    В отличие от текстовых служб передачи сообщений и передачи коротких сообщений SMS, которые встроены в некоторые системы, 2G поколения, 3G позволяют почтовые текстовые вложения. Эта служба будет применяться для расчетов за услуги и для электронных продаж (покупок).

    Коммутируемые данные

    Этот класс включает процедуры отправления с помощью факса и автоматическое подключение с набором номера к телефонной сети или Интернету, с коммутацией доступных каналов. Доступ, использующий автоматическое подключение с набором номера, устаревает, так что этот класс главным образом включен для того, чтобы обеспечить работу с существующим оборудованием. Термин "коммутируемые данные" в 3G обычно обозначает информацию от любого изделия, которое не работает с сетью коммутации пакетов, а использует услуги сети ISDN. Предлагаемая скорость этой услуги — 144 (64) Кбит/c.

    Мультимедиа (средней скорости)

    Это, вероятно, будет самая популярная служба 3G. Его скорость данных потока "сеть — пользователь" идеальна для веб-навигации, если предположить, что сеть к тому времени, когда 3G станет доступным, не изменится до неузнаваемости. Другие приложения включают совместную работу на компьютере, игры, определение местоположения с предоставлением карты местности, директивы передвижения от одной точки местности до другой и т. п. Предлагаемая скорость этой службы — 128–384 Кбит/c.

    Мультимедиа (высокой скорости)

    В настоящее время предлагается асимметричная работа такой службы со скоростью 384–2048 Кбит/c. Этот класс может использоваться для очень быстродействующего доступа к Интернету, а также для передачи по требованию видео высокой четкости и аудио (качественные CD). Другое возможное приложение — интерактивные (online) покупки для "неосязаемых" изделий, которые можно доставить "по воздуху"; например, "скачивание" отдельных музыкальных произведений или программ для мобильного компьютера.

    Диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости)

    Этот класс может использоваться для вполне высококачественной видео-конференц-связи или видеофонов, и комбинации заочной конференции с помощью телевидения и совместной дистанционной работы колектива.

    Скорости передачи данных для этих услуг показаны в табл. 5.1 [21, 114]. Хотя три из них требуют коммутации каналов, но это, вероятно, будет осуществляться с помощью замены реальных каналов виртуальными. Поскольку любая информация предоставляется в пакетах, включая речь, факс и видео, пакеты в виртуальном канале будут передаваться с учетом приоритета. Диалоговое мультимедиа высокой скорости гарантирует клиенту качество, за которое он заплатил, и в основном занимает неприоритетные каналы, когда они не используются. Классический пример — передача данных в течение промежутков (пауз) в разговоре, но есть и другие. Например, большинство процедур заочной конференции с помощью телевидения и передачи изображений с помощью видеофона передают только те части изображений, которые изменились, а не постоянно все кадры, позволяя существенную экономию пропускной способности. Видеоряд при телепередаче объекта, расположенного неподвижно в неизменяющейся комнате, может быть передан очень небольшим количеством данных, хотя наблюдается всплеск передачи данных, как только кто-то (или что-то) начинает двигаться.

    Типы служб, доступных по IMT-2000
    Классификация службы Скорость "пользователь-сеть" Скорость "сеть-пользователь" Отношение скоростей Пример Коммутация
    Диалоговое мультимедиа 2048 Кбит/с 2048 Кбит/с 1 Телеконференция Каналов
    Высокоскоростное мультимедиа 384 Кбит/с 2048 Кбит/с 5,3 Телевидение Пакетов
    Среднее мультимедиа 128 – 384 Кбит/с

    19,2 Кбит/с

    128 – 384 Кбит/с

    768 Кбит/с

    1

    40

    Веб-навигация Пакетов
    Коммутируемые данные 64 (144) Кбит/с 64 (144) Кбит/с 1 Интернет

    Факсимильные сообщения

    Каналов
    Передача сообщений 9,6–14,4 Кбит/с 9,6–14,4 Кбит/с 1 Электронная почта Пакетов
    Речь 4–32 Кбит/с 4–32 Кбит/с 1 Телефонная связь Каналов

    В настоящее время речь составляет самую большую долю трафика через мобильные сети. Передача сообщений, использование мультимедийных услуг и передача данных занимает меньший объем, но демонстрирует быстрый рост. Детальное исследование запросов клиентов показывает, что эти типы трафика, вероятно, продолжат расти до тех пор, пока почти каждый пользователь в пределах зоны обслуживания IMT-2000 не будет иметь мобильный телефон. После этого трафик все еще будет расти, но это будет зависеть, главным образом, от роста количества и качества услуг мультимедиа.

    Типы служб, доступных по стандарту IMT-2000, показаны в таблица 5.1.

    (рис 5.3) Примеры услуг предоставляемых мобильными системами 3G

    5.1.4. Требования к спектру

    В 1992 г. ITU рекомендовал, чтобы все страны мира распределяли для услуг 3G одни и те же частоты. Это позволило бы упростить глобальный роуминг, особенно при условии, что каждая страна использует один и тот же стандарт IMT-2000. Тогда пользователь независимо от местоположения мог бы быть уверен, что его мобильный телефон или устройство передачи данных будет работать.

    К сожалению, единственной большой страной, которая фактически точно следовала рекомендациям ITU, был Китай. Европа и Япония уже использовали часть спектра для переносных телефонов и GSM. Америка (США) задействовала весь спектр для службы персональной связи и фиксированной радиосвязи [6, 114]. В России этот диапазон частот занят радиослужбами фиксированной, подвижной и космической связи [46]. Введение служб по стандарту IMT-2000 нуждается в освобождении полос частот в существующей инфраструктуре.

    Единственная часть всемирного спектра, доступная 3G, относится к услугам спутниковой связи, при которых, конечно, частотный диапазон должен быть всюду один и тот же. Проблемы заключаются в том, что нет спутников, выведенных на орбиту, чтобы обеспечивать работу с мобильной станцией со скоростью 144 Кбит/c.

    Наиболее экономичные спутники — широкополосные устройства. Они нуждаются в более высоких частотах, и это приводит к выводу, что на базе терминала для мобильной спутниковой службы нужно разработать совмещенный терминал, который можно применить и для сотовой связи стандарта IMT-2000.

    Исходя из прогнозов UMTS (Universal Mobile Telecommunication Services) форума [, вместе со спектром частот, уже используемым службами 2G и распределенным для служб 3G.

    (рис 5.4) Требуемый спектр частот в различных регионах, прогнозируемый ITU

    Предполагая, что существующие 2G-сети будут в конечном счете модернизированы к 3G, МСЭ прогнозирует, что в каждом регионе до 2015 г. потребуется дополнительно иметь по крайней мере 160 МГц. Где этот спектр будет найден, еще не ясно, хотя ITU и различные группы промышленности рассматривают несколько предложений.

    Очевидно, что использование частотных полос вокруг уже распределенного спектра — не выход из положения.

    Они уже широко задействованы организациями, подобными НАСА, чтобы поддерживать контакт с космонавтами и космическими кораблями. Последние, может быть, будут передавать полезную информацию в течение многих десятилетий после того, как были запущены, и поэтому управление ими на других частотах невозможно.

    Рассмотрим возможности в каждом спектре [6, 44, 114].

    420–806 МГц

    Известный как УВЧ-диапазон. В большинстве стран эти частоты используются для аналогового широковещательного телевидения. Они могут быть отданы мобильным телефонам только тогда, когда цифровое телевидение полностью заменит аналоговое, хотя это вряд ли случится в планетарном масштабе до 2015 года.

    1429–1501 МГц

    Эта частотная полоса используется во всем мире для нескольких различных целей [46], включая переносные телефоны, фиксированное радио и широковещательную передачу. Часть этого диапазона оставлена свободной, чтобы ученые могли пытаться принять возможные сигналы, которые могут передавать другие цивилизации.

    1710–1885 МГц

    Некоторая часть этой полосы уже задействована для мобильных служб в Европе и Азии, но этот диапазон может обеспечить дополнительную канальную емкость в Америке. В Европе он интенсивно используется для управления воздушным движением.

    2290–2300 МГц

    Эта очень маленькая полоска спектра используется для фиксированного радио, а также радиоастрономами, проводящими исследование глубокого космоса.

    2300–2400 МГц

    Эта частотная полоса используется для фиксированной беспроводной связи и некоторых телеметрических измерений. Диапазон расположен близко к спектру, уже распределенному для IMT-2000.

    2520–2670 МГц

    Различные страны используют эту частотную полосу для различных приложений, таких как широковещательная передача и фиксированное радио. Часть этого диапазона также задействована спутниками, связывающимися с Землей. Эта частотная полоса одобрена UMTS-Форумом как резерв для дополнительного расширения.

    2700–3400 МГц

    Частоты более чем 2700 МГц используются главным образом для радаров, хотя некоторые имеют другие приложения, такие как спутниковая связь. В частности, частотные полосы 3260–3267 МГц, 3332–3339 МГц и 3345,8–3352,5 МГц необходимы радиоастрономии, так как они соответствуют частотам радиоизлучения звезд.

    5.1.5. Совместимость

    Для построения мобильной сети 3-го поколения ITU первоначально хотел создать единственный глобальный стандарт, но это оказалось невозможным. Вместо этого рассматриваются два главных типа стандартов CDMA, основанных на DS-CDMA (Direct Spectrum — расширение спектра) (WCDMA, CDMA-2000), и один тип стандарта, основанного на TDCDMA (EDGE — UWS-136). Эти стандарты с разной степенью подробности будут приведены далее.

    Главная причина расхождения стандартов — совместимость с существующими системами. Такая совместимость может быть достигнута одним из трех способов.

    Прямая модернизация. Сетевые операторы для новых сервисов должны развертывать систему, которая, по существу, является только модернизацией существующего оборудования для подключения абонентов, использующих новые услуги. При этом она должна быть реализована так, чтобы возможно было работать со старыми базовыми станциями, и наоборот, новые станции должны вписываться в старую систему. Типичным примером такой модернизации является добавление пакетной коммутации или лучшей модуляции, но сохранение существующих размеров сот и структуры каналов. Это существенно ограничивает варианты развития. В частности, большинство 2G-систем базируются на принципах TDMA, поэтому принцип прямой модернизации должен сохранить структуру TDMA.

    Роуминг. В принципе, мобильное терминальное устройство может быть сделано так, чтобы взаимодействовать с любым числом отличающихся систем, давая возможность абонентам пользоваться ими во всем мире. Также не усматривается проблем с запросом терминала стандарта IMT-2000, если создать устройства с множественными режимами работы. Но наиболее желательным и самым дешевым решением является создание единого универсального типа терминала.

    Хэндовер (передача соединения). Роуминг от одной системы к другой неудобен для большинства пользователей, поскольку соединение, как правило, сбрасывается, чтобы получить полномочия на работу в другой сети. Система 3G может быть сформирована так, чтобы она фактически передавала пользователей к сети 2G помощью процедуры хэндовера, при которой пользователь не должен заметить замены сети. Проблема заключается в передаче обслуживания при наличии мультимедиа-соединений, которые не реализуются сетью 2G. В этом случае абонент не получает доступа к службам 3G, недоступным в сети 2G. Это накладывает некоторые ограничения на проект 3G-систем и на средства, которые могли бы работать в сетях 2G и 3G.

    Фундаментальная проблема для IMT-2000 — то, что единственный стандарт не может модернизировать хэндовер от cdmaOne к GSM. Это означает, что два устройства, работающие на очень похожих стандартах IMT-2000 на основе CDMA (WCDMA и CDMA-2000), могут быть установлены рядом, но их работа будет зависеть от того, какая 2G-система развернута в этом районе.

    5.2. Системы третьего поколения

    WCDMA

    Широкополосный CDMA (WCDMA) — система, одобренная большинством операторов, которые способны получить новый спектр частот. Она была разработана японской фирмой ARIB в 1998 году. Одна из основных характеристик разработки — хэндовер к системе GSM. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDMA, хотя некоторые части системы GSM, такие, как услуги пакетной радиопередачи (GPRS — General Packet Radio Service), могут многократно транслироваться через сеть CDMA.

    Ширина полосы, которая отводится для одного канала WCDMA, равна 5 МГц. Возможно увеличение скорости до 10 МГц и далее до 20 МГц.

    Это в четыре раза больше, чем cdma One, и в 25 раз — чем GSM. Широкая частотная полоса была выбрана, чтобы позволить более высокие скорости данных, но только в не переполненной области спектра с очень хорошим приемом. Другое важное отличие WCDMA от cdma One — отсутствие потребности в синхронизации времени. WCDMA был разработан, чтобы работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системыСистема военного применения, в настоящее время широко используется для решения гражданских задач, в частности, для навигации и определения точного времени. (GPS — Global Positioning System). Имеются различия в кодировании: в WCDMA для кодирования используются не коды Уолша, а коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, как и в cdma One.

    Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Мбит/c в пределах одной соты. Скорость в канале — 3,84 Мбит/c (7,8 и 15,6 Мбит/c). При этом предусматривается метод прямого расширения спектра (DS-CDMA).

    Каждый канал повторно используется каждой сотой, повышая спектральную эффективность по сравнению с системами TDMA.

    WCDMA предоставляет возможность мягкого хэндовера, но при взаимодействии с GSM такой тип хэндовера не поддерживается.

    TD-WCDMA

    TD-WCDMA (Time Division-Wideband Code-Division-Multiple-Access) звучит противоречиво и часто называется гибридом между TDMA и CDMA. При этой методике, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами, преобразованными с помощью ортогональных кодов (см. расширение в части 2 CDMA). В этом методе сохраняется методика мультиплексирования CDMA. Основными параметрами такой методики являются: частота, канальный интервал и код. На рис 5.5 показан кадр системы TD-CDMA.

    (рис 5.5) Кадр системы TD-CDMA (параметры UMTS)

    В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD — Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD Time Duplex Division).

    При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Очевидно, что если спектр лимитирован, то выделение парных полос частот затруднительно.

    Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях. В этом случае можно уменьшить величину занимаемой полосы и не требуется разделение спектра на парные частоты. Этот способ наиболее приемлем для небольших сот, поскольку интервал приема/передачи зависит от времени распространения информации. Однако для временного разделения часто выходом является применение асимметричных скоростей в прямом и обратном направлении. Метод TDD может оказаться более эффективным в пикосотах для работы с компьютерами (Интернет) беспроводным способом.

    В WCDMA несущие частоты выделяются в соответствии с заданными методами доступа для каждой частоты. При выдаче лицензии для каждого канала указывается, должен ли он использоваться в направлении от абонента к станции или от станции к абоненту либо в непарном режиме. На рис 5.6 показан пример разделения диапазона между операторами на 12 парных каналов и 7 непарных каналов.

    (рис 5.6) Пример распределения частот при использовании WCDMA/UMTS

    UMTS

    С 1996 г. разрабатываемый европейский стандарт WCDMA был известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). Для руководства его разработкой был создан Форум UMTS и группа, ответственная за развитие GSM, — чтобы новый проект был так же успешен, как GSM, быстро распространяясь по остальному миру. Форум UMTS успешно разработал рабочие предложения WCDMA, совместимого с GSM.

    Однако первыми применили его в Японии. Операторы Японии нуждались в новой 3G-системе, потому что возможности предоставления 2G резко сокращали емкость. Первые сети WCDMA были установлены в Японии операторами NTT DoCoMo и Jphone [44].

    Компания NTT DoCoMo определила три приложения, которые необходимо поддерживать. В эти приложения были включены дополнительные услуги, иные, чем это определило ITU. Система содержала речь и видео более чем 8 Кбит/c и 64 Кбит/c соответственно, двухсторонние соединения 348 Кбит/c для автомобилей и для связи с интеллектуальной транспортной системой (центральный компьютер дистанционного управления трафиком на дорогах).

    В настоящее время международный консорциум операторов связи и производителей связной аппаратуры NTT DoCoMo, Vodafone, Cingular Wireless, Siemens и Alcatel ведут работы по созданию телекоммуникационных мобильных сетей четвертого поколения (4G), окончание которых планируется через 1,5–2 года. NTT DoCoMo, в частности, уже удалось достичь скорости передачи данных на мобильный терминал в 1 ГБ в секунду. Правительство Японии планирует начать коммерческое использование 4G-связи в 2010 году.

    cdma One

    Из систем второго поколения 2G только cdmaOne уже базируются на CDMA. Это дает преимущества в движении к системам 3G, так как операторы могут модернизировать их существующие сети с помощью нового программного обеспечения или новой системой модуляции, а не вводя новые системы радиосвязи. Эти обновления все вместе известны как cdma2000 и все совместимы с существующими I-95-системами.

    До середины 2000 г. путь обновления для cdma не казался ясным. Результат, как предполагалось, должен был стать системой, названной CDMA-2000-3XMC, которая могла комбинировать 3 канала системы cdma One Расширяла пропускную способность. К сожалению, эта система не была совместима с WCDMA, одобренной Европой и Японией, хотя их спецификации почти идентичны. Разница состоит в скорости чипа. В CDMA-2000 скорость чипа должна быть кратна скорости cdmaOne, а для WCDMA скорость чипа должна быть приспособлена к структуре тактовой синхронизации GSM.

    В 2000 г. Motorola и Nokia вместе начали разработку системы, названной 1 Xtreme, в которой, по их утверждению, можно достигнуть скоростей, подобных 3XMC, но при этом использовать только один канал и, следовательно, одну треть спектра. Это утверждение пока еще не доказано, и некоторые аналитики говорят, что разработчики просто хотят обойти многие из патентов конкурента CDMA — Qualcomm. Однако если эти планы окажутся реальными, то CDMA1 Xtreme действительно представит операторам cdmaOne шанс увеличить емкость любой конкурирующей системы. Параметры конкурирующих вариантов модернизации CDMA перечислены в табл. 5.2 вместе с I-95b и WCDMA. В этой таблице значения реальной пропускной способности даны только по оценкам и надеждам изготовителей [128].

    Сравнение систем на базе CDMA
    CDMA-система Диапазон частоты Скорость чипа Максимальная пропускная способность Реальная пропускная способность
    CDMA One I-95b 1,25 МГц 1,2288 Мбит/с 115,2 Кбит/с 64 Кбит/с
    CDMA -2000 1XMC 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 384 Кбит/с 144 Кбит/с
    CDMA-2000 1Xtreme 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 5,2 Мбит/с 1200 Кбит/с
    CDMA-2000 HDR 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 2,4 Мбит/с 621 Кбит/с
    CDMA-2000 3 XMC 3,75 МГц 3,6864 Чип/с 4 Мбит/с 1117 Кбит/с
    WCDMA (UMTC) 5 МГц 4,096 Чип/с 4 Мбит/с 1126 Кбит/с

    Для всех cdmaOne-операторов следующий шаг после IS-95b — система, названная 1 XMC (MC — Multi-Carrier — "много несущих"). Она требует новых аппаратных средств для базовых станций и базовых контроллеров, но ей не нужен новый радиоинтерфейс; она позволяет вдвое увеличить пропускную способность, используя каждый из кодов Уолша дважды. Это настолько похоже на предыдущие стандарты, что иногда систему называют IS-95c.

    3XMC

    3XMC — CDMA - 2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны WCDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne, например, скорость чипа и потребность в синхронизации GP. ITU выражает надежду, что будут разработаны терминалы, которые могли бы легко адаптироваться для обеих систем — WCDMA и 3XMC.

    HDR

    Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции. Вместо QPSK она может применять 8-PSK (8-фазная манипуляция) или 16-QAM (квадратурно-амплитудная модуляция).

    Эти виды модуляции позволяют увеличить скорость передачи информации.

    Применяя 16-QAM, можно увеличить максимальную скорость передачи данных до 2,4 Мбит/c от станции к абоненту и до 307,2 Кбит/c на канале связи от абонента к станции.

    Этот диапазон используется всеми абонентами станции и разделен с помощью кода Уолша на 32 канала, из которых 3 служебных.

    Канал связи от абонента к станции разделяется с помощью TDMA на 240 временных слотов, каждый из которых может быть предоставлен отдельному абоненту. Однако следует учитывать, что система должна предоставлять двустороннюю связь.

    Пропускная способность понижается в условиях большой интерференции, поскольку 16-QAM требует соединения с малым уровнем помех. Как только сигнал становится слабым, модуляция понижает число фазовых состояний до 8-PSK или QPSK. Поскольку HDR может использоваться только для данных, он не может быть конкурентом 3XMC. Компания Qualcomm утверждает, что это — промежуточный шаг, который будет сделан перед запуском полной системы 3XMC.

    1Xtreme

    Система, разработанная совместно Nokia и Motorola, 1Xtreme [123] выставлена на продажу как конкурент и HDR, и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.

    Не все 3G-системы базируются на CDMA. На основе TDMA разработана новая технология, названная увеличением скорости данных для содействия эволюции GSM (EDGE — Enhanced Data rate for GSM Evolution). Из названия ясно, что она была запланирована как модернизация сети GSM для операторов, которые уже развернули системы HSCSD (High Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией каналов) и GPRS (General Packet Radio Service — услуги пакетной радиопередачи).

    EDGE (UWCC-136)

    Система EDGE планировалась для того, чтобы операторы GSM могли ее применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. При этом они могли использовать в своих интересах спектр IMT-2000. Поскольку UMTS может выполнять хэндовер к GSM, обе эти технологии были бы совместимы, и большое количество терминалов, проданных в Европе, были бы способны работать через обе системы.

    Все изменилось, когда EDGE был создан UWCC (Universal Wireless Communications Consortium — Консорциум универсальной беспроводной связи), совет, представляющий американскую промышленность выпускающую TDMA. Работая с GSM-Ассоциацией, они разработали способ модернизации D-AMPS к EDGE. Объяснение этого факта простое: DAMPS выполнила свою задачу, так что операторам надо было строить новые сети 3G. И CDMA2000, и WCDMA были рассчитаны на построение этих новых сетей, но проблема была в широких каналах. Любая система радиосвязи, чтобы работать, нуждается по крайней мере в одном канале, а для оператора это необходимость новой лицензии.

    Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM, обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 Кбит/с. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 Кбит/с), которые определены в IMT-2000 для новых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализовать во второй фазе спецификаций.

    Ширина канала EDGE — 200 кГц, такая же, как у GSM. Даже условия повторного использования каналов одинаковы. В 2000 г. ITU принял EDGE как режим IMT-2000 и стандартизировал его как UWC-136. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонентской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радиосвязи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безусловно, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (например, вблизи базовых станций). В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики систем EDGE и WCDMA [20].

    Сравнительные характеристики технологий EDGE и WCDMA
    Показатель EDGE WCDMA
    Скорость передачи в условиях высокой мобильности в локальных зонах покрытия, Кбит/c 128 384
    Скорость передачи в условиях низкой мобильности в широких зонах покрытия, Кбит/c 384 2048
    Используемые диапазоны частот, МГц GSM (450, 900, 1800) и PCS (1900) 1920–1980, 2110–2170
    Ширина полосы канала, МГц 0,2 5
    Метод доступа/модуляции TDMA/8PSK DS-CDMA/QPSK
    Мощность передатчика мобильного терминала (передача речи), Вт 1 (макс.) 0,125

    Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовершенствованной службы пакетной передачи (EGPRS — Enhanced GPRS) и усовершенствованной службы коммутации каналов (ECSD — Enhanced Circuit Switched Data). Она унаследовала почти все свои главные особенности от GSM и GPRS, включая структуру кадра TDMA с восемью слотами длиною слота 0,577 мс. Разница заключается в схеме модуляции. Вместо двоичной GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом), применяется 8-PSK, такая же, как в HDR. Это сразу утраивает пропускную способность по сравнению с GSM.

    Услуги EDGE могут быть предоставлены обычному клиенту GSM для передачи речи и данных. Однако операторы, установившие эту систему, предоставляют также услуги GPRS (пакетная радиопередача) и HSCSD (высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией). По этой причине услуги, предоставляемые EDGE, упоминаются иногда как EGPRS и EHSCSD. Для клиентов, которые не имеют оборудования EDGE, терминал полностью совместим с терминалом GSM. Поскольку 8-PSK более восприимчив к ошибкам, чем GMSK, EDGE имеет девять различных схем модуляции и кодирования (табл. 5.4). Каждая предназначена для различного по качеству соединения. Они отличаются по количеству исправляемых ошибок. Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью (режим 8-PSK).

    Схемы модуляции и кодирования в системе EDGE
    Схемы модуляции и кодирования (MCS) Пропускная способность слота Избыточность для исправления ошибок Тип модуляции Пропускная способность канала
    MCS-1 8,8 Кбит/с 143 % GMSK 70,4 Кбит/с
    MCS-2 11,2 Кбит/с 91 % GMSK 89,6 Кбит/с
    MCS-3 14,8 Кбит/с 45 % GMSK 118,4 Кбит/с
    MCS-4 17,6 Кбит/с 22 % GMSK 140,8 Кбит/с
    MCS-5 22,4 Кбит/с 187 % 8 PSK 179,2 Кбит/с
    MCS-6 29,6 Кбит/с 117 % 8 PSK 236,8 Кбит/с
    MCS-7 44,8 Кбит/с 43 % 8 PSK 358,4 Кбит/с
    MCS-8 55,4 Кбит/с 18 % 8 PSK 435,2 Кбит/с
    MCS-9 59,2 Кбит/с 8 % 8 PSK 473,6 Кбит/с

    EDGE Compact

    Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.

    EDGE Compact можно рассматривать как промежуточный вариант. Его задача — обеспечить скоростную передачу данных для пользователей, которые используют речевую службу D-AMPS. Передача данных "поверх" речи подобна функциям HDR на сетях CDMA.

    5.3. Краткие итоги лекции 5

  • Наиболее важные требования к системам 3G: глобальный роуминг, сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов, обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг, высокая скорость передачи данных, повышение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
  • Для IMT-2000 определены три различных скорости: 144 Кбит/с — скорость, принятая для ISDN; 384 Кбит/с — минимально необходимая по качеству для видеосвязи; 2048 Мбит/c — скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя.
  • Стандарт третьего поколения обеспечивает следующие основные услуги: речь, голосовая почта, передача сообщений, коммутация пакетов, коммутируемые данные, мультимедиа (средней скорости), мультимедиа (высокой скорости), диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости).
  • Совместимость с другими системами может быть достигнута с помощью: прямой модернизации, роуминга, хэндовера (передачи соединения).
  • В настоящее время разработаны несколько систем третьего поколения. Их свойства ориентированы на состояние мобильной связи и применяемые системы в различных странах.
  • Широкополосный CDMA (WCDMA) — система 3-го поколения. Одна из основных характеристик разработки — простой хэндовер к системе GSM. WCDMA может работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы (GPS — Global Positioning System). В WCDMA для кодирования используются коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, что и в CDMA One. Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Кбит/с.
  • В системе TD-WCDMA, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами.
  • В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD - Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD – Time Duplex Division).
  • При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях.
  • Европейский стандарт WCDMA известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). CDMA-2000 совместима с существующей системой CDMA (по стандарту I-95) и не совместима с WCDMA.
  • 3XMC — CDMA2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны W-CDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne.
  • Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1 XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции.
  • Система 1Xtreme разработана совместно Nokia и Motorola. 1Xtreme — конкурент систем HDR и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.
  • EDGE (UWCC-136) разработан для того, чтобы операторы GSM могли его применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим.
  • Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.
  • Страницы:

    5.1. Стандарты третьего поколения

    5.1.1. Пути эволюции систем третьего поколения

    Многие из будущих приложений мобильных систем третьего поколения (3G) обнаруживаются по мере разработки стандартов этого поколения [105]. В первую очередь разрабатываются и внедряются такие услуги, как доступ к беспроводным услугам Интернет, постоянный доступ к Сети, диалоговому видео и речи для сопровождения компьютерных услуг.

    Термин 3G стал довольно неопределенным. Ранее положение о системах третьего поколения были определены достаточно точно в рамках стандартов. Они ставили цель обеспечить пользователям мобильной связи характеристики услуг не хуже, а может быть и лучше, чем в системе ISDN при скорости обмена 144 Кбит/с.

    Некоторые первоначальные стандарты, переходные от поколения 2G к 3G, такие как стандарт "общая служба пакетной радиопередачи" (GPRS — General Packet Radio Service) и IS-95, могли обеспечивать характеристики, близкие к намеченным в 3G при некоторых оптимальных условиях. Например, служба пакетной передачи составляет не более 115 Кбит/с. Системы третьего поколения вначале не были предназначены для широкого использования из-за дорогих терминалов и оборудования базовых станций.

    Технологически увеличение скоростей реализуется несколькими способами: расширением используемого спектра и новыми методами модуляции, применяющими сжатие данных при заданном частотном диапазоне. Например, новые методы модуляции заменяют традиционную двоичную систему системой с большим значением одного разряда (амплитудно-фазовая модуляция).

    Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в рекомендациях IMT-2000 Международным союзом электросвязи (МСЭ). Наиболее важные из них:

  • глобальный роуминг;
  • сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов;
  • эффективное использование спектра частот;
  • открытая архитектура;
  • обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг;
  • качество речи, сопоставимое с проводной связью;
  • защита информации, сопоставимая с уже имеющейся системой в ТфОП/ISDN;
  • взаимная работа со спутниковыми системами;
  • высокая скорость передачи данных;
  • поддержка иерархической структуры сот (HCSHierarchical Cell Structure);
  • поэтапный подход к повышению скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
  • В Европе (рис 5.1) преобладает тенденция разработки систем на основе CDMA, совместимых с GSM (в частности, с японскими системами), но не предусматривается совместимость в глобальном масштабе.

    В США имеется много сторонников эволюционного развития CDMA One к системе CDMA-2000. При этом ни один из стандартов не предполагает взаимодействия с европейской и японской системой.

    Операторы DAMPS и GSM являются сторонниками дальнейшего развития систем на базе временного разделения каналов (TDMA). В результате пока глобальный роуминг видится возможным только с использованием многорежимного телефона.

    Последнее требование особенно важно для поставщиков услуг, операторов и производителей аппаратуры. Они заинтересованы в том, чтобы предоставлять лучшие услуги (естественно, получая прибыли), но при этом сохранить доходы с уже вложенных средств (защита инвестиций). Поэтому наиболее подходящим является эволюционный путь развития. Один из многих вариантов [.

    (рис 5.1) Пути эволюции к системе 3G

    В связи с этим разрабатываемые стандарты должны предусматривать совместимость с их предшественниками. Конечная цель заключается в том, чтобы имеющиеся телефоны могли обслужить соединение при перемещении мобильной станции между сотами, базирующимися на старых и новых технологиях.Имеются различные направления эволюции.

    В апреле 2007г. Федеральным агентством связи (Россвязь) проводился конкурс на право предоставления услуг подвижной радиотелефонной связи с использованием полос частот в трех диапазонах 1935-1950 МГЦ, 2010-2015 МГЦ, 2125, 2140 МГЦ. Это по сути явилось началом внедрения услуг 3G на территории России. Если рассмотреть сегодняшние прогнозы систем 3G, то они сводятся к трем моментам:

  • Системы, относящиеся к 3G, являются наиболее совместимыми с существующим оборудованием, дешевыми и имеют большие перспективы развития, поскольку в них вложены большие средства и имеется хорошая административная база.
  • Россия имеет уникальный шанс сразу перейти на широкополосную систему (наиболее вероятно – это система WiMAX, о ней будет сказано далее).
  • Система 3G и широкополосные системы имеют разные сектора применения на рынке услуг и могут существовать параллельно.
  • Рассмотрение доводов в защиту каждого из этих направлений выходит за рамки этой книги. Ниже приведены основные сведения о системах, охватываемых понятием систем 3G, и их характеристикам. Естественно, что системы развиваются стремительно во времени, и в ближайшее время можно ожидать новых свойств, например, повышения скоростей и расширения услуг до уровня, сравнимого с сиcтемами широкополосной мобильной связи

    5.1.2. IMT-2000

    Работы по созданию системы 3G начались в 1992 г., когда стало ясно, что мобильные системы играют все более и более важную роль. Международная исследовательская группа предсказала, что через 10 лет мобильные телефоны составят конкуренцию стационарной сети [128]. Однако в некоторых странах это предсказание осуществилось несколько раньше.

    Работы были начаты в проекте, который получил название FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System — будущая система мобильной телефонной связи) [125]. Акроним был несколько неуклюжий даже по сравнению с другими принятыми в жаргоне телекоммуникаций, так что ITU скоро принял немного более удобное название IMT-2000 (International Mobile Telecommunication — 2000 — Международная мобильная связь – 2000).

    Проект ITU-2000 ставил цели:

  • предполагаемое ITU начало работы этой системы — 2000 год;
  • скорость передачи данных 2000 Кбит/с;
  • область значения частоты, которую ITU хотел бы сделать доступной для новой технологии, — 2000 МГц.
  • Ни одна из этих задач не была полностью выполнена, но название закрепилось.

    Скорость данных, поставленная в виде цели, в настоящее время достижима, но только при некоторых оптимальных условиях.

    Наиболее важно, что не каждая страна разрешила запрошенный ITU частотный диапазон. Европа и многие из азиатских стран это сделали, но США пока не могут отвести для IMT-2000 весь запрашиваемый спектр. Технология IMT-2000 в США считается важной, и в перспективе отсутствие новой пропускной способности заставит США вступить на этот путь.

    FPLMTS (будущая система мобильной телефонной связи) [125] рассматривала только мобильную телефонную связь и мобильную передачу данных. IMT-2000, как предполагалось, сможет охватывать все возможные применения беспроводной связи. Например:

  • беспроводные сети доступа и локальные вычислительные сети (LAN) смогут обеспечить пользователям высокие скорости передачи данных на улице, в офисе и дома;
  • связь через спутники позволила бы людям обращаться к основным речевым службам и услугам передачи данных буквально из любой точки Земли, даже если они находятся вне области, охваченной сотовой сетью. Она называется мобильной спутниковой службой (MSS — Mobile Satellite Service) и мобильной глобальной персональной спутниковой связью (GMPCS — Global Mobile Personal Communication by Satellite).
  • Беспроводные сети IMT-2000 могли бы впервые предоставить связь более бедным странам, обеспечивая их сравнительно дешевым и быстрым путем совместного развития наземных и мобильных линий связи.

    Теоретически, ориентируясь на использование всех типов беспроводных услуг по единственной системе радиосвязи, пользователи могли приобретать для них единое устройство. Они могли использовать мобильный телефон как домашний переносной телефон или даже делать вызовы через спутник посреди океана. Промышленность могла бы экономить деньги, потому что составляющие устройство компоненты развивались бы для одного типа технологии и могли бы легко применяться в разных странах.

    Первоначально МСЭ надеялся создать единый стандарт универсальной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало ясно, что, несмотря на относительную несложность формулировки основных требований к системе 3G, весьма непростым вопросом оказалась разработка стратегии достижения этих требований. Большинство этих идей было оставлено к 1999 г., когда были созданы первые прототипы оборудования IMT-2000.

    (рис 5.2) Конвергенция различных технологий в IMT-2000

    Фиксированные беспроводные системы (беспроводный доступ и локальные сети) лучше всего работают на намного более высоких частотах, чем обычные мобильные телефоны.

    Спутниковые телефоны являются более дорогими и имеют намного большие размеры, чем те, которыми готово воспользоваться большинство людей. Беспроводные LAN получают развитие в некоторых областях — например, беспроводная работа по Интернету на улице и в движении, но реализация этих стандартов в рамках IMT-2000 маловероятна, поэтому IMT-2000 сегодня имеет наиболее эффективную цель — это высокоскоростная передача данных по сотовой сети.

    Первоначально ITU IMT-2000 определяло только скорости передачи данных.

    Предложены три различных скорости, каждая для различного типа информации ISDN, а также стандарт на несущие частот для основных сетей передачи речи.

    Предлагаются следующие скорости:

  • 144 Кбит/с. Та же скорость, как и у ISDN - линии цифровой сети интегрального обслуживания (базовый доступ). Этот тип линий может использоваться в движении и в тех местностях, где этот сервис не может быть реализован иными способами;
  • 384 Кбит/с. Эта скорость — одна из ближайших реальных целей. Она соответствует каналу цифровой сети интегрального обслуживания H-скорости (H0), часто используемому для видео-конференц-связи. Хотя передача видео возможна и на много более медленных скоростях, эта скорость считается минимально необходимой по качеству;
  • 2048 Кбит/c. Скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя (скорость перемещения объекта до 3 км/час). Она соответствует скорости обмена первичного доступа линии цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN). Обычно для этого используется кабель, несущий до 30 отдельных телефонных каналов до распределительного щита.
  • Идея применения высоких скоростей заключается в создании маленьких пикосот (picocells), которые могли бы быть установлены в общественных местах, таких как вокзалы или залы прибытия и отправления в аэропортах, давая людям возможность обращаться к высоким скоростям передачи данных.

    Эти рекомендации по скоростям были предложены для служб, показанных на рис 5.2, в 1992 г., когда Интернет не был еще широко известен вне академических и технических кругов. IMT-2000 задумывался для того, чтобы формировать только мобильную часть Интернета, дополняя наземную службу.

    Когда Интернет вошел в общественное и коммерческое пользование, ITU убедилось, что интернет-сеть стала одним из наиболее важных аспектов использования технологии IMT-2000. Это повлекло за собой дополнительные требования для поддержания протоколов, связанных с сетью коммутации пакетов. Предварительно установленные скорости обмена данных коммутационных каналов, как в цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN), остались неизменными.

    5.1.3. Сервисные требования

    В 1992 г., возможно, еще не были обнаружены многие из окончательных приложений 3G. Однако сейчас для промышленности ясны направления, по которым надо двигаться. Тенденция конвергенции к третьему поколению стремится объединить Интернет, телефоны и широковещательные средства обмена информацией в едином устройстве.

    Для этого система IMT-2000 должна в основном обеспечивать шесть широких классов обслуживания. В настоящее время операторы могут предложить службы на скорости передачи данных не свыше 2 Мбит/c, и клиенты смогут оценить, будут ли они покупать новое устройство в будущем, независимо от того, что они могут позволить себе сейчас.

    Описание этих служб также полезно для людей, планирующих количество и ассортимент продаж, и, возможно, для людей, которые будут покупать терминалы, когда они наконец станут доступными.

    Три сервисных класса уже существуют до некоторой степени на сети 2G, в то время как имеются три новых, которые включают в себя мультимедиа-службы.

    Услуги по стандарту третьего поколения

    Речь, голосовая почта

    Эта услуга может быть предоставлена на скорости 4–32 Кбит/с. Даже учитывая, что в будущем появится быстродействующая передача данных, эта служба не может рассматриваться как новая услуга. Для рынка мобильной связи 3G сможет предложить качество вызова не лучше, чем хорошая современная стационарная телефонная сеть. Голосовая почта также будет стандартна, в конечном счете полностью интегрирована с электронной почтой и, может быть, только дополнена компьютеризированным распознаванием голоса и синтезированной речью для передачи сообщений диктора.

    Передача сообщений, коммутация пакетов

    Данная услуга — дополнительно расширенная служба, объединенная с электронной почтой Интернета при скорости 9,6–14,4 Кбит/с.

    В отличие от текстовых служб передачи сообщений и передачи коротких сообщений SMS, которые встроены в некоторые системы, 2G поколения, 3G позволяют почтовые текстовые вложения. Эта служба будет применяться для расчетов за услуги и для электронных продаж (покупок).

    Коммутируемые данные

    Этот класс включает процедуры отправления с помощью факса и автоматическое подключение с набором номера к телефонной сети или Интернету, с коммутацией доступных каналов. Доступ, использующий автоматическое подключение с набором номера, устаревает, так что этот класс главным образом включен для того, чтобы обеспечить работу с существующим оборудованием. Термин "коммутируемые данные" в 3G обычно обозначает информацию от любого изделия, которое не работает с сетью коммутации пакетов, а использует услуги сети ISDN. Предлагаемая скорость этой услуги — 144 (64) Кбит/c.

    Мультимедиа (средней скорости)

    Это, вероятно, будет самая популярная служба 3G. Его скорость данных потока "сеть — пользователь" идеальна для веб-навигации, если предположить, что сеть к тому времени, когда 3G станет доступным, не изменится до неузнаваемости. Другие приложения включают совместную работу на компьютере, игры, определение местоположения с предоставлением карты местности, директивы передвижения от одной точки местности до другой и т. п. Предлагаемая скорость этой службы — 128–384 Кбит/c.

    Мультимедиа (высокой скорости)

    В настоящее время предлагается асимметричная работа такой службы со скоростью 384–2048 Кбит/c. Этот класс может использоваться для очень быстродействующего доступа к Интернету, а также для передачи по требованию видео высокой четкости и аудио (качественные CD). Другое возможное приложение — интерактивные (online) покупки для "неосязаемых" изделий, которые можно доставить "по воздуху"; например, "скачивание" отдельных музыкальных произведений или программ для мобильного компьютера.

    Диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости)

    Этот класс может использоваться для вполне высококачественной видео-конференц-связи или видеофонов, и комбинации заочной конференции с помощью телевидения и совместной дистанционной работы колектива.

    Скорости передачи данных для этих услуг показаны в табл. 5.1 [21, 114]. Хотя три из них требуют коммутации каналов, но это, вероятно, будет осуществляться с помощью замены реальных каналов виртуальными. Поскольку любая информация предоставляется в пакетах, включая речь, факс и видео, пакеты в виртуальном канале будут передаваться с учетом приоритета. Диалоговое мультимедиа высокой скорости гарантирует клиенту качество, за которое он заплатил, и в основном занимает неприоритетные каналы, когда они не используются. Классический пример — передача данных в течение промежутков (пауз) в разговоре, но есть и другие. Например, большинство процедур заочной конференции с помощью телевидения и передачи изображений с помощью видеофона передают только те части изображений, которые изменились, а не постоянно все кадры, позволяя существенную экономию пропускной способности. Видеоряд при телепередаче объекта, расположенного неподвижно в неизменяющейся комнате, может быть передан очень небольшим количеством данных, хотя наблюдается всплеск передачи данных, как только кто-то (или что-то) начинает двигаться.

    Типы служб, доступных по IMT-2000
    Классификация службы Скорость "пользователь-сеть" Скорость "сеть-пользователь" Отношение скоростей Пример Коммутация
    Диалоговое мультимедиа 2048 Кбит/с 2048 Кбит/с 1 Телеконференция Каналов
    Высокоскоростное мультимедиа 384 Кбит/с 2048 Кбит/с 5,3 Телевидение Пакетов
    Среднее мультимедиа 128 – 384 Кбит/с

    19,2 Кбит/с

    128 – 384 Кбит/с

    768 Кбит/с

    1

    40

    Веб-навигация Пакетов
    Коммутируемые данные 64 (144) Кбит/с 64 (144) Кбит/с 1 Интернет

    Факсимильные сообщения

    Каналов
    Передача сообщений 9,6–14,4 Кбит/с 9,6–14,4 Кбит/с 1 Электронная почта Пакетов
    Речь 4–32 Кбит/с 4–32 Кбит/с 1 Телефонная связь Каналов

    В настоящее время речь составляет самую большую долю трафика через мобильные сети. Передача сообщений, использование мультимедийных услуг и передача данных занимает меньший объем, но демонстрирует быстрый рост. Детальное исследование запросов клиентов показывает, что эти типы трафика, вероятно, продолжат расти до тех пор, пока почти каждый пользователь в пределах зоны обслуживания IMT-2000 не будет иметь мобильный телефон. После этого трафик все еще будет расти, но это будет зависеть, главным образом, от роста количества и качества услуг мультимедиа.

    Типы служб, доступных по стандарту IMT-2000, показаны в таблица 5.1.

    (рис 5.3) Примеры услуг предоставляемых мобильными системами 3G

    5.1.4. Требования к спектру

    В 1992 г. ITU рекомендовал, чтобы все страны мира распределяли для услуг 3G одни и те же частоты. Это позволило бы упростить глобальный роуминг, особенно при условии, что каждая страна использует один и тот же стандарт IMT-2000. Тогда пользователь независимо от местоположения мог бы быть уверен, что его мобильный телефон или устройство передачи данных будет работать.

    К сожалению, единственной большой страной, которая фактически точно следовала рекомендациям ITU, был Китай. Европа и Япония уже использовали часть спектра для переносных телефонов и GSM. Америка (США) задействовала весь спектр для службы персональной связи и фиксированной радиосвязи [6, 114]. В России этот диапазон частот занят радиослужбами фиксированной, подвижной и космической связи [46]. Введение служб по стандарту IMT-2000 нуждается в освобождении полос частот в существующей инфраструктуре.

    Единственная часть всемирного спектра, доступная 3G, относится к услугам спутниковой связи, при которых, конечно, частотный диапазон должен быть всюду один и тот же. Проблемы заключаются в том, что нет спутников, выведенных на орбиту, чтобы обеспечивать работу с мобильной станцией со скоростью 144 Кбит/c.

    Наиболее экономичные спутники — широкополосные устройства. Они нуждаются в более высоких частотах, и это приводит к выводу, что на базе терминала для мобильной спутниковой службы нужно разработать совмещенный терминал, который можно применить и для сотовой связи стандарта IMT-2000.

    Исходя из прогнозов UMTS (Universal Mobile Telecommunication Services) форума [, вместе со спектром частот, уже используемым службами 2G и распределенным для служб 3G.

    (рис 5.4) Требуемый спектр частот в различных регионах, прогнозируемый ITU

    Предполагая, что существующие 2G-сети будут в конечном счете модернизированы к 3G, МСЭ прогнозирует, что в каждом регионе до 2015 г. потребуется дополнительно иметь по крайней мере 160 МГц. Где этот спектр будет найден, еще не ясно, хотя ITU и различные группы промышленности рассматривают несколько предложений.

    Очевидно, что использование частотных полос вокруг уже распределенного спектра — не выход из положения.

    Они уже широко задействованы организациями, подобными НАСА, чтобы поддерживать контакт с космонавтами и космическими кораблями. Последние, может быть, будут передавать полезную информацию в течение многих десятилетий после того, как были запущены, и поэтому управление ими на других частотах невозможно.

    Рассмотрим возможности в каждом спектре [6, 44, 114].

    420–806 МГц

    Известный как УВЧ-диапазон. В большинстве стран эти частоты используются для аналогового широковещательного телевидения. Они могут быть отданы мобильным телефонам только тогда, когда цифровое телевидение полностью заменит аналоговое, хотя это вряд ли случится в планетарном масштабе до 2015 года.

    1429–1501 МГц

    Эта частотная полоса используется во всем мире для нескольких различных целей [46], включая переносные телефоны, фиксированное радио и широковещательную передачу. Часть этого диапазона оставлена свободной, чтобы ученые могли пытаться принять возможные сигналы, которые могут передавать другие цивилизации.

    1710–1885 МГц

    Некоторая часть этой полосы уже задействована для мобильных служб в Европе и Азии, но этот диапазон может обеспечить дополнительную канальную емкость в Америке. В Европе он интенсивно используется для управления воздушным движением.

    2290–2300 МГц

    Эта очень маленькая полоска спектра используется для фиксированного радио, а также радиоастрономами, проводящими исследование глубокого космоса.

    2300–2400 МГц

    Эта частотная полоса используется для фиксированной беспроводной связи и некоторых телеметрических измерений. Диапазон расположен близко к спектру, уже распределенному для IMT-2000.

    2520–2670 МГц

    Различные страны используют эту частотную полосу для различных приложений, таких как широковещательная передача и фиксированное радио. Часть этого диапазона также задействована спутниками, связывающимися с Землей. Эта частотная полоса одобрена UMTS-Форумом как резерв для дополнительного расширения.

    2700–3400 МГц

    Частоты более чем 2700 МГц используются главным образом для радаров, хотя некоторые имеют другие приложения, такие как спутниковая связь. В частности, частотные полосы 3260–3267 МГц, 3332–3339 МГц и 3345,8–3352,5 МГц необходимы радиоастрономии, так как они соответствуют частотам радиоизлучения звезд.

    5.1.5. Совместимость

    Для построения мобильной сети 3-го поколения ITU первоначально хотел создать единственный глобальный стандарт, но это оказалось невозможным. Вместо этого рассматриваются два главных типа стандартов CDMA, основанных на DS-CDMA (Direct Spectrum — расширение спектра) (WCDMA, CDMA-2000), и один тип стандарта, основанного на TDCDMA (EDGE — UWS-136). Эти стандарты с разной степенью подробности будут приведены далее.

    Главная причина расхождения стандартов — совместимость с существующими системами. Такая совместимость может быть достигнута одним из трех способов.

    Прямая модернизация. Сетевые операторы для новых сервисов должны развертывать систему, которая, по существу, является только модернизацией существующего оборудования для подключения абонентов, использующих новые услуги. При этом она должна быть реализована так, чтобы возможно было работать со старыми базовыми станциями, и наоборот, новые станции должны вписываться в старую систему. Типичным примером такой модернизации является добавление пакетной коммутации или лучшей модуляции, но сохранение существующих размеров сот и структуры каналов. Это существенно ограничивает варианты развития. В частности, большинство 2G-систем базируются на принципах TDMA, поэтому принцип прямой модернизации должен сохранить структуру TDMA.

    Роуминг. В принципе, мобильное терминальное устройство может быть сделано так, чтобы взаимодействовать с любым числом отличающихся систем, давая возможность абонентам пользоваться ими во всем мире. Также не усматривается проблем с запросом терминала стандарта IMT-2000, если создать устройства с множественными режимами работы. Но наиболее желательным и самым дешевым решением является создание единого универсального типа терминала.

    Хэндовер (передача соединения). Роуминг от одной системы к другой неудобен для большинства пользователей, поскольку соединение, как правило, сбрасывается, чтобы получить полномочия на работу в другой сети. Система 3G может быть сформирована так, чтобы она фактически передавала пользователей к сети 2G помощью процедуры хэндовера, при которой пользователь не должен заметить замены сети. Проблема заключается в передаче обслуживания при наличии мультимедиа-соединений, которые не реализуются сетью 2G. В этом случае абонент не получает доступа к службам 3G, недоступным в сети 2G. Это накладывает некоторые ограничения на проект 3G-систем и на средства, которые могли бы работать в сетях 2G и 3G.

    Фундаментальная проблема для IMT-2000 — то, что единственный стандарт не может модернизировать хэндовер от cdmaOne к GSM. Это означает, что два устройства, работающие на очень похожих стандартах IMT-2000 на основе CDMA (WCDMA и CDMA-2000), могут быть установлены рядом, но их работа будет зависеть от того, какая 2G-система развернута в этом районе.

    5.2. Системы третьего поколения

    WCDMA

    Широкополосный CDMA (WCDMA) — система, одобренная большинством операторов, которые способны получить новый спектр частот. Она была разработана японской фирмой ARIB в 1998 году. Одна из основных характеристик разработки — хэндовер к системе GSM. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDMA, хотя некоторые части системы GSM, такие, как услуги пакетной радиопередачи (GPRS — General Packet Radio Service), могут многократно транслироваться через сеть CDMA.

    Ширина полосы, которая отводится для одного канала WCDMA, равна 5 МГц. Возможно увеличение скорости до 10 МГц и далее до 20 МГц.

    Это в четыре раза больше, чем cdma One, и в 25 раз — чем GSM. Широкая частотная полоса была выбрана, чтобы позволить более высокие скорости данных, но только в не переполненной области спектра с очень хорошим приемом. Другое важное отличие WCDMA от cdma One — отсутствие потребности в синхронизации времени. WCDMA был разработан, чтобы работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системыСистема военного применения, в настоящее время широко используется для решения гражданских задач, в частности, для навигации и определения точного времени. (GPS — Global Positioning System). Имеются различия в кодировании: в WCDMA для кодирования используются не коды Уолша, а коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, как и в cdma One.

    Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Мбит/c в пределах одной соты. Скорость в канале — 3,84 Мбит/c (7,8 и 15,6 Мбит/c). При этом предусматривается метод прямого расширения спектра (DS-CDMA).

    Каждый канал повторно используется каждой сотой, повышая спектральную эффективность по сравнению с системами TDMA.

    WCDMA предоставляет возможность мягкого хэндовера, но при взаимодействии с GSM такой тип хэндовера не поддерживается.

    TD-WCDMA

    TD-WCDMA (Time Division-Wideband Code-Division-Multiple-Access) звучит противоречиво и часто называется гибридом между TDMA и CDMA. При этой методике, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами, преобразованными с помощью ортогональных кодов (см. расширение в части 2 CDMA). В этом методе сохраняется методика мультиплексирования CDMA. Основными параметрами такой методики являются: частота, канальный интервал и код. На рис 5.5 показан кадр системы TD-CDMA.

    (рис 5.5) Кадр системы TD-CDMA (параметры UMTS)

    В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD — Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD Time Duplex Division).

    При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Очевидно, что если спектр лимитирован, то выделение парных полос частот затруднительно.

    Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях. В этом случае можно уменьшить величину занимаемой полосы и не требуется разделение спектра на парные частоты. Этот способ наиболее приемлем для небольших сот, поскольку интервал приема/передачи зависит от времени распространения информации. Однако для временного разделения часто выходом является применение асимметричных скоростей в прямом и обратном направлении. Метод TDD может оказаться более эффективным в пикосотах для работы с компьютерами (Интернет) беспроводным способом.

    В WCDMA несущие частоты выделяются в соответствии с заданными методами доступа для каждой частоты. При выдаче лицензии для каждого канала указывается, должен ли он использоваться в направлении от абонента к станции или от станции к абоненту либо в непарном режиме. На рис 5.6 показан пример разделения диапазона между операторами на 12 парных каналов и 7 непарных каналов.

    (рис 5.6) Пример распределения частот при использовании WCDMA/UMTS

    UMTS

    С 1996 г. разрабатываемый европейский стандарт WCDMA был известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). Для руководства его разработкой был создан Форум UMTS и группа, ответственная за развитие GSM, — чтобы новый проект был так же успешен, как GSM, быстро распространяясь по остальному миру. Форум UMTS успешно разработал рабочие предложения WCDMA, совместимого с GSM.

    Однако первыми применили его в Японии. Операторы Японии нуждались в новой 3G-системе, потому что возможности предоставления 2G резко сокращали емкость. Первые сети WCDMA были установлены в Японии операторами NTT DoCoMo и Jphone [44].

    Компания NTT DoCoMo определила три приложения, которые необходимо поддерживать. В эти приложения были включены дополнительные услуги, иные, чем это определило ITU. Система содержала речь и видео более чем 8 Кбит/c и 64 Кбит/c соответственно, двухсторонние соединения 348 Кбит/c для автомобилей и для связи с интеллектуальной транспортной системой (центральный компьютер дистанционного управления трафиком на дорогах).

    В настоящее время международный консорциум операторов связи и производителей связной аппаратуры NTT DoCoMo, Vodafone, Cingular Wireless, Siemens и Alcatel ведут работы по созданию телекоммуникационных мобильных сетей четвертого поколения (4G), окончание которых планируется через 1,5–2 года. NTT DoCoMo, в частности, уже удалось достичь скорости передачи данных на мобильный терминал в 1 ГБ в секунду. Правительство Японии планирует начать коммерческое использование 4G-связи в 2010 году.

    cdma One

    Из систем второго поколения 2G только cdmaOne уже базируются на CDMA. Это дает преимущества в движении к системам 3G, так как операторы могут модернизировать их существующие сети с помощью нового программного обеспечения или новой системой модуляции, а не вводя новые системы радиосвязи. Эти обновления все вместе известны как cdma2000 и все совместимы с существующими I-95-системами.

    До середины 2000 г. путь обновления для cdma не казался ясным. Результат, как предполагалось, должен был стать системой, названной CDMA-2000-3XMC, которая могла комбинировать 3 канала системы cdma One Расширяла пропускную способность. К сожалению, эта система не была совместима с WCDMA, одобренной Европой и Японией, хотя их спецификации почти идентичны. Разница состоит в скорости чипа. В CDMA-2000 скорость чипа должна быть кратна скорости cdmaOne, а для WCDMA скорость чипа должна быть приспособлена к структуре тактовой синхронизации GSM.

    В 2000 г. Motorola и Nokia вместе начали разработку системы, названной 1 Xtreme, в которой, по их утверждению, можно достигнуть скоростей, подобных 3XMC, но при этом использовать только один канал и, следовательно, одну треть спектра. Это утверждение пока еще не доказано, и некоторые аналитики говорят, что разработчики просто хотят обойти многие из патентов конкурента CDMA — Qualcomm. Однако если эти планы окажутся реальными, то CDMA1 Xtreme действительно представит операторам cdmaOne шанс увеличить емкость любой конкурирующей системы. Параметры конкурирующих вариантов модернизации CDMA перечислены в табл. 5.2 вместе с I-95b и WCDMA. В этой таблице значения реальной пропускной способности даны только по оценкам и надеждам изготовителей [128].

    Сравнение систем на базе CDMA
    CDMA-система Диапазон частоты Скорость чипа Максимальная пропускная способность Реальная пропускная способность
    CDMA One I-95b 1,25 МГц 1,2288 Мбит/с 115,2 Кбит/с 64 Кбит/с
    CDMA -2000 1XMC 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 384 Кбит/с 144 Кбит/с
    CDMA-2000 1Xtreme 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 5,2 Мбит/с 1200 Кбит/с
    CDMA-2000 HDR 1,25 МГц 1,2288 Чип/с 2,4 Мбит/с 621 Кбит/с
    CDMA-2000 3 XMC 3,75 МГц 3,6864 Чип/с 4 Мбит/с 1117 Кбит/с
    WCDMA (UMTC) 5 МГц 4,096 Чип/с 4 Мбит/с 1126 Кбит/с

    Для всех cdmaOne-операторов следующий шаг после IS-95b — система, названная 1 XMC (MC — Multi-Carrier — "много несущих"). Она требует новых аппаратных средств для базовых станций и базовых контроллеров, но ей не нужен новый радиоинтерфейс; она позволяет вдвое увеличить пропускную способность, используя каждый из кодов Уолша дважды. Это настолько похоже на предыдущие стандарты, что иногда систему называют IS-95c.

    3XMC

    3XMC — CDMA - 2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны WCDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne, например, скорость чипа и потребность в синхронизации GP. ITU выражает надежду, что будут разработаны терминалы, которые могли бы легко адаптироваться для обеих систем — WCDMA и 3XMC.

    HDR

    Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции. Вместо QPSK она может применять 8-PSK (8-фазная манипуляция) или 16-QAM (квадратурно-амплитудная модуляция).

    Эти виды модуляции позволяют увеличить скорость передачи информации.

    Применяя 16-QAM, можно увеличить максимальную скорость передачи данных до 2,4 Мбит/c от станции к абоненту и до 307,2 Кбит/c на канале связи от абонента к станции.

    Этот диапазон используется всеми абонентами станции и разделен с помощью кода Уолша на 32 канала, из которых 3 служебных.

    Канал связи от абонента к станции разделяется с помощью TDMA на 240 временных слотов, каждый из которых может быть предоставлен отдельному абоненту. Однако следует учитывать, что система должна предоставлять двустороннюю связь.

    Пропускная способность понижается в условиях большой интерференции, поскольку 16-QAM требует соединения с малым уровнем помех. Как только сигнал становится слабым, модуляция понижает число фазовых состояний до 8-PSK или QPSK. Поскольку HDR может использоваться только для данных, он не может быть конкурентом 3XMC. Компания Qualcomm утверждает, что это — промежуточный шаг, который будет сделан перед запуском полной системы 3XMC.

    1Xtreme

    Система, разработанная совместно Nokia и Motorola, 1Xtreme [123] выставлена на продажу как конкурент и HDR, и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.

    Не все 3G-системы базируются на CDMA. На основе TDMA разработана новая технология, названная увеличением скорости данных для содействия эволюции GSM (EDGE — Enhanced Data rate for GSM Evolution). Из названия ясно, что она была запланирована как модернизация сети GSM для операторов, которые уже развернули системы HSCSD (High Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией каналов) и GPRS (General Packet Radio Service — услуги пакетной радиопередачи).

    EDGE (UWCC-136)

    Система EDGE планировалась для того, чтобы операторы GSM могли ее применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. При этом они могли использовать в своих интересах спектр IMT-2000. Поскольку UMTS может выполнять хэндовер к GSM, обе эти технологии были бы совместимы, и большое количество терминалов, проданных в Европе, были бы способны работать через обе системы.

    Все изменилось, когда EDGE был создан UWCC (Universal Wireless Communications Consortium — Консорциум универсальной беспроводной связи), совет, представляющий американскую промышленность выпускающую TDMA. Работая с GSM-Ассоциацией, они разработали способ модернизации D-AMPS к EDGE. Объяснение этого факта простое: DAMPS выполнила свою задачу, так что операторам надо было строить новые сети 3G. И CDMA2000, и WCDMA были рассчитаны на построение этих новых сетей, но проблема была в широких каналах. Любая система радиосвязи, чтобы работать, нуждается по крайней мере в одном канале, а для оператора это необходимость новой лицензии.

    Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM, обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 Кбит/с. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 Кбит/с), которые определены в IMT-2000 для новых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализовать во второй фазе спецификаций.

    Ширина канала EDGE — 200 кГц, такая же, как у GSM. Даже условия повторного использования каналов одинаковы. В 2000 г. ITU принял EDGE как режим IMT-2000 и стандартизировал его как UWC-136. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонентской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радиосвязи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безусловно, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (например, вблизи базовых станций). В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики систем EDGE и WCDMA [20].

    Сравнительные характеристики технологий EDGE и WCDMA
    Показатель EDGE WCDMA
    Скорость передачи в условиях высокой мобильности в локальных зонах покрытия, Кбит/c 128 384
    Скорость передачи в условиях низкой мобильности в широких зонах покрытия, Кбит/c 384 2048
    Используемые диапазоны частот, МГц GSM (450, 900, 1800) и PCS (1900) 1920–1980, 2110–2170
    Ширина полосы канала, МГц 0,2 5
    Метод доступа/модуляции TDMA/8PSK DS-CDMA/QPSK
    Мощность передатчика мобильного терминала (передача речи), Вт 1 (макс.) 0,125

    Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовершенствованной службы пакетной передачи (EGPRS — Enhanced GPRS) и усовершенствованной службы коммутации каналов (ECSD — Enhanced Circuit Switched Data). Она унаследовала почти все свои главные особенности от GSM и GPRS, включая структуру кадра TDMA с восемью слотами длиною слота 0,577 мс. Разница заключается в схеме модуляции. Вместо двоичной GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом), применяется 8-PSK, такая же, как в HDR. Это сразу утраивает пропускную способность по сравнению с GSM.

    Услуги EDGE могут быть предоставлены обычному клиенту GSM для передачи речи и данных. Однако операторы, установившие эту систему, предоставляют также услуги GPRS (пакетная радиопередача) и HSCSD (высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией). По этой причине услуги, предоставляемые EDGE, упоминаются иногда как EGPRS и EHSCSD. Для клиентов, которые не имеют оборудования EDGE, терминал полностью совместим с терминалом GSM. Поскольку 8-PSK более восприимчив к ошибкам, чем GMSK, EDGE имеет девять различных схем модуляции и кодирования (табл. 5.4). Каждая предназначена для различного по качеству соединения. Они отличаются по количеству исправляемых ошибок. Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью (режим 8-PSK).

    Схемы модуляции и кодирования в системе EDGE
    Схемы модуляции и кодирования (MCS) Пропускная способность слота Избыточность для исправления ошибок Тип модуляции Пропускная способность канала
    MCS-1 8,8 Кбит/с 143 % GMSK 70,4 Кбит/с
    MCS-2 11,2 Кбит/с 91 % GMSK 89,6 Кбит/с
    MCS-3 14,8 Кбит/с 45 % GMSK 118,4 Кбит/с
    MCS-4 17,6 Кбит/с 22 % GMSK 140,8 Кбит/с
    MCS-5 22,4 Кбит/с 187 % 8 PSK 179,2 Кбит/с
    MCS-6 29,6 Кбит/с 117 % 8 PSK 236,8 Кбит/с
    MCS-7 44,8 Кбит/с 43 % 8 PSK 358,4 Кбит/с
    MCS-8 55,4 Кбит/с 18 % 8 PSK 435,2 Кбит/с
    MCS-9 59,2 Кбит/с 8 % 8 PSK 473,6 Кбит/с

    EDGE Compact

    Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.

    EDGE Compact можно рассматривать как промежуточный вариант. Его задача — обеспечить скоростную передачу данных для пользователей, которые используют речевую службу D-AMPS. Передача данных "поверх" речи подобна функциям HDR на сетях CDMA.

    5.3. Краткие итоги лекции 5

  • Наиболее важные требования к системам 3G: глобальный роуминг, сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов, обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг, высокая скорость передачи данных, повышение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
  • Для IMT-2000 определены три различных скорости: 144 Кбит/с — скорость, принятая для ISDN; 384 Кбит/с — минимально необходимая по качеству для видеосвязи; 2048 Мбит/c — скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя.
  • Стандарт третьего поколения обеспечивает следующие основные услуги: речь, голосовая почта, передача сообщений, коммутация пакетов, коммутируемые данные, мультимедиа (средней скорости), мультимедиа (высокой скорости), диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости).
  • Совместимость с другими системами может быть достигнута с помощью: прямой модернизации, роуминга, хэндовера (передачи соединения).
  • В настоящее время разработаны несколько систем третьего поколения. Их свойства ориентированы на состояние мобильной связи и применяемые системы в различных странах.
  • Широкополосный CDMA (WCDMA) — система 3-го поколения. Одна из основных характеристик разработки — простой хэндовер к системе GSM. WCDMA может работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы (GPS — Global Positioning System). В WCDMA для кодирования используются коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, что и в CDMA One. Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Кбит/с.
  • В системе TD-WCDMA, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами.
  • В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD - Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD – Time Duplex Division).
  • При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях.
  • Европейский стандарт WCDMA известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). CDMA-2000 совместима с существующей системой CDMA (по стандарту I-95) и не совместима с WCDMA.
  • 3XMC — CDMA2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны W-CDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne.
  • Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1 XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции.
  • Система 1Xtreme разработана совместно Nokia и Motorola. 1Xtreme — конкурент систем HDR и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.
  • EDGE (UWCC-136) разработан для того, чтобы операторы GSM могли его применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим.
  • Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.
  • Вернуться к учебному плану