1.
СИСТЕМЫ
МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 2-го ПОКОЛЕНИЯ
Ретроспектива
Первые системы двусторонней
радиотелефонной связи между подвижными объектами появились более 50 лет назад.
Связь осуществлялась на фиксированных частотах, а передаваемые сигналы занимали
в эфире широкую полосу частот. С развитием техники традиционной
(конвенциональной) радиосвязи возникли проблемы, связанные с ограниченным
частотным ресурсом и низкой пропускной способностью таких систем.
Идея создания сотовых
систем была основана на разбиении обслуживаемой территории на небольшие зоны
(соты), в каждой из которых размещена, как правило, одна базовая станция. Такой
принцип организации связи позволяет увеличить число абонентов и повысить
качество связи за счет повторного использования одних и тех же частот в
различных сотах [1, 2].
Однако прошло много лет,
прежде чем такие системы были реализованы на практике. Лишь в начале 80-х годов
в ряде стран были развернуты коммерческие системы сотовой связи, использующие
для передачи речи аналоговую частотную модуляцию. Одной из первых начала
предоставлять услуги система NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), созданная в
1981 г. рядом Скандинавских стран. Вскоре появились и другие системы,
работающие в диапазоне частот 400-500 МГц. Это были системы стандарта С-450
(Германия), Radiocom- 2000 (Франция), RTMS-101Н (Италия).
Наиболее мощный толчок к
разработке новых систем сотовой и транкинговой радиосвязи был дан, когда
началось интенсивное освоение диапазона частот 800-900 МГц. С появлением таких
систем как AMPS (США), NMT-900 (Скандинавские страны), TACS и ETACS (Англия),
HCMTS, J-TACS (Япония) началась эра систем подвижной сотовой связи (СПСС). Все перечисленные
стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи.
По своим характеристикам
СПСС первого поколения выгодно отличались от используемых ранее систем
двусторонней речевой связи. Благодаря сотовому принципу
территориально-частотного планирования удалось добиться лучшего качества связи
при более высокой эффективности использования частотного спектра.
Стандарт NMT-450 особенно удобен при
обеспечении связи на больших территориях с: относительно малой плотностью
населения. Этот стандарт до сих пор занимает прочную позицию на рынке подвижной
связи. В России на долю NMT-450 приходится около 10% всех абонентов сотовых
сетей, и он принят наряду с GSM в качестве федерального [3]. Первый опыт
эксплуатации аналоговых систем позволил выявить также и ряд присущих им
недостатков: возможность прослушивания переговоров, наличие двойников,
перегруженность частотного диапазона вследствие его неэффективного
использования, ограниченность зоны действия. Кроме того, распространение
радиоволн в условиях интенсивных городских застроек связано с возникновением
глубоких селективных замираний, вызванных многолучевым распространением
радиоволн. Наличие замираний приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на
выходе ЧМ приемника на 10-20 дБ [4], Таким образом, с точки зрения качества
передачи речи системы первого поколения не оправдали возлагавшихся на них
ожиданий.
Начиная с середины 80-х
годов, в мире начался интенсивный рост числа подвижных абонентов, который
превзошел все самые смелые прогнозы. Стало ясно, что существующие аналоговые
системы, базирующиеся на большом числе несовместимых друг с другом стандартов,
не отвечают современным требованиям, и переход от действующих аналоговых сетей
к цифровым технологиям является неизбежным. Число абонентов аналоговых сетей с
каждым годом стремительно уменьшается, а в некоторых странах наметился полный
отказ от них.
В целом аналоговая
абонентская база с 91,4 млн. (1997 г.) сократилась до 79,5 млн. (1999 г.), и
прогнозируется ее дальнейшее уменьшение до 54,5 млн. к 2003 г. [5]. Однако
темпы снижения числа абонентов, пользующихся аналоговыми стандартами AMPS и
NMT-450, разные. Наиболее быстро “выдавливаются” с рынка абоненты стандарта
AMPS, который не выдерживает конкуренции с перспективными цифровыми
технологиями TDMA (IS-136) и СОМА (IS-95).
Что же касается сетей
NMT-450, то в них отток абонентов пока не столь велик, а в районах Центральной
и Восточной Европы даже наблюдается небольшой рост. Такая ситуация объясняется
тем, что последняя версия стандарта NMT-450 доработана до такой степени, что
она обладает некоторыми свойствами, которые присущи сетям 2-го поколения,
например, услугами международного роуминга.
Стандарты 2-го поколения
Первые проекты цифровых систем сотовой
связи, которые сейчас принято относить ко второму поколению, появились в начале
90-х годов. Они отличаются от аналоговых систем двумя принципиальными отличиями
[6]:
а) возможностью
использования спектрально-эффективных методов модуляции в сочетании с временным
(TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов вместо традиционно используемого в
аналоговых системах частотного разделения каналов (FDMA);
б) предоставлением
пользователям широкого спектра услуг за счет интеграции передачи речи и данных
с возможностью шифрования (засекречивания) данных.
Переход на цифровые
способы передачи и обработки информации позволил существенно сократить число
стандартов. К 1995 г. в мире действовали цифровые системы трех стандартов —
GSM, D-AMPS (IS-54, впоследствии IS-136) и PDC.
Широкое распространение
получил общеевропейский стандарт GSM, который был создан по инициативе
специальной группы подвижной связи Group Special Mobile (GSM)', организованной
в рамках ETSI. Первая коммерческая сеть, работающая в стандарте GSM, была
развернута в 1992 г. в Германии. С тех пор стандарт непрерывно развивается и
совершенствуется. Он уже адаптирован для работы в частотном диапазоне 1800 МГц
(GSM-1800) и 450 МГц (GSM-400) в Европе и 1900 МГц (PCS) в США.
Начало разработки цифровых технологий в
США положил стандарт IS-54, который разрабатывался с целью повышения емкости
действующих в США аналоговых систем AMPS, и был одобрен в 1989 г. подкомитетом
TR45.3 TIA. В системе TDMA(D-AMPS) заложены современные технические решения,
позволившие реализовать 3 речевых канала в одном частотном канале системы AMPS
(ширина канала 30 кГц). Первые системы на базе этого стандарта были введены в
эксплуатацию в 1992 г. В США стандарт TDMA является базовым — им пользуются
более 40% абонентов. Распространение технологии TDMA не ограничивается Северной
Америкой. Сегодня в мире действует более 100 сетей, развернутых в 36 странах
мира (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Рынок систем 2-го поколения (по состоянию
на июнь 1999 г.)
В развитии
цифровой сотовой связи от Европы и США не отставала и Япония, разработавшая
собственный стандарт PDC (Personal Digital Cellular)' — персональная цифровая
система сотовой связи. Японский стандарт подвижной связи был утвержден в 1994
г. Сети на базе PDC развертываются в основном для национального использования и
не оказывают существенного влияния на мировой рынок. В Японии сеть PDC
обеспечивает покрытие практически всей территории, на которой проживает около
99% ее населения.
Эксплуатация первой
коммерческой сотовой системы подвижной связи на базе технологии CDMA была
начата в сентябре 1995 г. в Гонконге. До этого момента стандарт IS-95 получил
одобрение ITU и вошел в состав Рекомендации М.1073 ITU-R. Число сотовых сетей,
построенных на базе СОМА (IS-95) и предоставляющих услуги как фиксированной,
так и подвижной связи, неуклонно растет. Система CDMA применяется в основном в
тех случаях, когда требуется построить сеть повышенной емкости или с более
высоким качеством передачи речи [7].
Следующий важный шаг в
развитии сотовых систем после введения цифровых технологий — переход к
микросотовой и пикосотовой структуре сетей. Использование таких сетей позволяет
обслуживать абонентов в городских районах с интенсивной застройкой и закрытых
зонах (офисы, подземные гаражи и др.). Принципы построения микросотовых систем
отличаются от макросотовых систем. В них отсутствует частотное планирования, не
обеспечивается хэндовер, не осуществляется измерение уровня сигнала. В 1992 г.
был утвержден европейский стандарт ОЕСТ (Digital European Cordless
Telecommunications) реализующий технологию радиодоступа с малой мощностью
излучения (10-25 мВт) и обеспечивающий очень высокую плотность расположения
абонентских устройств. Широкое внедрение технологии началось с 1995 г., когда
было продано около 2 млн. терминалов. В те годы мало кто верил, что через 5 лет
ОЕСТ фактически монополизирует рынок беспроводной офисной связи и WLL. По
прогнозу в 2001 г. число цифровых беспроводных телефонов достигнет 50 млн.,
превзойдя аналоговые (45 млн.).
Исторически так сложилось, что
профессиональные системы радиосвязи (в последние годы они чаще называются
транкинговыми) начали создаваться задолго до появления сотовых. К
профессиональным системам, как известно, относятся различные ведомственные и
корпоративные радиосети для скорой помощи, служб охраны порядка и др. Развитие
таких сетей идет в направлении улучшения качества и конфиденциальности связи.
Многие виды современных услуг не могли в полной мере предоставить системы
первого поколения (SmartTrunk II, LTR, Multi Net, Accessnet, Smartnet, EDACS,
МРТ 1327).
Отличительная
особенность транкинговых систем — возможность эффективного использования полосы
частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу
ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов,
связанных друг с другом с помощью общей шины управления. Гибкая архитектура
транкинговых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и
вызовы абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции
на излучение в таких системах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по
нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира.
Однако существующие сети
профессиональной связи первого поколения не гарантируют высокой
конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что
особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию
абонентского оборудования [8]. Эти задачи намечено решить при создании цифровых
систем профессиональной связи второго поколения (АРСО, TETRA), которые призваны
заменить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов.
Стандарт на цифровую
систему транкинговой связи АРСО 25 разработан в США. Его реализацию намечено
осуществить в два этапа с целью плавного перехода от существующих аналоговых
сетей к цифровым. С технической точки зрения переход ко второму этапу связан со
снижением в 2 раза шага сетки частот (до 6,25 кГц) и использованием спектрально
эффективной модуляции CQPSK.
Под влиянием
впечатляющих успехов стандарта сотовой связи GSM в ETSI был разработан
общеевропейский стандарт цифровой транкинговой системы радиосвязи ТЕТКА
(TransEuropean Trunked Radio). В ТЕТКА заложены универсальные технические
решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в
разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи. Наряду с
экономией частотного ресурса система TETRA обеспечивает большие возможности в
части наращивания технических возможностей, предусматривая в перспективе
предоставление услуг 3-го поколения и реализацию разных сценариев внедрения.
Системы подвижной
спутниковой связи появились около 30 лет назад, когда на орбиту был выведен
геостационарный космический аппарат (КА) Marisat. Первоначально мобильные
земные станции (ЗС) разрабатывались как системы специального назначения
(морские, воздушные, автомобильные, железнодорожные) и были ориентированы на
ограниченное число пользователей. Надежность связи была невысокой, что связано
с низкой энерговооруженностью подвижных объектов и проблемами обеспечения
устойчивости связи при сложном рельефе местности и малых рабочих углах места.
Земные станции первого поколения (стандарт Inmarsat-А) предназначались в
основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиальной (или
радиально-узловой) структурой с большими центральными станциями [9].
Революционные
преобразования в области мобильной спутниковой связи произошли в начале 90-х и
были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических программ,
использованием низкоорбитальных и средневысотных КА и повсеместным переходом на
цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров (DSP). Процесс
конверсии сопровождался заимствованием и переносом передовых военных технологий
в коммерческие программы. В результате были реализованы несколько проектов
глобальных систем спутниковой связи с КА на низких орбитах (Iridium,
Globalstar), средневысотных (ICO), а также две региональные системы (AceS и
Thuraya).
Глобальная система
персональной спутниковой связи Iridium была введена в эксплуатацию в конце 1998
г. Проработав около полутора лет, она прекратила свое существование'. Детальный
анализ случившегося еще предстоит, однако уже сейчас ясно, что великолепно
задуманный и реализованный технический проект оказался не востребованным
массовым рынком. Главные причины — низкий спрос на услуги голосовой связи и
просчеты в маркетинговой политике.
На этапе формирования
концепции системы (1987 г.), идея портативных спутниковых телефонов и пейджеров
выглядела привлекательной и вполне конкурентоспособной. Однорежимные
(спутниковые) и двухрежимные (спутниковые/сотовые) абонентские терминалы должны
были обеспечить гибкую стратегию предоставления услуг и развертывания системы
Iridium.
Однако разработчики
проекта Iridium не учли те серьезные изменения, которые произошли в мире за
последние годы. Они прежде всего связаны с успехами наземной связи. Новые
модификации сотовых телефонов легче и удобнее, а тарифы более привлекательные,
чем в спутниковой связи. Кроме того, время работы без подзарядки аккумуляторных
батарей в спутниковой связи меньше, а возможности работы из зданий ограничены.
Что же касается обслуживания труднодоступных районов и океанов, в которых
спутниковая связь не имеет себе альтернативы, то оказалось, что желающих
общаться по объявленным тарифам не так уж и много, чтобы окупить
эксплуатационные затраты.
В 2000 году планируется
начать эксплуатация трех систем: глобальной системы персональной спутниковой
связи Globalstar и региональных систем ACeS и Thuraya, ориентированных не
только на голосовую связь, но и передачу данных. В следующем 2001 г. должна
быть введена в эксплуатацию система ICO.
Дальнейшее развитие
систем подвижной спутниковой связи будет осуществляться в рамках реализации
проектов систем 3-го поколения.
1.2. Классификация систем 2-го поколения
В основу предлагаемой классификации
систем подвижной радиотелефонной связи 2-го поколения положены три основных
признака: назначение системы, метод многостанционного доступа и схема
дуплексирования каналов [10]. В зависимости от назначения и размеров зоны
обслуживания все системы подвижной связи могут быть разделены на 4 класса (рис.
1.1):
— спутниковые системы
связи с зоной обслуживания в одном луче 400-800 км и глобальной зоной
обслуживания для одного спутника 3000-8000 км в зависимости от высоты орбиты;
— системы сотовой
подвижной радиосвязи с радиусом действия от 0,3 до 35 км;
— транкинговые
(профессиональные) системы радиосвязи с радиусом зоны обслуживания от 2 до 50
км в зависимости от высоты подъема антенны;
— системы беспроводного
доступа с типовыми размерами соты до 0,3 км.
Различия между системами
разных классов, прежде всего, состоят в составе и качестве предоставляемых
услуг. Наиболее высокое качество обеспечивают сотовые сети и системы
беспроводного доступа, предоставляющие услуги двусторонней радиосвязи в
интересах как мобильных, так и стационарных абонентов (телефонные сети общего
пользования, ISDN и др.). Аналогичные услуги, но с меньшими возможностями,
реализованы в спутниковых системах. Что же касается транкинговых систем, то в
них основным видом обслуживания является полудуплексная связь и групповой вызов
абонентов.
Рис. 1.1. Классификация систем подвижной связи второго
поколения
Размеры соты
зависят от плотности абонентов, приходящейся на единицу зоны покрытия, и
характера распределения абонентов по обслуживаемой территории. В местах с
повышенной плотностью абонентов создаются пикосоты с радиусом до 100 м, а в
районах наиболее интенсивной застройки и с высокой плотностью населения
организуются микросоты (0,1-0,5 км). Радиус действия макросотовых зон, которые
охватывают город и пригородные зоны, не превышает 30-35 км. Что же касается
обслуживания абонентов в сельской местности, удаленных и труднодоступных
районах, то оно может осуществляться как с использованием наземных сотовых, так
и спутниковых систем.
Сотовые сети и системы
беспроводного доступа могут обслуживать районы с большой плотностью абонентов
до 10 000 Эрланг на квадратный километр. Транкинговые сети более эффективны,
когда объем трафика не превышает 1-2 Эрл/кв. км. Для повышения спектральной
эффективности в сотовых системах используется широкополосная ТОМА или CDMA, в
то время как в транкинговых сетях в основном применяются узкополосная TDMA или
FDMA.
Другое различие
заключается в схеме организации связи. В сотовых системах и системах
беспроводного доступа осуществляются индивидуальные вызовы между абонентами.
Средняя длительность разговора может достигать несколько минут. Типовой режим
работы транкинговых систем основан на передаче коротких вызовов (менее 1 мин),
которые могут организовываться как индивидуально, так и через диспетчера. Время
установления связи в транкинговых системах небольшое и, как правило, не
превышает 0,3 с.
По способу использования
частотного ресурса системы подвижной связи разделяются на два класса:
— системы связи с жестко
закрепленными за абонентами каналами;
— системы с
предоставлением канала по требованию при нахождении абонентов в общей зоне
обслуживания.
В системах с
фиксированным закреплением каналов обеспечивается высокая оперативность связи.
Принцип фиксированного закрепления каналов получил широкое распространение в
системах конвенциональной радиосвязи и ряде транкинговых систем. Транкинговые
системы второго поколения относятся к системам со свободным доступом. Они
позволяют работать на любом канале в пределах выбранной группы частот, причем
конкретный канал закрепляется за выделенным ресурсом. В сотовых сетях и
системах беспроводного доступа обеспечивается предоставление канала по
требованию при нахождении абонентов в одной зоне обслуживания
Сравнительные
характеристики для систем наземной подвижной связи 2-го поколения приведены в
табл. 1.2. Хотя перечень приведенных систем не является достаточно полным, тем
не менее, он позволяет оценить различия при построении той или иной системы.
Использование в системах
2-го поколения новых системных и технических решений позволило улучшить
отношение сигнал/шум (Eb/No).
Если в аналоговых системах 1-го поколения, отношение Eb/No
было равно 17-18 дБ, то в системах 2-го поколения этот показатель уже равен 7-9
дБ (табл. 1.2).
Системы подвижной связи
второго поколения имеют ограниченные возможности по наращиванию пропускной
способности и видов услуг в рамках выделенного частотного диапазона. Рост их
емкости возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM),
использования более эффективных методов модуляции и применения секторных
антенн. Секторизация сот в сочетании с использованием спектрально-эффективных
методов модуляции позволяет увеличить их пропускную способность, но не более
чем в 10 раз.
1.3. Сравнение технологий многостанционного доступа
Принципы построения системы и организации
связи определяют два ключевых понятия: многостанционный доступ и дуплексный
разнос. Многостанционный доступ характеризует способность базовой станции
(ретранслятора) одновременно принимать и передавать сигналы нескольких
мобильных станций. Как видно из предложенной классификации, системы 2-го
поколения строятся на базе трех конкурирующих технологий: методов
многостанционного доступа с частотным (FDMA), временным (TDMA) и кодовым (CDMA)
разделением каналов.
Что же касается
дуплексного разноса, то он характеризует возможность информационного обмена по
одной линии в обоих направлениях. Различают дуплексную передачу с частотным
(FDD) и временным (TDD) разделением каналов. В большинстве существующих систем
2-го поколения, кроме DECT и Iridium, используется частотный дуплексный разнос.
В режиме TDD двусторонняя связь между абонентами обеспечивается на одной
несущей с временным уплотнением каналов передачи и приема, что позволяет
сделать систему более гибкой в части использования выделенных полос частот. В
отличие от FDD в режиме TDD не требуются парные полосы частот, что упрощает
процедуру поиска сот и позволяет более эффективно распределять каналы между
сотами. В прямом и обратном каналах трафик в режиме TDD может быть как
симметричным, так и асимметричным. Другое преимущество TDD состоит в более
простой реализации однорежимного терминала, что обусловлено отсутствием
дуплексера.
Метод FDMA широко
используется как в традиционных аналоговых системах подвижной связи, так и в
цифровых системах 2-го поколения, как правило, в сочетании с другими методами.
При частотном разделении каждому абоненту на время разговора из всего
доступного диапазона частот выделяется отдельный канал (узкий участок спектра).
В случае персональной связи ширина частотного канала составляет 25-30 кГц.
Таким образом, не временной фактор, а только лишь различие по частоте
используется для разделения абонентов. Подобный подход имеет ряд преимуществ.
Вся информация передается в реальном времени. Удобно частотное разделение и с
точки зрения организации связи. Основной недостаток FDMA — низкая пропускная
способность при обслуживании большого числа абонентов с малой активностью.
Технология TDMA
используется в большинстве систем 2-го поколения: GSM, TDMA (IS-136), PDC,
DECT, TETRA и др. В отличие от систем с частотным разделением все абоненты
работают в одном и том же диапазоне частот, при этом каждому из них выделяется
свой временной интервал (канал), в течение которого разрешается передавать
информацию. В GSM спектр шириной 200 кГц нарезается на 8 канальных интервалов
(слотов), а в полосе 30 кГц (TDMA) организуется 3 канальных интервала.
С точки зрения абонента
трафик носит пульсирующий характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из
них предоставляется возможность передавать свои данные. Чтобы повысить
пропускную способность, временное разделение, как правило, используется
совместно с частотным разделением.
Технология CDMA'
используется в cdmaOne (стандарт IS-95). Система cdmaOne построена по методу с
прямым расширением спектра (DS-CDMA) на основе 64 кодовых псевдослучайных
последовательностей, являющихся функциями Уолша. Сигнал, сформированный со
скоростью 9,6 кбит, затем расширяется по полосе и передается с чиповой
скоростью 1,2288 Мбит/с. С технической точки зрения CDMA система
характеризуется рядом особенностей, отличающих ее от других систем с частотным
и временным разделением каналов. Прежде всего, необходима высокая точность
выравнивания уровней принимаемых сигналов, а также обеспечение синхронизации
мобильных станций с точностью до абсолютного значения шкалы системного времени.
Жесткие требования
предъявляются и к коэффициенту качества формы сигналов, который определяется
как нормированный коэффициент корреляции между используемым сигналом и его
идеальной моделью. Это означает, что на достоверность приема сигналов влияют не
только различного рода помехи и шумы, но и степень соответствия формы
принимаемого и опорного сигналов. Согласно стандарту IS-95 коэффициент качества
формы сигнала должен составлять величину не менее 0,944 при допустимых
отклонениях по частоте 300 Гц и задержке не более + 1 мс [11].
Сравнительные
характеристики систем GSM, IS-136 (TDMA) и IS-95 (CDMA) приведены в табл. 1.3
[10].
Таблица 1.3. Сравнительные характеристики
стандартов GSM, 15-136 и 15-95
Организация хэндовера
В системах подвижной сотовой и
спутниковой связи важную роль играет метод автоматического переключения вызова
на другой канал в момент, когда мобильная станция перемещается из соты в соту
или переключается с одного спутника на другой. Такой метод получил название хэндовер
(от английского handover). При переключении на соседнюю базовую станцию (в
наземных системах) или другой луч бортовой антенны (в спутниковых сетях) обычно
происходит смена частоты несущей, что может приводить к снижению качества
связи.
Существуют два основных
типа хэндовера: жесткий и мягкий. Жесткий алгоритм переключения каналов
сопровождается кратковременным прерыванием связи в момент перемещения абонента
из соты в соту. Такой метод автоматического переключения канала осуществляется
в большинстве систем 2-ro поколения, использующих метод Т1.1МА (GSM, IS- 136,
PDC). Обрыв и восстановление связи воспринимается абонентом как “щелчок” в
телефонной трубке, хотя возможно и более длительное прерывание разговора, когда
связь с одной базовой станцией прекратилась, а с другой еще не установлена.
Мягкий хэндовер
происходит без потери качества связи. Он осуществляется между различными
секторами антенны базовой станции в пределах соты (работа на одной несущей
частоте). В настоящее время он реализован в таких системах, как CDMA (IS-95) и
Globalstar.
Управление процедурой
хэндовера может быть организовано несколькими способами. В пределах одной соты
может быть использовано макроразнесение, когда мобильная станция в процессе
переключения связана одновременно с несколькими базовыми станциями (мягкий
режим переключения).
В случае межчастотного
хэндовера, т.е. с изменением несущей при переходе мобильной станции от одной
соты к другой, непрерывность связи обеспечивается с использованием
дополнительного приемопередатчика, либо за счет временного разделения, когда
кадр разделяется на две части, а информация сжимается в два раза.
В случае, если произошел
сбой при организации мягкого хэндовера, то реализуется обычный алгоритм
жесткого хэндовера, который аналогичен тому, который используется в ТОМА
системах.
Принципы построения
микросотовых систем беспроводного доступа отличаются от макросотовых тем, что в
них частота переключений при хэндовере должна быть существенно выше, чем в
сотовых системах. Следовательно, необходимы быстродействующие алгоритмы
переключения каналов. Наиболее эффективно эта задача решена в сети
беспроводного доступа ПЕСТ, где применяются распределенные алгоритмы
управления, обеспечивающие принудительное переключение абонента.
Таким образом,
проведенный анализ показал, что существующие системы 2-го поколения
несовместимы друг с другом. В каждом из трех крупных регионов мира — Северной
Америке, Европе и Азии использовались различные технологии и пути перехода от
аналоговых систем первого поколения ко второму поколению. Более того, даже
внутри каждого из регионов отдельные страны реализуют различные подходы к
созданию и внедрению систем подвижной связи.
Тем не менее, основная
задача, которая стояла перед цифровыми системами второго поколения — массовое
обеспечение услуг речевой связи и низкоскоростной передачи данных — была
достигнута.
2. НА ПУТИ К СИСТЕМАМ 3-го ПОКОЛЕНИЯ
2.1. Что символизирует аббревиатура IMT-2000
Одним из наиболее грандиозных проектов
конца ХХ века является реализация концепции IMT-2000. В ее основу положена идея
создания нового поколения семейства систем подвижной связи, охватывающего
технологии беспроводного доступа, наземной сотовой и спутниковой связи.
Работы по созданию
систем мобильной связи проводятся ITU (Международным союзом электросвязи) около
15 лет. Исходные предпосылки для создания системы будущего были заложены еще в
1986 году, когда в ITU были сформированы требования к сотовым телефонам
национальных и региональных сетей мобильной связи [12]. В тот период, как известно,
сети были аналоговыми, а внедрение новых технологий происходило только в
пределах одной страны, в том числе в США, Японии и ряде стран Европы.
Существование большого
числа разобщенных мобильных сетей на фоне общей тенденции этих стран к
экономической интеграции, требовало создание единого стандарта, способного
обеспечить абонентам свободу перемещения и сохранение обслуживания в любой сети
вне зависимости от места ее развертывания.
Это обстоятельство
послужило поводом для разработки концепции единого стандарта под названием
“Перспективная сухопутная мобильная телекоммуникационная система общего
пользования” — известной ранее как FPLMTS (Future Public Land Mobile
Telecommunications System).
По мере разработки
требований к системам нового поколения идеологам создания FPLMTS стало ясно,
что несмотря на повсеместное развитие сотовой связи и беспроводного доступа и
первые успехи международного роуминга огромная часть территории, включая
мировые океаны, оказывается не охваченной связью. Даже в перспективе наземные
сети мобильной связи смогут обслужить не более 20% земной поверхности.
Следовательно, полное покрытие мирового пространства и обеспечение глобального
мобильного доступа к ус- лугам 21-ro века может быть реализовано только с
помощью спутниковых систем.
Изменение взглядов ITU
на концепцию развития мобильной связи нашло отражение и в названии, которое
было изменено с 1996 г. на IMT-2000 (International Mobile Telecommunications).
Новое название отличается от прежней аббревиатуры FPLMTS не только тем, что из
него был исключен термин “Land” (сухопутные), но и потому, что введено число
две тысячи, символически указывающее на ориентировочный срок принятия стандарта
(после 2000 года) и используемый частотный диапазон, расположенный в районе
2000 МГц.
Всемирная система
мобильной связи, известная всем сегодня под названием IMT-2000,— это
долгосрочная программа разработки, стандартизации и содействия внедрению
национальных, региональных и международных систем, реализующих полный набор
услуг в интересах наземной и спутниковой связи.
С организационной точки
зрения IMT-2000 объединяет две предшествующие программы ITU, т.е. ранее
упомянутую Перспективную сухопутную мобильную телекоммуникационную систему
общего пользования FPLMTS и Глобальную персональную систему спутниковой связи
GMPCS (Global Mobile Personal Communications by Satellite).
Объединение в рамках одной системы
IMT-2000 нескольких магистральных базовых сетей позволит создать глобальную
телекоммуникационную инфраструктуру, охватывающую все без исключения регионы
мира, в том числе развивающиеся страны. За счет гибкого сочетания сетей
наземного и спутникового радиодоступа и глобального роуминга будет обеспечена
бесперебойная связь между любыми уголками мира. Исходя из этого в рамках
программы IMT-2000 наиболее приоритетными задачами являются: освоение новых
полос частот для спутниковой и наземной связи в диапазоне частот 2 ГГц,
увеличение скорости передачи до 2,048 Мбит/с, разработка новых технологий
радиодоступа, расширение ассортимента услуг с одновременным снижением тарифов.
2.2. Единый стандарт: миф или реальность
Основной движущий мотив создания единого
международного стандарта на мобильную систему, охватывающую беспроводный
доступ, наземную сотовую и спутниковую связь— обеспечение глобального покрытия земного
шара с предоставлением услуг массовому потребителю вне зависимости от его
местонахождения, типа сети и используемого терминала (наземный или
спутниковый).
Несмотря на неудачи
последних лет, связанные с прекращением эксплуатации системы персональной
спутниковой связи Iridium и замедлением темпов развертывания систем GlobaIstar
и ICO, идея глобальной связи не утратила своего значения. Сегодня другой
альтернативы обеспечению поистине глобальной связи на суше, на море и в
воздухе, кроме спутниковой связи, — нет. Сочетание каналов спутниковой и
наземной связи позволит создать гибкую систему с высокой оперативностью
установления связи и малым временем развертывания новых сетевых инфраструктур,
особенно в труднодоступных районах.
Основная идея создания
единого международного стандарта — предоставление услуг с помощью недорого
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 IMT-2000, 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 линиях “вверх” и “вниз”.
Первоначально для
решения этих задач были все предпосылки. ITU создал концепцию единого стандарта
IMT-2000 в виде серии рекомендаций, которые определяли структуру
радиоинтерфейса и его основных сетевых элементов [13]. Одновременно этот
международный орган обратился ко всем странам-участникам с просьбой подготовить
собственные проекты систем 3-го поколения. Было представлено 16 проектов, но ни
один из них не мог претендовать на роль единого стандарта, охватывающего
спутниковую и наземную связь. Работы сразу разделились на два направления — по
наземной (10 проектов) и спутниковой связи (6 проектов).
Рассмотрение
представленных проектов наземных и спутниковых систем 3-го поколения показало,
что, несмотря на практически одинаковые виды предоставляемых услуг,
используемые в них технологии доступа TDMA и CDMA принципиально отличаются,
т.е. ясных путей для их гармонизации или конвергенции на этом этапе проведения
работ не было видно.
Тем не менее, еще
оставались два подхода к решению этой проблемы: недискриминационный и дискриминационный.
В первом случае выделенный частотный ресурс для систем 3-го поколения
распределяется на равноправной основе между всеми участниками работ. Речь идет
о двух полосах частот 1980-2100 МГц и 2170-2200 МГц. Под дискриминационным
подходом понимается выбор одной-двух наиболее перспективных технологий и
отбрасывание остальных предложений.
Нельзя не отметить, что
ситуация с выработкой глобального стандарта спутниковой связи складывается еще
более сложная, чем в наземных сетях. К двум несовместимым концепциям систем на
базе технологий TDMA и CDMA добавляется еще 5-6 различных вариантов построения
орбитальных группировок. Использование разных орбит, и соответственно, разных
ретрансляторов (прозрачных или с обработкой на борту), бортовых антенн с разным
числом лучей — неизбежно приведет к тому, что радиоинтерфейс, разработанный для
одной технологии, окажется неоптимальным для другой [14].
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.
Таким образом, проблема
создания единого стандарта 3-ro поколения в рамках программы IMT-2000, по всей
видимости, не будет решена. Однако надежды на то, что мобильный телефон
все-таки будет универсальным, сохраняются. Исходя из 10-летнего цикла смены
поколений, вероятнее всего, к проблеме создания глобального стандарта вернутся
в s 2010-2012 г, когда начнется разработка систем 4-го поколения. А до этого
времени абонентам придется пользоваться услугами двух — или трехрежимных
терминалов, аналогичных тем, которые используются в системах сотовой связи.
Динамика внедрения услуг
Сегодня мобильная связь является одной из
наиболее динамично развивающихся телекоммуникационных отраслей. Согласно
прогнозу Форума UMTS [15] число мобильных абонентов в 2000 г. составит 426 млн.
(табл. 2.1).
Таблица 2.1. Прогноз роста числа абонентов в
сетях наземной мобильной связи
Из 200 млн. европейских абонентов
услугами систем 3-го поколения (3G) в 2005 г. воспользуются 16%, т.е. 32 млн.,
а объем мультимедийного трафика превысит 60%. Данные выводы справедливы при
условии, что увеличение тарифов будет происходить существенно медленнее, чем
рост трафика.
В последующие годы
аналитики предсказывают еще более бурный рост пользователей услуг мобильной
связи. Ожидается [16], что к 2005 г. мобильная связь превзойдет по числу
пользователей традиционные проводные телефонные сети (рис. 2.1), а к 2015 г.
абонентами мобильной связи могут стать 3 млрд. человек.
Рис. 2.1. Прогнозируемое количество абонентов
в системах фиксированного и мобильного доступа
Мобильные сети 3-го
поколения также обеспечат естественное расширение спектра немультимедийных
услуг, предоставляемых в настоящее время с помощью сетей GSM, TDMA, cdmaOne и
PDC. Перспективы создания 3G более благоприятные, чем это было десять лет назад
перед появлением систем 2G. Внедрение систем 2G проходило на мировом рынке за
непродолжительное время и развивалось исключительно путем “вытеснения” старых
технологий, с которыми не предполагалась взаимосвязь и преемственность.
С появлением систем 3G
начнется продолжительный период совместного существования 1МТ-2000 и систем 2G.
Благодаря различиям в наборе и стоимости предоставляемых услуг, новые
технологии будут не конкурировать, а гармонически дополнять друг друга. В
дальнейшем по мере массового развития услуг 3-го поколения прогнозируется
постепенная миграция абонентских сетей 2G в 3G [17]. Динамика изменения числа
абонентов в сетях связи разных поколений приведена на рис. 2.2.
Говоря о взаимосвязи
разных поколений, нельзя не упомянуть и о перспективных технологиях XXI века,
которые сейчас принято относить к сетевым инфраструктурам будущего 4GW (4
General Wireless Infrastructures) или поколению 4G [18]. Хотя концепция
создания систем будущего еще не сформирована, однако проблемы и возможные
сценарии развития таких технологий широко обсуждаются на международном уровне.
При переходе к 4G потребуется разработка глобальных высокоскоростных
магистральных базовых сетей (в 3G предполагается только их модернизация),
создание новых радиоинтерфейсов в диапазонах частот от 5 до 60 ГГц, оснащение
практически всех профессиональных и бытовых приборов встроенными средствами
радиодоступа, обеспечение мобильного доступа к базам данных
(справочно-информационным, географическим, медицинским), а также реализация
услуг телерадиовещания в интересах мобильных пользователей. Сравнительные
характеристики технологий разных поколений приведены в табл. 2.2.
Рис. 2.2. Прогнозируемое количество абонентов
в сетях мобильной связи разных поколений
Таблица 2.2. Сравнительные характеристики
технологий мобильной связи разных поколений
Мультимедийные и не мультимедийные и услуги
В отличие от технологий предыдущих
поколений, где речь была доминирующим видом услуг, в IMT-2000 предполагается
обеспечить весь спектр современных услуг, включая передачу речи, работу в
режиме коммутации каналов и пакетов, взаимодействие с приложениями Internet,
симметричную и асимметричную передачу с высоким качеством — и в то же время
гарантировать совместимость с существующими системами.
Третье поколение мобильной
связи уже на первом этапе развертывания должно обеспечить высокую пропускную
способность, которая может гибко изменяться в зависимости от степени
мобильности абонента, т.е. разных скоростей его передвижения в зонах
обслуживания:
— до 2,048 Мбит/с для обслуживания стационарных и
передвигающихся внутри зданий абонентов (скорость менее 3 км/ч);
— до 384 кбит/с при низкой мобильности' (скорость от 3 до 12
км/ч) и локальной зоне покрытия;
— до 144 кбит/с при
высокой мобильности (скорость от 12 до 120 км/час) и широкой зоне покрытия;
—
до
64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).
Что же касается набора услуг, то он фактически
приближается к тому, который предоставляется в сетях фиксированной связи.
Очевидно, что достижение таких высоких скоростей при ограниченном частотном
ресурсе и работе в каналах с замираниями потребует разработки принципиально
новых подходов к построению радиоинтерфейса.
Говоря о системах 3-гo
поколения, услуги принято делить на две группы: не мультимедийные (узкополосная
речь, низкоскоростная передача данных, трафик сетей с коммутацией каналов) и
мультимедийные (асимметричные и интерактивные).
Новая информационная
технология “мультимедиа” зародилась сравнительно недавно, однако она сразу же
стала основой для создания новых услуг 3-ro поколения — компьютерной
видеографики (в том числе трехмерной), видео, текстовой и графической
информации. Путем синтеза частей аудивизуальон информации и их передачи по
радиоканалам пользователь может быть обеспечен всеми видами современных услуг.
Мультимедийные услуги
принято разделять по виду трафика (асимметричный/симметричный) и способу
взаимодействия пользователя с системой (интерактивный/вещательный обмен
сообщениями и т.п.). Трафик при передаче мультимедийной информации и данных сети
Internet имеют асимметричную структуру. Интересно отметить, что по мере
увеличения скорости передачи разница в объеме передаваемой информации в линиях
“вверх” и “вниз” имеет тенденцию к увеличению (рис. 2.3). В перспективе
прогнозируется [19], что коэффициенты асимметрии трафика увеличатся с 1:4 до
1:40 при передаче среднескоростной информации (384 кбит/с) и до 1:200 — для
высокоскоростных потоков данных (2,048 Мбит).
Рис. 2.3. Динамика изменения асимметричности трафика в
линиях “вниз” и “вверх”
Широкое распространение
в системах 3-го поколения получат интерактивные услуги мультимедиа. Такие
услуги предоставляют удаленным абонентам возможности естественного общения в
реальном времени, т.е. они могут не только слышать, но и видеть друг друга. До
недавнего времени видеоконференцсвязь (базовая услуга мультимедиа с высокой
интерактивностью) использовалась преимущественно в сетях ISDN, где видеоданные
передавались со скоростью 144 кбит/с (1 канал BRI) или 384 кбит/с (3 канала
BRI). Наиболее высокие требования к качеству мультимедиа предъявляются в теле
медицине, где необходимо получать высококачественные изображения (на уровне
телевизионной картинки) в реальном времени. Последние достижения в области
сжатия видеоданных позволяют утверждать, что эта услуга также получит широкое
применение в I MT-2000.
Стремительный рост
популярности сети Internet и бурное развитие мобильной связи позволяет говорить
в перспективе о слиянии этих двух технологий. Сегодня спрос на услуги доступа к
ресурсам Internet начинает доминировать над всеми другими. Трафик в сети
Internet удваивается каждые 100 дней [20]. Количество пользователей сети
Internet по всему миру выросло с 62 млн. в 1996 г. до 170 млн. в 1999 г.,
причем темпы роста продолжают увеличиваться и к 2005 г. число пользователей
достигнет 1 млрд. абонентов.
Несмотря на ряд
трудностей, связанных с реализацией высокоскоростного доступа к Internet с
портативного терминала, можно прогнозировать, что со временем эта услуга станет
одной из основных в мобильной связи.
Концепция виртуальной домашней среды
Услуги 3-ro поколения включают сервис,
предоставляемый технологией виртуальной домашней среды ЧНЕ (Virtual Ноте
Environment). Концепция ЧНЕ базируется на следующих принципиальных отличиях
[21]:
— персонализация услуг,
т.е. предоставление абоненту таких видов услуг, профиль которых адаптирован под
его конкретные требования и не зависит от среды обслуживания;
— прозрачный доступ
абонента к услугам связи независимо от используемых технологий радиодоступа и
сетевых стандартов;
— переносимость услуг
без потери качества связи через границы различных мобильных и стационарных
сетей (ТфОП, Internet);
— возможность
использования в сети разнотипного абонентского оборудования или, другими
словами, переносимость услуг с одного типа терминала на другой.
Совсем недавно эти
услуги могли обеспечить только сети фиксированной связи. Сегодня мобильный
пользователь может получать те же самые возможности, интерфейс и услуги
независимо от того, какой сетью он пользуется в данный момент.
Благодаря IMT-2000 в
ближайшем будущем станет возможной передача видеоизображений и мультимедийных
данных в режиме реального времени, что позволит создать эффект “присутствия”
для абонента, находящегося на большом удалении от места событий, фактически
создавая эффект ощущения унифицированной (домашней) среды.
Общая архитектура среды
ЧНЕ включает три функциональных уровня: мобильную сеть, ТфОП и Internet.
Функции ЧНЕ, специфичные для мобильной сети, реализуются с использованием
технологий CAMEL, INAP, WAP и др. В настоящее время завершен процесс
стандартизации среды ЧНЕ на региональном уровне (ЧНЕ ETSI, 1999), и созданы все
пред- посылки для проведения аналогичных работ в рамках IMT-2000.
Беспроводные терминалы, в которых
реализованы режимы ЧНЕ, располагают сходным набором персонализированных услуг,
интерфейсных возможностей и характеристик обслуживания, которые не зависят от
конкретной сети, типа терминала и местоположения. Однако мобильным абонентам не
следует обольщаться — будучи связанной со значительными технологическими
трудностями такая услуга на начальном этапе внедрения обойдется недешево.
Определение местоположения
Интеграция сотовой/спутниковой связи с
автономной или глобальной системой спутниковой навигации, такой, как GPS — одно
из наиболее перспективных направлений развития мобильной связи.
Привлекательность технологии глобального позиционирования для пользователей —
это возможность в любом месте Земли в любой момент времени определить свои
координаты и параметры движения. И, самое главное, платить за такие услуги не
надо. Единственные расходы — затраты на покупку навигационного приемника и
антенны. В случае, если навигационная плата встраивается в сотовый телефон или
спутниковый терминал, то расходы еще меньше, причем стоимость такой услуги
несоизмеримо ниже, чем, например, доступ в Internet. Оператор, зная координаты
абонента, может ввести тарификацию звонков с дифференцированием их оплаты в
зависимости от расстояния, а также оказывать абоненту информационно-справочные
услуги конкретно в той местности, где в данный момент он находится. Это могут
быть сведения о ближайших аптеках, длине дорожных пробок, расписании движения
поездов и т.д.
Интегрированная
технология мобильной связи и навигации получила широкое распространение при
создании систем защиты от угона автомобилей. Выпущены сотовые телефоны,
совмещенные с GPS приемником, позволяющие автоматически передавать данные о
местоположении его владельца. Уже сегодня потерпевший с сотового телефона может
автоматически извещать полицию о своем местоположении — достаточно нажать
специальную кнопку. Сотовые телефоны с “электронным компасом” вскоре станут
незаменимыми помощниками автомобилистов и других категорий лиц, которым
требуются подобного рода услуги. В системах будущего абонентский терминал будет
совмещен с электронной картой, что позволит ориентироваться в городе или
незнакомой местности.
Во многих регионах мира
уже начали действовать диспетчерские центры, обеспечивающие автоматический
мониторинг подвижных объектов с отображением их передвижения на электронной
карте в реальном времени. Появились средства автоматического протоколирования
маршрутов передвижения транспортных средств, в том числе рейсовых автобусов
(режим “черного ящика”).
Распознавание речи и управление голосом
Общеизвестно, что одним из барьеров,
стоящих на пути массового внедрения услуг передачи данных в мобильных системах,
является сложность человеко-машинного интерфейса. Адаптеры громкоговорящей
связи обеспечивают возможность ведения телефонной связи во время движения
автотранспорта. Однако в случае передачи данных громкоговорящая связь не решает
всех проблем и необходимы новые революционные технологии, основанные на
распознавании речи. В этом направлении есть уже определенные сдвиги. Так,
Motorola разработала специальный язык “речевых пометок” (VoxML) и предлагает
его в качестве стандартного способа ведения речевого управления в движении
[22]. Водитель может получать доступ к услугам с помощью устных команд.
Распознавание речи
позволит также идентифицировать звонящего по голосу на основании его речевых
особенностей, т.е. использовать своего рода голосовой определить. Возможны и
другие приложения этой новой услуги.
Слияние мобильной связи
с другими технологиями станет одной из ключевых тенденций развития услуг 3-го
поколения. Наибольших успехов следует ожидать в области электронной коммерции.
Будет значительно расширен объем банковских услуг, получаемых непосредственно с
помощью мобильного телефона. В их число войдут платные информационно-
справочные услуги, различные виды электронных платежей (оплата авиабилетов,
парковок) и, в перспективе, совершение всех видов банковских операций с
портативных или мобильных сотовых телефонов, что превратит их фактически в
“карманные банкоматы”.
Новым качеством этих
систем является также то, что они позволят компаниям - операторам
самостоятельно разрабатывать приложения, функции и услуги, ориентируясь на
рыночные требования в конкретном регионе и тенденции роста спроса на конкретные
услуги.
Большинство из
перечисленных услуг являются, действительно, принципиально новыми по сравнению
с традиционной телефонной связью или даже мобильной связью 2-го поколения.
Революционные преобразования в области связи и технологиях доступа к информации
произойдут в 2005-2010 годах, когда эти новые услуги станут массовыми и
повсеместно используемыми в бизнесе, быту, учебе и медицине.
Массовый потребительский
рынок, как известно, очень чувствителен к стоимости услуг. Если тарифы на новые
услуги будут несоизмеримо выше, чем на традиционные, предоставляемые системами
2G, то они могут быть востребованы лишь ограниченным контингентом потребителей.
Таким образом, успех систем 3-го поколения будет во многом зависеть от
технологических решений. Ситуация на рынке может радикально измениться, если
будут созданы относительно дешевые портативные двух - трехрежимные сотовые
телефоны с малым энергопотреблением.
2.4. Концептуальные основы IMT-2000
Концепция IMT-2000 базируется на
следующих принципах построения систем 3-го поколения.
Связь всегда и везде
Термин “связь всегда и
везде” (Anywhere, Anytime) играет основополагающую роль в концепции 1МТ-2000 и
подразумевает, что услуги связи должны быть доступны в любом месте на
поверхности Земли и в любое время. Глобализация связи создает предпосылки, при
которых пользователь может получить доступ ко всему спектру информационных
услуг других сетей, распределенных по всей территории земного шара, т.е.
независимо от окружающих условий. Реализация услуг осуществляется за счет
межсистемного глобального роуминга через базовые станции сотовой сети или
станции сопряжения сети персональной спутниковой связи (рис. 2.4). ITU
разработал рекомендации, позволяющие интегрировать в рамках 1МТ-2000
внутриофисные, городские, региональные и глобальные системы подвижной связи.
В создании систем 3-r0
поколения важное место занимает технология Универсальной персональной связи UPT
(Universal Personal Telecommunication). Согласно концепции UPT каждому жителю
Земли должен быть выделен персональный телефонный номер, по которому он мог бы
войти в любую сеть связи, в любое время суток и в любом месте, где бы не
находился.
Рис. 2.4. Интеграция сетей наземной и спутниковой
связи в рамках IMT-2000
С номером UPT
ассоциирован профиль абонента, т.е. набор услуг связи, доступных конкретному
абоненту, и персональные требования/режимы связи. Профиль UPT может разрешить
отправку/прием факсимильных сообщений или включение в режим конференцсвязи,
мобильный доступ к Internet и Web-услугам в различных режимах поиска и
просмотра мультимедийной информации.
Единое информационное пространство
В основе концепции построения IMT-2000
лежит принцип мобильного доступа ко всем ресурсам единого общемирового
информационного пространства. Новое поколение мобильной связи откроет большие
возможности для получения различных видов информации за счет увеличения
скорости передачи информации до 2,048 Мбит/с.
Задача построения
глобальной общемировой телекоммуникационной сети подвижной связи предполагает
разработку унифицированных методов доступа к узлам информационных сетей. Важная
роль отводится спутниковым системам, которые в сочетании с сетями наземного
доступа позволят довести информацию до любого уголка Земли. Для решения такой
задачи необходимо создание гибкого радиоинтерфейса, обеспечивающего
совместимость глобальных спутниковых и наземных сетей.
Универсальный мобильный
доступ к общемировым информационным ресурсам реализуется путем интеграции
радиосетей и Internet. На первом этапе мобильные терминалы получат доступ к
фиксированным Web-узлам Internet. На последующих этапах подвижные узлы радиосетей
смогут выполнять функции Web-узлов и хостсистем (серверов) Internet, что
обеспечит глобальную связность локальных ресурсов сотовых сетей и доступ к ним
с любых типов абонентских устройств. Например, абоненты смогут стандартным
образом обращаться к узлам своих домашних локальных сетей, находясь в поездах,
и работать с разно- образной персональной информацией (просмотр поступающих
сообщений, контроль банковских счетов, поиск документов в домашних архивах и
т.п.).
Единое частотное пространство
В соответствии с концепцией IMT-2000 в
системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства
шириной 230 МГц с разными сценариями использования, Примечательно, что полосы
частот, выделенные для наземной и спутниковой связи, расположены рядом, что
позволяет в перспективе говорить о возможном объединении терминалов, работающих
в соседних полосах частот.
Реализуются также два
принципиально различающихся по концепции выделения частотного ресурса подхода —
это работа в старых, уже освоенных диапазонах, с возможным в перспективе
постепенным их расширением, и выделение “индивидуальных” полос частот для новых
технологий 3-го поколения. За IMT-2000 уже закреплены “на всемирной основе” два
сплошных участка спектра шириной 230 МГц в районе 2 ГГц, которые поделены между
системами беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи.
Новый подход, который
впервые реализован в IMT-2000, связан с выделением парных полос частот для
систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD) и непарных для систем
с временным дуплексным разносом (TDD).
Комбинированное
использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой, позволяя изменять
пропускную способность и способы организации связи. Так, режим FDD более
эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов.
Режим TDD, напротив, предназначен для применения в пико — и микросотах, т.е.
там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.
Преимущество режима TDD заключается в
более эффективном использовании радиоканалов при асимметричных потоках
информации, передаваемых в прямом и обратном направлениях связи.
Мобильный терминал
Концепция систем 3-го
поколения подразумевает предоставление услуг мультимедиа, включая
высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсов и данных любому
абоненту с использованием мобильного терминала, имеющего единый номер. В век
информационных технологий мобильный телефон перестает быть просто средством
голосовой связи, а становится мультимедийным абонентским устройством, способным
передавать и принимать графические данные и видеоизображения. Такие услуги
должны предоставляться по минимальной цене, обеспечивать приемлемое качество и
уровень безопасности. Конечная цель систем 3-ro поколения — создание массового
рынка для удовлетворения потребностей в персональной связи. Успех систем 3-го
поколения будет зависеть как от размеров тарифов за услуги мобильной связи,
платы за использование сетей общего пользования, так и стоимости абонентского
терминала.
Ключевое требование
концепции — использование портативных, дешевых и гибких абонентских терминалов.
Абоненты новых систем будут располагать удобными и компактными терминалами,
которые по своим возможностям значительно расширят традиционное представление о
радиотелефонах. Абоненты получат массовые (доступные по цене и простоте
использования) терминалы, которые будут обеспечивать новые возможности связи и
обработки информации.
В системе IMT-2000 предполагается
использовать перепрограммируемые терминалы, адаптирующиеся к требованиям
пользователей. Такие терминалы должны конструироваться по модульному принципу с
возможностью их модификации и гибкой комплектации в зависимости от требований
пользователей. Предусматривается гибкая настройка терминала на различные
стандарты радиосвязи и обеспечение работы терминала в различных операционных
средах. Одновременно с предоставлением такого широкого спектра услуг, новые
терминалы будут очень просты и удобны в обращении, т.е. основаны на современном
принципе “включи и пользуйся” [23].
Объединение сетей мобильной и фиксированной связи
С проблемой организации роуминга тесно
связана задача интеграции и конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи
(FMC), т.е. реализация принципа “один человек — один телефон”.
Несмотря на
стратегическое и очень существенное различие в сетевых архитектурах и способах
реализации услуг фиксированной и мобильной связи — их стартовые возможности
примерно одинаковы, т.е. абонентам требуется обеспечить примерно идентичный
набор конвертируемых услуг и тарифов.
На первый взгляд кажется,
что фиксированные и мобильные услуги — это вещи несовместимые, и что их
реализация весьма проблематична. По мере того, как сотовая связь превращается
из элитной услуги в массовую, все насущней становится проблема конвергенции.
Долгое время основным
препятствием на пути конвергенции оставалось низкое качество передачи речи.
Если на первом этапе развития мобильной связи это было как-то оправдано —
“разумная цена” за выигрыш в мобильности. Однако современные речевые кодеки
позволяют довести качество речи в беспроводной сети до уровня фиксированной
связи. Ряд услуг для рядовых абонентов, реализуемых в GSM и корпоративных УАТС,
также фактически объединены, — в этом и состоит реальная конвергенция.
Современные службы на
базе коммутации каналов уже сейчас в состоянии предоставить стационарному
абоненту элементы мобильности. Услуги оказываются непосредственно там, где
находится абонент. Ему предоставляется единый персональный номер с
переключением между разными проводными сетями или радиосетями, работающими в прозрачном
по отношению к вызывающему абоненту режиме.
Основные дискуссии в
области FMC-конвергенции в настоящее время ведутся вокруг двух проблем: услуг и
тарифов. Учитывая, что услуги prepaid (предоплаченные услуги) уже оказали
положительное влияние на растущие рынки мобильной связи, коммерческие выгоды от
стабильного расширения роуминга для возрастающего парка абонентских средств
благоприятно скажутся на операторской деятельности.
Какой бы подход не
выбрали операторы для интеграции услуг, фиксированной и мобильной связи, два
фактора играют определяющую роль: преемственность поколений систем связи и
оптимальная стратегия конвергенции. Чтобы выиграть у своих конкурентов,
необходимо решить главную задачу — предоставлять широкий ассортимент услуг и по
более низкой цене.
Преодоление “технологической пропасти”
В последнее время в мире заметно
увеличился дисбаланс между новыми возможностями систем 3-го поколения и реально
существующей во многих странах телекоммуникационной инфраструктурой, т.е.
образовалась так называемая “технологическая пропасть”.
В связи с этим ITU просматривает другие
возможности, которые смогли бы “навести мосты над пропастью” (Bridge the
Telecommunications Gap) с учетом особенностей телекоммуникационной
инфраструктуры слаборазвитых стран: малой плотности населения и больших
территорий. Для таких регионов предлагается использование маловысотных
летательных аппаратов с ретрансляторами на борту, позволяющими по сравнению с
традиционными базовыми станциями существенно расширить зону обслуживания и
снизить время развертывания системы.
Особо большое значение
эта проблема имеет для России, значительная часть территории которой
расположена в труднодоступных районах, где организация полноценного наземного
сегмента проводной или сотовой связи нерентабельна. Немаловажную роль может
сыграть низкий платежеспособный спрос в ряде регионов на новые услуги, тем
более, что даже “старые” в полной мере невостребованны. Люди, которые никогда
ранее не пользовались услугами связи, не видят необходимости за них платить.
Выход видится в постепенном наращивании услуг и создании, в первую очередь,
недорогих систем мобильной связи, которые позволят быстро решить проблему
информационной изоляции труднодоступных и малонаселенных районов [24].
2.5. Методологические основы IMT-2000
Организация работ по стандартизации
Услуги 3-го поколения могут приобрести
глобальный характер только при реализации в рамках IMT-2000 системы общих
стандартов. Стандартизация семейства систем 3-ro поколения проводится под
эгидой ITU в рамках трех секторов: ITU-Т (сетевые технологии), ITU-R
(радиотехнологии) и ITU-D (сектор развития).
В секторе ITU-Т вопросами стандартизации
сейчас занимаются 16 исследовательских групп или комиссий, тематическая
направленность которых отражена в табл. 2.2.
Таблица 2.2. состав исследовательских групп ITU-Т
________________________________________________________________________________________
SG1 Определение услуг
SG2 Услуги и эксплуатация сетей
SG3 Принципы тарификации и взаиморасчетов
SG4 Сетевое управление
SG5 Защита от электромагнитных воздействий
окружающей среды
SG6 Линейные сооружения
SG7 Сети передачи данных и открытые системы
SG8 Терминалы для телематических служб
SG9 Телевидение и радиовещание
SG10 Языки для прикладных телекоммуникационных
задач
SG11 Коммутация и сигнализация
SG12 Сквозные характеристики и качественные
показатели для сетей и терминалов
SG13 Общесетевые аспекты
SG14 Модемы и технологии передачи данных и
телематических сообщений
SG15 Системы передачи информации и оборудование
SG16 Услуги мультимедиа и кодеки
________________________________________________________________________________________
Для обозначения
исследовательских групп используется аббревиатура SG (Study Group). Головной по
стандартизации IMT-2000 является группа SG11, определяющая концептуальные
аспекты систем 3-го поколения и требования к сетевой архитектуре. В рамках SG11
выделена рабочая группа WP 3/11 (WP — Working Party), ответственная за
разработку требований к сигнализации и протоколам.
В общей сложности в
процесс стандартизации 1МТ-2000 в ITU-Т вовлечены восемь исследовательских
групп [25], что иллюстрируется на рис. 2.5. В их задачи входит определение
новых услуг и разработка требований к адресации и маршрутизации (SG2),
исследование структуры и характеристик сетей передачи данных (SG7), выработка
требований к мультимедийным услугам и кодекам (SG16), а также качественным
показателям обслуживания (SG12). В группе SG3 определяются принципы
взаиморасчетов и тарификации новых услуг.
Рис. 2.5. Организация работ по стандартизации IMT-2000
В секторе ITU-R
образовано девять исследовательских групп (табл. 2.3). Вопросами подвижной
радиосвязи в ITU-R занимается исследовательская группа SG8, в рамках которой
созданы две рабочие группы WP (Working Party). В задачу группы WP8A входят
вопросы стандартизации систем сухопутной мобильной связи, а группа WP8D
является ответственной за мобильную спутниковую связь. Вопросами планирования
частотных присвоений и оценкой эффективности использования спектра занимается
группа SG I.
Таблица 2.3.
Состав исследовательских групп ITU-В
_____________________________________________________________________________________
SG1 Технологии управления частотным ресурсом
SG2 Распределение спектра между службами и
обеспечение совместимости
SG3 Распространение радиоволн
SG4 Фиксированная спутниковая служба
SG5 Радиовещательные услуги
SG6 Научные исследования
SG7 Мобильная связь, радио определение и
радиолюбительская связь
SG8 Услуги фиксированной связи (для наземных линий)
_____________________________________________________________________________________________
На период проведения
работ по стандартизации радиоинтерфейсов IMT-2000 в рамках сектора ITU-R в 1996
г. была создана целевая группа TG (Task Group) 8/1", координирующая
деятельность всех других групп.
Адаптация технологий
IMT-2000 к нуждам развивающихся стран в секторе ITU-D осуществляет комиссия SG
2 (на рис. 2.5 сектор ITU-D не показан). Основная задача группы SG 2—
разработка предложений для внедрения в IMT-2000 такого ограниченного набора
услуг, который был бы востребован в районах со слаборазвитой инфраструктурой
связи и труднодоступных местах, где создание наземных сетей фиксированной связи
проблематично или вообще невозможно.
Для решения оперативных
вопросов в рамках ITU-Т созданы рабочие группы WG (Working Group) и специальные
группы АН (Ad Нос).
Проблемами изучения
потребностей слаборазвитых стран в услугах системы IMT-2000 занята группа WG1,
а ключевые характеристики (рекомендация М.RKEY) разрабатываются в WG5. Особое
внимание в программе IMT-2000 уделяется развитию спутниковой связи (WG3) и
вопросам эффективного использования спектра (WG2). Группа WG2 также отвечает за
подготовку материалов к WRC-2000 [12].
В задачи групп АН входит
решение специальных вопросов, касающихся оценки качества (группа АН QoS) и
создания станций на высоко расположенных платформах HAPS (High Altitude
Platform Stations). Технология HAPS считается перспективной для развивающихся
стран, где с помощью базовой станции, установленной на простейшем типе
летательного аппарата, можно создать сети с большой зоной обслуживания. Для
решения вопросов электромагнитной совместимости и рассмотрения путей внедрения
этой новой технологии создана специальная группа АН HAPS.
Цикл разработки стандартов
Разработка современных стандартов
представляет собой трудоемкий и достаточно продолжительный процесс. Последующая
востребованность на рынке во многом определяется умением разработчиков
стандарта предвидеть перспективы развития рынка. Цикл разработки стандартов в
ITU состоит из нескольких этапов, схематически представленных на рис. 2.6.
Первый и наиболее важный
этап — определение ключевых требований к новым технологиям и разработка
необходимых методических рекомендаций, рассылаемых всем членам ITU. Процесс
разработки стандартов реализуется следующим образом. На предварительном этапе
(1985-1992) Международный союз электросвязи совместно с региональными
организациями по стандартизации определил потребность в частотных ресурсах для
FPLMTS/IMT-2000. В 1992 г. в ITU была подготовлена рекомендация М.687- 2, в
которой были даны предложения по выделению полос частот для систем 3-ro
поколения.
После этого была
разработана серия методических рекомендаций, предъявляющих требования к
технологиям радиопередачи RTT (Radio Transmision Techologies), и был объявлен
конкурс на создание новых радиоинтерфейсов. Одной из базовых явилась
рекомендация М.1225, в которой всем участникам конкурса предлагалось ответить
на ряд общих вопросов, касающихся особенностей эксплуатации и характеристик
предлагаемого технического решения.
Рис. 2.6. Типовая схема разработки стандартов
3-го поколения
Следующий шаг —
непосредственная разработка стандартов и их гармонизация. Работы по оценке
систем радиодоступа, представленных в ITU в качестве кандидатов в члены
семейства IMT-2000, проводятся экспертными группами в соответствии с
методологией, изложенной в рекомендации ITU-R М.1225.
Для проведения работ по
стандартизации в ITU были созданы 13 экспертных групп, представляющих интересы
различных региональных органов стандартизации: TIA TR 45.3, TIA TR 46.1 (США),
ETSI SMG2 (Европа), национальных ассоциаций и исследовательских центров ЕР ПЕСТ
(Австрия), ANATEL (Бразилия), TDMA (Малайзия), CRC-BTN (Австралия), ARIB
(Япония), ТТА (Южная Корея) и национальных администраций связи Китая, Канады и
Новой Зеландии.
Предложения, прошедшие
конкурсный отбор, поступили на рассмотрение в группу TG 8/1 для определения
возможности и целесообразности разработки соответствующих технических
спецификаций.
Методические рекомендации
В рамках проведения работ по
стандартизации IMT-2000 Международный союз электросвязи разработал около 30
документов, получивших статус международных методических рекомендаций (серия
“М”). В них определены основные функционально-технические требования к проектам
36 технологий.
Сформулированные
рекомендации четко структурированы и охватывают все основные направления работ,
проводимых ITU в рамках IMT-2000 (табл. 2.4). В ключевой рекомендации М.687-2
определена концепция построения системы и сценарии ее развертывания, а принципы
обеспечения безопасности обоснованы в рекомендации М.1078 . Эти рекомендации
служат основой для разработки всего последующего пакета документов по
стандартизации технологий RTT, разрабатываемых в ITU-К и ITU-Т. Так, в
рекомендации М.817 определена эталонная модель архитектуры для сети IMT-2000. В
рекомендациях М.1034 и М,1035 описывается способы реализации радиоинтерфейсов и
детализируются требования Применительно к разным условиях эксплуатации.
Требования к новым услугам определяет рекомендация М.816, а концептуальные
основы управлению сетью 3-го поколения изложены в рекомендации М.1168.
Серия рекомендаций
посвящена организации спутниковой связи в рамках IMT-2000 (М.818, М.1167). В
них определяются требования к спутниковым компонентам и особенностям их
применения в IMT-2000.
Таблица 2.4.
Методические рекомендации, определяющие требования к IМТ-2000
_____________________________________________________________________________________________
ITU-R М.687-1 Цели и задачи IMT-2000
ITU-R М.687-2 Международная мобильная
система связи IMT-2000 (концепция)
ITU-R М.816-1 Виды услуг, поддерживаемых
IMT-2000
ITU-R М.817 Архитектура сети I
MT-2000
ITU-R М.818 Организация
спутниковой связи в рамках IMT-2000
ITU-R М.819-2 IMT-2000 для
развивающихся стран
ITU-R М.1034-1 Требования к радиоинтерфейсу
для IMT-2000
ITU-R М.1035 Требования к
функционированию радиоинтерфейса
ITU-R М.1036-1 IMT-2000 и его отдельных
подсистем
ITU-R М.1038 Частотный ресурс для
IMT-2000 (1885-2025 и 2110-2200 МГц)
ITU-R М.1078 Эволюция сухопутных
мобильных систем в рамках IMT-2000
ITU-R М.1079 Принципы обеспечения
безопасности для IMT-2000
TU-R М.1167 Требования к передачи
речи и данных в полосе речевого канала
ITU-R М.1168 Требования к спутниковым
компонентам для IMT-2000
ITU-R М.1223 Требования к управлению
для IMT-2000
ITU-R М.1224 Оценка механизмов
безопасности для IMT-2000
ITU-R М.1225 Словарь терминов для
IMT-2000
ITU-R М.1311 Общая методология оценки
радиотехнологий IMT-2000
ITU-R
М.1390 Структура
модульного построения и унификация радиоподсистем в рамках
IMT-2000 Методология
оценки спектра для наземных подсистем IMT-2000 ITU-R М.1391 Методология оценки спектра для спутниковых
подсистем IMT-2000
ITU-R SM.328 Спектры и полосы частот
побочных излучений
ITU-R SM.329 Побочные излучения
ITU-R М [IMT.HAPS'3] Требования к платформам, размещаемым на
большой высоте
ITU-R М [IMT.RKEY] Ключевые характеристики для
радиоинтерфейсов IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSAT] Требования к технологиям спутниковой
связи IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSPC 1] Спецификация радиоинтерфейса для
IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSPC2] Спецификация физического уровня
радиоинтерфейса для IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSPC3] Спецификация протоколов радиоинтерфейса
для IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSPC4] Спецификация на мобильные станции и
мобильные 3C IMT-2000
ITU-R М [IMT.RSPC5] Спецификация на базовые станции
наземного сегмента IMT-2000
ITU-R Q.1701 Семейство сетей IMT-2000
ITU-R Q.1711 Функциональная
архитектура сети зт
Проблеме распределения
частотного ресурса посвящено несколько документов, в которых рассмотрены
вопросы использования корневых полос спектра и путей повышения спектральной
эффективности (М.1036), определены методики оценки требуемого ресурса для
наземных (М.1390) и спутниковых (М.1391) подсистем. Оценка текущих и будущих
потребностей в частотном ресурсе для IMT-2000 приведена в М.[IMT.SPEC] и
М.[IMT.SURVEY]. На последней стадии разработки стандартов появился еще один
ранее незапланированный проект рекомендации М.[IMT.UNWANT], в котором
регламентируются вопросы электромагнитной совместимости различных технологий
мобильной связи как между собой, так с другими средствами. В частности, более
жестко определен уровень мешающих излучений, создаваемых наземными
радиоинтерфейсами IMT-2000. Следует отметить, что окончательные решения по
вопросам использования спектра будут приняты на Всемирной радиоконференции
WRC-2000.
Проблемам адаптации
технологий IMT-2000 к нуждам развивающихся стран посвящена рекомендация
М.819-2. Основная ее идея состоит в создании такого ограниченного набора услуг,
который был востребован в малонаселенных и труднодоступных районах, а также
местах со слаборазвитой телекоммуникационной инфраструктурой.