рекомендация М

2.6. Пути перехода к системам 3-го поколения

В рамках концепции IMT-2000 рассматриваются две стратегии перехода к услугам 3-го поколения: постепенное (эволюционное) и “одномоментное” (революционное). На западе эти подходы получили обозначение N (Narrowband) и W (Wideband) стратегии (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Две стратегии перехода к системам 3-го поколения

Рассмотрим те преимущества и недостатки, которые таит каждая из стратегий. Революция предполагает внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов, однако предусматривает полную замену существующего оборудования и программного обеспечения, что сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Для отработки данной стратегии в разных районах мира уже развертываются экспериментальные сети. Япония и азиатские рынки станут первыми массовыми полигонами, где влияние на структуру мирового рынка мобильной связи 3-го поколения.

Один из важнейших признаков, принципиально разделяющих два подхода, — способ освоения частотного ресурса. При революционном сценарии требуется новый частотный ресурс. Япония и Европа намерены пойти по этому пути и выделить для систем 3-го поколения “индивидуальные” полосы радиочастот. Подход США абсолютно иной — там спектр, выделенный 1МТ-2000, уже занят службой PCS, и системы 3-го поколения будут работать в старых полосах частот вместе с сетями стандартов TDMA/AMPS.

Приверженцы двух наиболее массовых технологий 2-го поколения — TDMA/AMPS и GSM встали на эволюционный путь развития. Сегодня эти системы имеют ограниченные возможности по наращиванию пропускной способности и видам услуг в рамках выделенного частотного диапазона. Рост их емкости без дополнительного расширения спектра возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM), введения многосекторных антенн или использования спектрально-эффективных методов модуляции (8PSK и др.).

Эволюционное внедрение требует меньших капитальных затрат и предполагает плавную замену оборудования в зависимости от уровня спроса на конкретные виды услуг. Такой подход позволяет максимально использовать существующую инфраструктуру сети связи, внедряя новые сетевые элементы в процессе последовательной модернизации. Основной недостаток эволюционного подхода — отсутствие возможности использования всех пре. имуществ новых технологий и организации глобального роуминга (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Две стратегии освоения рынка мобильной связи

Начальный этап внедрения сетей 3-го поколения планируется на 2001-2003 годы, когда общемировой рынок услуг мобильной связи достигнет 600 млн. абонентов. Капитальные вложения операторов связи в создание и развитие такого гигантского рынка по оценке экспертов превысят 60 млрд. долл. Очевидно, что массивность и инерционность общемирового рынка не позволит осуществить в короткие сроки переход всех сетей мобильной связи к новым техническим стандартам и режимам обслуживания абонентов. Естественно ожидать, что в некоторых регионах или отраслях народного хозяйства создание сетей 3-го поколения будет начато “с нуля”. Однако для стран с развитой телекоммуникационной инфраструктурой типичными станут две стратегии перехода к 3-му поколению.

Очевидно, что рыночные факторы и особенности региональных рынков Европы, Северной Америки и Азии будут препятствовать быстрому переходу от существующих технологий к стандартам 3-го поколения. Этап развертывания новых технологий составит не менее 2-3 лет, а совместное существование продлится не менее десяти лет.

3. ЧАСТОТНОЕ ПРОСТРАНСТВО ДЛЯ IMT-2000

3.1. Принципы распределения спектра

Исходные предпосылки

Технология распределения спектра прошла в своем развитии несколько этапов, начиная от случайного (неупорядоченного) распределения частот, и современного, связанного с “переделом” спектра. Бесследно прошли те времена, когда частоты выбирались оптимальным образом, обеспечивая, с одной стороны, максимальную дальность связи или пропускную способность, а с другой стороны, приемлемые массогабаритные характеристики приемопередающей аппаратуры и антенн.

Сегодня в мире принята упорядоченная процедура распределения спектра, который поделен между службами телерадиовещания, связи, радионавигации, астрономии и т.п. Внутри каждой службы также существует свой иерархический принцип разделения частотного ресурса по видам связи: мобильная наземная радиосвязь, радиорелейная, тропосферная, мобильная спутниковая связь и т.п. На мировом уровне такое деление закреплено в Регламенте радиосвязи, содержащем таблицу распределения полос частот между службами в пределах от 9 кГц до 275 ГГц. В России процедура распределения спектра регламентируется “Таблицей распределения полос частот между радиослужбами РФ в диапазоне частот от 3 кГц до 400 ГГц” [26].

Частотный ресурс не безграничен, и сегодня он в дефиците. Если в фиксированной связи и сетях беспроводного доступа возможен переход в более высокочастотные диапазоны, то в мобильной связи поднимать верхнюю “частотную планку” выше 3 ГГц нецелесообразно.

На сегодняшний день спектр, выделенный для мобильной коммерческой связи, составляет 40% от общего ресурса (в полосах частот до 2,5 ГГц). Анализ распределения полос показывает, что большую часть спектра занимают сотовые системы (25%), а доля спутниковых систем (служба MSS) не превышает 9%.

полосы частот для 1мт-2000

Подход к распределению частотного ресурса, реализованный в концепции IMT-2000, основывается на следующих принципах:

— создание единого частотного пространства шириной 230 МГц для систем беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи;

— сочетание разных стратегий внедрения услуг 3-го поколения (революционной и эволюционной);

— гибкость в распределении спектра, предусматривающая возможность реализации разных сценариев использования полос частот в разных географических районах;

— выделение парных полос частот для дуплексной связи с частотным разделением и непарных полос для дуплексной связи с временным разделением.

В условиях острого дефицита частотного ресурса свободных участков с требуемой шириной полосы частот 230 МГц в наиболее “привлекательных” для мобильной связи полосах частот (450-960 МГц) просто не существовало.

Компромиссное решение было найдено в 1992 г. на Всемирной административной радиоконференции ФАКС-92, где на всемирной основе были выделены два участка спектра: 1885- 2025 и 2110-2200 МГц для систем IMT-2000, планируемых к развертыванию после 2000 r,

Соответствующие изменения, хотя и с оговорками", были внесены в Регламент радиосвязи (примечание # $5.388 к таблице распределения частот). Реально это означало передел спектра между службами мобильной и фиксированной связи.

Вскоре после этого была выпущена рекомендация WCR-95 (рез.716), согласно которой члены ITU должны принять меры к постепенному высвобождению полос частот 1885-2200 МГц от работающих в них радиосредств. Хотя такое решение в какой-то мере носило дискриминационный характер, т.к. в ряде стран, в том числе и в России, в этих участках спектра традиционно работали РРЛ и другие радиосредства, однако передел спектра стал одним из немногих способов высвободить частотный ресурс для IMT-2000 [27].

В решении этой проблемы каждая из стран пошла своим путем, предпринимая усиленные попытки освободить эти диапазоны частот к 2001 году, когда потребуется лицензировать спектр с тем, чтобы с 2002 года сделать его коммерчески доступным.

Гибкость распределения спектра

Гибкость распределения спектра характеризуется возможностью использования разных режимов работы и параметров каналов, устанавливаемых в процессе радиообмена, а также различных вариантов предоставления частотных полос операторам.

В IMT-2000 реализованы два режима работы: в парных (режим FDD) и непарных (TDD) полосах частот. Для реализации FDD требуется минимальная полоса 2х5 МГц в корневых полосах частот 1920-1980 "/2110-2170 МГц, а для TDD — 5 МГц в полосах 1900-1920 и 2010- 2025 МГц. Режим FDD обладает преимуществом при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов. Режим TDD, напротив, предназначен для применения в пиво и микросотах, т.е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Гибкое распределение спектра позволяет устранить искусственные барьеры на пути выхода операторов на рынок, предоставляя им возможность быстро реагировать на изменения спроса на услуги, т.е. на предоставление новых и разнообразных услуг в том же диапазоне без создания новой сетевой инфраструктуры.

Технологии 3G обеспечат нескольким операторам (имеющим соответствующие лицензии) возможность совместного использования одной и той же полосы частот без взаимных помех и снижения качества связи. Никакой частотной координации между операторами в этом случае не потребуется. Благодаря гибкой сетевой архитектуре оператор может создавать сети разной конфигурации (макросоты, микросоты и пикосоты) при экономном использовании радиоресурсов.

3.2. Распределение спектра в различных регионах мира

Создание глобальной телекоммуникационной инфраструктуры IMT-2000 немыслимо без выделения единых для всех регионов полос частот. Особенно это важно в спутниковом сегменте S-IMT-2000 (Satellite IMT-2000), где в силу глобального характера предоставляемых услуг спутниковой службы MSS (Mobile Satellite Service) распределение спектра производится “на всемирной основе” (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Распределение частотного ресурса в разных регионах мира

Что же касается наземных сетей, то там частотный спектр представляет собой национальный природный ресурс и его распределение между операторами осуществляют национальные или региональные частотные органы. В результате в наземном сегменте Т-IMT- 2000 (Terrestrial IMT-2000) допускаются различные стратегии использования полос частот не только в отдельных регионах и государствах, но даже в пределах одной страны, если в ней предоставление услуг осуществляют несколько независимых операторских компаний.

Европейский подход

В 1997 Европейский комитет радиосвязи ERC (European Radiocommunications Committee), входящий в состав CEPT, принял решение о резервировании частотных полос для начала коммерческой эксплуатации UMTS с 2002 года в следующих полосах частот:

— 1920-1980 и 2110-2170 МГц — для наземных сетей UMTS, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD);

— 1900-1920 и 2010-2025МГц — для наземных сетей UMTS, работающих с временным дуплексным разносом (TDD);

— 1980-2010 и 2170-2200 МГц для спутниковых сетей UMTS.

Европейский подход к распределению полос частот практически совпадает с тем, которое предлагает ITU в рамках концепции IMT-2000, кроме 15 МГц, ранее выделенных для ПЕСТ. Суммарный частотный ресурс UMTS составляет 155 МГц для наземных сетей и 60 МГц — для спутниковых.

Кроме освоения новых полос частот в Европе рассматривается возможность эволюционного пути развития, который, прежде всего, связывают с новыми технологиями GPRS и EDGE, внедряемыми в существующую наземную инфраструктуру сетей GSM-900 и GSM-1800. Существующий в настоящее время в Европе спектр шириной 240 МГц отведен для систем 2-го поколения GSM-900, GSM-1800 и DECT.

Для мобильной спутниковой службы MSS (Mobile Satellite Service) в UMTS отведены те же диапазоны частот 1980-2010 и 2170 -2200 МГц, что и в предложении ITU.

Северная и Южная Америка

Политика США в распределении спектра частот кардинально отличается от европейского и азиатского подходов. Часть спектра, выделенного для PCS (1850-1910 и 1930-1990 МГц), уже разделена в соответствии с выданными лицензиями на участки 2х5 МГц и 2х15 МГц и распродана.

Правительство США считает, что на первом этапе потребность в спектре для IMT-2000 на территории США может быть обеспечена за счет внедрения новых услуг в полосах частот, которые сегодня используют системы 2-го поколения (190 МГц). Суть эволюционного сценария внедрения услуг 3-го поколения в США основана на постепенном наращивании возможностей системы TDMA (IS-136) и плавном переходе к UWC-136 по мере появления спроса на новые услуги. Аналогичный путь развития прогнозируется и для технологии cdmaOne (IS-95), которая в процессе эволюции будет заменена на систему 3-го поколения cdma2000 (табл. 3.1). Следует отметить, что участок спектра 2110-2160 МГц в районе 2" свободен и потенциально может быть использован для предоставления услуг 3-го поколения.

Таблица 3.1. Полосы частот систем сотовой, микросотовой и спутниковой связи

Спутниковая связь в Северной Америке осуществляется в расширенном диапазоне частот, включающим дополнительные полосы частот 2010-2025 МГц и 2160-2170 МГц (рез. 212 WRC-97). В Европе эти участки спектра отведены для наземных сетей, работающих в режиме TDD.

В Южной Америке ситуация с наземными и спутниковыми сетями мало чем отличается, однако будущие планы для развития систем 3-го поколения пока неизвестны.

Азиатско-Тихоокеанский регион

Распределение частотного ресурса в Азиатско-Тихоокеанском регионе сходно с европейским. Так, в Японии принят революционный сценарий развития IMT-2000, базирующийся на внедрении новой технологии WCDMA и распределении спектра, аналогичном UMTS в режиме FDD. Однако в режиме TDD такая возможность отсутствует, т.к. часть диапазона IMT-2000 перекрывается с системой персональной связи с использованием портативных телефонов PHS (Personal Handy phone System). Что же касается планов Японии относительно дальнейшего развития наиболее популярной в стране системы PDC, то они неизвестны.

Принципы распределения спектра в Южной Корее и других странах Азии достаточно близки к японскому походу. Несколько отличается ситуация с распределением спектра в Китае, где часть полос, выделенных IMT-2000, уже выделена для систем беспроводного доступа (рис. 3.1).

Сети спутниковой связи в Японии и Южной Корее, так же как и в других странах Европы, предполагается создавать в диапазонах частот 1980-2010 МГц и 2170-2200 МГц, выделенных на всемирной основе IMT-2000.

Для остальных регионов мира, в которых еще не выработана политика перехода к услугам 3-го поколения, вероятнее всего, будут приняты сценарии распределения спектра, основанные на предложениях IMT-2000. Однако следует иметь ввиду, что на выбор частотного ресурса могут повлиять разные стратегии развертывания систем IMT-2000 в отдельных регионах мира, их географическое расположение и тяготение к тем или иным уже используемым технологиям. Следовательно, окончательное решение вопроса будет зависеть от позиции региональных или национальных операторов.

3.3. Передел спектра в России

Национальные особенности России

В настоящее время удовлетворить все возрастающие потребности систем мобильной связи невозможно, поскольку наиболее освоенный участок спектра ниже 2,5 ГГц уже занят другими средствами связи. Данная проблема существует во всем мире, но для России, она особенно актуальна, поскольку все планируемые для связи участки частот в основном закреп- лены за государственными структурами и Министерством обороны (МО) РФ.

Освоение новых технологий в России идет своим, отличным от мирового, путем. Сотовая инфраструктура в нашей стране начала внедряться значительно позднее, чем в Западной Европе или скандинавских странах. Если в большинстве европейских стран уже переработаны национальные таблицы распределения частот в направлении их сближения к разрабатываемой в рамках СЕРТ общеевропейской таблице (официально вступит в действие с 1 января 2008 г.), то Россия находится лишь в начале этого пути [28].

Успех нашей страны в освоении новых технологий, учитывая, что Россия является европейским государством, будет в значительной степени зависеть от того, насколько она сумеет влиться в общеевропейское частотное пространстве. Наиболее предпочтительным для России был бы эволюционный путь развития, при котором системы 1-го (NMT-450) и 2-го (GSM) поколений сотовой связи постепенно бы развивались, расширяя выделенные полосы частот, которые сегодня существенно меньше общеевропейских. По мнению экспертов, эволюционный сценарий, при котором смена поколений происходила бы в прежних участках спектра, был бы оптимален для России.

В РФ долгие годы частоты назначались по так называемому остаточному принципу, когда РЭС правительственной связи пользовались исключительным правом занятия радиочастот во всех уже освоенных диапазонах. Хотя принцип приоритетного распределения частот в интересах правительственных стуктур и МО РФ сохранится и в дальнейшем, однако, новое положение о порядке назначения частот открывает широкие возможности для гражданских пользователей.

Первый шаг в направлении конверсии спектра был предпринят в 1996 г., когда была скорректирована национальная таблица частот. Принципиально новым стало то, что в ней были введены три категории использования полос частот. Первая “ПР” устанавливает полосы, предназначенные для преимущественного использования РЭС правительственного применения. Ко второй категории “ГР” отнесен частотный ресурс, предназначенный для преимущественного использования коммерческими структурами и гражданскими лицами и, наконец, третья категория “СИ” (совместное использование) предполагает выделение полос частот военным и гражданским РЭС на равных правах [291.

Миграция по спектру

Сложная помеховая обстановка сложилась в диапазоне частот 1,5-1,6 ГГц, в котором совместно с отечественной спутниковой навигационной системой “Глонасс” функционирует служба MSS. Наличие взаимных помех между этими службами стало причиной “мигрирования” по спектру системы “Глонасс” на 4 МГц вниз. “Урезание” и смещение полос частот предполагается осуществить поэтапно с 1998 по 2005 годы.

Аналогичная судьба в ближайшем будущем ожидает и радиорелейные станции (РРС), которые будут вынуждены освободить полосы частот 1980-2010 и 2170-2200 МГц. Согласно решению ГКРЧ, планирование частотных присвоений для РЭС фиксированной службы в этих полосах частот прекращено.

Малоканальные тропосферные РРС, хотя и остались в прежних полосах частот, но отправлены в места “не столь отдаленные”, т.е. в районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири, где внедрение систем 3-го поколения в ближайшее время не планируется. Очевидно, что вынужденная “миграция по спектру” потребует не только определенного времени, но и значительных материальных расходов, связанных с заменой уже работающего оборудования.

3.4. Новые потребности в полосах частот

Общий подход к проблеме

Совсем недавно, когда закладывались основы создания систем IMT-2000/FPLMTS, приоритетной услугой считалась передача речи. Однако по мере развития цифровых сетей 2-го поколения возникла острая необходимость в передаче высокоскоростных потоков информации в режиме реального времени. Анализ тенденций развития IMT-2000 позволяет прогнозировать стремительный рост трафика, обусловленный увеличением объема мультимедийных услуг. Очевидно, что выделенной полосы шириной в 230 МГц не хватит, и уже после 2005 г. будет ощущаться дефицит частот, как в наземных, так и спутниковых сетях IMT-2000. Поэтому уже сегодня в рамках ITU и ряде европейских организаций рассматривается возможность расширения полос частот для IMT-2000%МТБ.

Подход ITU к решению проблемы расширения спектра для IMT-2000 основан на выделении дополнительных участков спектра [27]:

— глобальных полос, которые будут использоваться во всех странах мира для расширения трафика при несоответствии ему возможностей первоначальных полос частот;

— региональных и субрегиональных полос, предназначенных для передачи дополнительного трафика в отдельных регионах, где пропускная способность существенна выше, чем в остальных. Эти полосы могут быть расположены в различных участках спектра и иметь разную ширину.

Значительно большей детализацией отличается концепция, предложенная на Форуме UMTS [30]. Весь частотный ресурс, пригодный для использования в системах 3-го поколения, предлагается разделить на несколько типов полос частот.

Корневые полосы (Core Band). Исходные полосы частот, в которых предполагается реализация концепции IMT-2000/UMTS. Корневые полосы шириной 230 МГц выделены на WARC-92 и рекомендованы СЕРТ для использования в UMTS.

Полосы расширения 1. Основные дополнительные полосы (полосы-кандидаты), которые не перекрываются по спектру с корневыми и занимают участки спектра в пределах от 470 МГц до 2,9 ГГц (планируются к выделению на радиоконференции WRC-2000). Распределение таких полос предполагается осуществлять на гармонизированной основе как в европейских странах, так и других регионах мира.

Полосы расширения 2. Дополнительные полосы с отличающейся шириной спектра, которые предполагается использовать для повышения пропускной способности в отдельных регионах Европы и мира. Хотя требования к полосам расширения 2 еще не конкретизированы, однако вероятнее всего они будут находиться в районе 2-3 ГГц и использоваться в сетях микросотовой связи и WLL.

Полосы замещения. Полосы, находящиеся в пределах от 0,3 до 3 ГГц и используемые в настоящее время существующими сетями мобильной связи (1G и 2G), телевещания или службами фиксированной связи (радиорелейными, тропосферными).

Модель оценки спектра для систем IMT-2000/UMTS

В [31] предложена модель оценки потребностей спектра для UMTS на период 2005 и 2010 годов, которая основана на учете всех основных факторов, определяющих потенциальную потребность в частотном ресурсе. Расчет проводится для двух разных сценариев — европейского (15 стран ЕС) и мирового. Степень проникновения услуг систем 3-го поколения в указанный период принималась равной 50-60%. Предполагается, что в более отдаленном будущем (после 2010 года), степень проникновения существенно не будет увеличиваться, однако ожидается, что число пользователей, которым потребуются широкополосные услуги, возрастет, а это в свою очередь, приведет к увеличению спроса на частотный ресурс.

Анализ распределения населения в Европе показал, что, 50-60% населения сосредоточено в городских районах, а максимальная плотность трафика возникает в городской зоне с плотной застройкой. При этом предполагается, что 60% трафика внутри зданий будет осуществляться по нелицензируемым сетям [32].

При оценке потребностей спектра для мультимедийных услуг авторы модели исходили из плотности размещения потенциальных абонентов 180 тыс./км' для центрального делового района CBD (Central business district) с размерами соты 100 м (условия работы внутри зданий). Для эксплуатации в городских условиях (рис. 3.2) плотность потенциальных пользователей составляла 108 тыс./км (пешеход) и 2,78 тыс./км (автомобиль). Средний размер соты в городе — около! км в 2005 г. (к 2010 году размеры уменьшатся до 750 м).

Рис. 3.2. Плотность размещения потенциальных абонентов (по данным UMTS Форума)

Расчет потребностей в спектре производился для 6 видов услуг:

а) речь с высоким качеством со скоростью 16 кбит/с;

б) передача данных в пакетном режиме со скоростью 14,4 кбит/с;

в) передача данных с коммутацией каналов со скоростью до 64 кбит/с;

г) асимметричная высокоскоростная мультимедиа НММ (High Multimedia) с асимметричным трафиком — скорость 2048 кбит/с в линии “вниз” и 128 кбит/с в линии “вверх”;

д) среднескоростная мультимедиа МММ (Medium Multimedia) с асимметричным трафиком — скорость 384 кбит/с в линии “вниз” и 128 кбит/с в линии “вверх”;

е) мультимедиа с симметричным трафиком или так называемая мультимедиа с высокой интерактивностью HIMM (Highly Interactive Multimedia) со скоростью 128/128 кбит/с.

Передача симметричных потоков данных с более высокой скоростью — 384/384 кбит/с возможна за счет агрегирования трех каналов по 128/128 кбит/с.

Показатели обслуживания для немультимедийных услуг аналогичны существующим службам передачи данных в GSM (14,4 кбит/с). Типовое сообщение принималось равным 40 кбайт, а “приемлемая” задержка для данного вида услуг — 30 с, объем среднескоростных мультимедийных услуг — 0,5 Мбайт за 14 с., а для высокоскоростных — 10 Мбайт за 53 сек.

Интерактивная мультимедийная связь, или, другими словами, видеотелефонная связь, обеспечивалась со скоростью 128 кбит/с по симметричному каналу. Длительность интерактивного обмена сообщениями — 144 с (180 с при коэффициенте занятости канала 0,8). Затраты пропускной способности на корректирующие коды, служебные сигналы, обучающие последовательности для всех видов услуг составляли около 20%.

Считалось, что интерактивные мультимедийные услуги, коммутируемые данные и речь передаются в режиме, ориентированном на установление соединения с допустимым коэффициентом блокирования 0,02. В остальных трех режимах реализована пакетная передача с коэффициентом эффективности передачи пакетов 0,75.

При прогнозировании услуг систем 3-го поколения важную роль играет распределение трафика по зонам обслуживания. Ожидается, что услуги высокоскоростной мультимедиа будут необходимы на первом этапе развертывания систем 3-ro поколения только в пикосотах (табл. 3.2), а наиболее интенсивный обмен остальными видами услуг будет происходить в микросотах.

Таблица 3.2. Распределение трафика по зонам обслуживания

Частотный ресурс для наземных сетей

По оценкам UMTS Форума потребности для европейских стран в радиоресурсах для наземных сетей составят 369 МГц" в 2005 г. и 555 МГц в 2010 г. (табл. 3.3). Для работы внутри помещения (режим TDD) потребуют спектр 20 МГц в 2005 г. и 40 МГц в 2010 году.

Таблица 3.3. Потребности в спектре для наземных и спутниковых сетей (по данным UMTS Форума)

Суммарный частотный ресурс, равный 555 МГц, образуется из следующих частотных полос:

— 155 МГц — общая полоса частот, выделенная в соответствии с решениями WRC-92 для наземных сетей IMT-2000, которая включает следующие участки спектра: 1900- 1980; 2010-2025; 2110-2170 МГц;

— 240 МГц — существующая полоса частот, выделенная в Европе для наземных мобильных систем 2-го поколения;

— 160 МГц — дополнительные полосы 1, планируемые к выделению на радиоконференции WRC-2000, с целью обеспечения потребностей мобильной связи в Европе с 2010 года.

Минимальная ширина полосы частот, необходимая для работы одного оператора по оценкам ERC составляет 2х20 МГц. Частотный ресурс, требуемый для работы нескольким конкурирующим операторам, предоставляющим современные мультимедийные услуги в одном крупном географическом регионе, оценивается в 300-500 МГц.

В рамках ITU специалисты разных стран также провели исследования по оценке необходимого дополнительного спектра, которые показали, что в 2010 году для наземных сетей IМТ-2000 необходим частотный ресурс в 532 МГц (табл. 3.4). Как видно из табл. 3.4, прогнозы ITU и те оценки, которые получены европейскими специалистами, достаточно близки, хотя несколько и расходятся.

Таблица 3.4. Требуемый частотный ресурс для наземных сетей IMT-2000 (прогноз ITU)

Согласно оценкам ITU, общая ширина спектра существующего наземного сегмента (IG ' и 2G) с учетом корневых полос составляет: 395 МГц (регион 1), 230 МГц (регион 2) и 320 МГц (регион 3).

Частотный ресурс для спутниковых сетей

Прогнозы показывают, что до 2010 года спутниковые системы нового поколения (S-IМТ- 2000) и традиционные спутниковые сети (служба MSS) будут развиваться параллельно, поделив между собой один и тот же рынок услуг. Для предоставления услуг будут использоваться два базовых типа терминалов: портативный и мультимедийный.

По оценкам европейских экспертов потребность в услугах спутниковой связи на территории Европы составляет 12,5% от общемирового спроса на немультимедийные услуги и 6% спроса — на мультимедийные услуги. Необходимый дополнительный радиоспектр для спутниковых сетей составит 50 МГц (2005 г.) и 90 МГц (2010 г.), что обеспечит общеевропейское покрытие.

Теперь несколько слов о тенденции распределения трафика мультимедийных услуг в спутниковой связи. В силу того, что скорости передачи по каналам спутниковой связи ниже, чем в наземных сетях, рост услуг мультимедиа будет происходить не столь стремительно, как в наземной связи (см. рис. 3.3). Тем не менее, согласно данным ITU [12] уже с 2005 г. объем трафика мультимедиа превысит немультимедийные виды услуг, предоставляемые в спутниковых сетях.

Анализ тенденций распределения трафика по регионам (рис. 3.4), проведенный ITU, показывает, что наибольший рост услуг спутниковых систем 3-го поколения ожидается в Северной и Южной Америке, Японии и Азии. Что же касается Европы, то здесь объем услуг спутниковой связи невелик по причине

хорошего покрытия наземными сетями сотовой связи, которые уже “опутали” практически всю Европу.

Согласно прогнозу ITU", потребность в услугах спутниковых сетей несколько выше, чем в оценках, сделанных в отчетах UMTS Форума (табл. 3.5).

Таблица 3.5. Прогнозируемая потребность в спектре для IMT-2000/MSS

3.5. Дополнительные полосы-кандидаты

В настоящее время в международных организациях (ITU, Форум UMTS) активно исследуются дополнительные полосы частот для IMT-2000ЛЗМТЯ. Предложения по выделению дополнительных полос будут рассмотрены в 2000 г. на Всемирной радиоконференции WRC- 2000.

Ниже приведен анализ полос-кандидатов в диапазоне до 3 ГГц, которые могли бы быть использованы в наземных сегментах систем 3-го поколения.

Полоса частот 470-806 МГц. В Европе эта полоса используется для аналогового телевидения, радиорелейной и правительственной связи. При переходе на цифровое телевизионное вещание DVB возможно, что отдельные участки спектра станут доступны другим службам. Изыскивается возможность выделения полосы 1х40 МГц при условии выделения парной полосы 40 МГц в диапазоне 806-862 МГц. В США процесс перехода от аналогового к цифровому ТВ также связывают с возможностью освобождения полосы частот шириной 2х12 МГц (764-776/794-806 МГц).

Полоса частот 806-960 МГц. Во всем мире этот диапазон распределен для сотовых, трвнкинговых и систем беспроводного доступа. В России в нем работают системы воздушной радионавигации, посадки самолетов, а также спутниковые системы. В соответствии с рекомендациями UMTS Форума в этом диапазоне предлагается выделить полосу 1 х40 МГц (в диапазоне 806-862 МГц) при условии выделения парной полосы 40 МГц в диапазоне 470- 806 МГц.

Полоса частот 1427-1525 МГц. Полоса рассматривается для выделения вне европейского региона. В США с января 1999 г. участок спектра 1427-1435 МГц передан в коммерческую эксплуатацию. В Японии полосы частот 1435-1453/1447-1501 МГц отведены для работы систем 2-го поколения. В соответствии с решениями СЕРТ в Европе часть диапазона 1452-1492 МГц выделена для спутниковой и наземных служб цифрового радиовещания.

Полоса частот 1710 — 1885 МГц. Один из наиболее перспективных диапазонов для наземного сегмента систем 3-го поколения, который может быть выделен на всемирной основе для IMT-2000. Сегодня практически весь участок спектра отведен для системы сотовой связи 2-го поколения GSM-1800 (1710-1785/1805-1885 МГц). Предоставление услуг IMT- 2000 предполагается осуществить по мере роста спроса на такие услуги. Также планируется освоение участка между парными полосами частот GSM-1800 (1785-1805 МГц). В США произошло перераспределение полосы частот 1710-1755 МГц, которая с 1999 г. совместно используется правительственными и коммерческими структурами (с 2004 г полоса становится полностью коммерчески доступной). В России эта полоса частот перекрывается с отдельными участками РРЛ (1550-2100 MI ц) и малоканальных тропосферных РРЛ (1700-2100 МГц).

Полоса частот 2290-2400 МГц. Форумом UMTS было предложено несколько вариантов использования этого диапазона. Так, нижний участок спектра шириной 10 МГц (2290- 2300 МГц) может быть выделен для нелицензируемых видов услуг в режиме TDD. Возможен вариант его использования в комбинации с другой полосой частот, выделяемой в верх- ней части этого диапазона. В случае, если будет успешно решен вопрос о перемещении служб воздушной телеметрии в другие участки спектра (не выше 3 ГГц), то просматривается несколько вариантов предоставления лицензируемых услуг: выделение полосы 110 МГц в режиме TDD, выделение полосы 2x40 МГц или 2x110 МГц (при условии парного выделения полосы частот в диапазоне 2520-2 670 МГц). Что же касается США, то там только участок спектра 2385-2390 МГц пригоден для коммерческого использования и то после 2005 г.

Полоса частот 2500-2 690 МГц. Считается, что эта полоса является наиболее вероятным кандидатом для развития систем IMT-2000 на 2-м этапе их совершенствования (после 2008 г.). Просматривается возможность выделения полосы 150 МГц для режима TDD или организация парных полос 2x70 МГц (если позволит дуплексный разнос). Планируется выделение полосы 1х110 МГц при условии парного выделения в диапазоне 2290-2400 или 2700-2900 МГц или 1x120 МГц в диапазоне 2535-2655 МГц.

Полоса частот 2700-2900 МГц. В соответствии с решением СЕРТ оценивается возможность выделения полосы 2x50 МГц или Ixl10 МГц (парная полоса) для режима FDD или 100 МГц — для режима TDD.

3.6. Пути повышения эффективности использования спектра

Сегодня в мире существует острый дефицит спектра в диапазоне частот до 3 ГГц, что приводит к необходимости принятия рядом национальных администраций дополнительных жестких мер по повышению эффективности использования спектра. Так, в США с 1997 г запрещены новые разработки РРЛ, если их спектральная эффективность ниже 6 Гц/бит. Аналогичные меры предприняты в Западной Европе. В России такие работы ведутся в рамках комплексной программы “Спектр-2000”.

Увеличение эффективности спектра может быть осуществлено, в первую очередь, м счет усовершенствования приемопередающей аппаратуры, применения новых спектрально- эффективных технологий абонентского радиодоступа, методов модуляции и помехозащищенного кодирования. Большие надежды возлагаются на перспективные технологии разнесения, интеллектуальные следящие антенны и методы пространственной селекции помех.

Другое направление работ связано с повышением эффективности использования каналов за счет оптимальной обработки потоков данных, передаваемых как от асимметричных, так и от интерактивных источников информации. Значительные резервы по пропускной способности могут быть реализованы за счет более эффективных методов сжатия мультимедийной информации, а также гибкого управления радиоресурсами с целью снижения потерь пропускной способности при передаче потоков данных с разным качеством обслуживания (ЯоБ). Важная роль придается и организационно-техническим мерам по повышению эффективности использования спектра. Так, совместное использование несколькими операторами одних и тех же частотных полос может привести к более высокой загрузке соединительных линий и снижению потерь в защитных полосах.

Одним из проблемных является вопрос о совместном использовании общих полос час- тот наземными и спутниковыми сетями. Наличие существенной разницы в уровнях принимаемых и излучаемых сигналов в мобильных терминалах, особенно при работе внутри помещений, не позволяет пока найти приемлемое решение, что и обусловило выделение для наземных и спутниковых систем разных участков спектра.

В исследовательских комиссиях ITU прорабатывается вопрос о создании спектрально- эффективной системы радиодоступа, при которой мобильному абоненту предоставляется возможность доступа одновременно ко всем или нескольким операторам, работающим в одном и том же географическом регионе. В этом случае не операторы, а абоненты будут ' разделять общий частотный ресурс.

В условиях острого дефицита спектра большая роль придается конверсии спектра, как одному из наиболее рациональных путей перераспределения спектра в уже освоенных диапазонах частот. Другой радикальный путь — это так называемый “фарминг” частотного спектра, т.е. перенесение традиционных систем беспроводной связи, например, сетей широкополосной передачи данных на стационарные линии связи.

Если такими бурными темпами пойдет и дальше развитие подвижной связи, то не исключено, что в будущем у мобильной связи возникнет потребность “поглотить” и наиболее • “привлекательные” радиочастотные диапазоны, оттеснив традиционное ТВ на кабельное и спутниковое телевещание. Однако, если это и случится, то только в далеком будущем.

4. СЕМЕЙСТВО СТАНДАРТОВ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

4.1. Концепция семейства стандартов IMT-2000

Концепция IМТ-2000 была принята в сентябре 1997 г. на рабочей группе SGI I ITU-Т в качестве идеологической основы объединения существующих систем 2-ro поколения и будущих систем 3-ro поколения. В то время она имела обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).

В течение нескольких предыдущих лет Международный союз электросвязи совместно с рядом региональных организаций предпринимал безуспешные попытки разработать требования на глобальную систему связи. Однако устранить противоречия между представителями разных регионов так и не удалось.

Провозгласив концепцию семейства IFS, и отказавшись, тем самым, от принципа единого международного стандарта, ITU активизирует свои усилия на детализации рамочной структуры стандартов 3-го поколения. Рамочная структура развивается по уже хорошо отработанной логике многоуровневых эталонных моделей взаимосвязи OSI. Как известно, 7- уровневая модель OSI допускает большое разнообразие технологических решений на двух нижних уровнях (физическом и канальном) и множество прикладных протоколов на верх- них уровнях. Наиболее жестко регламентированы механизмы межсетевого и транспортного уровней эталонной модели ISO, где фактически используются два стандарта: формальный стандарт ISO/ITU (ISO 8073) и стандарт “де-факто” ТСР/1Р.

Рамочная структура IMT-2000 содержит следующие базовые компоненты: эталонную модель протоколов и межсетевых взаимодействий;

— частотный ресурс, выделенный на WARC-92 и, возможно, уточняемый на WRC 2000;

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

— рекомендации по принципам регулирования, обеспечивающим свободное перемещение мобильных терминалов (в глобальном масштабе);

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

Основы концепции создания семейства IFS изложены в рекомендации ITU Т Q.1701, I, где определены предварительные требования к архитектуре и интерфейсам.

Базовые интерфейсы

Одной из главных проблем, с которой столкнулся ITU при разработке программы IMT-2000, является определение структуры интерфейсов. Предлагаемое семейство стандартов 3-го поколения базируется на двух типах интерфейсов: общих (базовых) интерфейсов ITU и открытых интерфейсов, используемых в региональных стандартах. В качестве базовых интерфейсов, которые регламентированы в семействе IFS, определены следующие 4 типа (рис. 4.1).

Для обеспечения глобального роуминга все указанные на рис. 4.! интерфейсы должны быть стандартизованы в рамках IMT-2000. При этом внутреннее содержание каждого элемента сети может быть различным.

Рис. 4.1. Базовые интерфейсы IМТ-2000

Архитектура IFS должна обеспечить как общие требования на радиоинтерфейс, сигнализацию, адресацию абонентов и другие протоколы, так и высокий уровень унификации межсетевых взаимодействий: протоколы хэндовера при переходе абонента из одной сети в другую, межсетевое управление, межсетевая адресация и т.п.

Что же касается межсистемного взаимодействия, то оно не охватывается рекомендациями ITU. Таким образом, возможно использование усовершенствованных региональных и межрегиональных стандартов.

Взаимодействие между различными типами магистральных сетей осуществляется через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface). В совокупности со стандартным модулем идентификации пользователя UIM (User Identity Module) будет поддерживаться глобальный роуминг независимо от используемого метода радиодоступа или транспортной сети в том или ином географическом регионе.

Сегодня наиболее важная задача — обеспечить всем операторам действующих сетей возможность использовать существующую инфраструктуру для предоставления новых услуг IMT-2000. В связи с этим в ITU поднимается вопрос о необходимости разработки единого протокола NNI для достижения глобального роуминга в рамках IMT-2000.

Одно из ключевых требований, предъявляемых к семейству стандартов, — возможность наращивать инфраструктуру путем последовательной модификации ее составных элементов. Чтобы гарантировать долгосрочную перспективу, необходимы терминалы с изменяемой конфигурацией, удовлетворяющие требованиям многих стандартов.

Концепция IFS предполагает использование многорежимных терминалов. При этом мобильный терминал (МТ) может обслуживаться единственной сетью доступа (однорежимный МТ) или работать с несколькими сетями доступа (многорежимный МТ). Концепция IFS допускает для однорежимного МТ работу через одну сеть доступа (например, через сеть 0SM) со многими базовыми транспортными сетями, т.е. реализацию глобального роуминга через взаимодействие нескольких базовых сетей (например, по схеме GSM-UMTS- cdma2000). Естественно, что в этой цепочке речь идет о сетях, зарегистрированных в IFS, а не о существующих сетях 2-го поколения.

Проблема IPR

В процессе разработки стандартов в ITU возникла конфликтная ситуация, связанная с соблюдением прав интеллектуальной собственности отдельных компаний на разрабатываемые ими наукоемкие технологии, так называемая проблема IPR (intellectual property rights). Согласно патентной политике, проводимой ITU [12, с.б], любой обладатель IPR, представляющий свой проект международного стандарта, должен представить письменное заявление с отказом от своих прав, либо с заверением, что он готов вести переговоры по представлению лицензии на справедливых, разумных и недискриминационных условиях.

В ходе работ по стандартизации новых технологий, основанных на СОМА, компания Qualcomm заявила о своих правах более, чем на 500 IPR. Ericsson, также обладатель большого числа IPR, заявил о своих правах на отдельные технические решения по технологиям WCDMA и cdma2000. В результате завязалась острая полемика с взаимными претензиями и судебными разбирательствами. Особенно бескомпромиссную позицию в этом споре заняла компания Qualcomm, которая заявила, что готова вести переговоры лишь при выполнении следующих условий. По мнению Qualcomm, для систем 3-го поколения необходим единый конвертируемый стандарт. Такой стандарт должен быть в равной степени адаптирован к двум базовым сетям — ANSI-41 и GSM МАР. Что же касается спорных вопросов, то они должны разрешаться выбором того предложения, которое продемонстрирует лучшие технические возможности и меньшие стоимостные показатели, либо, при отсутствии подобной демонстрации, будет в наибольшей степени совместимо с существующей технологической базой.

Конфликт получил неожиданную развязку. После двух лет полемики и судебных разбирательств в конце марта 1999 г. был заключен стратегический альянс между двумя конфликтующими компаниями [33]. В результате достигнутого соглашения Ericsson приобрела подразделение Qualcomm, разрабатывающее оборудование для сетей cdmaOne и cdma2000. В марте 2000 года аналогичный спор был разрешен между компаниями Qualcomm и Motorola, заключившими соглашение о кросслицензировании своих технологий.

Снятие ограничений на IPR открыло путь для успешной гармонизации проектов систем 3-ro поколения. Новые соглашения предусматривают кросс-лицензирование и взаимное признание IPR, относящихся к технологиям cdmaOne, cdma2000 и WCDMA.

4.2. UMTS — европейский подход к IMT-2000

Идея создания UMTS возникла в начале 90-х годов на волне успехов европейской экономической интеграции и успешной реализации в очень сжатые сроки такого масштабного международного проекта как ОБМ. Разработка и принятие широкой номенклатуры стандартов GSM подтвердили высокую действенность общеевропейского подхода [34].

В 1994 г. Европейская Комиссия определила важнейшие принципы построения перспективной общеевропейской инфраструктуры систем мобильной и персональной связи. Эти требования изложены в Зеленой книге (Green Paper on Mobile and Personal Communications) — программном документе, определившем общеевропейское движение к системам 3-го поколения.

После этого под эгидой Европейской Комиссии началась реализация программы международных исследований по перспективным высокоскоростным технологиям мобильной и персональной связи, интеллектуальным сетям и др. Такая программа получила название ACTS ( Advanced Communications Technologies and Services), одним из основных направлений ее развития стала разработка концепции UMTS [35].

Для объединения усилий всех заинтересованных сторон в 1996 г. был образован UMTS Forum — широкий по своим функциям и сферам компетенции международный координирующий орган, определяющий европейскую политику в области мобильной и персональной связи. Основной сферой его деятельности стала выработка согласованных решений по стандартизации UMTS и регулированию радиочастотных ресурсов.

Концепции UMTS и IMT-2000 во многих чертах сходны, однако с точки зрения реализации UMTS имеет ряд существенных преимуществ. Предлагаемые в UMTS технические решения были апробированы в ряде НИР/ОКР, проводимых с участием крупных фирм- производителей (Nokia, Ericsson, Alcatel, Siemens, Italtel).

UMTS разработана как глобальная система, включающая как наземные, так и спутниковые сети. Диапазон возможностей и областей применения UMTS необычайно широк. В отличие от GSM и других систем 2-го поколения в UMTS предлагается широкий спектр услуг по высококачественной передаче речи, данных, мультимедийных услуг при конкурирующих ценах в условиях динамично изменяющегося рынка связи. При этом UMTS позволит организовать полное взаимодействие с системами GSM и ее модификациями (GPRS, EDGE и др.), чтобы не потерять уже вложенные инвестиции.

В связи с тем, что процесс стандартизации UMTS в настоящее время только коснулся выбора частотного диапазона и структуры радиоинтерфейса, различные компании предлагают самостоятельные технические решения.

Технология радиодоступа UMTS основана на трех методах: FMAI на основе ТОМА с расширением спектра (FMA1 S), FMAI без расширения спектра (FMAI МБ) FMA2 на основе CDMA. Методы FMAI и FMA2 детально исследовались в рамках общего проекта FRAMES (один из проектов программы ACTS). Результаты этих исследований рассмотрены в [36] и представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Сравнительные характеристики FMA1 и FMA2

В рамках ETSI были рассмотрены 5 базовых концепций радиодоступа для систем 3-го поколения [34]: а-концепция (WB-CDMA), базирующаяся на FMA2 и предложениях ряда японских фирм, t3-концепция (OFDMA), Т-концепция (WB-CDMA), базирующаяся на FMA I без расширения спектра, Б-концепция (WB-TD-CDMA), базирующаяся на FMAI с расширением и в-концепция (ODMA). Три из этих концепций (а, Ь, в) легли в основу спецификации UTRA — европейского предложения по радиотехнологии 3-го поколения, представленного в ITU (табл. 4.2). [

Таблица 4.2. Ключевые характеристики пяти концепций радиодоступа UMTS

4.3. Радиоинтерфейсы для наземного сегмента IMT-2000

В июне 1998 г. в ITU поступили 10 предложений по проектам радиоинтерфейсов, восемь из которых разработаны на базе технологии CDMA и два — TDMA. Проекты заявлены от трех крупных регионов мира — Северной Америки, Европы и Азиатско-Тихоокеанского. Поступившие предложения достаточно хорошо отражают различия в технологиях и путях перехода к системам подвижной связи 3-гo поколения.

Европейская Комиссия сумела выработать единую политику перехода к 3-му поколению, успешно координируя свою деятельность в рамках всех входящих в нее стран. Предложения от Европы в ITU были оформлены в виде двух проектов: UTRA и DECT ЕР [37,38].

Следует отметить, что представленные в ITU проекты не исчерпывают всех возможных путей создания новых технологий. Так, в число заявленных стандартов не попали предложения по совершенствованию GSM, которые будут развиваться ETSI на базе новых технологий БРКБ и ЕООЕ, представляющих собой платформу, удобную для внедрения услуг 13МТЫМТ-2000.

В отличие от Европы, которая сумела выработать скоординированный подход к новому радиоинтерфейсу, представив объединенный проект, в США отказались от единого национального предложения. В ITU поступили четыре предложения, два из которых фактически подготовлены не институтами по стандартизации типа ANSI или TIA, а промышленными фирмами Qualcomm и Ericsson (Северо-Американское отделение).

Таким образом, США пошли по пути создания трех типов радиоинтерфейсов. Первый из них основан на дальнейшем совершенствовании технологии TDMA AMPS, получившей широкое развитие не только в США, но и в мире. Концепция построения системы 3-го поколения на базе стандарта IS-136 изложена в проекте UWC-136 RTT [39], предложенным техническим подкомитетом ТК-45.3 (США). В стандарте UWC-136 RTT обозначены три этапа совершенствования радиоинтерфейса TDMA, основанные на использование трех типов радиочастотных каналов: IS-136+ (без расширения полосы канала 30 кГц), IS-136 HS (Outdoor/Vehicular) с шириной полосы канала 200 кГц и IS-136 HS (Indoor Office) с шириной полосы канала 1,6 МГц.

Второе предложение от США основано на постепенном наращивании пропускной способности системы cdmaOne и эволюционном переходе от существующей инфраструктуры к технологии cdma2000 [40]. Что же касается двух других предложений США: WCDMA NA [41] и WIMS (TR-46.1), то они практически полностью совпадают с предложениями от Европы (UTRA) и Япония (WCDMA). В процессе дальнейшего рассмотрения эти предложения были объединены в единый проект (табл. 4.3).

Другая особенность подхода США к проблеме 3-го поколения, как уже говорилось ранее — это совершенно иной принцип распределения частотного ресурса. Регулирование осуществляется путем закрепления за операторами полос частот, которые уже распроданы с аукциона. Оператору, который приобрел полосу частот, предоставляется полная свобода в выборе типа стандарта и сроков реализации проекта.

Огромный рыночный потенциал Азиатско-Тихоокеанского региона с учетом большой численности населения стал решающим фактором в определении стратегии развитие мобильной связи 3-го поколения, На этой территории, отнесенной Регламентом радиосвязи к Региону 3, активную позицию занимают Япония, Южная Корея, Китай, Малайзия. Их вклад в программу IMT-2000 убедительно характеризует амбиции этих стран стать мировыми лидерами в массовом применении новейших технологий связи. Несмотря на то, что каждая из стран имеет свои национальные особенности перехода к 3-му поколению, их общей чертой является смещение акцентов в сторону применения оборудования собственного производства.

Таблица 4.3. Проекты радиоинтерфейсов по мобильной наземной связи ~ Район

Япония представила в ITU проект радиоинтерфейса широкополосной технологии WCDMA (42). Вместе с тем в стране рассматривается и возможность использования широкополосной cdmaOne. Однако основным препятствием к их объединению является различные “чиповые” скорости расширяющихся последовательностей: 3,6864 Мчип/с в CDMAone (утроенная скорость стандарта IS-95) и 3,84 Мчип/с в WCDMA.

Южная Корея с 1991 г. активно участвует в разработке и внедрении сетей CDMA. Для нее международные стандарты мобильной связи, и, прежде всего, будущие стандарты IMT-2000, особенно важны, так как южно-корейские гиганты Samsung и Hyundai имеют большие планы выхода на мировой рынок. Главный акцент в этой стране был сделан на производство собственного оборудования CDMA. Все эти факторы определили разработку проектов двух диаметрально отличающихся стандартов для IMT-2000 от 1Ожной Кореи [43, 44].

Китай ориентируется на две технологии GSM и CDMA. Исходя из этого, там предложен комбинированный метод доступа, основанный на сочетании технологий TDMA и CDMA.

4.4. Сравнение систем на базе СОМА

Преимущества и недостатки

В разрабатываемых в рамках 1МТ-2000 проектах представлены две конкурирующие технологии TDMA и СЭМА. Однако наиболее многочисленная группа проектов-кандидатов базируется на технологии СЭМА — на ней остановили свой выбор 8 из 10 предложений. Какие же достоинства определили интерес к этой технологии организаций по стандартизации от трех крупных регионов мира: Европы, Азии и Северной Америки.

Прежде всего, упомянем высокую помехоустойчивость технологии CDMA к узкополосным помехам, которые в процессе свертки полезного сигнала трансформируются в обычный шум. Причем по мере расширения спектра передаваемого шумоподобного сигнала (ШПС) выигрыш становится все больше. Другая важная характеристика, определившая привлекательность CDMA для мобильной связи — эффективная работа приемных устройств в условиях многолучевого распространения. Поскольку длительность одного символа ШПС меньше разности времен прихода двух лучей, то при приеме возможно суммирование энергии разных лучей, что в итоге позволяет повысить отношение сигнал/шум.

В системах СЭМА процедура мягкого переключения каналов (soft handover) при перемещении абонента из одной соты в другую достаточно проста. Базовый принцип СЭМА — “разрыв после установления нового соединения” (make before break), положенный в основу практической реализации стандарта, позволяет избежать скачков уровня сигнала и помех при переходе абонента из одной соты в другую. Отметим для сравнения, что в системах, основанных на стандарте TDMA, абонентская станция сначала завершает связь с базовой станцией одной соты (принцип break before make) и лишь затем устанавливает новое соединение.

Связь между соседними сотами или секторами одной базовой станции обеспечивается на одной несущей частоте, что позволяет более эффективно использовать частотный ресурс, особенно в тех случаях, когда положение абонента фиксировано. Это позволяет избежать частотного планирования, упрощает развертывание сети и последующее наращивание пропускной способности.

Архитектура систем CDMA позволяет гибко и эффективно управлять радиоресурсами (т.е. выделять полосы частот, интервалы времени, уровни мощности) и, что еще важнее, естественным образом реализовать процедуру динамического перераспределения каналов. Именно благодаря этим качествам CDMA стала основой большинства проектов систем 3-ro поколения. Каждому абоненту в системах CDMA присваивается своя индивидуальная кодовая последовательность, что обеспечивает конфиденциальность и защищенность от несанкционированного доступа.

Стандарт CDMA, использующий в качестве “ядра” шумоподобные сигналы, позволяет снизить пиковый уровень мощности, излучаемой абонентской станцией. Учет статистики активности абонентов, а также реализация в абонентских станций дежурного приема обеспечивают энергосберегающий режим, а следовательно, приводят к увеличению ресурса непрерывной работы аккумуляторов батарей.

Недостатков у CDMA немного, хотя на устранение некоторых из них потребовался не один десяток лет. Главным сдерживающим фактором коммерческого применения СЭМА долгие годы была сложность оборудования. И хотя появление DSP-процессоров привело к его упрощению, круг производителей, которые способны реализовать такую аппаратуру, особенно базовые станции, пока ограничен.

Другой недостаток — возникновение взаимных помех, ухудшающих условия приема при возрастании числа активных абонентов, что начинает сказываться на качестве связи для периферийных абонентских станций. Так, по мере увеличения загрузки системы, могут уменьшаться размеры зоны обслуживания и ухудшаться помеховая обстановка, так называемое явление “дыхание” соты (cell breathing). Главные же камни преткновения на пути внедрения технологии CDMA — высокая чувствительность к разбросу мощностей абонентских станций и проблемы, связанные с синхронизации базовых станций. Первая из задач была успешно решена за счет создания уникальной высокоточной системы управления мощностью (с шагом 0,5-1 дБ и скоростью 0,8 или 1,6 кбит/с), а вторая- с помощью GPS.

Для повышения качества работы абонентской станции в режиме мягкого переключения каналов нужно одновременно выделить, как минимум, два канала, что приводит к снижению пропускной способности системы. Кроме того, у операторов связи, могут возникнуть проблемы, связанные с необходимостью выделения им широких участков спектра.

Режим FDD

Сравнительные характеристики систем, работающих в парных полосах частот, приведены в табл. 4.4. Основное отличие систем cdma2000 и WCDMA заключается в использовании разных чиповых скоростей в базовом режиме (ширина полосы 5 МГц): 3,84 Мчип/с (WCDMA) и 3,6884 Мчип/с (cdma2000). В варианте МС-СОМА (cdma2000) скорость следования элементов сигнала равна утроенной скорости 1,2288 Мчип/с.

По способу синхронизации с базовой станцией все проекты разделяются на две группы: асинхронные и синхронные. К первой группе относится большая часть проектов систем 3-го поколения, в том числе UTRA (ETSI), WCDMA (ARIB) др. Обеспечение же взаимной синхронизации базовых станций требуется в системах cdma2000 и CDMA! (ТТА).

Как известно, эффективность систем с кодовым разделением в значительной степени зависит от точности управления мощностью. Передача битов управления мощностью осуществляется со скоростью 800 бит/с в cdma2000 и 1600 бит/с — в остальных проектах. Достигаемая при этом точность составляет 0,25-1,0 дБ.

Одним из эффективных методов снижения требуемого отношения сигнал/помеха без усложнения мобильной станции (т.е. без введения дополнительного приемного оборудования) является разнесение антенн на базовой станции. Конкретная реализация такого разнесения зависит от выбранного варианта построения система. Наиболее просто пространственное разнесение реализуется в варианте многочастотной CDMA (cdma2000), поскольку многочастотный сигнал передается через каждую из разнесенных антенн и не требует дополнительного усложнения терминала. Борьба с замираниями в WCDMA основана на использовании ортогонального разнесения на передаче (OTD), разнесения с временным уплотнением (TDTD) или с коммутацией каналов (TSTD).

Проблемных вопросов в области стандартизации технологии WCDMA FDD остается еще достаточно много, однако стратегические направления, которые выбраны в рамках IMT-2000, с большой определенностью позволяют говорить о перспективности этого направления (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в разделе 7).

Режим TDD

В проекте UTRA предполагается использовать два метода дуплексного разноса: FDD и TDD. Двусторонняя радиосвязь в режиме TDD обеспечивается на одной несущей с временным уплотнением каналов передачи и приема. Комбинированное использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой в части использовании выделенных полос частот и позволяет изменять пропускную способность в зависимости от условий эксплуатации и видов обслуживания.

Структура кадра в режиме TDD позволяет наиболее оптимально перераспределять ресурсы сети при асимметричном трафике. Так, в европейском проекте UTRA обеспечивается изменение соотношения трафика в направлении “вниз”/“вверх” с 15/1 до 2/14 соответственно. Некоторое отличие в коэффициенте асимметрии обусловлено тем, что, по крайней мере, два канальных интервала должны быть выделены в линии “вниз” (каналы синхронизации SCH) и один интервал в линии “вверх” (канал произвольного доступа RACH). Аналогичные возможности будут предоставлять в режиме TDD и другие проекты наземных сис- тем подвижной связи 3-го поколения.

Сравнительные характеристики систем наземной подвижной связи 3-го поколения в режиме TDD приведены в табл. 4.5.

Основным отличительным признаком режима TDD является использование одной и той же частоты для линий “вверх” и “вниз”, что дает ряд преимуществ:

— простота в реализации адаптивных (“интеллектуальных”) антенн;

— возможность использования корреляционного приемника;

— упрощение процедуры разнесения на передаче. Так как в режиме TDD используется одна и та же частота для линий “вверх” и “вниз”, то характеристики замираний в каналах в сильной степени

коррелированны. Поэтому для, компенсации замираний и других отрицательных эффектов распространения радиоволн используются общие методы управления мощностью и адаптивными антеннами.

В проектах 3-го поколения структура кадра TDD идентична FDD, что упрощает процедуру их гармонизации. Тот факт, что базовые станции синхронизированы по кадрам, ускоряет поиск сот и обеспечивает более эффективное распределение каналов в динамическом режиме.

Следует обратить внимание на различие в стратегии использования режимов FDD и TDD в реальных условиях эксплуатации. Так, в соответствии с концепцией европейской системы UMTS технология FDD рекомендуется для использования в макросотах, а TDD — в микро — и пикосотах.

Кроме того, более простым и средствами в такой системе реализуется пространственное разнесение на базовой станции и регулировка мощности в радиолинии. Трафик в прямом и обратном каналах может быть как симметричным, так и асимметричным.

Другое преимущество режима TDD состоит в более простой реализации однорежимного ТРР терминала, что обусловлено отсутствием дуплексера. Что же касается возрастания аппаратурной сложности при создании двухрежимного абонентского терминала FDD/TDD, то она незначительна по сравнению с обычным FDD терминалом.

Таким образом, основные преимущества режима TDD заключаются в том, что обеспечивается двусторонняя передача в одной полосе частот, т.е. не требуются парные полосы частот, а следовательно упрощается процедура поиска сот.