4.5. Архитектура семейства стандартов
IMT-2000 является системой открытых
стандартов, создаваемых под эгидой ITU при участии региональных и национальных
организаций. Для решения спорных вопросов при определении единых гармонизированных
решений и разработки спецификаций по стандартам радиоинтерфейсов 3-го поколения
(рис. 4.2) были созданы два партнерских объединения 3GPP и 3GPP2 [46].
В первое партнерское
объединение 3GPP входят Европейский институт телекоммуникационных стандартов
ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет Tl ANSI (США), а также три организации по
стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона — CWTS (Китай), Ассоциация
технологий связи ТТА (Корея) и Комитет по технологиям связи ТТС (Япония).
Основной вклад
партнерства 3GPP в программу IMT-2000 — это гармонизация пяти проектов УТКА FDD
(ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (Т1РI, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (ТТА)
в один вариант радиоинтерфейса IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread), создаваемый на
базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и
частотным дуплексным разносом (FDD) для применения в парных полосах частот
[47].
Второй тип
радиоинтерфейса, который был представлен партнерством 3GPP в ITU, основан на
кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным Разносом
(TDD) для применения в непарных полосах частот. Вариант, который получил
название IMT-ТС (IMT-2000 Типе-Code), фактически представляет собой чисто
формальное объединение двух различных технических решений — европейского
предложения УТКА TDD и китайского TD-SCDMA.
С технической точки
зрения основное отличие вариантов IMT-DS и IMT-ТС от ранее поступивших в ITU
предложений — это изменение в базовом варианте чиповой скорости с 4,096 Мчип/с
на 3,84 Мчип/с (табл. 4.6). Еще одному предложению ПЕСТ ЕР, которое поступило
от ETSI, была присвоена новая аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time).
Стандарт на микросотовую систему DECT разрабатывается с комбинированным
частотно-временным дуплексным разносом и предназначен для применения, как в
парных, так и непарных полосах частот. В варианте IMT-FT предложены три
градации скоростей передачи, т.е. R=1,152 (2,304 и 3,456) Мбит/с. Такая
возможность реализуется за счет введения новых методов модуляции rt/2-DPSK,
л/4-DQPSK, те/8-D8PSK.
Во второе партнерское
объединение 3GPP2 входит Ассоциация промышленности связи ' ТIА
(представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.5), а также организации
ARIB, CWTS, ТТА и ТТС. Основная цель 3GPP2 — эволюционное развитие технологий сотовой
связи 2-ro поколения, которые в настоящее время получили широкое
распространение в США — TDMA (IS-136) и cdmaOne (IS-95).
Предложения от этого
партнерского объединения представлены в виде двух вариантов радиоинтерфейсов,
получивших обозначение IMT-МС (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000
Single Carrier). Радиоинтерфейс IMT-МС основан на варианте многочастотной
системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с cdmaOne
(IS-95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной
передачи информации на нескольких несущих.
Радиоинтерфейс IMT-SC
базируется на проекте стандарта UWC-136 и предполагает поэтапное расширение
возможностей существующей системы TDMA при работе в парных полосах частот.
Таблица 4.6. Характеристики радиоинтерфейсов для
IMT-2000
Согласно концепции
IMT-2000 общая архитектура системы нового поколения подразделяется на две
составные части: сети радиодоступа и базовые сети. После завершения процедуры
гармонизации в состав семейства сетей радиодоступа (проект Рекомендации
M[IMT.RSPC]) были включены 5 радиоинтерфейсов. Схема их взаимосвязи с ранее
представленными проектами стандартов приведена на рис. 4.2.
Сети радиодоступа
(радиомодули) и магистральные базовые сети связаны между собой гибкими
соединительными линиями. Модульная структура IMT-2000 обеспечивает возможность
наращивать сетевую инфраструктуру путем последовательной модификации ее
составных элементов.
Рис. 4.2. Укрупненная архитектура наземной сети
IMT-2000
4.6. Базовые сети для IMT-2000
В IMT-2000 предлагается использовать три
типа магистральных базовых сетей: GSM MAP (Европа), ANSI-41 (США) и
универсальные сети с IP-протоколом. Глобальный роуминг между тремя типами сетей
будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network
Interface). Чтобы реализовать это требование на практике, необходимо
разработать единый протокол NNI, который смог бы поддерживать глобальный
роуминг независимо от типа базовой сети и протокола радиодоступа.
Очевидно, что глобальный
роуминг в IMT-2000 может быть реализован только в том случае, если радиодоступ
будет производиться с использованием многорежимных терминалов, а базовые сети
будут содержать конверторы или межсетевые шлюзы IWG (Interworking Gateway).
В отличие от сетей
радиодоступа, которые очень чувствительны к смене идеологии построения системы,
магистральные базовые сети более инерционны. В них вложены значительные
инвестиции, которые операторы желают сохранить при переходе к 3-му поколению.
Новые технологии,
разрабатываемые в рамках IMT-2000, должны обеспечивать возможность адаптации в
равной степени к любой из трех доминирующих сетевых технологий: GSM MAP,
ANSI-41 и !Р. Магистральные сети должны быть “прозрачны”, чтобы обеспечить
доступ мобильных абонентов к новому профилю услуг “виртуальной домашней среды”.
Принципы межсетевого
взаимодействия между системами GSM (базовая сеть GSM МАР) и TDMA (ANSI-41)
поясняются на рис. 4.3. Независимо от того, какая из сетей GSM или TDMA
является домашней, в любом случае необходим конвертор или шлюз IWG, с помощью
которого будет обеспечено взаимодействие партнеров по роумингу.
Рис. 4.3. Межсетевое взаимодействие сетей GSM
и ТОМА
Организация взаимодействия
между сетями осуществляется с использованием единого протокола сигнализации
SS7. Что же касается внутрисистемного взаимодействия в сетях GSM MAP и ANS1-41,
то эти процедуры не охватываются рекомендациями IMT-2000, и в них могут быть
использованы любые усовершенствованные протоколы.
Так, например, если
домашней сетью является TDMA, а визитной GSM, то потребуется конвертирование
протоколов для обмена между визитным регистром положения GSM VLR и основным
регистром положения HLR. Когда абонент TDMA взаимодействует через сеть GSM,
шлюз IWG будет сохранять информацию в HLR, что и обеспечит роуминг.
Некоторое отличие
возникает, когда домашней сетью является GSM, а визитной TDMA. Эти особенности
связаны с тем, что в архитектуре GSM предусматривается выделение центра
аутентификации (AUC) — физически автономного устройства, которое может быть
установлено в любом месте сети, в том числе и совмещено с центром коммутации
М$С.
Для сетей TDMA такое
решение не требуется. Чтобы преодолеть указанные различия в архитектуре в
состав IWG должен быть введен так называемый псевдо-AUC, включаемый на стороне
ANSI-41 (48).
Существует еще одна
проблема, связанная с переадресацией вызова. Если вызываемый абонент занят,
недоступен или не отвечает, то входящий вызов перенаправляется на какой либо
другой номер. Этот процесс в сетях GSM происходит под управлением MSC/HLR, т.е.
мобильного центра коммутации, который для абонента является “своими В отличие
от GSM протокол ANSI-41 предусматривает применение шлюзового MSC. По этой
причине все вызовы из GSM в ТОМА направляются через шлюзовой маршрутизатор.
Теперь несколько слов о
взаимодействии GSM и UMTS. Как уже говорилось, существующие сети GSM базируются
на применении мобильного центра коммутации MSC в качестве платформы, обеспечивающей
коммутацию и предоставление услуг. Внедрение же UMTS будет происходить в
условиях, когда сети фиксированной связи, по крайней мере, в Европе, будут
мигрировать в широкополосные сети с коммутацией пакетов на основе платформы
АТМ. Это дает возможность использовать преимущества широкополосной архитектуры
UMTS на базе существующих систем коммутации.
Таким образом,
применение UMTS позволит устранить зависимость инфраструктуры GSM от
специализированных MSC и за счет этого обеспечить быстрое внедрение мощных
приложений, способных одинаково хорошо функционировать в любой сети.
Проблемы переходного
периода можно решить за счет использования общей транс- портной среды для всех
видов трафика. Такая возможность может быть реализована на базе коммутатора U-MSC
(UMTS Mobile Services Switching Center), который обеспечит коммутацию трафика
GSM, пакетный режим GPRS и два новых режима WCDMA FDD и, UTRA TDD.
4.7. Развитие спутниковой связи в IMT-2000
Концепция спутниковой подсистемы 5-IMT-2000
Если по стандартам наземной связи
Т-IMT-2000'' достигнут в процессе гармонизации определенный компромисс, то в
отношении спутниковых сетей еще целый ряд вопросов ждет своего решения. Поэтому
в рамках данной книги ограничимся рассмотрением лишь ключевых характеристик S-IMT-2000.
При создании спутниковой
подсистемы ключевыми требованиями являются: освоение нового S-диапазона частот,
разработка эффективных радиоинтерфейсов, обеспечивающих интеграцию спутниковых
и наземных систем связи. С помощью спутниковых сетей абонентам будет предложен
расширенный ассортимент услуг:
— голосовая связь и
низкоскоростная передача данных (короткие сообщения и электронная почта) со
скоростью 2,4-16 кбит/с;
— асимметричные услуги,
включающие передачу данных, доступ к базам данных, выход в сеть Internet, при
скорости передачи до 144 кбит/с;
— интерактивные
мультимедийные услуги (видеотелефония, видеоконференцсвязь) со скоростью до 144
кбит/с.
Скорость передачи в
сетях спутниковой связи несколько ниже, чем в наземной связи, т.е. не более 144
кбит/с. Тем не менее, такой пропускной способности вполне достаточно, чтобы
обеспечивать высокоскоростную передачу данных и мультимедиа. Введение новых
видов услуг и протоколов будет происходить без предъявления дополнительных
требований к существующим сетям радиотелефонной связи и передачи данных. Таким
образом, спутниковые сети 3-го поколения уже на первой фазе развертывания будут
предоставлять практически тот же набор услуг, что и наземные, но в глобальной
зоне обслуживания.
Общий подход к
разработке стандартов спутниковых систем в рамках проекта $-IMT- 2000 несколько
отличается от проектирования наземного сегмента Т-IMT-2000. Прежде всего, для
спутниковой связи выделен только парный диапазон: 1980-2010 МГц (“Земля-
спутник”) и 2170-2200 МГц (“спутник-Земля”), т.е. работа в режиме с временным
дуплексным разносом (TDD) пока не планируется.
Чтобы обеспечить меньшие
затраты пропускной способности на сигнализацию и передачу управляющей
информации, длина кадра в спутниковых сетях выбрана больше, а скорость передачи
битов управления мощностью ниже, чем в наземных. Один из основных путей
наращивания пропускной способности и обеспечения заданной энергетики
спутниковых линий — использование высокоэффективных многолучевых бортовых
антенных систем. Максимально-возможный запас по энергетике, реализуемый в
современных системах, как правило, не превышает 20 дБ и реализуется в основном
за счет снижения скорости передачи.
Структура орбитальных группировок
Концепция построения систем 3-го
поколения может быть реализована в системах с космическими аппаратами (КА) на
геостационарной (ГСО) и негеостационарной (НГСО) орбите (табл. 4.8). Несмотря
на перегруженность ГСО и наличия большой суммарной задержки (в среднем около
500 мс), эта орбита по-прежнему будет очень привлекательна для связи благодаря
тому, что она не вносит перерывов в обслуживании. Система из 3-4 спутников на
ГСО обеспечивает охват почти всей территории Земли. Однако системы с
геостационарными КА будут потенциально эффективны лишь в случае, когда
формируемые на поверхности Земли зоны обслуживания будут сравнительно невелики.
Прообразом систем будущего может явиться система Thuraya .
Построение космического сегмента на
негеостационарной орбите будет практически совпадать с тем, которое используется
в существующих системах 2-ro поколения. Европейским космическим агентством
(ESA) предложено использовать для связи 4 типа НГСО группировок, которые
достаточно близки к тем, которые используются в системах GIobaIstar (LEO),
EIIipso (Borealis), IСО (МЕО), Archimedes (НЕО). Переход к негеостационарным
орбитам позволяет обеспечить более высокие характеристики обслуживания
абонентов за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся
одновременно в зоне радиовидимости абонентского терминала. Особенность
негеостационарной орбиты состоит в том, что по мере снижения высоты, с одной
стороны, увеличивается энергетический запас в радиолинии, а, с другой стороны,
снижается суммарная длительность сеансов связи и увеличивается доплеровский
сдвиг частоты.
Таблица 4.8. Варианты построения орбитальной
группировки для систем 3-го поколения (ESA)
Первоначально в ITU
поступили на рассмотрение пять проектов (рис. 4.4), которые можно разделить на
две группы. Первая из них основана на использовании технологи TDMA: Horizons
(Inmarsat), ICO RTT (ICO Global Communications), а другая создается на базе
CDMA: SAT-СОМА (Южная Корея), И-CDMA и SW-CTDMA (ESA). Несколько позже был
заявлен еще один проект INX (Iridium Next Generation), подготовленный компанией
Motorola.
Рис. 4.4. Переход к спутниковым системам 3-го
поколения
Проекты, основанные на СОМА
Европейским космическим агентством (ESA)
совместно с рядом ведущих компаний Европы разработаны два предложения: первое
из них основано на широкополосном кодовом разделении каналов SW-CDMA (Satellite
Wideband CDMA), а второе — на гибридном кодово- временном разделении каналов,
получившим название SW-С/TDMA (Satellite Wideband Code and Time Division
Multiple Access).
Основная идея проекта
SW-CDMA заключается в адаптации технологии широкополосной системы с кодовым
разделением WCDMA, разработанной в рамках проекта системы UTRA FDD,
применительно к спутниковой связи [49].
В системе SW-CDMA
используется структура логических каналов, сходная с той, которая реализуется в
наземной сети UTRA. Длина кадра равна 20/10 мс и может изменяться в зависимости
от чиповой скорости 1,92 или 3,84 Мчип/с. Структура кадра аналогична той,
которая предложена в наземной сети UTRA. Кадр состоит из 15 канальных
интервалов длиной 0,625 мс (3,84 Мчип/с) или 1,25 мс (1,92 Мчип/с).
Некоторые отличия от
UTRA имеются в структуре передаваемых сообщений. Вместе с пилотсигналом и
командами управления излучаемой мощностью TPC (Transmit Power Control) по
спутниковому каналу передается сигнал, в котором указана скорость передачи
текущего кадра.
Вследствие того, что
задержки в спутниковой системе больше, чем в наземной сети, для повышения
быстродействия замкнутой петли регулирования использован 4-уровневый сигнал (2
бита на кадр). Суперкадр (мультикадр) длиной 600 мс образуется путем
объединения 60 или 30 кадров (в случае половинной скорости). Модуляция данных
осуществляется с использование QPSK. Для снижения фазовых ошибок при малых
скоростях передачи (менее 4,8 кбит/с), вместо QPSK применяется BPSK или
двухканальная BPSK (dual BPSK).
В случае, если передача
пейджинговых сообщений по вызывному каналу невозможна, то в системе SW-CDMA
предусмотрен режим с пониженной скоростью, так называемый канал с высокой
проникающей способностью HPPCH (High Penetration Paging Channel). Для
обеспечения необходимого запаса по энергетике не менее 20 дБ скорость передачи
понижается до 1,2 кбит/с (информационная скорость 100 бит/с и ниже). Для
обеспечения нормального функционирования системы необходимо, чтобы различные
спутники не излучали сигнал HPPCH одновременно в одном и том же географическом
районе.
В системе W-С/TDMA
реализуются два режима: традиционный двухчастотный дуплекс (FDD) и
комбинированный частотно-временной дуплекс FDD/TDD (Frequency-Time Division
Duplex). В режиме FDD/TDD каналы передачи и приема являются ортогональными во
времени, однако передаются на разных частотах [50].
В спутниковой связи
комбинированный метод FDD/TDD имеет ряд преимуществ по сравнению с “чистым”
временным дуплексным разносом (передача на одной несущей). В отличие от сетей
наземной подвижной радиосвязи, где выделены отдельные участки спектра для
работы в непарных полосах частот (TDD), в спутниковой связи такого диапазона
нет. Кроме того, нельзя забывать о том, что комбинированный режим FDD/TDD
приведет к определенному усложнению абонентской аппаратуры.
Схемы многостанционного
доступа в прямом и обратном каналах системы W- C/TDMA являются различными. В
первом случае используется синхронная передача с кодово-временное разделением
каналов W-О-С/TDMA (Wideband Orthogonal С/TDMA), а во втором — квазисинхронная
передача W-QS-С/TDMA (Wideband Quasi-Synchronous С/TDMA).
Проект спутниковой
системы SAT-СОМА подготовлен Ассоциацией телекоммуникационных технологий (ТТА,
Южная Корея). Орбитальная группировка системы будет состоять из 48 КА
находящихся на высоте
Основу технологии
SAT-CDMA составляют широкополосные CDMA-каналы (ширина полосы 5 МГц на
несущую). На борту спутника должна быть установлена антенная система,
формирующая 37 узких лучей, в каждом из которых передача осуществляется на 3-х
несущих частотах. Планируемая скорость передачи — от 9,6 кбит/с до 144 кбит/с
(табл. 4.9). В. системе SAT-CDMA намечено задействовать эффективные способы
борьбы с замираниями и методы компенсации потерь, обусловленных эффектом Доплера
[51].
Проекты, основанные на ТОМА
В рамках программы
IMT-2000 предложены два проекта систем спутниковой связи нового поколения: ICO
RTT (ICO Global Communications) и Horizons (Inmarsat). Система персональной спутниковой
связи ICO является одной из первых, которая реально будет предоставлять услуги
в диапазоне частот 1980-2100 МГц и 2170-2200 МГц, начиная уже с 2001 года.
Проект ICO RTT в целом повторяет
конфигурацию системы ICO с узкополосной TDMA. В этих проектах используется один
и тот же метод многостанционного доступа FDMA/TDMA, работа обеспечивается в
общих полосах частот, орбитальная группировка также одинакова, т.е. включает 10
КА (2 плоскости по 5 КА в каждой) с высотой орбиты
Ретрансляционный
комплекс создается на базе прозрачного ретранслятора с антенной системой,
формирующей 163 узких луча (на прием и на передачу). Кадр длиной 40 мс разделен
на 6 канальных интервалов. Исходная канальная скорость для каждого интервала
выбрана равной 2,4 убит/с (без кодирования) или 4,8 кбит/с (с кодированием).
Наземная инфраструктура строится на базе сети ICONET, что обеспечивает полную
преемственность двух проектов. Фактически, проект ICO RTT — это дальнейшее
развитие узкополосной системы с тем же названием [52].
Основные изменения
связаны с повышением пропускной способности и спектральной эффективности
системы за счет увеличения скорости передачи информации до 38,4 кбит/с. Однако,
увеличение скорости планируется реализовать лишь в терминалах профессиональных
пользователей, используя в них объединенные канальные интервалы. Для передачи
речи и данных в прямом канале задействуется модуляция QPSK/BPSK, а в обратном
канале— GMSK. Для передачи речи применяется сверточное кодирование (R=I/3), а
для данных- код Рида-Соломона в сочетании со сверточным кодированием.
В проекте системы ICO
RTT предложена гибкая канальная структура, позволяющая передавать информацию со
скоростью от 1,2 до 38,4 кбит/с в прозрачном и непрозрачном режимах. В
вокодере, который оптимизирован под канальную структуру с длительностью кадра
40 мс, применяется алгоритм АМВЕ.
Разработчики ICO RTT
намерены обеспечить управление мощностью за счет объединенного канала
управления АССА (Associated Control Channel), который состоит из двух
подканалов: SACCH (Slow АССА ) и FACCH (Fast АССА ). Максимальная скорость
передачи управляющей информации по низкоскоростному каналу SACCH 160 бит/с, а
по быстродействующему каналу FACCH — 80 бит за кадр 40 мс. С целью снижения
уровня помех в ICO RTT планируется обеспечить управление мощностью с точностью
+ 1 дБ.
В системе предусмотрено
автоматическое переключение каналов между разными лучами одного и того же
спутника, а также между лучами соседних спутников. Перерыв связи при жестком
хэндовере не превышает 80 мс. Планируется также для отдельных пользователей
обеспечить режим мягкого хэндовера. В качестве базовых в системе IСО
RTT предполагается использовать портативные двухрежимные терминалы, совмещенные
с сотовыми телефонами.
Проект создания системы
спутниковой связи Horizons предложен международной организацией Inmarsat (53).
Система строится на базе нескольких геостационарных КА с большим числом узких
лучей. В системе Horizons планируется реализовать спектрально- эффективные
методы модуляции (1,4 бит/с/Гц), кратное повторное использование частот (n=5),
турбо-кодирование. Речь может передаваться с изменяемым качеством, т.е. с
вероятностью ошибки от 10' до 10 . Достоверность в канале передачи данных лежит
в пределах от 10 ' до 10 ". Высокая скорость передачи (144 кбит/с)
обеспечит предоставление широко- го спектра услуг, в первую очередь,
мультимедийных услуг, а также оперативный доступ в сеть Internet и
корпоративные интрасети.
В качестве абонентского
устройства предлагается малогабаритный мультимедийный терминал (масса не более
750 r) с малым энергопотреблением. Высокое качество связи достигается за счет
автоматического переключения каналов в момент перехода мобильной станции с одного
луча геостационарного КА на другой. Такая возможность достигается за счет
использования двух каналов: узкополосного (связь в глобальном луче) и
широкополосного (связь в узком луче).
5. COTOBЫE СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ ТОМА
5.1. На пути к единому стандарту ТОМА
В качестве будущих радиоинтерфейсов 3-го
поколения ITU рассматривает два проекта на базе технологии TDMA: американский
UWC-136 (IMT-SC) и европейский проект ЕР ПЕСТ (IMT- FC). Однако эти два
варианта далеко не исчерпывают всех возможных путей создания перспективных
систем с временным разделением каналов. Им предшествовали многочисленные НИОКР,
проведенные в рамках европейской программы UMTS, в том числе: ATDMA (Advanced
TDMA), R-TDMA (Reservation TDMA), WB-ТОМА (FRAMES) и другие [54].
Выбор оптимальных
направлений эволюционного развития сетей GSM и TDMA" (IS- 136), так же как
и сетей 3-ro поколения, еще не завершен. Прогнозы показывают, что к
Эволюция сетей GSM
В конце 80-х годов, когда основы GSM
только закладывались, бытовало мнение, что этот стандарт технически
перенасыщен, и его возможности никогда реально не будут востребованы. Однако
уже сегодня все базовые возможности стандарта не только реализованы, но и
заложены основы для дальнейшей его модернизации. Совершенствование сетей GSM
идет в направлении UMTS/IMT-2000 по нескольким взаимосвязанным направлениям:
— интеграция с другими
сетями радиосвязи (DECT и узлами доступа к 1п1егпе1/1п1тапе1); — создание
интегрированных сетей GSM-900/GSM-1800, и в перспективе, GSM-400;
— внедрение новых
технических решений, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных с
коммутацией пакетов и взаимодействие с сетями ТфОП, Х.25, АТМ и ISDN.
В технологию GSM вложены
немалые инвестиции, и это предопределило эволюционный путь ее развития.
Происходит постепенное наращивание сетевых элементов, усовершенствование
контроллеров и базовых станций, разработка и создание двухрежимных абонентских
терминалов. Использование GSM в качестве базовой технологии для предоставления
услуг 3-го поколения имеет, и другое важное преимущество — практически с первых
дней работы модернизированной сети она будет обладать потенциально большой абонентской
базой.
К настоящему времени
наметились следующие основные пути совершенствования систем на базе GSM (рис.
5.1):
— высокоскоростная
передача данных с коммутацией каналов HSCSD (High Speed Circuit Switched Data);
— обобщенные услуги
пакетной радиопередачи GPRS (General Packet Radio Service);
— реализация системы
радиодоступа EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution); Ф” — внедрение
системы GSM-400 для связи в сельских и малонаселенных районах.
В настоящее время уже
очевидно, что модернизация GSM и развитие UMTS будут происходить в течение
длительного времени, при этом обе технологии будут развиваться параллельно.
Первый шаг — это начавшийся этап внедрения технологии HSCSD, ориентированной на
передачу данных с коммутацией каналов. Значительно более широкие возможности
могут быть реализованы при использовании новых версий стандарта GSM (GPRS и
EDGE), представляющих собой платформу, удобную для внедрения услуг UMTS. Эту
фазу развития стандарта GSM принято обозначать (2G+” или “2,5G>) (рис. 5.1).
Усовершенствование TDMA (IS-136) планируется реализовать в рамках стандарта
3-го поколения UWC-136.
Рис. 5.1. Стратегия перехода к системам 3-го
поколения на базе ТДМА
Несмотря на успехи развития систем 2-го поколения,
ряд новых требований лежат за пределами их возможностей. К их числу можно
отнести предоставление услуг мультимедиа, асимметричную передачу со скоростью
до 2048 кбит/с с гибким перераспределением трафика в прямом и обратном каналах.
4 0 возможности слияния GSM и TDMA
В условиях мощного
наступления CDMA, особенно в перспективных проектах систем 3-го поколения,
неверно было бы утверждать, что метод доступа с временным разделением — это
неперспективная технология. Если бы сегодня произошло слияние GSM и TDMA
(IS-136), то мир бы стал свидетелем рождения глобальной сети мобильной связи.
Это является мощным стимулом для поиска вариантов взаимодействия и путей
сближения этих двух, по сути, родственных, технологий.
Предпосылки для
конвергенции GSM и ТОМА (IS-136) на базе технологии Е1ХЗЕЛЛ11/С-136 уже
созданы. Между Всемирным консорциумом мобильной связи UWCC и североамериканским
альянсом GSM (The North American GSM) подписаны соглашения, которые закладывают
основы для их глобального слияния. Достигнутые соглашения охватывают вопросы
взаимной интеграции, разработку гармонизированных спецификаций для абонентских
терминалов и применения новых технологий GPRS и EDGE. Такой подход обеспечит не
только взаимную совместимость технологий GSM и ТОМА, но и позволит уменьшить
затраты на внедрение. Принятию данного решения в немалой степени способствовало
то, что членами консорциума UWCC являются не только такие известные
североамериканские компании-
производители оборудования, как 1.исеп1,
Motorola, Hughes, Nortel, IBM, Sun, Compaq, но также представители Европы
(Ericsson, Nokia, Philips) и Японии (Mitsubishi, NEC, Sony).
Выбор UWC-136 в качестве
ключевой технологии 3-го поколения не только не ущемит интересов основных
поставщиков оборудования подвижной связи, но, по существу, может стать
единственно возможным компромиссом между Америкой, Европой и Азией. Таким
образом, появилась реальная возможность развития двух базовых стандартов GSM и
TDMA по единому сценарию. Однако о полном слиянии двух технологий говорить еще рано.
Основное препятствие —
несовместимость концепций развития мобильной связи в Европе и США,
проявляющаяся, прежде всего, в различных подходах к распределению частот.
Немаловажным является также тот факт, что требования североамериканских и
европейских стандартов не гармонизированы, например, они отличаются по
допустимому уровню помех по соседним каналам, мощности внеполосного излучения и
другим параметрам., что может затруднить межсистемную ЭМС [57].
Достижение согласия по
единому стандарту TDMA является многоаспектной задачей, которая преследует цель
не только создать систему нового поколения, но и в максимальной степени учесть
требования операторов и конечных пользователей.
5.2. Высокоскоростная технология HSCSD
Современные сети передачи данных GSM
имеют низкую скорость передачи — до 9,6 кбит/с. Фактически ее достаточно только
для организации работы электронной почты и передачи коротких сообщений длиной
160 символов (служба SMS). Маршрутизация данных в сетях GSM осуществляется с
использованием оборудования с коммутацией каналов, что представляет
определенные неудобства для пользователей. Время установления соединения при
использовании модема достаточно велико — около 20 с. Все эти факторы
свидетельствуют о том, что в рамках существующего стандарта GSM обеспечить
выполнение требований IMT-2000 невозможно.
Одним из основных
направлений совершенствования сетей GSM стало постепенное увеличение скорости
передачи информации на один канальный интервал с 9,6 кбит/с до 69,2 кбит/с
(рис. 5.2). Дальнейшее увеличение скорости возможно за счет выделения одному
пользователю нескольких или всех канальных интервалов в кадре TDMA.
Рис. 5.2. Пропускная способность на один канальный
интервал
Первый шаг в направлении
совершенствования существующих сетей GSM — реализация на базе технологии HSCSD
передачи данных со скоростью 19,2 кбит/с (2 канальных интервала по 9,6 кбит/с)
или 28,8 (2х14,4) кбит/с. Следует отметить, что на этих скоростях в настоящее
время работает большинство пользователей сети Internet в европейских странах.
Внедрение HSCSD со
скоростью до 28,8 кбит/с потребует в основном модификации программных средств и
протоколов обмена, при этом инфраструктура действующей сети GSM останется
неизменной. При занятии двух канальных интервалов в одном кадре временной сдвиг
между приемом сигналов базовой станции и последующей их передачей мобильной
станцией не превышает 4 интервалов, что в принципе поддерживается существующими
протоколами GSM.
В HSCSD используются две
схемы кодирования. CS1 со скоростью передачи 9,6 кбит/с и CS2 со скоростью 14,4
кбит/с. По мере развития HSCSD планируется дальнейшее увеличение скорости за
счет объединения четырех временных интервалов и передачи информации со
скоростью 38,4 (4x9,6) кбит/с (схема С$1) или до 57,6 (4х14,4) кбит/с (схема
CS2). Такой режим уже не поддерживается существующими GSM телефонами и не может
быть реализован без их доработки.
Что же касается еще
большого увеличения скорости до 76,8 кбит/с (CSI) или 115,2 (CS2) путем
агрегирования 8 каналов по 9,6 кбит/с или 14,4 кбит/с, то реализация такой
возможности потребует доработки магистральной базовой сети, где скорость обмена
информацией между базовыми станциями и центром коммутации MSC ограничена
величиной 64 кбит/с (А-интерфейс).
Несмотря на возможность
увеличения в несколько раз скорости передачи технология HSCSD не позволяет
избавиться от главного недостатка существующих GSM сетей — неэффективной
обработки небольших по объему потоков данных, и соответственно, нерационального
управления радиоресурсами. Принятый в сетях GSM метод начисления платы — за
время соединения, а не за реальное использование канала — является, пожалуй,
одним из основных тормозов на пути внедрения услуг передачи данных HSCSD.
Начиная с
5.3. Служба передачи данных GPRS
Архитектура GPRS
Существующие сети GSM, в том числе и
новая технология HSCSD, могут поддерживать только трафик сетей с коммутацией
каналов. Поэтому одним из важных шагов на пути эволюции сетей GSM к UMTS и IMT-2000
— стало внедрение услуг пакетной передачи GPRS (Genera1 Packet Radio Service).
Система GPRS обеспечит сквозную передачу данных (от абонента до абонента) в
пакетном режиме по IP-протоколу с повышением скорости передачи до 115,2 кбит/с.
Здесь важно отметить, что именно служба GPRS способна предоставить новые виды
услуг 3-го поколения уже сейчас, т.е. еще до начала развертывания сетей
IMT-2000.
Поскольку служба
передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM, то не требуется
кардинальной модернизации существующей сетевой инфраструктуры. Что же касается
новых функциональных возможностей и изменения принципа сопряжения с внешними
сетями, то, по сути, они являются всего лишь расширением существующей сети GSM
(рис. 5.3).
Рис. 5.3. Архитектура сети GPRS
С системных позиций
внедрение GPRS связано с добавлением в развернутую сеть GSM, как минимум, двух
базовых узлов для поддержки службы пакетной передачи данных: сервисного узла
SGSN (Serving GPRS Support Node) и шлюзового узла GGSN (Gateway GPRS Support
Node). Кроме того, необходима также модернизация контроллеров базовых станций
(BSC) и доработка программного обеспечения.
Сервисный узел SGSN
обеспечивает маршрутизацию пакетов, аутентификацию и шифрование, а также
управление мобильностью для всех абонентов, находящихся в его зоне
обслуживания. На более высоком сетевом уровне узел SGSN поддерживает функции,
аналогичные тем, которые обеспечивает центральный коммутатор с визитным
регистром положения MSC/VLR в сетях с коммутацией каналов. Исходящий трафик из
узла SGSN перенаправляется на контроллер базовой станции, а от него — на
мобильные терминалы абонентов.
Связь сети GSM с
внешними сетями передачи данных по протоколам Х.25 и IP реализуется через узел
GGSN, который играет роль шлюза между SGSN и PDN. Узел GGSN перенаправляет
пакеты данных, поступающие из внешней сети PDN в узлы SGSN, а от них по
радиоканалу пакеты поступают к мобильным терминалам (МТ).
В оборудовании GGSN
реализованы функции обеспечения безопасности, обработки счетов абонентов и
динамического выделения IP-адресов. С точки зрения внешней сети узел GGSN
выглядит как некая “диспетчерская” станция, владеющая адресами всех IP-
абонентов, обслуживаемых системой GPRS.
Узлы SGSN и GGSN могут взаимодействовать
друг с другом, используя IP- маршрутизаторы. Обмен пакетами данных между ними
осуществляется по магистральной линии с использованием туннельного протокола
GTP (GPRS Tunnel Protocol), который обеспечивает капсулирование" пакетов в
прозрачном режиме.
Вновь введенные узлы
GPRS предназначены для наращивания сетевой инфраструктуры на базе IP-протокола.
Что же касается их конкретного расположения в сети, то оно может быть различным
— они могут быть физически объединены в одном узле сетевой структуры (GSN) или
распределены по сети. Такой подход к построению совмещенной сети GSM/GPRS
позволяет оператору начать предоставление услуг на небольших сегментах сети с
малым числом узлов SGSN и GGSN при минимальных первоначальных затратах.
Когда SGSN и GGSN
расположены в одном узле GSN, то они взаимодействуют через интерфейс Gn
(интерфейс сети Frame Relay). В случае их расположения в разных сетях PLMN
связь между ними осуществляется через интерфейс Gp (рис. 5.3). Отличие
интерфейса Gp от Gn в том, что Gp не только выполняет все функции интерфейса
Gn, но и дополнительно обеспечивает повышенные меры безопасности, которые
необходимы при установлении межсетевых соединений между разными PLMN.
Каждый абонент в
совмещенной сети GSM/GPRS “закрепляется” за одним или несколькими
обслуживающими узлами SGSN с помощью основного регистра положения HLR. Узел
SGSN может запрашивать сведения об абонентах, взаимодействуя с основным
регистром HLR через интерфейс Gr. Для управления сигнализацией тех абонентов,
которым предоставлена возможность работать одновременно в двух режимам
передачи; т.е. с коммутацией пакетов и каналов, используется специальный
интерфейс Gs между визитным регистром положения VLR и сервисным узлом SGSN
[58].
Сведения об абонентах
может также запрашивать шлюзовой узел GGSN, взаимодействуя с основным регистром
положения HLR, через интерфейс Gc. Связь между внешней сетью PDN и сетью
GSM/PLMN поддерживается с помощью GGSN через интерфейс Gi.
Кроме этих двух базовых узлов
в состав сети GPRS входит также еще один новый (нетиповой) для GSM-сетей
элемент — центр услуг широковещательной передачи PTM-SC (Ро1пйо-Multipoint
Service Center), который предназначен для обработки широковещательного трафика
между магистральным каналом сети и основным регистром положения — HLR (на рис.
5.3. не показан).
В стандарте GPRS
определены три класса терминалов, которые предназначены для работы в разных
режимах.
Терминалы класса А
предоставляют самый полный спектр услуг. Они поддерживают одновременно два
режима работы — в сети GSM (коммутация каналов) и в сети GPRS (коммутация
пакетов). Обладатели терминалов класса В также смогут работать в двух режимах
GSM/GPRS, но поочередно, т.е. в каждый момент времени обеспечивается
передача одного вида трафика: с коммутацией каналов или пакетов.
И, наконец, терминалы
класса С могут функционировать только в режиме пакетной передачи. Такая
классификация позволяет новым абонентам с самого начала работать в широких
зонах покрытия GSM-сетей. Терминалы каждого из трех классов способны
поддерживать режим многоканальной (многослотовой) работы, обеспечивая при этом
максимальную скорость на канальный интервал 21,4 кбит/с.
Канальная структура и кодирование
Для передачи IP трафика в GPRS используется
один или несколько выделенных логических каналов, называемых РОСН (Packet Data
Channel) и оптимизированных для пакетной передачи данных.
Канальная структура GPRS
включает три типа логических каналов [59]. Информационные пакеты передаются по
логическому каналу PDTCH (Packet Data Traffic Channel). Широковещательная и
общесистемная информация передается с базовой станции на мобильные по каналу
PBCCH (Packet Broadcast Control Channel).
Третий тип логического
канала PCCCH (Packet Common Control Channel) предназначен для передачи
управляющей информации. В системе GPRS он выполняет несколько функций. По нему
передаются сообщения о вызове, указывающие на начало пакетной передачи. Канал
PCCCH может также использоваться базовой станцией для передачи данных о распределении
сетевых ресурсов между мобильными станциями. Однако использование PCCCH не
является обязательным во всех сотах сети GSM/GPRS. Вместо него мобильный
абонент может прослушивать стандартный канал управления СССР, используемый в
GSM [58].
Один канал PDCH
отображается в один временной интервал длиной 576,92 мкс, что позволяет
использовать ту же канальную структуру, что в обычных сетях GSM. Передача
информации в GPRS осуществляется со скоростью 270,833 кбит/с с использованием
гауссовской манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Как и в GSM один символ
кодированной последовательности соответствует одному модулированному символу.
Формат канального интервала в GPRS также идентичен GSM, т.е. он содержит 2x58
информационных битов (в том числе 2 служебных бита), 26 битов обучающей
последовательности, 2х3 конечных символа (tail symbol). Соседние интервалы
разделены защитным промежутком, равным по длительности 8,25 битам.
В GPRS предложена новая
структура пакета, который состоит из 456 бит (4 информационных блока по 114
бит, что соответствует общей скорости передачи в канале 22,8 кбит/с (табл.
5.1). Для целей резервирования в структуру сообщений GPRS введен статусный флаг
в линии “вверх” USF (Uplink Status Flag).
Таблица 5.1. Основные характеристики схем
кодирования в GPRS
Для обеспечения гибкости
и повышения пропускной способности в системе GPRS предложены 4 схемы
кодирования данных: от CS I до CS4. Для управления работой радиолинии в режиме
пакетной передачи разработан специальный протокол Ю.С, который обеспечивает ее
адаптивную настройку, программную перестройку частоты (SFH) и управление
мощностью. Адаптация радиолинии включает выбор той или иной схемы кодирования
CS I-CS4 в зависимости от видов передаваемой информации, характеристик
радиоканала и уровня помех.
Таким образом, в режиме
GPRS каждому абоненту может выделяться от 1 до 8 канальных интервалов. Во время
пакетной передачи ресурсы линии связи “вверх” и “вниз” могут определяться
независимо, т.е. в системе может быть применен асимметричный режим пакетной
передачи. Реализованная на практике скорость передачи данных в GPRS составляет
115,2 (8х14,4) кбит/с, однако теоретически она может быть увеличена до 171,2
(8х21,4) кбит/с при использовании схемы кодирования CS4 (см.табл. 5.1).
Принципы оптимизации
качества связи при использовании четырех вариантов кодирования данных в
зависимости от отношения сигнал/помеха (С/I) иллюстрируются на рис. 5.4. Первая
схема С$1 гарантирует соединение в любых условиях и наиболее удобна при передаче
сигнализации и коротких сообщений. Вторая схема С$2 предназначена для передачи
трафика и позволяет увеличить пропускную способность сети. Два других варианта
кодирования обеспечивают наивысшую скорость передачи при высоком отношении
сигнал/помеха (С/I), однако уступают С$1/CS2 при отношении С/I меньше, чем 9
дБ. Следует отметить, что реализация CSЗ, С$4 потребует модернизации
Abis-интерфейса.
Рис. 5.4. Максимальная пропускная способность
радиоинтерфейса GPRS на канал
Биллинговая система для GPRS
Основное отличие технологии GPRS от
высокоскоростной передачи HSCSD — новый механизм тарификации, допускающий
возможность совместного использования несколькими абонентами одного канала
(канального интервала), и одновременного предоставления нескольких видов услуг,
например, прием сообщения от третьего абонента во время сеанса связи со вторым.
В этом случае оплата перераспределяется между разными абонентами, использующими
один и тот же канал. Фактически, абонент в GPRS платит не за время занятия
канала, а только за объем передаваемой информации.
Традиционные биллинговые
системы, в которых плата за услуги исчисляется за время разговора с учетом
времени суток, непосредственно не могут быть применимы для пакетной передачи.
Поэтому появление GPRS повлечет за собой изменения в организации работы
биллинговой системы, которая станет неотъемлемой частью архитектуры GPRS.
В задачи билингового
шлюза BG (Billing Gateway) входит предварительная обработка биллинговой информации,
поступающей со всех узлов SGSN и GPRS (рис. 5.3). Программа- посредник
обрабатывает весь IP-трафик и передает данные в существующий билинговый центр
компании-оператора.
Такой механизм сбора
тарифной информации позволит избежать необходимости создания принципиально
новой биллинговой системы для GPRS (а в дальнейшем и для UMTS), а ограничиться
лишь модернизацией одного модуля. Забегая вперед, заметим, что при внедрении
UMTS дополнительно потребуются лишь небольшие изменения, связанные с тарификацией
мультимедийных услуг.
Хотя принципы начисления
оплаты в сетях GPRS в окончательном виде еще не определены, однако уже сейчас
ясно, что новые тарифы будут строиться на совершенно иных принципах оплаты, с
использованием более сложных показателей: объема переданной информации или
числа переданных пакетов, качества обслуживания, срочности доставки пакетов и
др. Тарифы в GPRS будут гибко дифференцироваться в зависимости от потоков
переданной информации, снижаясь по мере увеличения суммарного объема трафика.
5.4. Система радиодоступа EDGE
Предложение об использовании технологии
высокоскоростного радиодоступа EDGE'~ в качестве эволюционной базы для
стандарта GSM было предложено группой ETSI SMG в начале
стандартов GSM и TDMA (IS-136). В США
основные положения концепции EDGE легли в основу проекта стандарта UWC-136
[63].
Созданный на основе
стандартов GSM новый радиоинтерфейс EDGE (фаза 1) обеспечивает плавный переход
к 3-му поколению, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с на
несущую. Что же касается более высоких скоростей передачи 2048 кбит/с и выше,
требуемых для новых поколений пико — и микросотовых сетей, то их реализацию предлагается
осуществить на втором этапе развития EDGE (фаза 2).
Радиоинтерфейс EDGE
надстраивается над существующей схемой радиодоступа GSM и не требует создания
новых сетевых элементов. Он будет, совместим с другими службами GSM, в том
числе с HSCSD и GPRS. Кроме того, технология EDGE пригодна для использования в
сетях GSM, работающих в диапазонах частот 400, 900 и 1800 МГц.
К основным преимуществам
EDGE следует отнести использование спектрально эффективной модуляции и
адаптивной настройки канала в зависимости от требований абонента и реальной
помеховой обстановки. Первоначально в качестве базового метода модуляции в EDGE
была предложена квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK), однако
затем предпочтение было отдано 8-позиционной фазовой модуляции. По мнению
разработчиков стандарта, использование модуляции 8PSK приводит к меньшему
снижению средней мощности (около 2 дБ) по сравнению с OQPSK.
Эффективность
использования спектра EDGE почти в 3 раза выше, чем в GPRS. При развертывании
системы в полосе 600 кГц (модель повторного использования частот 1/3) может
быть обеспечена спектральная эффективность более 0,45 бит/Гц на соту [63].
Сравнительные характеристики технологий EDGE и WCDMA приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Сравнительные характеристики
технологий EDGE и WCDMA
Новые возможности
стандарта EDGE — это автоматическое распознавание типа модуляции, используемого
в радиолинии, с последующим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный
метод модуляции автоматически адаптируется к качеству канала радиосвязи,
предлагая самые высокие скорости передачи в наиболее благоприятных условиях
распространения радиоволн, особенно вблизи расположения базовых станций.
В EDGE организуются две
службы: усовершенствованная служба пакетной передачи EGPRS (Enhanced GPRS) и
усовершенствованная служба коммутации каналов ECSD (Enhanced Circuit Switched
Data). По сравнению с GSM максимальная скорость передачи на один канал будет
увеличена до 38,4 кбит/с для ECSD и до 69,2 кбит/с (EGPRS). Пропускная
способность на несущую теоретически увеличится до 553,5 кбит/с.
Аналогичным образом,
может быть повышена скорость передачи и в режиме коммутации каналов, путем
объединения нескольких канальных интервалов. Для ECSD станет возможной передача
в реальном времени потоков ISDN (64 кбит/с) с низкой вероятностью ошибки (BER),
при этом будут заняты лишь 2 канальных интервала по 32 кбит/с.
Кодирование в стандарте EDGE
В стандарте EDGE реализуются два метода
модуляции GMSK и 8PSK с одинаковой скоростью передачи символов. Поскольку
каждый символ 8PSK состоит из 3 битов, то в одном канальном интервале может
быть передано 346 информационных битов. В остальном структура мультикадра
совпадает с GSM, т.е. каждый кадр состоит из 8 канальных интервалов, а каждый 13
кадр — кадр ожидания.
В EDGE предлагается
адаптивная модуляция с коммутацией пакетов. В основе предложения также лежит
использование 6 уровней кодирования от PCS 1 до PCS 6 с различными
характеристиками помехоустойчивости (табл. 5.3). Смена режима кодирования
производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принят с низкой
достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой
помехозащищенностью.
Таблица 5.3. Основные характеристики схем
кодирования в системе EDGE (модуляция SPSK)
Результаты расчета
вероятности ошибки на блок (BLER) для различных схем кодирования в канале без
разнесенного приема указаны на рис. 5.5. Оценка произведена для транспортного
средства, двигающегося со скоростью
Рис. 5.5. Зависимость частоты появления ошибочных
блоков от отношения сигнал/помеха
Предоставление абонентам
услуг EDGE планируется обеспечить с помощью терминалов двух типов. В первом
более простом и дешевом терминале будет обеспечен режим 8PSK в линии “вниз” и
GMSK в линии “вверх”. Использование высокоскоростной передачи в прямом канале
хорошо согласуется со структурой трафика в пакетных сетях, который по своей
природе асимметричен. Ко второму классу относятся абонентские терминалы,
обеспечивающие симметричную передачу информации (8PSK) в обоих направлениях.
Новые возможности
предоставит многоскоростной речевой кодек AMR (Adaptive [ MultiRate со4ес) с
широким диапазоном переключаемых скоростей (до 32 кбит/с). Введение такого
речевого кодека в EDGE (фаза 2) позволит предоставлять услуги в микро- сотовых
сетях.
Таким образом, стандарт
EDGE является прекрасной платформой для создания интегрированной TDMA
технологии, которая обеспечит плавный переход от GSM и IS-136 к новым
возможностям систем 3-го поколения.
Эволюция технологии NMT к GSM
В диапазоне 450 МГц в настоящее время
работает аналоговая система NMT-450, которая непрерывно совершенствуется в
направлении увеличения пропускной способности и повышения качества связи. Так,
последняя версия стандарта предоставляет расширенный набор услуг по сравнению с
другими аналоговыми стандартами, в том числе автоматический роуминг с рядом
стран, где распространен стандарт NMT-450.
К сожалению,
существующие ограничения, такие как низкая пропускная способность и
помехозащищенность, низкая скорость и неэффективный режим передачи данных, а
также ряд других недостатков, присущих системам 1-ro поколения, не позволит
обеспечить качественно новый уровень обслуживания, соответствующий требованиям
IMT-2000.
В рамках программы
дальнейшей модернизации были рассмотрены три варианта преобразования аналогового
стандарта NMT-450 в цифровой [68]:
— GSM-400~'.
объединенное предложение Nokia и Ericsson, базирующееся на технологии
GSM-900/1800;
— CDMA-450: предложение
Hughes, Samsung и Qualcomm, заявленное от группы CDG ) (CDMA Development
Group); основано на технических решениях IS-95В и cdma2000;
— D-NMT (Digital NMT):
вариант фирмы Radio Design АВ (Швеция), представляющий собой комбинацию систем
GSM и TETRA; в качестве промежуточной технологии предлагается расширенная
аналоговая версия.
Рассмотрение этих вариантов
в международной организации NMT MoU показало, что в наибольшей степени
современным требованиям отвечает GSM-400. К числу основных преимуществ этой
технологии можно отнести — использование существующей инфраструктуры сетей GSM
и возможность организация глобального роуминга. Диапазон частот 450 МГц
обеспечивает прекрасные возможности по покрытию обширных территорий. Дальность
связи для GSM-400 почти в 2 раза больше, чем в GSM-900 (рис. 5.6), что особенно
важно при организации связи в сельской местности.
Рис. 5.6. Сравнительные характеристики покрытия для
сельской местности
Один частотный канал в
GSM занимает полосу в 8 раз шире, чем в NMT, т.е. в полосе 200 кГц можно разместить
8 частотных каналов NMT (или 16 в случае перемежающихся каналов). С учетом двух
защитных интервалов по 200-250 кГц на краях диапазона, при полноскоростном
кодировании можно обеспечить 160 каналов в полосе 4,5 МГц или 272 канала в
полосе 7,2 МГц (табл. 5.4).
Таблица 5.4. Сравнительные характеристики систем
GSM-400 и NMT-450
Как показали результаты
моделирования (69), при низких скоростях перемещения GSM-400 проигрывает
GSM-900 в отношении сигнал/шум 0,5-1 дБ на уровне 3% FER. Однако характеристики
GSM-400 значительно лучше при высоких скоростях. Максимальная скорость, при
которой еще обеспечивается приемлемое качество связи, составляет
Благодаря большей
дальности связи система GSM-400 обеспечивает экономически выгодное покрытие в
сельской местности, на побережьях, автострадах. Соотношение максимально
необходимого числа базовых станций в одном географическом регионе для GSM- 1800/900/400
определяется в виде 5,5:2,2:1, т.е. для GSM-400 требуется в 5,5 раз меньше
базовых станций, чем в GSM-1800.
Пропускная способность
системы зависит от структуры сети и коэффициента повторного использования
частот. При более плотной упаковке сот система имеет более высокую пропускную
способность, однако, усложняется частотное планирование из-за возрастания
уровня интермодуляционных помех, т.е.
сигналов с той же частотой, приходящих из соседних сот. Снижение уровня помех
может быть обеспечено применением специальных средств, например, адаптивных
антенных решеток (рис. 5.7). При менее плотной упаковке, например, для
частотного плана 7/21, требования по защите от интерференционных помех
снижаются, а процедура частотного планирования сети упрощается [5].
Если сеть GSM-900/1800
может обеспечить высокую пропускную способность, то GSM-400 предназначена для
использования в сотах с малым трафиком, но с большей зоной покрытия.
Рис. 5.7. Распределение емкости сетей NMT и GSM
Максимальный радиус соты
составляет порядка 100-
Таблица 5.5. Зоны покрытия для сельской
местности
В GSM-400 планируется
использовать адаптивный многоскоростной кодек AMR, который может гибко
подстраиваться под скорость передачи информации в радиоканале. Кодек будет
поддерживать 3-6 режимов передачи речи со скоростью от 5 до 13 кбит/с, причем в
случае использования полускоростных каналов (6,5 кбит/с) качество связи будет
сравнимо с тем, которое обеспечивает EFR (Enhanced Full Rate) кодер. Наиболее
эффективно будет применение адаптивного многоскоростного кодека в сотах с
большой зоной обслуживания и малой плотностью абонентов.
Сценарии совместного использования GSM-400 и NMT-450
В зонах, где NMT-450 работает с полной
нагрузкой, сеть GSM-400 позволит улучшить покрытие, а в существующих сетях GSM-900/1800,
работающих также с полной нагрузкой, появится возможность добавить новые соты,
чтобы увеличить емкость сети. В случае, когда пропускная способность невелика и
нет необходимости обеспечивать сплошное покрытие территории, можно с помощью
GSM-400 развернуть локальные сети, причем для этого достаточно иметь участок
спектра шириной 0,2 МГц в соте с всенаправленной антенной (omnicell).
Возможны два сценария
совместного использования GSM-400 и NMT-450. Базовые станции GSM-400 можно
разместить как на новых площадках, так и совместить их с GSM- 900/1800 или
NMT-450. В случае их размещения на одной и той же площадке взаимное влияние
будет минимальным, и, тем более, не возникнет ситуация, связанная с
“блокированием” приемников NMT-450. Кроме того, при соответствующем частотном
планировании возможна работа без защитных полос, что допустимо при частотном
плане 7/21, широко используемом в NMT-450.
При размещении
оборудования в разных пунктах, может возникнуть так называемый эффект
“дальний-ближний”, когда мобильная станция GSM-400, расположенная вблизи
базовой станции NMT-450, может создать недопустимо высокий уровень помех даже
при наличии защитных частотных интервалов. Чтобы снизить этот эффект,
применяется метод частотного планирования, а также работа в расширенной части
NMT диапазона частот (см. табл. 5.4).
Перспективы
Технология GSM-400
привлекательна для операторов NMT по ряду причин. Прежде всего, она позволяет
осуществить быстрый переход от 1-го к 3-му поколению, минуя промежуточный этап.
Использование двух — или трехрежимных терминалов GSM-400/900/1800 позволит
операторам гибко наращивать емкость сети, используя разные технологии в
зависимости от требований пользователей. При этом будет обеспечен глобальный
роуминг и прозрачный хэндовер между GSM-400 и GSM-900/1800.
В перспективе
абонентские телефоны GSM-400 будут поддерживать режим высокоскоростной передачи
данных по коммутируемым каналам (HSCSD) или в пакетном режиме (GPRS),
обеспечивать высокую помехоустойчивость благодаря скачкообразной перестройке
частоты. При использовании технологии EDGE скорость передачи в системе GSM-400
может быть увеличена до 384 кбит/с.
Для подтверждения
преимуществ данного технического решения была создана экспериментальная
двухдиапазонная система GSM-400/1800 и проведены полевые испытания [5]. Первый
успешный звонок, сделанный в сентябре 1999 года, подтвердил высокое качество
канала GSM-400.
В настоящее время
завершается этап стандартизации системы в ETSI/SMG. Введение в эксплуатацию
GSM-400 планируется осуществить в 2001 году. Прогнозируется, что общая
абонентская база GSM-400 к концу 2004 года составит 10-15 млн. абонентов.
5.6. Эволюция от 15-136 к 15-136+
Три версии радиоинтерфейса
Концепция построения системы 3-го
поколения на базе стандарта IS-136 изложена в проекте UWC-136 (Universal
Wireless Communications — 136), в котором обозначены три этапа
совершенствования, основанные на использовании разных типов радиочастотных
каналов (39):
— IS-136+ (без
расширения полосы существующего канала 30 кГц); — IS-136 HS (Outdoor/Vehicular)
с шириной полосы канала 200 кГц; — IS-136 HS (Indoor Office) с шириной полосы
канала 1,6 МГц.
В проекте UWC-136
предусмотрена возможность реализации услуг 3-го поколения в широком диапазоне
частот — от 450 МГц до 2,5 ГГц. Все версии радиоинтерфейса UWC-136 основаны на
использовании спектрально эффективных технологий, которые различаются как по
ширине полосы канала, так и используемому методу модуляции (табл. 5.6).
Благодаря использованию трех типов каналов, возможно гибкое наращивание
возможностей существующих сетей ТЬМА/AMPS с учетом потребностей современного
рынка услуг.
Таблица 5.6. Сравнительные характеристики трех версий
радиоинтерфейса
Канальная структура 15-136+
Реализацию радиоинтерфейса IS-136+ предлагается
осуществить с использованием новых спектрально эффективных методов модуляции и
высокоэффективных вокодеров в двух вариантах:
— на основе модуляции
QPSK и вокодера АСЕЬР~~ со скоростью речевого кодека 7,4 кбит/с; — с
использованием модуляции 8PSK и вокодера USI со скоростью 12,2 кбит/с,
реализованного на базе EFR (Enhanced Full Rate) кодера.
Кроме того,
предполагается обеспечить обратную совместимость с терминалами старого парка,
использующими модуляцию tt/4 DQPSK и речевой кодек VSELP (8 кбит/с).
В стандарте IS-136+
вводится новая схема канального кодирования СС2 (Channel Coding 2), позволяющая
повысить качество связи информационного канала DTCH (Digital Traffic Channel) в
прямом канале (базовая станция-абонент). По аналогии с ранее используемой
схемой кодирования СС1 (Channel Coding 1), в новом вариант кодирования
используется QPSK или тс/4DQPSK модуляция, при которой два информационных бита
отображаются в один модулированный символ. Символы передаются со скоростью 24,3
кбит/с. В каждом канальном интервале (КИ) длительностью 6,67 мс передаются 324
бита, что соответствует информационной скорости 16,2 кбит/с для
полноскоростного канала, занимающего два КИ в кадре 40 мс. Структура канального
интервала для радиоинтерфейса IS-136+ приведена на рис. 5.8.
Рис. 5.8 Структура канального интервала
15-136+ (вариант с вокодером ACELP)
Используемые
обозначения: DL (Digital Locator) — цифровой локатор
канала
управления, РОСС (Digital Verification Color Code) — цифровой код
верификации, F (Fast) — бит
быстрого
управления
мощностью, G (Guard Time) — защитный временной интервал, P (Pilot) — пилот-сигнал, R (Ramp Time) — линейно
изменяющийся
сигнал
управления
мощностью, PRAMP (Power control RAMP) — команда для
линейного
изменения
мощности, RSVD (Reserved for Future Use) — резервное поле, SACCH (8!он Associated Control Channel) — низкоскоростной совмещенный
канал
управления
мощностью.
Сравнение двух вариантов
кодирования СС1 и СС2 показывает, что из СС1 исключен низкоскоростной
совмещенный канал управления мощностью SACCH и 11-битовое поле цифрового
локатора И.. Вместо них дополнительно включены 18 битов полезной информации,
один бит для быстрой регулировки мощности и 4-х битовое поле для передачи
команд изменения мощности мобильной станции PRAMP. В новой структуре канального
интервала СС2 сохранены поля цифрового кода верификации DVCC и резервное поле
RSVD.
Вокодеры ACELP и US1
В стандарте IS-136+ используется схема с
неравномерной защитой от ошибок речевого потока с выхода вокодера ACELP. В
каждом канальном интервале передается речевой поток из 148 битов, который
разделен на три пакета, каждый из которых имеет разную степень защиты от помех
или, так называемый, класс кодирования. Самая высокая помехозащищенность
обеспечивается для первого пакета из 48 битов, отнесенного к классу Ia, что
обусловлено наиболее высокой ценностью содержащейся в нем информации. На
передачу данного пакета затрачивается 137 битов. Для второго пакета из 48
битов, содержащего менее значащую информацию, реализуется сверточное
кодирование со скоростью r=1/2 и “выкалывание” (исключение) 7 битов. Наименьшую
информационную ценность имеет третий пакет из 52 битов (класс 2), который
передается вообще без кодирования (табл. 5.7).
Таблица 5.7. Параметры кодирования речи для
ACELP с неравномерной защитой от ошибок
Выходной информационный
поток из 278 битов перемежается внутри канального интервала длительностью 6,67
мс, а весь поток из 324 битов дополнительно перемежается в пределах' нескольких
канальных интервалов. Перемежение символов позволяет повысить
помехозащищенность передачи информации в каналах с замираниями. Однако следует
иметь ввиду, что увеличение глубины перемежения приводит к соответствующему
увеличению задержки, которая в соответствии с рекомендациями 1МТ-2000 при
одностороннем распространении не должно превышать 40 мс.
В табл. 5.8. обобщаются
задержки, реализуемые в радиоинтерфейсе IS-136+ для двух типов вокодеров. В
ACELP (IS-641-А) используется QPSK модуляция с перемежением символов в пределах
одного слота. В варианте US I применяется вокодер с модуляцией 8PSK, который не
использует прогнозирование, обеспечивающее дополнительную задержку до 5 мс
(табл. 5.8).
Таблица 5.8. Общая задержка при использовании
двух типов вокодеров ACELP и U51
Вокодер US1 используется
в сочетании с 8-позиционной фазовой манипуляцией 8PSK, при которой 3 бита,
отображаются в один модулирующий символ, передаваемый со скоростью 24,3 кбит/с,
что эквивалентно передаче 486 битов на канальный интервал длительностью 6,67
мс. Структура одного интервала TDMA кадра приведена на рис. 5.9. Отличительной
его особенностью является введение 9-битовых пилотсигналов P, с помощью которых
обеспечивается когерентное детектирование сигналов на приеме.
Рис. 5.9. Структура канального интервала
15-136+ (вариант с вокодером US1)
Используемые
обозначения: DVCC
— цифровой код верификации, F — бит быстрого управления мощностью, G — защитный
временной интервал, P — пилот-сигнал, R — линейно изменяющийся сигнал
управления мощностью, PRAMP — команда изменения мощности, RSVD — резервное
поле, SACCH — низкоскоростной совмещенный канал управления мощностью.
Аналогично, как и в
случае с вокодером ASELP, в варианте с USI реализована неравномерная защита от
ошибок. При этом длина передаваемого речевого пакета увеличена со 148 битов
(ACELP) до 244 битов (US I). Входной поток из 244 битов разделен на три пакета:
80 битов (класс la), 76 битов (класс 1Ь) и оставшиеся 88 битов (класс 2),
которые передаются без кодирования. Повышение помехоустойчивости пакетов,
отнесенных к классу la, осуществляется за счет сверточного кодирования (r=l/2,
k=6) и циклического кода CRC (8 бит). Поток данных класса 1Ь после сверточного
кодера (r=l/2, k=6) прореживается со скоростью 2/3. Суммарный поток после
кодирования с неравномерной защитой от ошибок включает 399 и 372 битов
соответственно для обратного и прямого каналов (рис. 5.9).
Технология GPRS-13б
Услуги пакетной передачи данных в существующих
сетях TDMA (IS-136) реализуются со скоростью 19,2 кбит/с в сетях 2-го поколения
CDPD (Cellular Digital Packet Data). Кроме того, благодаря методу CS-CDPD
(Circuit Switched CDPD) предусмотрена возможность адаптации режима пакетной
передачи данных применительно к сетям с коммутацией каналов, что позволяет
абонентам аналоговых сетей AMPS или сетей общего пользования ТфОП пользоваться
услугами передачи данных.
В рамках стандарта
IS-136+ планируется скорость передачи данных увеличить до 52 кбит/с за счет
реализации “облегченного” варианта GPRS, получившего название GPRS-136 [59].
Развертывание GPRS в сети TDMA относительно несложно и экономически эффективно
— основные затраты будут связаны с введением маршрутизатора и разработкой
программных средств взаимодействия с внешними сетями.
В GPRS-136 физический
канал передачи данных PDCH состоит из двух логических каналов в линии “вверх” —
произвольного канала доступа RACH и канала трафика. В линии “вниз” РОСТ
включает четыре логических канала: широковещательный, вызывной, информационный
и канал обратной связи с пакетной передачей PCF (Packet Channel Feedback).
Последний тип канала используется для подтверждения ранее переданных пакетов.
Таким образом, при
работе с шагом сетки частот 30 кГц базисом для конвергенции сетей GSM и TDMA
может служить технология GPRS, а при смене шага сетки частот на 200 кГц в
качестве основы для слияния двух технологий больше подходит EDGE.