Stfw.RuСтандарты 3G
🕛 21.04.2007, 12:48
Одним из наиболее грандиозных проектов конца XX века является программа IMT-2000. В ее основе лежит идея создания нового семейства систем подвижной связи третьего поколения (3G), охватывающего технологии беспроводного доступа, наземной сотовой и спутниковой связи. В настоящее время в Международном союзе электросвязи (МСЭ) завершается процесс стандартизации новых технологий, участие в которой принимали многие региональные и национальные организации Европы, Северной Америки и Азиатско-Тихоокеанского региона.После ряда безуспешных попыток выработать и согласовать единые требования к системам 3-го поколения (см. «Сети», 2000, № 1, с. 39) МСЭ решил подойти к этой проблеме с других позиций. Суть новой концепции состоит в сохранении идеи глобального роуминга, но лишь в качестве идеологической основы для объединения существующих аналоговых и цифровых сетей с системами, базирующимся на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems). Приняв как данность не один, а семейство стандартов и отказавшись тем самым от принципа глобального международного стандарта, МСЭ активизировал свои усилия на их гармонизации.
Концепция систем 3-го поколения нацелена на создание условий для предоставления услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсимильных сообщений и данных любому абоненту с помощью мобильного терминала, имеющего единый номер. Стоимость услуги должна быть минимальна при приемлемом качестве и уровне безопасности. Главная цель разработки систем 3-го поколения - удовлетворение потребности массового рынка в персональной связи, и ее достижение будет зависеть как от тарифов для сетей общего пользования, так и от стоимости абонентского терминала.
Программа IMT-2000 базируется на ряде признаков, определяющих принципы построения систем 3-го поколения и их архитектуру. Уже на первом этапе развертывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:
до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;
до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;
до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).Вид услуги Скорость передачи, кбит/с Средняя длительность сообщения, с Режим работы Услуги
Голосовая связь 4-32 60 Коммутация каналов Речь, голосовая почта
Низкоскоростной обмен данными 9,6-14,4 30 Коммутация пакетов SMS, определение местоположения
Передача к коммутируемым данным (ISDN) До 64 156 Коммутация каналов Услуги сетей ISDN
Интерактивный обмен мультимедиа-данными 128-384 144 Коммутация каналов Видеотелефонная связь, передача изображений и больших объемов информации
Асимметричная передача мультимедиа-данных 384-2048 14-53 Коммутация пакетов Работа с сетями Internet и интрасетями
Таблица 1. Услуги систем 3-го поколения
Что же касается набора услуг, то он фактически приближается к предоставляемому в сетях фиксированной связи. Это и высокоскоростной доступ в Internet, и мультимедиа (табл. 1). Очевидно, что достижение таких высоких скоростей при ограниченном частотном ресурсе и работе в каналах с замираниями потребует разработки принципиально новых подходов к построению радиоинтерфейса.
Архитектура систем будущего включает два основных элемента: cетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Такая структура обеспечивает возможность наращивания инфраструктуры путем последовательной модификации ее составных элементов, но чтобы гарантировать работу сетей в долгосрочной перспективе, необходимо помнить об абонентской части архитектуры - терминалах, которые за счет изменяемой конфигурации должны удовлетворять требованиям многих стандартов.
Сухопутная подвижная связь
В июне 1998 г. в МСЭ поступило 10 предложений по проектам стандартов наземной связи, восемь из которых разработаны на базе технологии CDMA и два - на основе TDMA (табл. 2). Проекты были заявлены от трех крупных регионов мира - Северной Америки, Европы и Азиатско-Тихоокеанского - и отражают «национальные» различия в технологиях и путях перехода к системам подвижной связи 3-го поколения.Район Проект Краткая характеристика проекта
Европа (Район 1) UTRA (ETSI) Объединяет две технологии: широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/CDMA. Первоначально в качестве чиповой скорости была выбрана 4,096 Мчип/с, в процессе гармонизации значение уменьшено до 3,84 Мчип/с DECT EP (ETSI) Расширяет спектр услуг и пропускную способность системы микросотовой связи DECT
Северная Америка (Район 2) UWC-136 (TIA TR45.3) Базируется на технологии TDMA и предъявляет минимальные требования к частотным ресурсам cdma2000 (TIA TR45.5) Основан на эволюции стандарта cdmaOne (IS-95) и несовместим по чиповой скорости с предложениями WCDMA (ARIB) и UTRA (ETSI) WIMS (TIA T46.1) Компромиссное решение, объединяющее стандарты UTRA (Европа) и WCDMA (Япония) WCDMA NA (T1P1 ATIS) Во многом идентичен предложениям UTRA и WCDMA, но со своими особенностями применения режима TDD (Ericsson)
Азиатско-Тихоокеанский регион (Район 3) WCDMA (ARIB) Основан на широкополосной технологии DS-CDMA и содержит базовые технические решения для систем 3-го поколения с частотным дуплексным разносом. (Япония) Первоначально в качестве базовой чиповой скорости была выбрана 4,096 Мчип/с, впоследствии измененная на 3,84 Мчип/с CDMA I (TTA) Базируется на синхронной технологии DS-CDMA и технических решениях стандарта cdma2000 (Южная Корея) CDMA II (TTA) Основан на широкополосной асинхронной технологии DS-CDMA и технических решениях стандартов WCDMA и UTRA (Южная Корея) TD-SCDMA (CATT) Комбинированный вариант синхронной системы TDMA/CDMA (Китай)
Таблица 2. Проекты стандартов сухопутной подвижной связи
В Европе сумели выработать единую политику перехода к 3-му поколению, скоординировав деятельность всех европейских стран, в результате чего количество ее проектов ограничилось двумя: UTRA и DECT EP.
Однако следует отметить, что представленные в МСЭ 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 GSM-400, HSCSD, GPRS и EDGE. Но, по мнению заявителей, технологии GPRS и EDGE представляют собой всего лишь платформу, удобную для внедрения услуг UMTS/IMT-2000.
В США, в отличие от Европы, отказались от единого национального предложения и представили целых четыре проекта, два из которых подготовлены не институтами по стандартизации типа ANSI или TIA, а промышленными фирмами Qualcomm и Ericsson (Северо-Американским отделением) и могут «по сути» считаться корпоративными.
Фактически, предложения США означают три пути развития для 3G-систем. Первый из них основан на дальнейшем совершенствовании технологии TDMA*/AMPS, получившей широкое развитие не только в США, но и в мире. Этот стандарт предполагает использование мобильных терминалов с речевым кодеком VSELP (8 кбит/с), пакетную передачу данных CDPD (19,2 кбит/с), передачу коротких сообщений (SMS), факсимильную передачу (группа G3) и т. п. Концепция построения системы 3-го поколения на базе стандарта IS-136 изложена в проекте стандарта UWC-136 RTT, предложенном техническим подкомитетом TR-45.3 (США). Данный проект предполагает совершенствование стандарта TDMA в три этапа, причем на каждом будут использоваться три разных типа 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.
Второй проект предлагает постепенно наращивать пропускную способность системы cdmaOne**, переходя от существующей инфраструктуры к технологии cdma2000. Что же касается двух других предложений США -WCDMA NA (T1P1, США) и WIMS (TR-46.1), - то они практически полностью совпадают с предложениями от Европы (UTRA) и Японии (WCDMA) и в процессе дальнейшего рассмотрения слились в единый проект.
Другая особенность национального подхода США к проблеме 3-го поколения - совершенно отличный от других стран принцип распределения частотного ресурса. Частотное регулирование в США осуществляется за счет закрепления за операторами полос частот, распроданных с аукциона. Тот, кто заплатил деньги, имеет полную свободу в выборе типа используемого стандарта и сроков реализации проекта.
Огромный рыночный потенциал Азиатско-Тихоокеанского региона с учетом большой численности населения стал решающим фактором в определении стратегии развития мобильной связи 3-го поколения. На этой территории, отнесенной Регламентом радиосвязи к Району 3, активную позицию занимают несколько стран, в числе которых Япония, Корея, Китай и Малайзия. Их предложения по программе IMT-2000 убедительно свидетельствуют о стремлении этих стран к мировому лидерству в массовом применении новейших технологий связи. Несмотря на то что каждая из них имеет свои национальные особенности перехода к системам 3-го поколения, общей чертой проектов является смещение акцентов в сторону собственных производителей оборудования.
Южная Корея с 1991 г. активно участвует в разработках и внедрении сетей CDMA. Для нее международные стандарты мобильной связи, и прежде всего будущие стандарты IMT-2000, особенно важны, так как южнокорейские гиганты Samsung и Hyundai давно и последовательно реализуют свои планы покорения мирового рынка. Исходя из этого в ее проектах главный упор был сделан на производство оборудования CDMA. Все эти факторы определили общую основу двух радикально различающихся проектов стандартов для IMT-2000, поступивших от этой страны.
В Китае ориентируются на технологию GSM. Поэтому его проект основан на использовании комбинированного метода доступа и сочетании технологий TDMA и CDMA.
Два варианта - две стратегии
В рамках концепции IMT-2000 допустимы две стратегии перехода к 3G-системам: постепенное (эволюционное) и «одномоментное» (революционное). Рассмотрим те преимущества и недостатки, которые таит каждая из них (табл. 3).Определяющий фактор Эволюционный подход Революционный подход
Метод использования частотного ресурса Работа в старых диапазонах Освоение новых диапазонов
Принцип предоставления услуг Постепенно расширяемый ассортимент услуг Новые услуги с начала развертывания
Пропускная способность Постепенно наращиваемая Изначально высокая
Стратегия создания сетевой инфраструктуры Медленный и постепенный переход от 2G к 3G по мере появления спроса на услуги Создание опытных районов («островков») с полным набором услуг
Технологический уровень Новые технологии в отдельных элементах Все технологии - новейшие
Архитектура сети Максимальное использование существующей инфраструктуры Новая
Коммерческий риск Низкий Высокий
Состав операторов В основном те же, что и в 2G Операторы, купившие лицензии на услуги 3G
Глобальный роуминг С ограничениями Без ограничений
Капитальные затраты Незначительные Значительные
Таблица 3. Две стратегии внедрения услуг 3-го поколения мобильной связи
Революция предполагает внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов, однако предусматривает полную замену существующего оборудования и ПО, что сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Для отработки данной стратегии в разных районах мира уже создаются экспериментальные сети.
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 (подробнее см. «Сети», 2000, № 1, с. 34). Подход в США абсолютно иной - там спектр, выделенный для IMT-2000, уже занят службой PCS и 3G-системы будут работать в старых полосах частот вместе с существующими сетями стандартов TDMA/AMPS.
Эволюционное внедрение требует меньших капитальных затрат и предполагает плавную замену оборудования в зависимости от спроса на конкретные виды услуг. Такой подход позволяет максимально использовать существующую инфраструктуру сети связи, внедряя новые сетевые элементы в процессе последовательной модернизации.
Приверженцы двух наиболее массовых технологий 2-го поколения - TDMA/AMPS и GSM - стали сторонниками эволюционного пути 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 радиочастотного спектра возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM), введения многосекторных антенн или использования спектрально-эффективных методов модуляции (8PSK и др.).
Единство и борьба противоположностей
В борьбе за лидерство при принятии мировых стандартов 3-го поколения образовались два лагеря, оформившиеся в виде двух партнерских объединений: 3GPP и 3GPP2.
В первое объединение - 3GPP - входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона - CWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония). Важно отметить, что совместные позиции ETSI и ARIB должны упрочиться с внедрением экспериментальных сетей на базе WCDMA, активно разрабатываемых с участием компаний DoCoMo, Ericsson и Nokia.
Основной вклад партнерства 3GPP в программу IMT-2000 - гармонизация пяти проектов: UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (TTA). Его участники намерены предложить два варианта радиоинтерфейса. Первый - IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) - построен на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD), ориентированным на использование в парных полосах частот.
Другой тип радиоинтерфейса - IMT-TC (IMT-2000 Time-Code), представленный этим объединением в МСЭ, основан на кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) и предназначен для организации связи в непарных полосах частот. IMT-TC фактически представляет собой чисто формальное объединение двух различных технических решений - европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.
С технической точки зрения основное отличие вариантов IMT-DS и IMT-TC от ранее поступивших в МСЭ предложений - в базовой чиповой скорости. В этих проектах она изменена с 4,096 Мчип/с на 3,84 Мчип/с (табл. 4).Показатель Технология
IMT-DS IMT-MC IMT-TC IMT-SC IMT-FT
Авторы технических спецификаций 3GPP, ARIB, ETSI 3GPP2, TIA TR-45.3 3GPP, ETSI, 3GPP2, UWCC, CWTS ETSI TIA TR-45.3
Базовая технология WCDMA, UTRA FDD cdma2000 UTRA TDD TD-SCDMA UWC-136 DECT EP
Метод доступа DS-CDMA MC-CDMA TDMA/CDMA TDMA MC-TDMA
Дуплексный разнос FDD FDD TDD FDD FDD/TDD
Чиповая скорость, Мчип/с 3,84 3,6884 3,84 (UTRA) 1,28 (SCDMA) Н/д Н/д
Скорость передачи, кбит/c Н/д Н/д Н/д 384; 2048 1152; 2304; 3456
Вид модуляции QPSK/BPSK HPSK* QPSK/BPSK QPSK/BPSK HPSK* BOQAM QOQAM GFSK; p/2-DPSK p/4-DQPSK p/8-D8PSK
Длина кадра, мс 10 5 и 20 10 4,6 10
Примечание. Н/д - нет данных. * HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) - гибридная фазовая манипуляция (известная также как OCQPSK).
Таблица 4. Характеристики радиоинтерфейсов для IMT-2000
Аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) присвоена проекту DECT EP, который поступил от ETSI. Новый стандарт на микросотовую систему DECT предполагает применение комбинированного частотно-временного дуплексного разноса и предназначен для работы как в парных, так и в непарных полосах частот. В IMT-FT определены три значения скоростей передачи: 1,152; 2,304 и 3,456 Мбит/с, реализовать которые можно за счет введения новых методов модуляции p/2-DPSK, p/4-DQPSK и p/8-D8PSK соответственно.
Во второе партнерское объединение - 3GPP2 - входят Ассоциация промышленности связи TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC. Члены 3GPP2 являются сторонниками эволюционного развития двух технологий сотовой связи 2-го поколения TDMA (IS-136) и cdmaOne (IS-95), которые в настоящее время широко распространены в США.
Предложения от этого партнерства представлены двумя вариантами радиоинтерфейсов, получившими обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000 Single Carrier), см. табл. 3. Первый из них - IMT-MC - по сути представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи сигналов на нескольких несущих с частотным дуплексным разносом, предполагается работа в непарных полосах частот. Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на спецификациях проекта стандарта UWC-136; в нем определено поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при условии работы системы в парных полосах частот.
Структура радиоинтерфейсов для IMT-2000
Начальный этап внедрения сетей 3-го поколения планируется на 2002-2003 гг. По прогнозам, в это время общемировой рынок мобильной связи охватит 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 позволят в короткие сроки осуществить переход всех сетей мобильной связи к новым техническим стандартам и режимам обслуживания абонентов в развитых странах. Однако можно ожидать, что в некоторых регионах создание сетей 3-го поколения будет начато «с нуля».
Сегодня наиболее вероятно, что в странах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой переход к 3-му поколению будет происходить путем совершенствования существующих сетей и внедрения технологий предоставления новых услуг по мере появления спроса. Параллельно будут создаваться маленькие «островки» 3G-технологий (WCDMA и др.), которые станут расширяться с ростом числа абонентов.
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 внедрения новых технологий продлится не менее четырех лет (2002-2005 гг.), а совместное существование систем 2-го и 3-го поколений - примерно до 2010 г.
Никто не сомневается, что Япония и азиатские рынки станут первыми массовыми полигонами, где новые технологии будут испытаны уже к 2002 г., что, конечно, повлияет не только на структуру мирового рынка мобильной связи, но и, возможно, на сами стандарты.
FDD и TDD
В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Основа этих сценариев - режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологий IMT-2000 связана прежде всего с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных - для систем с временным дуплексным разносом (TDD).
Комбинированное использование этих двух режимов делает систему гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, а TDD, напротив, предназначен для работы в пико- и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.
Сравним характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD (табл. 5). У них, безусловно, много общего: одинакова чиповая скорость 3,84 Мчип/с (в базовом варианте), сходны принципы кодирования и демодуляции, идентичны и длины кадра и суперкадра. Последний параметр значительно упрощает процедуру совместимости режимов, а синхронизация по кадрам базовых станций обеспечивает быстрый поиск сот и эффективное распределение каналов.Показатель WCDMA FDD UTRA TDD
Диапазон частот, МГц 2110-2170 («вниз»); 1920-1980 («вверх») 1900-1920 («вниз»); 2010-2025 («вверх»)
Метод доступа DS-CDMA TD-CDMA
Полоса частот, МГц 2х5; 2х7,5; 2х15 5
Разнос между несущими, кГц 200 200
Чиповая скорость (базовая), Мчип/с 3,84 3,84
Синхронизации базовых станций Асинхронная (возможна синхронная) Синхронная
Схема поиска ячеек Трехэтапная процедура (первичный и вторичный SCH) Канал SCH (повторение N раз в течение 240 мс)
Коэффициент расширения (SF) 1-512 1-16
Модуляция в канале данных
«вниз» QPSK QPSK
«вверх» BPSK QPSK
Расширяющая модуляция
«вниз» QPSK QPSK
«вверх» QPSK или HPSK (OCQPSK) QPSK
Глубина перемежения, мс 10/20/40/80 10/20/40/80
Кадровая структура, мс 0,625 (КИ*), 10 (кадр) 720 (суперкадр) 0,625 (КИ), 10 (кадр) 720 (суперкадр)
Скорость передачи в канале управления мощностью, кбит/с 1,6 0,1-0,8
Точность управления мощностью, дБ 0,25-1,5 1-3
Максимальная излучаемая мощность (скорость 8 кбит/с, речь), дБм 24 27,2
Пропускная способность** в полосе 30 МГц, Эрл/МГц/сота 56,5/57,0**** 68,0/106****
Пропускная способность*** в полосе 30 МГц, Мбит/с/МГц/сота 0,657/0,753**** 0,846/0,452****
Максимальная дальность мобильной и базовой станций, км 5,787/4,475**** 6,041/5,279****
* КИ - канальный интервал. ** При передаче речи. *** При передаче данных со скоростью 144 кбит/с. **** Первая цифра соответствует линии «вниз», вторая - линии «верх».
Таблица 5. Сравнительные характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD
При дуплексной передаче с частотным разделением - FDD - число каналов в линиях «вниз» и «вверх», как правило, одинаково. А в режиме TDD двусторонняя радиосвязь обеспечивается за счет временного уплотнения каналов передачи и приема на одной несущей, что позволяет оптимально перераспределять ресурсы линии связи, выделяя различное число временных интервалов в линиях «вверх» и «вниз».
В европейском проекте UTRA изменение соотношения трафика в линиях «вверх» и «вниз» составляет от 15/1 до 2/14. Некоторое отличие в коэффициенте асимметрии обусловлено тем, что по крайней мере два канальных интервала должны быть выделены для служебных нужд в линии «вниз» (каналы синхронизации SCH) и один - в линии «вверх» (канал доступа RACH). Аналогичные решения будут приняты для режима TDD в других проектах наземных систем подвижной связи 3-го поколения.
Необходимость совместимости режимов TDD и FDD требует реализации простых и дешевых двухрежимных FDD/TDD-терминалов. Сегодня это возможно благодаря использованию одних и тех же микросхем как в двух-, так и в однорежимных радиотелефонах. При этом двухрежимное абонентское устройство FDD/TDD будет ненамного сложнее обычного FDD-терминала.
Протоколы верхнего уровня обрабатываются в режимах TDD и FDD идентичным образом. Кроме того, процедуры мультиплексирования и расширения кодов в каналах «вверх»/«вниз» этих режимов используют одинаковую управляющую информацию. Общие процедуры и одна и та же канальная структура позволяют говорить о совпадении основных свойств UTRA TDD и WCDMA FDD (набор протоколов верхних уровней, услуги для прикладных служб и др.).
Использование одной и той же частоты для линий «вверх» и «вниз» упрощает конструкцию адаптивных (интеллектуальных) антенн, приемопередатчиков и в целом оборудования базовых станций. Так как характеристики замираний в прямом и обратном каналах в значительной степени коррелированы, то для их компенсации используются одинаковые методы управления мощностью и адаптивными антеннами.
Таким образом, системы на базе WCDMA FDD и UTRA TDD дают возможность нескольким операторам совместно использовать одну и ту же полосу частот, без взаимных помех и снижения качества связи. Никакой частотной координации между операторами в этом случае не требуется. А гибкая сетевая архитектура обеспечивает создание сетей разной конфигурации (макро-, микро- и пикосоты) при экономном использовании радиоресурсов.
Базовые сети
Согласно концепции IMT-2000, система нового поколения подразделяется на две составные части: сети радиодоступа и магистральную базовую сеть. Подходы к их проектированию принципиально различны.
Эффективность сетей радиодоступа в значительной степени зависит от новизны технологий, которые в них используются. Смена поколений, как правило, означает и смену идеологии построения этих сетей. Магистральные сети более «инерционны». В них инвестированы значительные средства, которые операторы желают сохранить при переходе к 3-му поколению. Кроме того, существующие базовые сети не являются сдерживающим фактором для внедрения современных ЗG-услуг. Поэтому их инфраструктура будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN, что подтверждают и исследования, проведенные в рамках IMT-2000.
Сегодня в качестве магистральных предполагается использовать сеть, базирующуюся на IP-технологии, а также усовершенствованные опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые развернуты для наиболее развитых стандартов мобильной связи 2-го поколения - европейского GSM и североамериканских TDMA (IS-136) и CDMA (IS-95). Взаимодействие между тремя магистральными сетями - GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью - будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).
Стандартный модуль идентификации пользователя UIM (User Identity Module) обеспечит глобальный роуминг независимо от метода радиодоступа или типа транспортной сети в том или ином географическом регионе.
В настоящее время важнее всего дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим МСЭ считает необходимым начать разработки единого протокола NNI, обеспечивающего глобальный роуминг в рамках 3G-систем.
Транспортная сеть должна обеспечить межсетевое взаимодействие и «прозрачность» доступа к услугам независимо от местонахождения абонентов. Чтобы реализовать это требование на практике, предусматривается создание специального конвертора, или шлюза, IWG (Interwoking Gateway), который и будет поддерживать глобальный роуминг при любом протоколе радиодоступа.
* * *
Сегодня уже очевидно, что окончательному внедрению систем 3-го поколения будет предшествовать очень продолжительный период их совместного существования с системами 2-го поколения. Благодаря различиям в наборе и стоимости предоставляемых услуг новые технологии будут не конкурировать со старыми, а дополнять их.
Однако о предоставлении услуг массовому пользователю говорить еще рано. Основная причина - слишком высокая стоимость абонентского оборудования.
Несомненно также, что тарифы на новые услуги будут несоизмеримо выше, чем на традиционные, предоставляемые системами 2-го поколения. Это означает, что они будут востребованы лишь ограниченным контингентом потребителей. Поэтому глобального вытеснения старых технологий системами подвижной связи 3-го поколения пока не предвидится. Аналитики рынка считают, что процесс может занять 5-10 лет, а решающим фактором его ускорения станет востребованность услуг высокоскоростной передачи данных.
Леонид Невдяев (leonn@chat.ru) - ведущий научный сотрудник НИИТП.
Европа выбирает UMTS
Организация ETSI традиционно участвует в разработке систем сотовой связи для массового использования. На этот раз ее вкладом в создание систем 3-го поколения стала программа UMTS, базирующаяся на успешном опыте разработки и внедрения систем GSM и DECT.
В этой программе однозначно определено, что UMTS - это глобальная система, включающая как земные, так и спутниковые сети. Диапазон ее возможностей и областей применения необычайно широк. Она отличается от GSM и других систем 2-го поколения широким спектром услуг передачи речи с высоким качеством (сопоставимым с качеством при фиксированной связи) и мультимедиа при конкурентоспособных ценах на эти услуги. UMTS позволяет организовать полное взаимодействие с системами GSM и модификациями этого стандарта (GPRS и др.), что обеспечит сохранность инвестиций, сделанных в работающие сейчас сети.
В связи с тем что стандартизация UMTS в настоящее время происходит только в области выбора частотного диапазона и структуры радиоинтерфейса, различные компании предлагают самостоятельные технические решения.
В рамках ETSI было рассмотрено пять базовых концепций радиодоступа для систем 3-го поколения: -концепция (WB-CDMA), базирующаяся на FMA2 и предложениях ряда японских фирм, -концепция (OFDMA), -концепция (WB-CDMA), основанная на FMA1 без расширения спектра, d-концепция (WB-TD-CDMA) на основе FMA1 с использованием спектра расширения и j-концепция (ODMA), см. таблицу.
Основные характеристики радиодоступа систем на базе UMTSПоказатель WB-CDMA (концепция a) OFDMA (концепция b) WB-TDMA (концепция g) WB-TD-CDMA (концепция d) ODMA (концепция e)
Метод доступа DS-CDMA SFH-TDMA, OFDM TDMA TDMA/CDMA CDMA/TDMA
Разнос несущих 4,4-5,2 МГц (шаг 200 кГц) 100 кГц (24 несущие) 1,6 МГц 1,6 МГц 1 и 4 МГц
Скорость в радиоканале 4,096 Мчип/с 4,17 кбит/с 2,6 Мбит/с на несущую 2,1667 Мбит/с 0,8125 и 3,25 Мчип/с
Проведенное ETSI в начале 1998 г. голосование по выбору проекта среди стран Европы не позволило выявить абсолютного победителя. Установленный при голосовании порог принятия решений в 71% голосов ни одним из претендентов превышен не был. Но две технологии из пяти получили наибольшее признание: WB-CDMA для парных частотных полос и TD-CDMA для непарных полос. Они и легли в основу спецификации UTRA, представленной в МСЭ.
Услуги систем 3G
Принципиальное отличие технологии 3-го поколения от предыдущих - возможность обеспечить весь спектр современных услуг (передачу речи, работу в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов взаимодействие с приложениями Internet, симметричную и асимметричную передачу информации с высоким качеством связи) и в то же время гарантировать совместимость с существующими системами.
Говоря о системах 3-го поколения, услуги принято делить на две группы: немультимедийные (узкополосная передача речи, низкоскоростная передача данных, трафик сетей с коммутацией) и мультимедийные (асимметричные и интерактивные). Новым качеством этих систем является также то, что они позволяют компаниям-операторам самостоятельно разрабатывать приложения, функции и услуги, ориентируясь на требования конкретного региона и рост спроса на определенные услуги.
Изучение тенденций развития мультимедийной подвижной связи позволяет прогнозировать значительное увеличение числа ее пользователей. По данным UMTS-форума, из 200 млн абонентов Европы доля потребителей услуг связи 3-го поколения в 2005 г. составит 16% (32 млн). Что же касается объема мультимедийного трафика, то он уже в 2005 г. превысит 60%, при условии, что тарифы будут расти существенно медленнее, чем трафик.
Последние достижения в области видеоконференц-связи позволяют утверждать, что она получит широкое распространение в системах 3-го поколения. До недавнего времени этот вид услуг был характерен в основном для сетей ISDN, обеспечивающих скорость передачи 144 кбит/с (BRI) или (с использованием трех базовых каналов BRI) до 384 кбит/с.
Стремительный рост популярности Internet и бурное развитие мобильной связи позволяет говорить о слиянии в перспективе этих двух технологий. Сегодня спрос на видеконферец-связь начинает доминировать. Несмотря на ряд проблем, связанных с реализацией высокоскоростного доступа к Internet с мобильного терминала, можно прогнозировать, что со временем данная услуга станет одной из основных.
Анализ тенденций распределения трафика по регионам, проделанный МСЭ, показывает, что наибольший рост объема услуг спутниковых систем 3-го поколения ожидается в Северной и Южной Америке, Японии и Азии. Что же касается Европы, то здесь увеличение объема услуг спутниковой связи невелико по причине достижения хорошего покрытия наземными сетями сотовой связи, которые уже «опутали» практически всю Европу.
Услуги 3-го поколения включают сервис, предоставляемый технологией виртуальной домашней среды VHE (Virtual Home Environment). Ее основная идея состоит в переносе индивидуального набора услуг через границы сетей с одного сетевого терминала на другой. Совсем недавно эти услуги могли обеспечить только технологии фиксированной связи. Пользователь получает те же самые возможности, интерфейс и услуги независимо от того, какой сетью он пользуется в данный момент. Благодаря IMT-2000 станет возможной передача видеоизображений и мультимедийных данных в режиме реального времени, что позволит создать эффект присутствия для абонента, находящегося на большом удалении от места событий.
Однако мобильным абонентам рано радоваться: будучи связана со значительными технологическими трудностями, такая услуга обойдется недешево.
Прогнозы показывают, что определяющей тенденцией начавшегося процесса конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи станет слияние мобильной связи с другими технологиями. Сотовые телефоны с «электронным компасом» для определения местоположения вскоре станут незаменимыми помощниками автомобилистов. Но наибольших успехов следует ожидать в области электронной коммерции. Будет значительно расширен объем банковских услуг, получаемых непосредственно с помощью мобильного телефона. В их число войдут платные информационно-справочные услуги, различные виды электронных платежей (оплата авиабилетов, парковок) и банковских операций с портативных или мобильных сотовых телефонов, что превратит их фактически в «карманные банкоматы».
Методологические основы стандартизации IMT-2000
Глобальный характер услуги IMT-2000 могут приобрести только при реализации системы общих стандартов. Стандартизация семейства систем 3-го поколения IMT-2000 проводится под эгидой МСЭ по двум секторам: МСЭ-T (сетевые технологии) и МСЭ-R (радиотехнологии). Рабочие группы МСЭ-T занимаются концептуальными аспектами создания IMT-2000, сетевой архитектурой и протоколами (группа SG11), услугами, адресацией и маршрутизацией (SG2), а также мультимедийными услугами и кодеками (SG16). К МСЭ-R относятся группы SG8 (которая разрабатывает радиоинтерфейс для системы IMT-2000) и SG1 (отвечает за планирование частотных присвоений и эффективность использования спектра).
Разработка современных стандартов представляет собой трудоемкий и достаточно продолжительный процесс, а его востребованность на рынке во многом определяется умением разработчиков стандарта предвидеть перспективу.
Первый и наиболее важный этап - определение ключевых требований к новым технологиям и разработка необходимых методических рекомендаций, рассылаемых всем членам МСЭ. В рамках сектора МСЭ-R целевая группа SG8/1 разработала более 20 документов (см. таблицу), получивших статус международных методических рекомендаций (серия «M»). В них определены основные функционально-технические требования к проектам технологий будущего.
Методические рекомендации ITU-R, определяющие требования к 3G-системамНомер Название
M.687-1 Цели и задачи IMT-2000
M.687-2 Международная мобильная система связи IMT-2000 (концепция)
M.816 Виды услуг, поддерживаемых IMT-2000
M.817 Архитектура сети IMT-2000
M.818 Организация спутниковой связи в рамках IMT-2000
M.819-2 IMT-2000 для развивающихся стран
M.1034 Требования к радиоинтерфейсу для IMT-2000
M.1035 Требования к функционированию радиоинтерфейса IMT-2000 и его отдельных подсистем
M.1036 Частотный ресурс для IMT-2000 (1885-2025 и 2110-2200 МГц)
M.1078 Принципы обеспечения безопасности для IMT-2000
M.1079 Требования к передаче речи и данных в полосе речевого канала
M.1167 Требования к спутниковым компонентам для IMT-2000
M.1168 Требования к управлению для IMT-2000
M.1223 Оценка механизмов безопасности для IMT-2000
M.1224 Словарь терминов для IMT-2000
M.1225 Общая методология оценки радиотехнологий IMT-2000
M.1311 Структура модульного построения и унификация радиоподсистемы в рамках IMT-2000
M.1390 Методология оценки спектра для наземных компонентов IMT-2000
M.1391 Методология оценки спектра для спутниковых компонентов IMT-2000
IMT.HAPS Требования к платформам, размещаемым на большой высоте
IMT.RKEY Ключевые характеристики для радиоинтерфейсов IMT-2000
IMT.RSAT Требования к технологиям спутниковой связи IMT-2000
IMT.RSPC1 Спецификация радиоинтефейса для IMT-2000
IMT.RSPC2 Спецификация физического уровня радиоинтефейса для IMT-2000
IMT.RSPC3 Спецификация протоколов радиоинтерфейса для IMT-2000
IMT.RSPC4 Спецификация на мобильные станции и мобильные ЗС IMT-2000
IMT.RSPC5 Спецификация на базовые станции наземного сегмента IMT-2000
IMT.SPEC Требования к спектру для IMT-2000
IMT.TERM Основные технические и эксплуатационные требования для мобильных станций и мобильных ЗС при их использовании в составе системы IMT-2000
IMT.UNWANT Характеристики мешающих излучений от наземных радиоинтерфейсов системы IMT-2000
Примечание. Резолюции, номера которых начинаются с IMT, еще не утверждены.
Сформулированные рекомендации четко структурированы и охватывают все основные направления работ, проводимых МСЭ в рамках IMT-2000. Две ключевые - M.687 и M.1078 - определяют концепцию построения системы и принципы обеспечения безопасности. Другие - M.1034 и M.1035 - детализируют требования к радиоинтерфейсу и описывают его структуру. Требования к новым услугам задает рекомендация M.816, а к спутниковой связи - M.818 и М.1137.
Следующий шаг - непосредственная разработка стандартов и их гармонизация. Работы по оценке систем радиодоступа, представленных в МСЭ в качестве кандидатов в члены семейства IMT-2000, проводятся в соответствии с методологией, изложенной в рекомендации МСЭ-R M.1225. Целевая группа TG 8/1 соз